重金属污染区植物富集重金属效应及根际微生物和土壤酶特性分析

1、重金属污染区植物富集重金属效应及根际微生物和土壤酶特性分析摘要：本文对重金属污染区植物富集重金属特征以及根际微生物的特性、土壤酶活性等进行了研究分析。结果表明，富集系数大的植物能从污染土壤中吸收和转运重金属，重金属大部分分布在植物的地上部，有较高的地上部/根部的含量比；在重金属污染条件下，微生物呼吸速率增加，代谢商增大；土壤酶活性随着重金属污染程度的加剧而显著降低。关键词：重金属污染，超积累植物，根际微生物，土壤酶活性Abstract: The characteristics of the enrichment of heavy metals by plants, rhizosphere mi

2、croorganism, and the enzyme activity in soil were analyzed in this paper. It turned out that, heavy metals in the soil can be absorbed and transferred by the vegetation with big enrichment coefficients, making most of heavy metals spread in aboveground parts of plants, and making the value of conten

3、t in aboveground parts/ content in underground parts very high. Soil base respiration and soil microbial metabolic quotient increased under heavy metal contamination conditions and the activity of the soil enzyme decreased markedly as the degree of the heavy metal contamination intensified. Keywords

4、: heavy metal contamination, hyper accumulator, rhizosphere microorganism, soil enzyme activity前言矿产资源开采是迄今最大规模改变地球表面景观和破坏地表生态系统的有组织的人类活动，矿冶周边地区的土壤产生了严重的重金属污染。土壤一旦被重金属污染，将使农作物的产量降低、农产品的品质下降同时也使地下水受到污染，并通过食物链影响人类的生活和健康；植物修复技术以其潜在的高效性、低成本、易操作以及与环境生态相协调等优势具有巨大的应用前景1，成为学术届研究的热点。但其在实施过程中也存在不少问题，如土壤重金属的生物有

5、效性低，不利于植物对重金属的吸收和清除；超积累植物通常生长缓慢、生物量小等，这些缺点严重影响了植物修复的效率。 土壤微生物作为土壤中物质转化的重要驱动者，不仅参与矿区废弃地土壤的生物化学作用，影响植被生长发育及其土壤改良的状况，其分布与活动更反映了土壤各因素如 pH、重金属对微生物的影响和作用。土壤微生物功能多样性是土壤功能的保证，同时也是恢复土壤功能的基础2，3。植物修复效率的提高依赖于土壤、重金属、根际微生物和植物本身之间的相互作用。植物根部能够跟大量不同微生物相互作用，这些相互作用构成了植物修复程度的主要决定因素4 。因此，利用植物和微生物相互作用来修复重金属污染的土壤是个值得考虑的策略

6、。1.植物对重金属的积累根据植物对重金属的吸收、转运和积累特性将植物分为3类:积累型、指示型(敏感型)和排斥型(耐受型)。 重金属积累植物能吸收并积累大量重金属于植 物地上部，通过细胞壁固定、有机复合物结合及液泡的分隔作用而使重金属的毒性下降5。重金属胁迫跟其它胁迫一样也能引起植物体内产生大量的活性氧、自由基，而导致植物氧化胁迫伤害，受重金属胁迫的植物同样也可以通过体内抗氧化系统即抗氧化酶SOD、POD、CAT，、APX、 GR和抗氧化物质VE、Vc、AsA、Car、GSH、Cys、Pro清除活性氧和自由基，重金属胁迫下，抗氧化系统清除活性氧能力的高低直接与植物对重金属的耐性有关6。 1.1超

7、积累植物重金属超积累植物(hyperaccurnulator)是指能够超量吸收和积累重金属的植物。它的发现不仅使植物修复成为现实而且充分显示了植物修复的优势。超积累植物能从污染土壤中吸收和转运重金属，将重金属浓缩到植物的地上部，这样不仅减少了土壤中的重金属，而且还可以通过收获地上部回收重金属，起到一举多得的成效。富集系数( Bioaccumulation coefficient ,BC) 是指植物体内某种重金属含量与土壤中该种重金属含量的比值，它反映了植物对某种重金属元素的富集能力。富集系数越大，其富集能力越强。尤其是植物地上部富集系数越大，越有利于植物提取修复，因此，植物地上部富集系数大于

8、1 是超积累植物区别于普通植物对重金属积累的一个重要特征。 到现在己发现的超积累植物约400多种，分别属于40多个属，其中以芥属和豆属最多，这些植物分别是Ni、Se、Cd、Cr、As、Co、Cu、Zn及Mn的超富集体，大多是国外发现的超积累植物。我国科学家陈同斌等7首次报道在中国境内发现砷的超积累植物娱蛤草(Pteris vittata L.)，其羽叶含砷量高达 5070mg Kg-1。韦朝阳8等发现另一种砷超积累植物大叶井口边草(Pteris cretica)，其地上部含砷量可达418-694 mg Kg-1，富集系数为1.3-4.8。刘威等9发现超积累植物宝山菫菜(Viola baosha

9、nensis)，自然条件下其叶片福含量变化范围为465-2310mg Kg-1。表1列举了一些典型的重金属超积累植物及其最大的重金属含量。超积累植物的特征主要表现在以下几个方面:首先，超积累植物体内的某一重金属元素的浓度大于一定的临界值，富集系数(植物体重金属浓度/土壤重金属浓度)1.0-100之间并对重金属具有特殊的吸收和积累能力。其次，超积累植物吸收的重金属大部分分布在植物的地上部，有较高的地上部/根部的含量比。再次，超积累植物能忍耐高浓度的重金属，而本身不发生重金属毒害现象，同时还有耐贫瘠、耐干旱等多种特征。1.1.1超积累植物重金属由根向地上部的运输机理金属离子进入根的质外体后，部分被

10、转运到细胞内，部分结合到细胞壁，还有一部分继续在质外体转移。重金属通过根表面转运到维管组织，主要依靠根表皮和皮层 的连续性。根毛细胞及皮层细胞内的重金属必需通过根内皮层到达木质部，内皮层细胞和其壁上的凯氏带在金属转运到维管系统的过程中起屏障作用。重金属从根部向地上部运输，首先得由重金属转运蛋白将其转运至木质部的共质体10，该过程可能受蒸腾拉力驱动(Salt等，1995)。1.1.2重金属超量积累植物积累重金属的机理植物根系有着巨大的表面积，有利于吸收土壤中的营养物质，同时也会吸收有毒的重金属。重金属离子一旦被植物吸收并转运到地上部，它们就会被贮存在特定的部位，以避免危害细胞的生命活动。金属转运

11、蛋白和金属结合蛋白在重金属的区域化分布中起关键作用。有毒的金属离子还可以与有机酸、氨基酸、谷胱甘肽、多糖或富含半胱氨酸的多肽如植物鳌合肽和金属硫蛋白鳌合，然后转移至液泡或其它等部位以便长期隔离贮存，从而避免影响细胞的正常代谢。 表1 一些典型的重金属超积累植物及其相应重金属的最大含量(mg kg-1)Tab.1 Several hyperaccumulators maximum contents of heavy metal in their shoots(mg Kg-1)2.根际微生物的作用2.1根际微生物对重金属生物有效性的影响土壤中重金属低的生物有效性是植物修复的主要限制因素。土壤中接种

12、根际微生物，其生物强化可以增加金属的最有效形态浓度，提高金属的生物有效性。重金属的生物有效性和植物对土壤重金属的吸收受到土壤中重金属的含量、pH 值、氧化还原电势、有机物和根际环境等其他因素的影响。根际微生物可以通过分泌生物表面活性剂, 有机酸、氨基酸和酶等来提高根际环境中重金属的生物有效性，在一定程度上改善了土壤的理化性质，促进植物根系对重金属的吸收和积累11。根际微生物能够通过催化金属的氧化还原来改变土壤金属生物有效性12。例如,催化高移动性Cr6+ 还原成移动性差和毒性小的Cr3+,诱导其他毒性重金属离子包括 Pb2+, Hg2+, A u3+, Te4+,Ag+ 和 SeO4- 等的化

13、学形态转换13 。2.2根际微生物对植物吸收重金属的作用某些微生物如植物根际促生细菌( PGPR) 、菌根真菌等能分泌植物激素促进植物旺盛生长，增加植物生物量，提高重金属的积累量。还有一些微生物能够产生铁载体提高植物抗逆性，促进植物生长，从而提高重金属富集效率14。3.重金属污染区根际微生物的特性通常情况下，重金属污染对微生物有两种效应: 一是不适应生长的微生物种类数量的减少或灭绝; 二是适应生长的微生物种类数量增大与优势化，进而导致微生物种群和群落的分布发生改变15，16。3.1根际微生物数量特性土壤微生物的数量分布, 不仅可以敏感地反映土壤环境质量的变化, 而且亦是土壤生物活性的具体体现。

14、孙瑞波等5的研究发现重金属污染区土壤可培养细菌数量范围为1. 23 × 107- 8. 37 × 107 CFU g-1，铅抗性细菌数量范围也达0. 18 × 107- 3. 82 × 107 CFU g-1 ，植物根际土壤细菌和Pb 抗性细菌数量均显著大于无植物生长土壤的细菌数量，可知植物根际具有明显的根际效应，植物根系的代谢活动有助于细菌的生长繁殖。推测其在根系分泌物作用下, 不断地向土壤中提供了土壤微生物生长所需的碳源和能源物质, 从而促进了根际微生物的生长和活性。该研究显示，茼草根际可培养细菌数量和 Pb 抗性细菌数量均高于其他植物细菌数量，可见

15、重金属污染条件下土壤细菌总量并没有减少，反而随着土壤 Zn、Pb 和Cd 总量增加，可培养细菌和 Pb 抗性细菌数量增加，可能成为优势种群。3.2根际微生物微生物量碳的特性土壤微生物生物量碳是衡量微生物活性和数量的指标之一。李廷强等17的研究表明，根际土壤的微生物生物量碳均明显高于非根际，这与土壤微生物群落数量结果一致。主要是由于在植物的参与下，微生物可以从根系分泌物中获得更多的碳、氮等营养物质，促进了根区土壤中微生物生物量的增加。同时, 在矿山土壤和重污染土壤中，超积累植物根际微生物生物量碳分别是非根际的3.7倍和4.0倍，而非超积累生态型根际微生物生物量碳分别是非根际的1.8倍和1.9倍。

16、和非根际比较，超积累植物根际微生物量碳增加的量显著高于非超积累植物，这进一步表明，超积累植物根系对维持和提高根际微生物的数量和活性具有重要作用。3.3根际土壤基础呼吸和代谢商特性土壤微生物的呼吸作用在一定程度上可以衡量根际微生物的活性。在长期受重金属胁迫的土壤中，土壤基础呼吸作用因土壤类型、植被种类和环境条件的不同而表现出不同的情形18。一般是根际土壤基础呼吸速率都大于非根际在矿山土壤和重污染土壤中， 非超积累植物的根际土壤基础呼吸速率比超积累植物的根际的呼吸速率高39.8%和69.2% 。土壤呼吸速率的增加被认为是微生物对逆境的一种反应机理19， 研究结果表明在土壤重金属的胁迫下，非超积累植

17、物的根圈土壤中微生物活性下降，微生物需要消耗更多的能量以维持机体的正常新陈代谢，而超积累植物的根圈土壤微生物具有较高的活性。土壤微生物代谢商(qCO2) 是土壤基础呼吸强度与微生物生物量碳的比值( Rmic/ Cmic ) ，即单位微生物量在单位时间的呼吸作用，可以用来指示土壤重金属污染对微生物的影响程度。一般情况下，土壤遭受重金属污染后，微生物代谢商增加。和土壤基础呼吸相似，在矿山土壤和重污染土壤中，非超积累植物根际和非根际土壤代谢商明显高于轻污染土，表明土壤微生物受到的重金属胁迫更大。超积累植物的非根际土壤微生物代谢商差异显著，而根际变化不大，这说明在矿山土壤和重污染土壤中，根际微生物受到

18、的胁迫与轻污染土差异不大，超积累植物根际微生物对重金属胁迫适应性强。4.重金属污染区酶活性的特性土壤酶是土壤有机体的代谢动力，在物质循环和能量流动方面扮演重要的角色。有研究表明，土壤酶活性的大小与重金属污染程度存在一定的负相关性20。脲酶能酶促有机质分子中肽键的水解，通常情况下土壤脲酶活性与土壤微生物数量、有机质含量等呈正相关，可以表征土壤的氮素状况。转化酶活性与土壤中腐殖质、水溶性有机质的含量以及微生物数量及其活动呈正相 关，通 常 表 征 土 壤 的 熟 化 程 度 和 肥 力 水平21。滕应等22矿区脲酶和转化酶的活性随着重金属污染程度的加剧而显著降低,与非矿区土壤相比，离尾矿中心区距离

19、越近，相应的表观酶活性则越低。但张玲等23研究发现铅锌废矿区土壤中与土壤碳循环有关的酶受重金属胁迫较小，与土壤氮、磷等循环有关的酶受重金属胁迫作用显著。土壤酶活性与土壤中活性微生物是相联系的，在植物根际环境中，植物根系分泌物为微生物生长繁殖提供了碳源和能源，有利于微生物的生长繁殖，使得植物根际土壤酶活性较高，土壤肥力增加，从而可能促进植物生长及其对重金属的吸收和向上运输。参考文献：1 仇荣亮,仇浩,雷梅,等.矿山及周边地区多金属污染土壤修复研究进展J.农业环境科学学报,2009,28( 6) :1085-1091.2 滕应,黄昌勇,骆永明,等.铅锌银尾矿区土壤微生物活性及其群落功能多样性研究J

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