根瘤菌對(duì)煤矸石污染土壤中紫花苜蓿富集特征金屬的影響

趙芮芮,徐秀月*,王寧寧,趙滿滿,陳浩

(1.貴州師范學(xué)院 地理與資源學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550018;2.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院),重慶 401120)

工業(yè)革命以來(lái),人類活動(dòng)特別是對(duì)化石燃料的需求量也隨之增加,導(dǎo)致對(duì)煤炭的開采量也隨之加大,與此同時(shí)煤矸石的排放量也隨之增大。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,煤矸石的產(chǎn)量約占煤炭產(chǎn)量的10%,我國(guó)2020年煤矸石的總積累量已達(dá)70多億 t,煤矸石已經(jīng)成為我國(guó)積累量和年增長(zhǎng)量最大、占用土地最多的工業(yè)廢棄物[1]。針對(duì)礦區(qū)煤矸石造成的嚴(yán)重環(huán)境污染,特別是對(duì)周邊土壤造成的重金屬污染,國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者都給予高度重視,并采取了相應(yīng)的控制措施,但是傳統(tǒng)的煤矸石污染處理大多為末端治理技術(shù),由于煤矸石長(zhǎng)年累月的釋放,導(dǎo)致處理成本的逐年上漲,采用的末端處理方式多為物理法、化學(xué)法和生物法等[2],其修復(fù)過(guò)程容易造成二次污染,且對(duì)煤矸石及周圍的環(huán)境的生物多樣性造成不可逆轉(zhuǎn)的損害,因此積極研究煤矸石源頭控制技術(shù)是當(dāng)前嚴(yán)峻形勢(shì)下的迫切要求[3]。

植物修復(fù)以其價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境影響小、使用廣泛、操作簡(jiǎn)便、安全可靠、可美化環(huán)境、并可在生長(zhǎng)過(guò)程中減少土壤污染物等優(yōu)點(diǎn),從誕生的那刻起,就很快被各國(guó)學(xué)者所重視,并逐漸進(jìn)行深入研究[4-5]。盡管國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)植物修復(fù)進(jìn)行了大量的研究,但絕大多數(shù)的植物具有植株矮小、生長(zhǎng)速度較為緩慢且地域性強(qiáng)的特點(diǎn),造成了修得效率低、修復(fù)時(shí)間漫長(zhǎng)等缺點(diǎn),均成為制約植物修復(fù)技術(shù)的瓶頸問題。豆科植物紫花苜蓿具有生長(zhǎng)快、生物量大、根系發(fā)達(dá)且適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[6],被應(yīng)用于Cd[7-8]、Mo[9]污染土壤的修復(fù),根瘤菌與豆科植物共生不僅可為豆科植物提供氮素,而且還可以通過(guò)合成鐵載體和植物激素、溶解無(wú)機(jī)磷、降低乙烯水平與抑制植物病害等多種方式來(lái)促進(jìn)豆科植物的生長(zhǎng),增加其生物量[10]。根瘤菌可與豆科植物形成共生體系參與污染土壤 Hg[11]、Ni、Zn、Cu、Cd[12]的修復(fù),而對(duì)煤矸石污染土壤的修復(fù)卻未見報(bào)道?；诖?本研究采用溫室盆栽的試驗(yàn)方法,以煤矸石污染土壤為研究對(duì)象,探討不同比例根瘤菌的添加對(duì)煤矸石污染土壤中紫花苜蓿富集和轉(zhuǎn)移特征金屬能力進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),以期為煤炭開采和洗選地區(qū)煤矸石污染土壤的原位控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤采自貴州師范學(xué)院周邊田間土壤,采集0～20 cm的表層土樣,經(jīng)自然風(fēng)干,去除雜草、砂石等雜質(zhì)后研磨過(guò)2 mm的尼龍篩,裝袋備用;煤矸石來(lái)自貴州省清鎮(zhèn)市某矸石堆場(chǎng),土壤及煤矸石的理化性質(zhì)見表1。紫花苜蓿( Medicago sativa L.) 種子購(gòu)于網(wǎng)上農(nóng)資專賣店,根瘤菌購(gòu)于上海瑞楚生物科技有限公司。

表1 土壤及煤矸石理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2022年3～7月在貴州師范學(xué)院溫室大棚開展,本試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理組:CK:不添加根瘤菌的植物組;MR1:按質(zhì)量比添加0.5%根瘤菌的植物組;MR2:按質(zhì)量比添加1.5%根瘤菌的植物組;MR3:按質(zhì)量比添加3%根瘤菌的植物組,本試驗(yàn)每個(gè)處理組分別設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

供試土樣2 000 g與煤矸石500 g充分混合后置入塑料花盆中來(lái)模擬煤矸石污染土壤,并于室內(nèi)靜置一周,將不同比例的根瘤菌置入相應(yīng)處理組中,拌勻后加水至50%田間持水量,靜置過(guò)夜;紫花苜蓿種子經(jīng)75%的酒精浸泡30 s殺菌處理,并用去離子水沖洗干凈后,選取顆粒飽滿的種子播種于相應(yīng)花盆中,15 d以后進(jìn)行間苗,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨機(jī)交換花盆位置,并定期澆水,植物種植90 d后收獲。

1.3 樣品采集與分析

試驗(yàn)結(jié)束后將紫花苜蓿地上部分、地下部分分別用不銹鋼剪刀截取后用自來(lái)水洗凈,并用去離子水沖洗后,將植物放入烘箱中,105 ℃下殺青30 min后,75 ℃烘干至恒重。然后將植物粉碎后過(guò)100目(孔徑0.15 mm)篩,并裝入自封袋中備用,根際土壤樣品自然風(fēng)干后過(guò)100目(孔徑0.15 mm)篩備用。

煤矸石污染土壤的pH值按固液比1∶5(g∶mL)(干樣計(jì))加入純凈水后,pH計(jì)(PHSJ-3F型,上海雷克斯)進(jìn)行測(cè)定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法進(jìn)行測(cè)定;采用硝酸-氫氟酸-高氯酸高溫溶解土壤及植物樣品進(jìn)行消解,使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(iCAP RQ,賽默飛世)測(cè)定土壤中Mn、Cu、Zn、Pb和Cd,Fe采用(WFX-110,北京瑞利)進(jìn)行測(cè)定。

富集系數(shù)(BCF)= 紫花苜蓿地上部分特征金屬含量/土壤特征金屬含量

(1)

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)= 紫花苜蓿地上部分特征金屬含量/紫花苜蓿根部重金屬含量

(2)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用IBM SPSS statistics 19進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析,采用Origin 2023作圖。采用富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)對(duì)紫花苜蓿的富集能力及轉(zhuǎn)運(yùn)能力進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤矸石污染土壤pH值與有機(jī)質(zhì)的變化

各處理組中煤矸石污染土壤的pH值及有機(jī)質(zhì)變化如圖1所示,90 d實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,接種根瘤菌的各處理組中土壤pH值略有上升,CK處理組的pH值為6.47,MP1、MP2和MP3各處理組中土壤pH值分別為6.42,6.49和6.64,有研究表明[13],接種根瘤菌可以使?fàn)I養(yǎng)液pH值從4.8升至7.5左右,接種根瘤菌可以有效地緩減酸對(duì)植物的傷害,本研究中pH值增幅較小,可能是與根瘤菌在代謝過(guò)程中分泌有機(jī)酸等多種代謝產(chǎn)物有關(guān)[10],根瘤菌在代謝過(guò)程中通過(guò)分泌有機(jī)酸、氨基酸等來(lái)改變土壤的理化性質(zhì),并促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[14]。本試驗(yàn)中污染土壤中有機(jī)質(zhì)量隨根瘤菌的接種量增加而升高,CK處理組中有機(jī)質(zhì)含量為12.4 mg·kg-1,MP3處理組中有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到16.3 mg·kg-1,接種根瘤菌對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的增長(zhǎng)有一定的作用,且隨著接種量的增加,根際土壤中有機(jī)質(zhì)的含量有穩(wěn)步上升的趨勢(shì),這與前人的結(jié)果相似[15-16]。

圖1 土壤中pH值、有機(jī)質(zhì)的變化

2.2 根瘤菌對(duì)紫花苜蓿富集、遷移特征金屬的影響

2.2.1 根瘤菌對(duì)紫花苜蓿體內(nèi)特征金屬含量的影響

植物對(duì)重金屬的富集能力是生態(tài)修復(fù)的重要內(nèi)容,是評(píng)價(jià)植物富集各類重金屬能力的重要指標(biāo)。植物對(duì)重金屬的富集量與根際土壤的理化特征[17]、植物種類[18]及根際土壤重金屬含量有關(guān)[19]。該實(shí)驗(yàn)中各處理組紫花苜蓿對(duì)煤矸石污染土壤中特征金屬的富集量如圖2所示,接種根瘤菌會(huì)對(duì)紫花苜蓿體內(nèi)特征金屬的含量產(chǎn)生一定的影響。接種根瘤菌使紫花苜蓿地上部分和地下部分Fe的含量有一定量的增加,CK處理組中地下部分Fe含量為177.4 mg·kg-1,與CK處理組相比,MP1、MP2和MP3地上部分Fe含量分別提高6.6,10.1,38.4 mg·kg-1,地下部分Fe含量分別增加了3.9%,5.6%和21.9%,這可能是由于根瘤菌代謝過(guò)程中產(chǎn)生的一系列有機(jī)酸促進(jìn)了根際有效態(tài)Fe含量的增加,增強(qiáng)了根際土壤中Fe的活性,進(jìn)而使植物對(duì)Fe的富集量增加;紫花苜蓿地下Mn含量略有增加,與CK相比,MP3組中地下部分Mn含量增加17.1%,根瘤菌接種量為0.5%和1.5%時(shí)對(duì)紫花苜蓿地上部分Mn含量影響不明顯,當(dāng)根瘤菌接種量達(dá)到3%時(shí),植物地上部分Mn的含量有一定幅度的增加;各處理組中紫花苜蓿地上及地下部分Cu含量變化均有一定量的增加,當(dāng)根瘤菌接種量小于1.5%時(shí),紫花苜蓿地上部分Cu含量變化不明顯,當(dāng)根瘤菌接種量為3%時(shí),與CK相比,紫花苜蓿地上部分Cu的增加率達(dá)18.6%,地下部分Cu含量增加71.7%;根瘤菌與豆科植物共生可以迅速繁殖,有研究表明,一個(gè)根瘤菌不僅可以繁殖108細(xì)菌后代,其為植物提供一定的氮素,可以通過(guò)其分泌物促進(jìn)植物的生物以及對(duì)重金屬的積累[10]。MP3處理組中,紫花苜蓿地上部分及地下部分Zn、Cd、Pb含量明顯高于其他處理組,說(shuō)明只有根瘤菌的添加量達(dá)到一定比例時(shí),才會(huì)促進(jìn)紫花苜蓿體內(nèi)Zn、Cd、Pb含量的增加,這可能是由于接種一定量的根瘤菌可提高植物的生物量[6,20],使植物根系表面積增大,加大了植物根系與污染土壤的接觸范圍,同時(shí)根瘤菌也容易結(jié)合環(huán)境中的活性金屬陽(yáng)離子到其根系表面,進(jìn)一步促進(jìn)植物地下部分對(duì)重金屬的吸收和富集[21]。根瘤菌與紫花苜蓿共生能夠形成穩(wěn)定的互惠關(guān)系,紫花苜蓿為根瘤菌提供了必要的碳源及其他營(yíng)養(yǎng)元素,根瘤菌可以通過(guò)分泌物來(lái)促進(jìn)植物生長(zhǎng)物質(zhì),進(jìn)而使污染土壤的特征重金屬在植物體內(nèi)有不同幅度的增加。以上結(jié)果表明,接種根瘤菌會(huì)影響紫花苜蓿對(duì)污染土壤特征金屬的富集,但其富集量與根瘤菌接種量及重金屬的種類不同而不同。

圖2 不同處理組紫花苜蓿體內(nèi)特征金屬的含量

2.2.2 根瘤菌對(duì)紫花苜蓿富集、遷移重金屬的影響

植物對(duì)重金屬的富集系數(shù)是用來(lái)反映重金屬元素從土壤向植物體內(nèi)遷移的難易程度,轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是植物地上部分或者植物莖葉部分重金屬含量與植物根系重金屬含量的比值,說(shuō)明植物地上部分或莖葉部分對(duì)重金屬元素的吸收能力的差異。根據(jù)上述公式(1) (2),將不同處理組中紫花苜蓿及污染土壤中特征金屬含量進(jìn)行計(jì)算,分別得到不同處理組中特征金屬在植物地上部分、地下部分的生物富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù),計(jì)算結(jié)果如表2所示。根瘤菌對(duì)紫花苜蓿富集特征金屬的富集系數(shù)有一定影響,不同處理組中紫花苜蓿對(duì)于污染土壤中6 種特征金屬的生物富集系數(shù)差異比較大,大小順序是Cd>Mn>Pb>Zn>Cu>Fe,其中Cd 的生物富集系數(shù)最大,MP2處理組中,植物地上部分對(duì)Cd的富集系數(shù)為0.509 1,其次為Mn,其余4種重金屬的生物富集系數(shù)均小于0.1,其中最小的為Fe,各處理組中紫花苜蓿地上及地下對(duì)Fe的富集系數(shù)均小于0.01,可能是紫花苜蓿會(huì)通過(guò)自身排斥機(jī)制來(lái)抑制其對(duì)各特征金屬的富集和遷移[18],由此可知,紫花苜蓿對(duì)Cd富集能力較強(qiáng)。根瘤菌對(duì)紫花苜蓿轉(zhuǎn)運(yùn)特征金屬具有一定的影響,紫花苜蓿體內(nèi),6種重金屬元素轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的差異性較大,不同處理組中紫花苜蓿對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1,說(shuō)明紫花苜蓿能較容易地將Cd從地下部分向地上部分進(jìn)行轉(zhuǎn)移,紫花苜蓿對(duì)Cd具有較強(qiáng)的植物提取能力。

3 結(jié)論

(1)根瘤菌的添加使煤矸石污染土壤的pH值及有機(jī)質(zhì)含量升高,根瘤菌促進(jìn)紫花苜蓿地上及地下部分Fe含量的增加,根瘤菌添加量小于1.5%時(shí),根瘤菌對(duì)紫花苜蓿體內(nèi)Mn、Cu、Zn、Pb和Cd的含量無(wú)顯著影響,當(dāng)添加量達(dá)到3%時(shí),紫花苜蓿體內(nèi)Mn、Cu、Zn、Pb和Cd均有一定幅度的增加。

(2)根瘤菌對(duì)紫花苜蓿的生物富集系數(shù)產(chǎn)生一定的影響,紫花苜蓿體內(nèi)Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Cd等6種特征金屬的生物富集系數(shù)整體趨勢(shì)與紫花苜蓿體內(nèi)地上、地下兩部分的變化趨勢(shì)基本一致。各處理組中紫花苜蓿對(duì)Cd的富集能力較強(qiáng),其次為Mn。各處理組中紫花苜蓿對(duì)Fe、Mn、Cu、Zn和Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)差異性較小,不同處理組對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于其他特征金屬,說(shuō)明根瘤菌與紫花苜蓿共生在煤矸石污染土壤的修復(fù)中具有較大潛力,特別是對(duì)Cd具有較強(qiáng)的植物提取能力。