AM真菌辅助植物对河道沉积物重金属的修复

李亚男,白 玫,李亚子,王国英,岳秀萍

(太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024)

AM真菌辅助植物对河道沉积物重金属的修复

李亚男,白 玫,李亚子,王国英,岳秀萍

(太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024)

针对华北某市排污河道疏浚底泥外运处置的重金属污染问题,采用自然条件下的盆栽试验,研究AM真菌辅助黑麦草对疏浚底泥中重金属的修复。结果表明,种植黑麦草后,供试底泥中锌、铅、镉的含量有效降低了。其中,锌的减少量最多,但接种AM真菌对沉积物样品中锌的降解率提高较少,而对根际底泥中铅和镉含量的降低起了显著促进作用。黑麦草体内对锌的累积最多,但接种AM真菌对黑麦草体内累积锌总量的影响不太显著,只是促进了锌在黑麦草体内由地下向地上部分的运移。接种AM真菌能显著提高黑麦草对铅和镉的吸收和累积,尤其是能大大促进黑麦草地上部分对这两种重金属的累积。接种AM真菌还增加了黑麦草根际土壤菌群的多样性,并使黑麦草叶片结构变得纹理清晰。

河道底泥;黑麦草;植物修复;AM真菌;重金属

排污河道长期接纳污、废水,其疏浚底泥的体积大、含水量高、且含有大量的重金属、有机物等污染物。华北某市对其市内排污河道疏浚底泥首先进行了就近堆置处理,以蒸发底泥水分,减少底泥体积,从而减少运输费用,然后将其外运进行进一步处置。河道底泥的异位修复有物理、化学、植物、微生物等方法。其中,植物修复可利用植物对污染物的富集、吸附、分解作用来净化污染底泥,具有操作简便、修复成本低、对环境影响小等特点[1-2]。但是,植物修复中用于修复的植物生长缓慢且受季节限制性强,修复效率不高,因此,目前的研究主要集中在采取各种辅助措施来提高植物修复的效率上。

研究证明,菌根真菌不仅自身具有耐重金属毒害的能力,还可提高植物对金属的耐性,利于植物的生长[3-5]。因此,本试验针对华北某市排污河道疏浚底泥外运处置的重金属污染问题,采用自然条件下的盆栽试验,通过接种菌根真菌来研究黑麦草对排污河道疏浚底泥中重金属的修复效果,以期为该市外运的疏浚底泥的进一步处置提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1) 供试底泥采自北方某市DG排污河道疏浚底泥,该排污河道常年接纳市内工业废水和生活污水,重金属污染较为严重。供试底泥的部分理化性质为:pH=7.8;有机质的质量分数31.2%;全氮0.46%;全磷0.35%;镉质量比13.5～14.2 mg/kg;锌质量比2 708～3 200 mg/kg;铅的质量比260～280 mg/kg。将底泥和无污染河沙置于阴凉、通风处晾干,剔除粗杂质,过2 mm筛,按底泥∶河沙质量比为1∶1配比混合均匀,灭菌,待用。

2) 供试植株选用多年生黑麦草。

3) 供试丛枝菌根AM真菌(Arbuscular mycorrhizae)菌种为Glomus mosseae,经三叶草繁殖4个月后制成菌丝体、孢子、侵染根段的混合接种物。

1.2 试验方法

1.2.1 盆栽试验

将灭菌后的底泥、河沙混合物[6]装入经甲醛消毒的0.7 m×0.5 m×0.4 m的PVC 箱中,箱底设通气孔。设定两个处理组,处理组一为单纯植物修复(仅含底泥污染物),处理组二为接种菌根真菌的菌根真菌辅助植物修复(含底泥污染物和AM真菌接种剂)。每个处理组设3个重复。将AM菌根接种物与底泥混合物混匀,用去离子水(质量分数)调至30%～60%。

将黑麦草种子在双氧水中浸泡10 min进行表面消毒,种子播种行距为15 cm。待苗出齐后定苗,种植90 d后收获,采集黑麦草根际附近沉积物、黑麦草叶片等样品进行种植前后沉积物Zn，Pb，Cd总量,种植后黑麦草地上、地下部分Zn，Pb，Cd总量,种植后黑麦草根际土壤微生物和黑麦草叶片组织形貌的分析。

1.2.2 分析方法

重金属总量的测定:重金属总量的预处理采用盐酸-氢氟酸高-氯酸消煮法,测定采用火焰原子吸收分光光度计(AAS,WFX-110B,北京瑞利,北京)。

底泥根际环境及植物组织分析:采集底泥中黑麦草根际沉积物样品和黑麦草叶片样品,采用冷冻干燥仪对试验样品进行干燥,通过扫描电子显微镜(X-650,Hitachi,Japan)获取种植前后底泥中黑麦草根际微生物及黑麦草叶片组织形貌图片。

2 结果与分析

2.1 种植前后底泥中重金属含量的变化

根据《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中的三级标准,当Zn，Cd，Pb的土壤质量分数分别超过临界值500，1.0，500 mg/kg时,会影响到植物的正常生长[7]。而供试底泥中Zn含量超过临界值5倍以上,Cd含量超过临界值10倍以上,因此,Zn和Cd可能会影响植物对底泥中重金属的累积和吸收。

图1为种植前后,不同处理下黑麦草根际附近底泥中Zn，Cd，Pb的总量变化情况。图中,“P”代表单纯种植植物时的处理组一;“P+A”代表接种AM菌根的菌根真菌辅助植物修复的处理组二。

由图1可知,两种处理下,供试底泥中Zn，Pb，Cd总量均有所减少,其中,Zn的质量分数减少最多,减少量约为1 280.4～1 502.1 mg/kg。但接种AM真菌对沉积物样品中Zn的降解率提高较少,而对Pb和Cd的降解率提高较多。其中,Pb的降解率(质量分数)从处理组一的14%提高到处理组二的25%,Cd的降解率从处理组一的12%提高到处理组二的25%。可见,接种AM真菌对根际底泥中Pb,Cd含量的降低起了显著促进作用。接种AM真菌后,黑麦草可能会吸收和累积更多的Pb和Cd。

图1 种植前后底泥中重金属含量的变化

从植物生长状况来看,处理组一中由于Zn和Cd对植物的毒害作用,黑麦草生长缓慢,地上部分植物量较少,而在接种AM真菌的处理下,黑麦草生长旺盛,地上部分植物量较多。另,接种AM真菌也不会对土壤造成二次污染。因此,该方法具有较好的应用和实用前景。

2.2 黑麦草对底泥中重金属的吸收

图2为种植末期黑麦草不同部位对Zn,Pb,Cd的累积情况。可见,在两种处理组下,黑麦草根和叶片对这三种重金属都有一定的累积,且对不同重金属的积累程度有所不同。

黑麦草对Zn的累积最多,两个处理组黑麦草累积Zn的百分比较为接近。在处理组一中,黑麦草地下部分对Zn的累积量约为其地上部分累积量的2倍多,而在处理组二中,地上部分和地下部分对Zn的累积量非常接近,约为供试底泥Zn总量的23%。这说明,接种AM真菌虽然对植物体内累积Zn总量的影响不太显著,但AM真菌可能起了一定的解毒作用,促进了Zn在植物体内由地下向地上部分的运移。

处理组二下黑麦草对Cd和Pb累积的百分比约为处理组一的2倍。其中,地上部分累积Cd和Pb含量差距较大,处理组二分别约是处理组一的5倍(Cd)和8倍(Pb)。处理组一和处理组二中,黑麦草地下部分累积Cd质量分数分别约为底泥Cd总量的8%和10%,黑麦草地下部分累积Pb质量分数分别约为底泥Pb总量的10%和8%,这表明,接种AM真菌能明显帮助降低Cd对植物的毒害,使Cd在黑麦草体内累积量大大增加,并使得Cd从黑麦草根部向叶片方向运移。AM真菌也能促进黑麦草对Pb的吸收和积累,而且在铅向黑麦草地上部分运移过程中,AM真菌发挥了较大的的辅助修复作用。这些均与2.1的结论相符。

图2 黑麦草不同部位吸收重金属情况

2.3 种植前后底泥中根际环境的变化

图3为两种处理下种植黑麦草前后底泥中根际环境的变化情况。可见,单纯种植黑麦草(处理组一)时,黑麦草根际附近底泥中微生物以球菌为主,而接种AM真菌后,黑麦草根际附近底泥出现了非常明显的AM菌丝特征,同时还发现了一些球菌和类似杆菌的微生物。这说明,AM真菌确实在处理组二中发挥了作用,并且接种AM真菌增加了黑麦草根际土壤菌群的多样性。

2.4 种植前后植物组织的变化

图4为两种处理下种植前后黑麦草叶片组织的变化情况。可见,与处理组一相比,有AM真菌参与的植物修复方式下,黑麦草叶片结构变得纹理清晰。这主要是因为,接种AM真菌促进了重金属从地下向地上部分的运移,重金属的毒性慢慢渗入黑麦草叶片中,表现出清晰的纹理特征。

图3 种植黑麦草前后底泥中根际环境的变化情况(a为处理组一,b为处理组二)

图4 接种AM真菌后黑麦草叶片组织的变化情况(a为处理组一,b为处理组二)

3 结论

1) 处理组一和处理组二均使供试底泥中Zn,Pb,Cd含量有效降低,其中,Zn的减少量最多,但接种AM真菌对沉积物样品中Zn的降解率提高较少,对Pb和Cd的降解率提高较多,说明接种AM真菌对根际底泥中Pb,Cd含量的降低起了显著促进作用。

2) 黑麦草对Zn的累积最多,但接种AM真菌对黑麦草体内累积Zn总量的影响不太显著。接种AM真菌使得黑麦草地上部分和地下部分累积Zn的百分比趋于一致,说明AM真菌可能起了一定的解毒作用,促进了Zn在植物体内由地下向地上部分的运移。

3) 接种AM真菌能显著提高黑麦草对Pb和Cd的吸收和累积,尤其是能大大促进黑麦草地上部分对这两种重金属的累积。这表明,接种AM真菌能帮助降低Cd对植物的毒害,并且在Cd和Pb从黑麦草根部向叶片方向运移的过程中,发挥了较大的辅助修复作用。

4) 接种AM真菌增加了黑麦草根际土壤菌群的多样性,并使黑麦草叶片结构变得纹理清晰。

[1] 李红霞,赵新华,马伟芳.植物对河道污染沉积物中重金属的修复[J].中北大学学报:自然科学版,2010,2(31):145-149.

[2] 张蕾,李红霞,马伟芳,等.黑麦草对复合污染河道疏浚底泥修复的研究[J].农业环境科学学报,2006,25(1):107-112.

[3] Maria SD,Rivelli AR,Kuffner M,et al.Interactions between accumulation of trace elements and acronutrients in Salix caprea after inoculation with rhizosphere microorganisms [J].Chemospere,2011,84:1256-1261.

[4] Rufyikiri G,Declerck S,Thiry Y.Comparison of233U and33P uptake and translocation by the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices in root organ culture conditions [J].Mycorrhiza,2004,14(3):203-207.

[5] Chen BD,Li XL,Tao HQ.The role of arbuscular mycorrhiza in zinc uptake by red clover growing in a calcareous soil spiked with various quantities of zinc [J].Chemospere,2003,50(6):839-846.

[6] 穆巧梅,贺学礼,王蒙.不同宿主植物对井陉矿区AM真菌繁殖的影响[J].河南农业科学,2013,42(4):85-88.

[7] 国家环境保护局,国家技术监督局.GB 15618—1995土壤环境质量标准[S].1995.

(编辑：贾丽红)

Phytoremediation of Heavy Metal in River Sediment After Inoculation with AM Fungi

LI Yanan,BAI Mei,LI Yazi,WANG Guoying,YUE Xiuping

(CollegeofEnvironmentScienceandTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Pot experiment in natural environment was conducted to study the assistant mechanism of adding arbuscular myeorrhizal (AM) fungi to improve phytoremediation efficiency.Lolium multiflorum Lam was selected to degrade heavy metal contamination in the dredged sediment of urban sewage river.The results show that the concentration of zinc,lead and cadmium (Zn,Pb and Cd) in sediment all decreased after phytoremediation,and the amount of Zn decreased the most of all.However,the degradation of Zn was not increased as much as that of Pb and Cd after inoculation of AM fungi.The plant accumulated much more amount of Zn than that of Pb and Cd,but AM fungi just heled promote the migration of Zn from root to shoot of the plant.AM fungi significantly improved the uptake and accumulation of Pb and Cd in the plant,especially the accumulation of those two metals in the shoot of the plant.Besides,AM fungi also increased the rhizosphere soil microbial diversity,and made the leaf of the plant have clearer texture.

river sediment;Lolium multiflorum Lam;arbuscular mycorrhizal fungi; heavy metal

2014-06-25

山西省留学回国人员科技活动择优资助项目(143140108-S);山西省科技攻关项目(20120311008-1);太原理工大学校基金(2013Z007)

李亚男(1983-),女,山西吕梁人,博士,讲师,主要从事环境污染控制和生物修复技术研究,(Tel)18636658360

1007-9432(2015)01-0100-04

X5

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.020