环境科学  2016, Vol. 37 Issue (8): 3208-3215   PDF    
不同磷水平下丛枝菌根真菌对纳米氧化锌生物效应的影响
景新新1 , 苏志忠1 , 邢红恩1 , 王发园1 , 石兆勇1 , 刘雪琴2     
1. 河南科技大学农学院, 洛阳 471003;
2. 洛阳师范学院生命科学学院, 洛阳 471022
摘要: 纳米ZnO颗粒是应用最为广泛金属型纳米颗粒(nanoparticles,NPs)之一,对作物和土壤微生物的影响值得关注.丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal,AM)是自然界中普遍存在的植物-真菌共生体,对各种环境胁迫具有一定的抵御能力,但菌根效应受土壤和植物磷含量的影响.分别设置0、20、50、100 mg·kg-1这4个磷水平,在接种或不接种AM真菌Funneliformis mosseae、添加或不添加纳米ZnO(500 mg·kg-1)条件下在温室中利用玉米进行土壤盆栽试验.结果表明,纳米ZnO没有显著影响玉米生长,但不利于菌根侵染和磷素吸收,并引起锌在植物体内的积累.纳米ZnO和高磷降低玉米菌根侵染,但AM真菌在所有磷水平下均显著促进植物生长.施磷和接菌均可使土壤pH升高、降低纳米ZnO源锌的生物有效性,从而降低锌向玉米地上部分的转运和积累,体现出一定保护作用.接菌在多数情况下显示出积极的菌根效应,尤其在低磷、添加纳米ZnO条件下更为显著.结果首次表明,AM真菌、磷肥均有助于减轻纳米ZnO引起的土壤污染及其所产生的生态和健康风险.
关键词: 纳米氧化锌      丛枝菌根           玉米      植物毒性     
Biological Effects of ZnO Nanoparticles as Influenced by Arbuscular Mycorrhizal Inoculation and Phosphorus Fertilization
JING Xin-xin1 , SU Zhi-zhong1 , XING Hong-en1 , WANG Fa-yuan1 , SHI Zhao-yong1 , LIU Xue-qin2     
1. College of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;
2. College of Life Science, Luoyang Normal University, Luoyang 471022, China
Abstract: ZnO nanoparticles (NPs) are widely used in many applications, such as plastics, ceramics, glass, cement, rubber, lubricants, paints, pigments, batteries, fire retardants, catalysts, and anti-microbial agents. They directly or indirectly enter aquatic and terrestrial environments through application, accidental release, contaminated soil/sediments, or atmospheric fallouts. When present in excess, ZnO NPs can induce phytotoxicity and reduce plant growth and yields. ZnO NPs can also cause Zn accumulation in edible parts of food crops, and then subsequently enter human bodies and pose a significant health risk. Arbuscular mycorrhizae are ubiquitous symbiotic associations in nature formed between arbuscular mycorrhizal (AM) fungi and most higher plants in terrestrial ecosystems. In addition to their well-known contribution to plant nutrient acquisition and growth, AM fungi can improve plant tolerance to various environmental stresses, but mycorrhizal effects vary with environmental conditions such as phosphorus status in both soil and plants. AM fungi have been shown to alleviate the negative effects of ZnO NPs and zinc accumulation in plants, however, the role of phosphorus fertilization has been neglected. A greenhouse pot culture experiment was conducted using maize as the test plant inoculated with or without AM fungus Funneliformis mosseae. Four levels of phosphorus (0, 20, 50 or 100 mg·kg-1) and two levels of ZnO NPs (0 or 500 mg·kg-1) were applied to pots. Shoots and roots were harvested separately after two months of growth. Mycorrhizal infection, plant biomass, P and Zn concentrations and uptake in plants, and soil DTPA-extractable zinc and pH were determined. The results showed that ZnO NPs did not significantly affect the growth of maize, but inhibited root mycorrhizal infection and plant phosphorus uptake, and led to the accumulation of zinc in plants. ZnO NPs and high phosphorus supply decreased root mycorrhizal infection, but AM inoculation significantly promoted plant growth under all phosphorus supply levels. Phosphorus application and AM inoculation increased soil pH, but reduced the bioavailability of Zn derived from ZnO NPs, decreased the translocation and accumulation of zinc in maize shoots, and thus produced beneficial effects on plants. In general, AM inoculation showed positive mycorrhizal effect, especially under low phosphorus conditions and addition of ZnO NPs. Our results showed for the first time that both AM fungi and phosphate fertilizer could help to mitigate soil pollution and the ecological and health risks posed by ZnO NPs.
Key words: ZnO nanoparticles      arbuscular mycorrhizae      phosphorus      maize      phytotoxicity     

纳米ZnO颗粒在防晒霜、纺织品、工业涂料、抗菌剂等领域得到广泛应用[1],会随生产、运输、储存、使用、泄漏及废物处理等途径向环境中释放[2],而土壤是纳米颗粒污染物的最终归宿之一[3].纳米ZnO具有比较特殊的表面特性和环境行为,可能释放出重金属离子,具有植物毒性,主要表现在抑制种子的萌发、抑制植物的生长、导致营养元素的缺乏、甚至枯萎死亡[2],因此其生物效应受到广泛关注[1, 4].

丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)真菌与大多数植物根系共生,不仅能改善植物磷素营养,还能降低污染物对植物的毒害作用,用于污染土壤的生物修复[5, 6].已经证实,AM真菌分布于铜、锌、铅、镉、砷、铬、镍等重金属污染土壤,以及农药、石油、多环芳烃等有机污染土壤,多数情况下,接种AM真菌有利于植物生存和土壤修复[5, 6].人工纳米颗粒是潜在的污染物[7],土壤盆栽试验表明,AM真菌能有效抑制玉米对纳米ZnO源锌的吸收及其向植株地上部分的转移,提高宿主植物对纳米ZnO的耐性[8, 9].但是菌根效应受纳米ZnO水平的影响,AM真菌仅在纳米ZnO 500 mg·kg-1时显著促进大豆生长,浓度过高时则没有显著作用[10].

菌根效应受土壤磷水平的影响已广被人们所熟知,磷水平过高往往对菌根侵染不利,菌根对植物的生长、营养元素的吸收利用等促进作用也会降低[11].因此在研究纳米ZnO对丛枝菌根的毒性效应时,应关注土壤肥力状况尤其是磷对菌根效应的影响.据作者所知,尚没有研究关注不同磷水平下AM真菌对纳米ZnO生物效应的影响.鉴于此,本试验通过研究不同磷、纳米ZnO水平下接种AM真菌对植物生长及磷、锌吸收的影响,以期为了解纳米ZnO在不同磷含量土壤中的环境行为以及其与丛枝菌根的相互关系提供一些参考.

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试植物为玉米(Zea mays L.),品种为郑单958.供试菌剂选用Funneliformis mosseae(旧名为Glomus mosseae),菌剂接种物为扩繁的菌剂宿主植物根系及根际土壤.纳米ZnO颗粒购自南京埃普瑞纳米材料有限公司,纯度为99.9%,平均粒径为30 nm,平均表面积为110 m2·g-1.供试基质采用沙土(2:3)混合物,这样便于控制供试土壤磷养分含量,也便于收获时取细根.其中土壤采自河南科技大学周山校区,为沙壤土,取耕层10 cm土壤,过2 mm筛,在121℃、105 kPa高温高压下连续灭菌2 h,风干备用.土壤基本理化性质如下,pH为8.02(水土比2.5 :1),有机质含量为2.10%、全氮1.22 g·kg-1、全磷0.51 g·kg-1、全钾10.14 g·kg-1、全锌33.99 mg·kg-1、碱解氮为11.73 mg·kg-1、速效磷为9.73 mg·kg-1、DTPA提取态Zn为1.36 mg·kg-1.测定方法参见文献[12].

1.2 试验设计

试验设置共4个磷[磷源为Ca(H2PO4)2]水平,分别为0、20(低)、50(中)、100(高) mg·kg-1(以纯磷计),2个纳米ZnO水平,分别为0、500 mg·kg-1(以ZnO计).接菌处理(+M)每盆混施法接种风干菌剂100 g,不接菌处理(-M)每盆加入等量灭菌菌剂,并加入等量菌剂过500目筛的菌剂滤液,以保证不接菌处理与接菌处理微生物群落尽量一致[9].试验共3因素16个处理,每个处理重复4次.

1.3 试验方法

选用塑料花盆,每盆装1.4 kg风干土壤,采用逐级混匀的方法添加纳米ZnO颗粒、磷,并施氮(尿素)、钾(KNO3)各150 mg·kg-1作为底肥. 2015年5月10日播种,每盆均匀播种10颗玉米种子,出苗后每盆定苗6株,在日光温室中培养2个月后收获.生长过程中进行通风、遮阳等管理,土壤含水量维持在70%~80%.

收获植株时用剪刀贴土壤表面剪去地上部分植株,然后从土壤中取出根系,分别用自来水、去离子水清洗,再用吸水纸擦干、称重.选取新鲜毛细根,用10%的KOH溶液脱色后用醋酸墨水染色液进行染色[13],在显微镜下观察,用根段频率法[14]测定菌根侵染率.植株地上部分及剩余根系在105℃杀青30 min后,在70℃烘干至恒重、并称重.将烘干的植株样品粉碎、H2SO4-H2O2消化后,磷含量用钼锑抗比色法测定,锌含量用原子吸收分光光度计(Varian AA240)测定,同时用标准物质(灌木枝叶GBW07603,GSV2)以校准测定的准确性.取收获后土壤200 g,风干后过筛,测定土壤pH及DTPA提取态锌含量.测定方法参见文献[12].

1.4 数据分析

根据植物干重和锌含量计算出植物锌吸收量.试验数据用SPSS 17.0进行方差分析和样本平均数的显著性分析,用Duncan法进行多重比较(P<0.05),然后用三因素方差分析磷水平、纳米ZnO和接菌处理之间的交互作用.

2 结果与分析 2.1 菌根侵染率

不接菌各处理下植物根系均没有菌根侵染.接菌条件下各处理的菌根侵染率如图 1所示.无纳米ZnO时菌根侵染率随着磷水平的增加而降低,磷水平100 mg·kg-1时仅为不施磷时的一半左右; 添加纳米ZnO时菌根侵染率均低于30%.与不添加纳米ZnO相比,添加纳米ZnO菌根侵染率显著降低(高磷水平时除外).双因素方差分析结果显示,磷和纳米ZnO之间存在显著交互作用(表 1).

图中竖棒标准偏差,不同小写字母表示各处理在P<0.05水平差异显著,下同 图 1 植株收获后不同磷和纳米ZnO水平下各处理的菌根侵染率 Fig. 1 Root colonization rate at harvest of inoculated maize plants under different levels of phosphorus and ZnO NPs

表 1 菌剂、磷、纳米ZnO对菌根侵染率和生物量的方差分析结果(F值)1) Table 1 Significance levels (F-values) of AM inoculation, phosphorus, ZnO NPs, and their interactions on root mycorrhizal colonization rate and plant biomass based on a three-way ANOVA analysis

2.2 玉米生物量

在所有处理中接菌均显著增加地上部分和根系生物量,促进植株生长(图 2).在接菌和不接菌条件下,地上部分及根系生物量均随磷水平的升高而逐渐增加,并在磷水平50 mg·kg-1、100 mg·kg-1时达到显著水平.多数处理中添加纳米ZnO没有显著影响地上部分和根系生物量(不接菌低磷处理、接菌高磷处理除外).由表 1可知,纳米ZnO对植物生长无显著作用,菌剂、磷作用极显著,两两之间的交互作用不显著或较弱.

图 2 不同磷和纳米ZnO水平下玉米地上部分和根系干重 Fig. 2 Dry weights of maize shoots and roots under different levels of phosphorus and ZnO NPs

2.3 玉米植株磷吸收量

表 2可知,接菌显著提高植株地上部分磷吸收量,但仅在添加纳米ZnO时对根系磷吸收量有显著作用.与不施磷相比,地上部分磷吸收量在低磷和中磷处理时没有显著变化,在高磷处理中显著增加; 而根系磷吸收量则随着施磷水平升高有逐渐增加的趋势.总体上,添加纳米ZnO在接菌时增加地上部分磷吸收量(高磷处理除外),但不接菌时降低根系磷吸收量,并在高磷时降低地上部分磷吸收量.

表 2 不同磷和纳米ZnO水平下玉米地上部分和根系磷吸收量1) Table 2 Phosphorus uptake in maize shoots and roots under different levels of phosphorus and ZnO NPs

2.4 玉米植株锌含量及吸收量

添加纳米ZnO均显著增加植株地上部分及根系锌含量(表 3)和吸收量(表 4).在不添加纳米ZnO时,施磷、接菌多数情况下降低植株地上部分和根系中锌含量或没有显著影响.添加纳米ZnO时,地上部分锌含量随磷水平的增加而降低,接菌降低地上部分锌含量,并在高磷处理中降低根系锌含量.三因素方差分析结果显示,纳米ZnO、施磷、接菌对地上部分锌含量有显著影响,且三者之间存在显著交互作用.

表 3 不同磷和纳米ZnO水平下玉米地上部分和根系锌含量1) Table 3 Zn concentrations in maize shoots and roots under different levels of phosphorus and ZnO NPs

表 4 不同磷和纳米ZnO水平下玉米地上部分和根系锌吸收量1) Table 4 Zn uptake in maize shoots and roots under different levels of phosphorus and ZnO NPs

表 4可知,不添加纳米ZnO时,高磷处理增加地上部分和根系锌吸收量; 接菌仅在高磷时增加地上部分锌吸收量.添加纳米ZnO时,地上部分和根系锌吸收量总体上随磷水平的升高而逐渐增加; 接菌增加根系锌吸收量,但在高磷时降低地上部分锌吸收量.三因素方差分析结果显示,纳米ZnO、施磷、接菌对地上部分锌吸收量有显著影响,三者之间存在显著交互作用.

2.5 收获后土壤DTPA-Zn含量、pH

表 5可知,施磷总体上对DTPA-Zn含量没有显著影响,但在添加纳米ZnO非接菌条件下,中、高磷使DTPA-Zn含量显著降低.随施磷水平的增加,土壤pH有升高的趋势,并在高磷条件下达到显著水平.不添加纳米ZnO时,接菌对DTPA-Zn含量没有显著影响,并在不施磷时降低土壤pH; 添加纳米ZnO时,接菌降低DTPA-Zn含量,并在中、高磷时使土壤pH显著升高.添加纳米ZnO导致DTPA-Zn含量显著增加,但对土壤pH的效应较复杂,受磷水平和接菌条件的影响.

表 5 植株收获后不同磷和纳米ZnO水平下土壤DTPA-Zn含量和pH值1) Table 5 Soil DTPA-extractable Zn concentration and pH after plant harvest under different levels of phosphorus and ZnO NPs

2.6 菌根效应

在相同处理条件下,植株各指标接菌与不接菌条件下的差值主要源于AM真菌的作用,该差值与不接菌处理的百分比即为菌根效应[15].菌根效应正值表示AM真菌对植株生物量或吸收量的促进作用,负值表示抑制作用.由表 6可知,AM真菌促进玉米植株生物量的增加,促进地上部分磷、锌的吸收及部分根系中的磷、锌吸收,但在添加纳米ZnO条件下,多降低地上部分锌吸收量、而增加根系锌吸收量.总体上看,菌根效应在低磷、添加纳米ZnO条件下较为显著.

表 6 不同磷和纳米ZnO水平下的菌根效应 Table 6 AM feedback percentage under different levels of P and ZnO NPs

3 讨论

本研究发现,随着磷、纳米ZnO水平的升高,菌根侵染率降低.这与已有研究结果一致,在不施磷、不添加锌或者低锌条件下,菌根侵染率较高[16].利用菌根缺陷型和野生型西红柿研究发现,高磷、高锌水平抑制AM真菌侵染[17].磷水平对菌根侵染率影响的研究已经较多,高磷水平改变植物磷营养状况[18]及植物根细胞壁结构[19],从而抑制AM真菌菌丝侵染及伸长,植物菌根依赖性降低,侵染率下降.而纳米ZnO具有抗真菌活性[20],在土壤环境也容易释放出Zn2+,从而对AM真菌产生一定毒性[21].纳米颗粒对AM真菌的影响颇为复杂,在沙培条件下,纳米FeO(0.032~3.2 mg·kg-1)、纳米银(0.01~1 mg·kg-1)没有降低甚至促进白三叶的菌根侵染率[22],但在土培条件下,纳米零价铁(270μg·g-1)会减少土壤中革兰氏阳性菌和AM真菌的生物量[23].纳米ZnO对AM真菌侵染率的影响与纳米ZnO添加量、菌种、栽培基质等密切相关[8~10].

土壤中纳米颗粒的植物效应与浓度密切相关,高浓度时绝大多数是抑制作用[24, 25],而在较低浓度时往往作用不显著甚至是促进作用[26].笔者前期研究发现500 mg·kg-1的纳米ZnO抑制玉米植株生长[8],而500 mg·kg-1(Zn)的纳米ZnO或ZnCl2并没有显著影响豇豆的生长[27],500 mg·kg-1的纳米ZnO甚至略促进大豆植株的生长[28].本研究发现在所有磷水平下,500 mg·kg-1的纳米ZnO(30 nm)没有显著影响玉米生长.显然,除了浓度,纳米颗粒的植物毒性高低也受粒径大小、植物种类和土壤环境因素(如pH、有机质含量等)等影响,已有研究表明这些因素对金属纳米颗粒的生物效应能够产生影响[2, 29].

AM真菌对植物最常见的有益作用就是改善磷营养、促进植物生长,尤其是在低磷或各种胁迫条件下.本研究再次证实,AM真菌在多数情况下能够体现出正的菌根促生效应(表 6),尤其是在不施磷、添加纳米ZnO条件下.尽管纳米ZnO没有显著影响玉米生长,但仍可能产生某些不利影响.例如,在不接菌条件下,添加纳米ZnO抑制根系对磷的吸收(表 2),此时接菌有显著改善作用,但是菌根效应受磷水平的影响而有改变.在本研究中,AM真菌在高磷条件下没有显著影响植物磷吸收量,但仍显著促进植物生长,这可能是AM真菌的其他有益作用所致,除了磷,AM真菌也能影响其他营养元素的吸收,如氮、钾和其他微量营养元素[8, 30].

大多关于植物磷、锌交互作用的研究表明,磷、锌之间存在拮抗作用,大量施磷会诱发缺锌[31, 32].但也有研究表明磷能促进锌的吸收,这与根介质的特性有关[33, 34].土壤环境复杂多变,因此关于磷、锌交互作用的结论也不尽相同.本研究表明,纳米ZnO导致植物锌含量显著增加,但施磷可以显著降低地上部分锌含量(表 3)以及锌在地上部分的分配比例(表 4).过量施磷并不影响植株根系对锌的吸收,但引起了锌在植株根系的积累,抑制锌向地上部分的转移[35].纳米ZnO在水溶液中溶解并释放出Zn2+,磷酸根与Zn2+形成磷酸锌[36].纳米ZnO在土壤中也容易释放出Zn2+,推测磷酸锌的形成可能是施磷降低锌吸收及向地上部分转运的重要原因之一,同时这也可以解释纳米ZnO为何不利于磷的吸收.

在锌污染条件下,AM真菌一般降低植物体内(尤其是地上部分)锌含量及锌在地上部分的分配比例,从而对宿主植物起到保护作用,促进植物生长[5].本研究证实,接种AM真菌的作用与施磷类似,也降低玉米地上锌含量和锌在地上部分的分配比例.这再次说明菌根效应多与改善植物磷营养有关,在低磷条件下中往往比较显著.释放Zn2+是纳米ZnO的生物毒性机制之一,施磷和接种AM真菌均使土壤pH升高、锌的生物有效性降低,这是它们的保护机制之一.纳米ZnO和磷在玉米地上部分磷吸收、锌吸收之间存在显著交互作用,但是AM真菌能改变二者在土壤和植物中的行为.此外,三者相互之间可能同时存在直接作用和间接作用,尚值得深入研究.

纳米ZnO污染往往引起土壤肥力下降以及锌在粮食作物可食部分中的累积[28],从而对土壤环境和生物产生一定风险[37].施磷、AM真菌均可降低土壤纳米ZnO中锌的生物有效性及其向玉米地上部分的转运,这对于降低锌污染而引起的生态和健康风险也有一定意义.同时,AM真菌可以减少磷肥的施用,对于节约成本、降低大量施用磷肥所带来的负面影响有一定积极意义.

4 结论

(1) 尽管纳米ZnO和施磷不利于玉米菌根侵染,但是接种AM真菌在所有磷水平下均显著促进植物生长.

(2) 500 mg·kg-1纳米ZnO没有显著影响玉米生长,但抑制菌根侵染和磷营养吸收,并引起锌在土壤和植株体内的积累,仍显示出一定生物毒性和生态风险.

(3) 施磷和接菌均可使土壤pH升高、降低纳米ZnO源锌的生物有效性,从而降低锌向玉米地上部分的转运和积累,体现出积极作用.

(4) 接种AM真菌在多数情况下显示出积极的菌根效应,尤其在低磷、添加纳米ZnO条件下更为显著.

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