2023, Vol. 44
2. 贵州省农业科学院土壤肥料研究所, 贵阳 550006;
3. 贵州大学林学院, 贵阳 550025
2. Institute of Soil and Fertilizer, Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang 550006, China;
3. College of Forestry, Guizhou University, Guiyang 550025, China
土壤镉(Cd)污染对农业生产造成了严重的威胁[1, 2].土壤中的Cd通过农作物累积进入食物链, 危害人体健康, 因此治理土壤Cd污染至关重要[3]. 物理修复、化学钝化及植物修复是修复土壤Cd污染常用的手段[4, 5], 其中植物修复是一种有效且经济的方法, 可以在原位去除、稳定或降低其毒性, 近年来受到越来越多的关注[6].龙葵是我国学者发现的一种Cd超累积植物, 对Cd具有较强的耐受性和富集能力[7].但超富集植物由于受到自身生物量小且土壤Cd生物有效性低等因素的制约, 修复能力有限[8, 9], 因此需通过其他途径提高植物修复的效率.
根际微生物与植物之间有着密切的联系, 土壤微生物对土壤环境中的重金属化学形态分布相对于土壤动植物更为敏感[10].根际微生物可以直接介导重金属形态的迁移和转换, 进而影响植物对重金属的吸收利用.现有的研究表明, 一些根际微生物通过吸附和氧化还原作用来实现对重金属的固定, 如变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria), 可以通过肽聚糖、磷酸盐、脂多糖和胞外多糖等组分吸附重金属离子[11, 12].根际微生物也可通过代谢产物沉淀或螯合重金属离子. 摩西球囊霉菌是生活在大多数陆生植物根系中的重要内生真菌之一, 可以增强植物对生物和非生物胁迫的抗性[13].其与植物的关联作用可以用来缓解重金属对植物的胁迫[14], 在Cd污染条件下摩西球囊霉菌可以通过螯合作用和菌丝固持作用与重金属形成复合体而使重金属滞留在根中[13, 15].巨大芽孢杆菌是一种解磷菌, 促进土壤难溶性磷的活化进而促进植物的生长, 同时可以一定程度上降低土壤pH从而提高Cd的生物有效性, 促进植物对Cd的吸收, 提高植物修复效率[16, 17].柠檬酸属于低分子量有机酸中的一种, 与常用的无机酸盐和表面活性剂相比柠檬酸有着经济易得、不会对土壤造成二次污染等优点.柠檬酸可以酸化土壤, 降低土壤pH值, 提高有效态重金属的含量[18].除此之外, 低分子量有机酸的活性官能团, 如氨基和羧基等具有良好的络合作用, 可以与重金属形成络合物, 提高重金属在土壤中的迁移能力, 改变重金属的生物可利用性, 有利于增强植物对Cd的吸收、转运和富集[19, 20].
为提高龙葵修复土壤Cd污染效率, 学者们从添加促生菌、螯合剂、植物生长调节剂和肥料等外源物质开展了系列工作, 并取得一定成果[21, 22].但多是将龙葵与一种外源物质两两结合, 很少有添加两种及以上外源物质并观察其对土壤Cd污染治理效果的研究, 并且多种外源物质与植物共同修复的机制尚不清楚.本文采用盆栽试验, 研究不同处理对土壤Cd生物有效性及微生物群落的影响, 旨在揭示摩西球囊霉菌、巨大芽孢杆菌和柠檬酸共同强化龙葵修复Cd污染土壤的修复效果及其机制, 筛选最佳组合, 为Cd污染治理提供新的参考.
1 材料与方法 1.1 供试植物和菌株本研究选取的Cd富集植物野生龙葵(Solanum nigrum L.)由农业农村部环境保护科研监测所提供, 摩西球囊霉菌(Glomus mosseae, GM)由北京市农林科学院植物营养与资源研究所提供, 巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium, BM)由中国农业微生物菌种保藏管理中心提供.
巨大芽孢杆菌(BM)是将巨大芽孢杆菌接种于LB液体培养基上, 在30℃、180 r ·min-1条件下培养24 h使其达到细胞培养的对数生长中期, 即D值为1左右, 在4℃条件下离心10 min, 用灭菌蒸馏水清洗, 重悬并离心3次, 菌体浓度约为109 cfu ·mL-1.摩西球囊霉菌(GM)接种于PDA固体培养皿上, 培养7 d后, 用无菌的1 cm打孔器, 将菌饼转移到PDB培养基上, 在28℃、180 r ·min-1黑暗条件下培养一周, 在4℃条件下离心10 min后备用.
1.2 试验设计土壤采自河南省安阳市某Cd污染农田0~20 cm土层, ω(Cd)为2.52 mg ·kg-1, 土壤基本理化性质如表 1所示.供试Cd富集植物为龙葵, 盆栽试验共设置5个处理, 分别为: 对照(CK)、摩西球囊霉菌(GM)、摩西球囊霉菌+柠檬酸(GM+CA)、摩西球囊霉菌+巨大芽孢杆菌(GM+BM)和摩西球囊霉菌+巨大芽孢杆菌+柠檬酸(GM+BM+CA), 每个处理3次重复, 每盆1.5 kg土.GM处理移栽时加菌量为30 g ·pot-1, GM+CA处理加菌15 d后施加10 mmol ·kg-1的柠檬酸.GM+BM处理移栽时添加摩西球囊霉菌30 g ·pot-1, 15 d后添加巨大芽孢杆菌20 mL ·pot-1.GM+BM+CA处理移栽时添加摩西球囊霉菌30 g ·pot-1, 15 d后添加巨大芽孢杆菌, 添加量为20 mL ·pot-1, 过15 d后施加10 mmol ·kg-1的柠檬酸.在温室自然光下培养, 温度为25℃/20℃(昼/夜), 田间持水量大约为60%~70%, 土壤相对湿度为65%~75%.
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表 1 土壤基本理化性质1) Table 1 Basic physical and chemical properties of soil |
1.3 样品采集与处理
龙葵生长45 d后, 分根、茎、叶采集龙葵植株样品.将根部样品浸入20 mmol ·L-1 Na2-EDTA中交换15 min, 以此去除根部表面的Cd2+, 再用去离子水多次冲洗.将植株各部位样品在105℃下杀青30 min, 80℃下烘至恒重, 粉碎样品并过0.25 mm筛, 装袋备用.用抖根法采集不同处理的根际土壤样品, 土壤鲜样过2 mm筛后取部分放入-80℃冰箱保存.剩余土壤风干后粉碎过2 mm和0.25 mm筛备用.
1.4 测定方法及数据统计分析采用DTPA(二乙烯三胺五乙酸)法提取土壤有效Cd, 土壤全Cd用王水(HCl ∶HNO3=3 ∶1)+H2 O2法消解, 植株样品采用HNO3-HClO4法消解, 各样品Cd含量均采用电感耦合等离子体质谱仪[ICP-MS, (7700x, Agilent, US)]测定[23].测定过程中质控样品为国家标准物质GBW 10020(GSB-11柑橘叶), Cd标准值为(0.17±0.02)mg ·kg-1, 测定值为0.18 mg ·kg-1; 国家标准物质(GBW 07401a土壤), Cd标准值为(2.5±0.2)mg ·kg-1, 测定值为2.7 mg ·kg-1.质控样品测定结果在标准值范围内.采用中国苏州科铭生物科技有限公司购买的试剂盒测定土壤中脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶的活性.高通量测序由上海美吉生物医药科技有限公司测定.
采用Excel进行数据整理, SPSS 20软件进行ANOVA方差分析, Duncan法多重比较, Origin 2022软件绘图.微生物相关数据分析及冗余分析(RDA)在Majorbio云平台(www.majorbio.com)上进行.
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不同处理对龙葵各部位生物量的影响如表 2所示.与CK相比, 除GM+CA外其余各处理的根、茎和叶生物量均增加.其中, GM、GM+BM和GM+BM+CA处理的根生物量分别显著提高35.67%、61.34%和73.38%.GM和GM+BM处理的茎生物量分别显著提高41.35%和78.23%.GM、GM+BM和GM+BM+CA处理的叶生物量分别显著提高65.38%、96.92%和75.38%.
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表 2 不同处理下龙葵生物量的变化1)/g·pot-1 Table 2 Effects of different treatments on the biomass of Solanum nigrum L./g·pot-1 |
2.2 不同处理对龙葵各部位Cd含量的影响
不同处理的龙葵各部位Cd含量如图 1所示, 与CK相比, 除GM+CA外其余处理对龙葵的根和茎Cd含量均无显著影响.GM+CA处理下龙葵根和茎Cd含量分别显著增加了50.46%和62.48%.与CK相比, 各处理均提高龙葵叶部的Cd含量, 其中GM+CA和GM+BM+CA分别显著提高30.61%和79.34%.结果表明, GM+CA可以促进龙葵根部和茎部对Cd的吸收, GM+BM+CA显著促进龙葵叶对Cd的吸收.
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1. CK(对照), 2. GM(摩西球囊霉菌), 3. GM+CA(摩西球囊霉菌+柠檬酸), 4. GM+BM(摩西球囊霉菌+巨大芽孢杆菌), 5. GM+BM+CA(摩西球囊霉菌+巨大芽孢杆菌+柠檬酸); 不同小写字母表示不同处理处理间差异显著(P < 0.05) 图 1 不同处理龙葵Cd含量的变化 Fig. 1 Change in Cd content of Solanum nigrum L. under different treatments |
不同处理对龙葵Cd累积量的影响如图 2所示.与CK相比, GM+BM和GM+BM+CA处理显著提高了根部Cd累积量.不同处理均提高了茎和叶的Cd累积量, 茎和叶增幅分别为11.07%~94.47%和56.47%~226.48%.其中GM、GM+CA和GM+BM处理茎部Cd累积量显著提高47.51%、51.87%和94.47%.GM、GM+BM和GM+BM+CA处理叶部Cd累积量显著提高89.58%、159.16%和226.84%. GM、GM+BM和GM+BM+CA处理显著提高龙葵Cd累积量, 平均可移除Cd的量为39.38、53.09和58.63 μg ·pot-1, 与CK相比, 增幅分别为73.7%、131.53%和155.69%.
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1. CK, 2. GM, 3. GM+CA, 4. GM+BM, 5. GM+BM+CA; 不同小写字母表示不同处理处理间差异显著(P < 0.05) 图 2 不同处理龙葵Cd累积量的变化 Fig. 2 Change in Cd accumulation of Solanum nigrum L. under different treatments |
与CK相比, 外源添加微生物和柠檬酸后龙葵各部位富集Cd的能力有所提升, 同时促进Cd向地上部的转移(表 3).如GM+CA处理显著增加了根和茎的富集系数, 分别为62.04%和72.22%.GM+CA、GM+BM和GM+BM+CA处理显著增加了叶的富集系数, 增幅分别为59.86%、48.23%和120.53%.GM+BM+CA处理显著增加了Cd由龙葵茎向叶的转运系数, 增幅为52.47%.结果表明, GM+CA显著提升龙葵根、茎和叶对Cd的富集能力及龙葵茎中的Cd累积量, GM+BM显著提升龙葵叶对Cd的富集能力龙葵茎中的Cd累积量, GM+BM+CA显著提升龙葵叶对Cd的富集能力及龙葵根和叶中的Cd累积量.
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表 3 不同处理对龙葵BCF和TF的影响 Table 3 Effects of different treatments on BCF and TF of Solanum nigrum L. |
2.4 不同处理对土壤理化性质以及酶活性的影响
不同处理影响土壤理化性质及酶活性(表 4).与CK相比, GM+CA显著降低AN含量, 降幅为6.59%.GM+BM和GM+BM+CA的AP含量显著提高5.26%和9.72%.各处理有机质含量呈降低趋势, GM和GM+CA显著降低6.28%和5.43%.各处理均显著降低了土壤全Cd含量, 降幅为13.22%~21.07%, 其中, GM+CA降幅最大.各处理土壤ALP和UE的活性均升高, 但差异不显著; GM+CA、GM+BM和GM+BM+CA显著提高CAT活性, GM+BM+CA增幅最大, 为18.87%.与CK相比, 各处理pH、AK和CEC变化不显著.
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表 4 不同处理对土壤理化指标和酶活性的影响1) Table 4 Effects of different treatments on soil physicochemical indexes and enzyme activities |
2.5 不同处理对土壤微生物多样性的影响
微生物群落α多样性主要包括表征群落门水平丰富度的Chao指数和Ace指数, 以及预测群落多样性的Shannon指数.Chao和Ace指数越大表明群落的丰富度越高, Shannon指数越大表明群落的多样性越高.与CK相比, GM+CA和GM+BM+CA处理细菌的Shannon指数分别显著降低2.22%和5.19%(表 5).与CK相比, 各处理的Ace指数有所下降, 但差异不显著.相比CK, GM+BM+CA处理下细菌的Chao指数显著降低6.41%.与CK相比, 各处理真菌的Shannon指数呈上升趋势但没有显著变化.GM和GM+CA处理下真菌的Ace指数显著增加.GM、GM+CA和GM+BM+CA处理下真菌的Chao指数显著增加.结果表明, GM+CA和GM+BM+CA会降低根际土壤细菌群落的多样性, 同时也会降低细菌门水平的丰富度, 柠檬酸的加入会降低根际土壤细菌门水平的丰富度.各处理对根际土壤真菌的丰富度没有影响, GM、GM+CA和GM+BM+CA增加根际土壤真菌门水平丰富度, 说明摩西球囊霉菌和摩西球囊霉菌联合柠檬酸对真菌生长有促进作用.
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表 5 不同处理下细菌和真菌的多样性指数 Table 5 Diversity index of bacteria and fungi under different treatments |
Venn图可以统计并展示多个样本中独有和共有的OTU数目.细菌的Venn图可以看出, 各处理根际土壤中细菌的OTU数目由大到小依次为: GM+CA>GM>CK>GM+BM>GM+BM+CA[图 3(a)].不同处理中共有的OTU数目为2 631, CK、GM、GM+CA、GM+BM和GM+BM+CA独有的OTU数目分别为130、121、183、96和78.结果表明, 与CK处理相比GM+CA增加了龙葵根际土壤中细菌的物种总数和独有细菌种类, GM+BM和GM+BM+CA减少了龙葵根际土壤中细菌的物种总数和独有的细菌种类.
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1. CK(对照), 2. GM(摩西球囊霉菌), 3. GM+CA(摩西球囊霉菌+柠檬酸), 4. GM+BM(摩西球囊霉菌+巨大芽孢杆菌), 5. GM+BM+CA(摩西球囊霉菌+巨大芽孢杆菌+柠檬酸); 不同颜色表示不同处理, 重叠和非重叠部分的数字分别代表不同处理中共有的物种数目和对应处理所特有的物种数目 图 3 不同处理下细菌及真菌OTU维恩图 Fig. 3 OTU Venn diagram of bacteria and fungi under different treatments |
真菌的Venn图可以看出, 各处理根际土壤中真菌的OTU数目由大到小依次为: GM+CA>GM>GM+BM+CA>CK>GM+BM[图 3(b)].不同处理中共有的OTU数目为382, CK、GM、GM+CA、GM+BM和GM+BM+CA独有的OTU数目分别为60、70、97、51和64.结果表明, 与CK处理相比, GM、GM+CA和GM+BM+CA增加了龙葵根际土壤中真菌的物种总数和独有真菌种类, GM+BM减少了龙葵根际土壤中真菌物种数量和特有的真菌种类.
2.6 不同处理对土壤微生物相对丰度的影响由不同处理细菌的群落热图可以看出, 变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度在所有细菌群落中最高, 酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)也有较高的相对丰度[图 4(a)].为研究不同处理对各个菌门相对丰度的影响, 进一步对这些优势菌门进行分析, CK、GM、GM+CA、GM+BM和GM+BM+CA处理中细菌的优势菌门占比分别为97.67%、97.67%、98.01%、97.90%和98.31%[图 4(c)].与CK相比, 除GM处理外各处理均提高了细菌优势菌门的相对丰度, 效果最明显的是GM+BM+CA处理.GM、GM+CA、GM+BM和GM+BM+CA处理下变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度分别增加了2.09%、5.77%、5.04%和2.00%, 放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度分别增加了3.18%、4.69%、0.76%和9.96%.GM、GM+CA和GM+BM+CA处理下: 绿弯菌门(Chloroflexi)的相对丰度分别降低了1.11%、3.17%和4.21%, 而GM+BM升高了1.20%;酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度分别降低了2.20%、4.30%、4.46%和5.16%;拟杆菌门(Firmicutes)的相对丰度分别降低0.93%、2.07%、1.10%和1.38%.研究结果表明不同处理对土壤主要门水平微生物组成没有显著影响, 但是会改变土壤中细菌的相对丰度.
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(a)和(c)细菌, (b)和(d)真菌; (a)和(b)中不同颜色表示菌门数量, (c)和(d)中不同颜色表示每个门相对丰度 图 4 不同处理下细菌与真菌的相对丰度图和群落热图 Fig. 4 Relative abundance map and community heatmap of bacteria and fungi under different treatments |
不同处理真菌的群落热图可以看出, 子囊菌门(Ascomycota)的相对丰度在所有真菌群落中最高, 球囊菌门(Glomeromycota)、油壶菌门(Olpidiomycota)、被孢霉门(Mortierellomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、壶菌门(Chytridiomycota)和未分类的真菌菌群(unclassified_k__Fungi)具有较高的相对丰度[图 4(b)].为研究不同处理对各个菌门相对丰度的影响, 进一步对这些优势菌门进行分析, CK、GM、GM+CA、GM+BM和GM+BM+CA各处理中真菌优势菌门占比分别为99.74%、99.08%、99.39%、99.21%和99.83%[图 4(d)].GM、GM+CA、GM+BM和GM+BM+CA处理均降低了子囊菌门(Ascomycota)的相对丰度, 降幅分别为14.05%、14.92%、11.91%和6.51%.GM、GM+CA、GM+BM和GM+BM+CA处理球囊菌门(Glomeromycota)的相对丰度分别增加2.11%、3.63%、3.18%和2.30%, 油壶菌门(Olpidiomycota)的相对丰度分别增加2.98%、0.95%、0.54%和1.29%.
2.7 环境因素对根际微生物相对丰度的影响为研究不同处理土壤环境因子的变化对微生物群落丰度的影响, 通过相关性热图和冗余分析对数据进行分析.与全Cd呈显著负相关的菌群为超级细菌门(Patescibacteria)、变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria), 呈显著正相关的为蓝细菌(Cyanobacteria)和WS2.与有效Cd呈显著负相关的为蓝细菌(Cyanobacteria)、纤维杆菌门(Fibrobacteres)和WS2[图 5(a)].对环境因子和优势细菌群落进行冗余分析, 冗余分析第一主轴解释率为49.32%, 第二主轴解释率为18.49%[图 6(a)].CK、GM、BM+BM和GM+BM+CA之间样本点独立, 说明不同处理间细菌群落结构存在差异.GM+CA、GM+BM和GM+BM+CA之间样本点距离接近, 说明不同处理间细菌群落结构较为接近.变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度与AP、CAT、ACd、UE、ALP呈正相关, 与pH、CEC、TCd、SOM、AN呈负相关.绿弯菌门(Chloroflexi)的相对丰度与AN、AK、CAT呈正相关, 与ACd、UE、pH呈现负相关.放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度与AP、CAT、ACd、UE呈现正相关, 与pH、TCd、SOM、AN呈负相关.
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(a)细菌, (b)真菌; (a)和(b)中不同颜色表示环境因子与微生物菌门的相关性系数; * 表示P < 0.05, ** 表示P < 0.01, ***表示P < 0.001; ALP、CAT和UE分别为碱性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶; AN、AP和AK分别为碱解氮、速效磷和速效钾; OM和CEC分别为有机质和阳离子交换量; TCd和ACd分别为全镉和有效镉, 下同 图 5 微生物优势菌门与环境因子的相关性热图 Fig. 5 Heat map of correlation between dominant bacterial phyla and environmental factors |
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蓝色箭头表示细菌种群, 红色箭头表示土壤理化因子 图 6 微生物优势菌门与环境因子的RDA分析 Fig. 6 RDA analysis of microbial predominant phyla and environmental factors |
未分类的真菌菌群(unclassified_k__Fungi)与全Cd呈显著负相关, 球囊菌门(Glomeromycota)、被孢霉门(Mortierellomycota)、油壶菌门(Olpidiomycota)和未被分类的真菌(unclassified_d__Eukaryota)与全Cd呈负相关但不显著[图 5(b)].对环境因子和真菌细菌群落进行冗余分析, 第一主轴解释率为71.01%, 第二主轴解释率为3.01%[图 6(b)].CK、GM和GM+BM+CA之间样本点独立, 说明不同处理间真菌群落结构存在差异, GM、GM+CA和GM+BM+CA样本点距离较近, 说明不同处理间真菌群落结构组成较为接近.未分类的真菌菌群(unclassified_k__Fungi)的相对丰度与ALP、AK、ACd和UE呈正相关, 与pH、AN、SOM、TCd和CEC呈负相关.子囊菌门(Ascomycota)的相对丰度与SOM、ACd和UE呈正相关, 与pH、AN、CAT和CEC呈负相关.
3 讨论 3.1 共接种对龙葵生长和Cd累积的影响植物提取修复技术最终收获的是超富集植物的地上部, 所以植物地上部重金属累积量的大小是植物修复过程中最具有实际意义的指标之一, 表征了植物的修复潜力, 决定了植物提取修复技术效率的高低.盆栽试验表明, 添加摩西球囊霉菌可以促进龙葵的生长, 提高其生物量.本研究表明在添加摩西球囊霉菌的基础上加入巨大芽孢杆菌会进一步促进龙葵的生长.有研究表明, 巨大芽孢杆菌可以通过改善与植物养分吸收、调节生长和胁迫相关的植物激素来直接有益于宿主植物[24].刘莉华等[25]的研究结果表明巨大芽孢杆菌是具有较强Cd抗性的菌株, 接种后提高龙葵生物量的同时显著增加龙葵各部位Cd含量和吸收总量.添加柠檬酸能够活化土壤中的重金属, 增加其迁移性从而提高植物修复效率[26].本研究中加入柠檬酸后, 龙葵的生长受到一定的抑制.GM+CA处理添加柠檬酸之后, 与其他处理相比该处理根部的生物量显著下降(表 1), 且茎和叶生物量也有所降低.这一结果与现有研究认为柠檬酸能促进龙葵生长恰恰相反[27].与不加柠檬酸的处理相比, 加入柠檬酸后能够提高龙葵各部位富集系数, 使龙葵从土壤中吸收重金属的能力增强(表 3).但与GM和GM+BM相比, GM+CA降低了茎到叶的转运系数, 只有GM+BM+CA处理的转运系数显著上升(表 3).邢维芹等[28]的研究发现土壤中加入柠檬酸会对Cd起到活化作用, 但从植株总的Cd累积量上看, 效果最好的是GM+BM+CA处理, 而GM+CA处理效果不好.其原因可能是GM+CA处理使Cd更多地累积在龙葵的根部, 向地上部转移的量变少, 从而对根产生了毒害作用, 影响了根部对养分的吸收, 生物量没有显著增加.这也导致GM+CA处理使龙葵各部位对Cd有较好的富集能力, 但总累积量不高, 而GM+BM+CA处理能够很好地改善这个状况(表 3).
3.2 共接种对根际土壤酶活性与Cd含量的影响土壤微生物是土壤酶的主要来源之一, 因此土壤酶活性是表示微生物群落状况的一个重要指标, 可在总体上体现土壤微生物的活动, 并且对环境的变化较为敏感[29].在土壤酶的种类中, CAT、UE和ALP是转化植物生长所需的不同营养物质的重要的酶[30, 31].土壤中脲酶活性通常能反映土壤微生物的数量.土壤磷酸酶与土壤有机无机磷的转化降解相关.土壤过氧化氢酶属于氧化还原酶体系, 主要影响土壤中酶促氧化还原反应, 可促进过氧化氢的分解, 降低过氧化氢的毒害作用[30].过氧化氢酶的活性可反映土壤微生物新陈代谢的整体活性, 是一种反映土壤微生物氧化还原能力的指标[32].本研究中, 土壤CAT、UE和ALP的活性对细菌和真菌的优势菌门都有积极的影响.和文祥等[33]的研究表明土壤UE的活性与Cd的含量呈负相关.ALP活性可能在土壤磷循环中起着重要作用.
单独接种摩西球囊霉菌后土壤的有效Cd显著下降, 其原因是接种摩西球囊霉菌后龙葵根系吸收土壤有效Cd的能力有所增加, 提升了龙葵的修复效率(表 4).单一添加摩西球囊霉菌虽然提高了龙葵吸收有效Cd的能力, 但使土壤无效态Cd向有效Cd转化的程度较低, 进而不能最大程度发挥龙葵修复土壤Cd污染的潜力[34].而其余共接种处理有效Cd含量没有明显变化, 可能是在添加摩西球囊霉菌的基础上添加巨大芽孢杆菌与柠檬酸可以将根际土壤中的无效态Cd活化为龙葵可吸收的有效Cd, 对比单独添加摩西球囊霉菌提高了有效Cd含量[25, 28], 进一步提高修复效率.本研究GM处理全Cd含量比共接种处理高, 有效Cd含量比共接种处理低, 也说明了共接种可以将土壤全Cd中不能被龙葵所利用的Cd活化为龙葵可利用的Cd, 从而降低土壤中Cd的总量, 证实了上述猜想.本试验所测定土壤为龙葵根际土壤, 龙葵根系吸收土壤Cd会造成土壤Cd含量空间分布不均匀, 根际土壤中的全Cd含量要远低于非根际土壤全Cd含量.在添加外源菌剂与柠檬酸后, 会促进土壤中难溶态Cd成为可被生物利用的有效Cd, 进而被龙葵吸收转运, 但不同处理对土壤难溶态Cd活化效果不同以及影响龙葵吸收转运的效果不同, 这也是造成不同处理间全Cd差异化的原因.
3.3 共接种对根际土壤微生物群落结构的影响土壤中微生物多样性对作物生长起着重要的作用, 病毒生理学的研究表明, 土壤重金属的毒性会造成微生物群体的减少和微生物群落多样性及结构的变化, 有研究发现受重金属污染土壤中的微生物生物量仅有非污染土壤中的一半[35].本研究表明, GM+CA和GM+BM+CA处理与其余处理相比, 细菌的Shannon指数显著下降, 说明柠檬酸的加入可能会降低细菌群落的丰富度.与CK相比除GM+BM处理外真菌的Ace和Chao指数均显著上升, 由此可见添加BM会降低真菌的丰富度.此外, GM+CA的细菌和真菌OTUs数目最高, 这与柏佳等[36]加入柠檬酸能增加土壤中细菌真菌数量的研究结果相同.刘强等[37]通过向菌肥中添加柠檬酸研究土壤中微生物数量的变化发现, 在0~20 cm土层中细菌和放线菌的数量最多比对照增加232.0%和185.7%, 在20~40 cm土层中放线菌比对照最多增加864.9%.在Cd污染土壤中, 共接种有利于改善微生物群落多样性.群落多样性反映了群落的稳定性和功能多样性, 最终会影响生态系统的过程速率和状态变量.
共接种显著影响了细菌和真菌的群落结构.鉴于门水平上的微生物组合包含了具有相似的功能、代谢和形态特征的微生物类群, 本研究专门探讨了微生物类群门的变化.对于细菌类群, 共接种后变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和髌骨细菌门(Patescibacteria)的相对丰度有所增加, 而绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度有所降低.此结果与陈建文等[38]的一致, 即土壤厚壁菌门(Firmicutes)的丰度会随着重金属风险水平下降而下降, 放线菌细胞壁能够大量吸附重金属.本研究中土壤的细菌群落主要为变形菌门类群, 有研究发现变形菌门中的许多细菌在重金属土壤污染环境下有较强的适应能力, 其细胞壁上存在的脂多糖能够隔离吸附重金属[39, 40].对于真菌类群, 共接种后子囊菌门(Ascomycota)、球囊菌门(Glomeromycota)和油壶菌门(Olpidiomycota)的相对丰度都有所增加.其中子囊菌门是土壤中重要的分解者, 能够降解纤维素和木质素, 同时对重金属有很强的耐受性[41].
以往的研究表明, 许多微生物类群如变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿弯菌门和子囊菌门等可以帮助植物吸收养分, 提高植物的生物量[42, 43].此外, 已知许多细菌可以缓解铁(Fe)、磷(P)、镁(Mg)和钙(Ca)的缺乏, 从而防止它们因重金属竞争而转移到植物根部[44, 45].以上过程还可以通过增加根际中微量元素的利用率来促进龙葵的生长.因此, 共接种提高龙葵的富集能力的原理可能是通过提高土壤中相关微生物的丰度, 为龙葵根际提供了可吸收营养物质.
4 结论本研究发现土壤外源添加摩西球囊霉菌提高龙葵生物量的同时提高了龙葵对Cd的富集能力, 促使Cd向叶片中转移, 进而有效地提高了Cd的累积量, 对龙葵富集Cd起到了强化作用.摩西球囊霉菌与巨大芽孢杆菌和柠檬酸通过共接种的方式加入土壤后对这一作用进一步强化.此外, 共接种提高了细菌和真菌优势菌门的相对丰度, 如放线菌门的相对丰度增加, 进而提高了龙葵对Cd的耐受性和累积能力.这一发现对于进一步提高植物抗性, 提升植物修复效率具有重要意义.
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