3種微生物制劑對輕度鎘污染土壤中菠菜生長的影響

摘要：采用盆栽方法模擬土壤Cd輕度污染狀況，研究施入3種微生物菌劑（枯草芽孢桿菌、光合細菌和乳酸菌）對菠菜生長及對鎘吸收的影響。結果表明，1 mg·kg-1鎘對菠菜生長起到促進作用，使植株鮮質量和干質量增加；使植株鎘含量和鎘積累量顯著提高。施入微生物菌劑后，菠菜單株鮮質量和干質量平均增長幅度分別為18.8%和15.7%，微生物對菠菜生長的促進作用大小為：光合細菌>乳酸菌>枯草芽孢桿菌；此外，菠菜植株鎘含量顯著減少，平均下降幅度為14.5%，微生物對菠菜鎘吸收的降低作用大小為：枯草芽孢桿菌>光合細菌>乳酸菌。試驗還表明，菠菜植株鎘含量與菌數呈顯著負相關。

關鍵詞：微生物；鎘脅迫；菠菜

中圖分類號：S636.1文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2011.01.021

Effects of Microorganisms on the Growth of Spinach Under Cd Stress

ZHANG Xin1，2， FAN Zhong-xue1，3， GUO Du-fa2，WANG Li-xiang1

(1.High-tech Research Center of Shandong Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Crop Genetic Improvement and Biotechnology， Jinan，Shandong 250100， China; 2.College of Population， Resources and Environment， Shandong Normal University， Jinan，Shandong 250014， China;

3.Key Laboratory of Crop Genetic Improvement and Biotechnology， Huanghuaihai， Ministry of Agriculture， The People’s Republic of China， Jinan，Shandong 250100， China)

Abstract：Effect of three kinds of microorganisms on growth and cadmium uptake in spinach was investigated with a pot experiment in greenhouse. The results showed that 1 mg·kg-1 cadmium could promote the growth of spinach bymaking fresh and dry weight per plant increasing and strengthen the Cd content and accumulation in plant significantly. When plants were supplied with microorganisms， fresh and dry weight per plant were average increased 18.8% and 15.7% respectively and Cd conent in spinach was average decreased 14.5%. Besides， we also concluded that Cd content in plant was negative correlated with microbial concentration significantly.

Key words: microorganism; Cd stress; spinach

鎘（Cd）污染是當今影響范圍最廣泛、危害最大的環境問題之一。Cd不是植物生長必需元素，對植物表現出很高的毒性，在形態上表現為生長緩慢、葉片失綠和產量下降，在生理上表現為光合作用和蒸騰作用受抑制、引起氧化脅迫[1]。更為嚴重的是，Cd可以通過植物吸收進入食物鏈直接威脅人的身體健康[2]。因此，探索在發生污染的情況下，如何阻止重金屬元素通過作物進入食物鏈，或使其減少到衛生許可標準范圍內的方法具有現實的意義。

目前已有研究發現，利用微生物對土壤重金屬的固持作用，可以有效降低農作物中Cd的含量。郭凌等[3]研究表明，加入球形紅細菌菌懸液后，油菜幼苗生長受到的Cd抑制都有不同程度的緩解，增加了莖葉、根系長度及鮮質量、干質量；油菜整株，降低了莖葉和根系的Cd積累。劉茵等[4]采用盆栽方法，研究了接種叢枝菌根真菌對紫羊茅生長及對Cd吸收的影響，結果表明，接種菌根真菌后，紫羊茅地上部的Cd濃度和吸收量均顯著低于不接種的處理。胡振琪等[5]在Cd污染土壤中添加透光球囊酶菌根菌后，顯著降低了玉米地上部分對Cd的吸收（降低率達53.92%），其原因是由于菌絲侵染，使植物將過量的重金屬滯留在根部，抑制了重金屬向地上部的轉移，從而增加了植物對過量重金屬的抗性。本試驗在模擬重金屬Cd輕度污染的條件下，初步研究了施入3種微生物菌劑（枯草芽孢桿菌、光合細菌和乳酸菌）對菠菜生長及Cd吸收的影響，為評價微生物調節重金屬元素在生態系統食物鏈傳遞中的作用提供依據。

1材料和方法

1.1材料

供試土壤采自山東省農業科學院實驗地，0～20 cm的表層土，經自然風干后，過2 mm篩。粘粒含量（<0.001 mm）為16.2%，pH(H2O)值為7.08，土壤陽離子交換量7.63me/100克土，有機質含量為19.5 g·kg-1，速效鉀含量176 mg·kg-1，有效磷為17 mg·kg-1，有效氮為45.5 mg·kg-1，全Cd含量為0.06 mg·kg-1。試驗用花盆為Φ11 cm，H 11 cm的塑料盆缽。

供試作物為菠菜（益農超級398），產于意大利。供試3種菌劑為枯草芽孢桿菌（1×109 cfu·mL-1）、光合細菌（2×109 cfu·mL-1）和乳酸菌（2×109 cfu·mL-1），均為液態，由山東省農業科學院高新技術研究中心微生物研究室分離鑒定保藏。菌懸液制備：取菌劑成品，用蒸餾水將菌液分別稀釋100、300倍至300 mL后，待用。

1.2試驗設計

采用溫室盆栽試驗，每盆加入風干過篩后土樣1.5 kg，向土樣中加入營養液作為底肥，每1 kg風干土樣加入N（NH4NO3）250 mg，P（KH2PO4）109 mg，K（KH2PO4+K2SO4）207 mg，2 d后，將重金屬溶液與土樣混合。Cd處理濃度為1 mg·kg-1，以不加重金屬為對照。用CdCl2 2.5H2O配制，與過2 mm篩土壤反復混勻，在溫室中穩定1個月，3次重復。

選取飽滿、大小一致的菠菜種子，每盆種5粒，保證持水量為田間持水量的60%。將300 mL菌懸液隔天澆入盆栽中。各處理隨機排放，放置在室內自然光下生長。試驗方案見表1。2009年11月15日播種，2010年3月15日收獲，全生長期120 d。

1.3測定方法

生物量測定：生育期結束后，小心取出完整植株，依次用自來水、蒸餾水、去離子水快速沖洗干凈，濾紙吸干后分別稱其鮮質量，在105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干至恒重，稱其干質量。

植株中Cd含量測定：采用HNO3-HClO4消煮法，用原子吸收分光光度法測定溶液中Cd濃度。

1.4統計分析

用SPSS 11.5 for Windows 統計軟件進行分析。

2結果與分析

2.1Cd脅迫對菠菜生長及Cd積累的影響

從表2可以看出，T2的單株鮮質量和干質量較無Cd（T1）處理分別增長了6.8和31.7個百分點，其中單株干質量差異達到顯著水平。表明輕度Cd污染土壤對菠菜生長有一定的促進作用。菠菜幼苗對土壤中Cd的吸收富集能力較強，其植株Cd含量和單株Cd吸收量較無Cd處理顯著提高，分別是無Cd處理的6.6倍和8.7倍。

2.2 微生物對Cd脅迫下菠菜生長的影響

澆入不同濃度的3種菌懸液后，菠菜單株鮮質量和干質量較T2均增加，增長幅度分別為3.0%～34.5%和3.0%～28.3%。隨菌數的增加（即稀釋倍數的減小），乳酸菌處理的單株鮮質量、干質量均增加。當稀釋倍數為100時，其單株鮮質量和單株干質量較T2分別增長了30.0%和28.3%。對于枯草芽孢桿菌和光合細菌，稀釋300倍處理的單株鮮質量和干質量高于100倍處理，其中光合細菌的增加幅度較大。當稀釋倍數為100時，光合細菌處理的單株鮮質量和單株干質量較T2分別增長了34.5%和27.0%。由此可見，3種微生物菌劑能促進植株生物量的積累，其促進作用排列為：光合細菌>乳酸菌>枯草芽孢桿菌。

2.3 微生物對Cd脅迫下菠菜Cd含量的影響

澆入不同濃度的3種菌懸液后，各處理的植株Cd含量均顯著減少，其下降幅度為1.8%～27.1%。隨菌數的增加，枯草芽孢桿菌、光合細菌和乳酸菌處理的植株單位質量Cd含量顯著降低，以枯草芽孢桿菌下降幅度最大（平均為23.7%）。由此可見，3種微生物菌劑能降低植株對Cd的吸收，其降低幅度大小排列為：枯草芽孢桿菌>光合細菌>乳酸菌。

同時，隨菌數的增加，枯草芽孢桿菌處理的單株Cd吸收量顯著降低，而光合細菌和乳酸菌處理的單株Cd吸收量先顯著增加后減少。T3、T4、T6處理的單株Cd吸收量較T2下降幅度分別為11.2%、24.5%、16.5%，其他處理的單株Cd吸收量高于T2，這是干質量和植株Cd含量雙重變化的結果。相關分析結果也表明，菠菜植株Cd含量與菌數呈顯著負相關，枯草芽孢桿菌、光合細菌、乳酸菌處理的相關系數分別為-0.893（P=0.017<0.05）、-0.959（P=0.002<0.01）、-0.947（P=0.004<0.01）。可見，隨菌數增加，微生物對植株Cd吸收的緩解作用增強。

3討論

菠菜作為中國各地普遍栽培的一種大眾化蔬菜，在蔬菜周年供應中起著重要的作用。作為生態系統中的初級生產者，農作物對鎘的吸收直接影響其品質，進而影響人類健康。從試驗結果可以看出，土壤加入鎘1 mg·kg-1后，植株鮮質量和干質量均有明顯增長，輕度鎘脅迫對作物生長起到了促進作用；植株鎘含量明顯增加，較無鎘處理增長了556.8%。在輕度鎘污染情況下，枯草芽孢桿菌、光合細菌和乳酸菌3種微生物使菠菜單株鮮質量和干質量分別平均增長率為18.8%和15.7%；使鎘進入植株體內的數量減少了約1.8%～27.1%。據報道，中國農田重金屬Cd污染面積已達2萬hm2，每年生產Cd含量超標的農產品達14.6億kg，且有日益增加的趨勢[6]。耕地Cd污染已成為農業生產中重要的重金屬污染之一。上述結果反映出，作為污染物由土壤環境進入食物鏈系統的門戶之一的微生物菌劑在減輕重金屬鎘對食物鏈污染的環境風險方面發揮著重要的作用。

目前研究認為，微生物影響土壤中重金屬活性的機制包括生物吸附、表面生物大分子吸收轉運、空泡吞飲、細胞代謝、沉淀和氧化還原等[7]。通過上述種種代謝活動改變土壤中重金屬的賦存形態，從而改變其生物毒性和生物有效性。一些微生物如動膠菌、藍細菌、硫酸鹽還原菌以及某些藻類，能夠產生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的陰離子基團，與重金屬離子形成絡合物[8]；Macaskie等[9]分離的檸檬酸菌屬（Citrobacer），具有一種抗Cd的酸性磷酸酯酶，分解有機的2-磷酸甘油，產生的HPO42-與Cd2+形成CdHPO4沉淀；也有人將菌根真菌降低宿主植物重金屬濃度的原因歸于菌根真菌改善植物體磷營養狀況、植物生物量增加，從而使重金屬元素“稀釋”[10-12]。本試驗中3種微生物菌劑緩解緩解鎘吸收的機理尚有待進一步研究。

參考文獻：

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