光合細菌對土壤中Cd形態分布的影響

肖根林，白紅娟，賈萬利

（中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051）

環保與三廢利用

光合細菌對土壤中Cd形態分布的影響

肖根林，白紅娟，賈萬利

（中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051）

研究了光合細菌球形紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）在不同理化因素下對土壤中重金屬鎘形態分布的影響。結果表明，該菌株影響土壤中Cd形態分布的最佳條件為：pH 7、溫度35℃ 及加菌量106個／g土。在最佳條件下，光合細菌能最大降低生物可利用性的Cd形態含量和最大提高生物不可利用性的Cd形態含量。因此，光合細菌能明顯改變土壤中重金屬Cd的各種形態的含量，提高農作物的品質，為光合細菌修復重金屬土壤污染的推廣應用提供實驗依據。

光合細菌；土壤；鎘；形態分布

隨著社會的發展，人們對生活質量的要求越來越高，重金屬對環境以及人類的污染也被逐漸重視起來。由于重金屬污染所導致的疾病，威脅到人類的健康，所以，重金屬成為當前環境科學研究中的重點。重金屬不僅引起土壤環境污染，而且以各種化學狀態或化學形態存在，在進入環境或生態系統后會存留、積累和遷移，直接或間接地危害人類和整個生態環境的健康，也就是說土壤重金屬污染影響整個人類生存環境的質量［1］。

國內外學者研究了土壤重金屬的遷移與轉化，并采用化學方法來降低土壤中重金屬形態和含量。邱莉萍等［2］的研究結果表明，化學修復劑EDTA 能夠與 Cd、Cu、Zn、Ni等許多重金屬發生絡合作用，從而減少重金屬在土壤溶液中的含量；EDTA對Zn污染和輕度Cu污染土壤有較好的改良作用，而對Cd污染和重度Cu污染的土壤改良效果差。王夢亮等［3］研究了光合細菌能改善土壤的結構和營養狀況，增加農作物的產量。光合細菌是一種能在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用有機物作供氧體兼碳源，進行不放氧光合作用的細菌，具有提高植物光合作用，提高土壤肥力等特性。目前，對光合細菌影響土壤重金屬的形態及其在土壤中的分布的研究尚少見報道。因此，研究土壤環境中重金屬污染形態轉化，對土壤環境質量的提高以及保障農產品安全等方面有著重大的現實意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

菌種：光合細菌H菌株系紫色非硫菌群紅細菌屬的球形紅細菌 （Rhodobacter sphaeroides），由本院光合細菌研究室分離鑒定保藏［4］。

培養基：基礎培養基采用光合細菌液體培養基［4］。

1.2 土壤樣品的采集、樣品處理

土樣取自山西省太原市土堂村莊稼地，10～20 cm深，取回實驗室后過篩，配制成土壤中含有不同濃度的溴化鎘、乙酸鉛，放置30 d進行土壤平衡，備用。

1.3 試驗方法與條件

在上述的土壤所設定的Cd2＋單一污染濃度分別為 10mg·kg-1，20mg·kg-1，40mg·kg-1，100mg·kg-1。在上述的設定濃度中，設置不同的培養條件，見表1。

表1 光合細菌修復土壤樣品實驗條件的設計

按照表1的實驗條件設計，并且每組設置不加菌為對照組。采用Tessier連續提取法加以改進［5～6］分離出 5 種狀態（可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態、殘渣態）。

1.4 測定方法及數據處理

本實驗選取光合細菌為微生物材料，在不同溫度、pH值和菌濃度等條件下培養土樣，通過連續提取法分離土壤中不同形態Cd，采用火焰原子吸光分光光度計測定Cd2＋濃度，研究光合細菌對土壤中Cd形態分布的影響。土壤樣品用HNO3-HCl-HClO4消解，火焰原子吸收分光光度法測定消解液中Cd的濃度。試驗數據用Origin Pro 8.1進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 不同pH值土壤樣品中鎘各種形態的含量

在圖1中B表示可交換態加菌，C表示可交換態對照；D表示碳酸鹽結合態加菌，E表示碳酸鹽結合態對照；F表示鐵錳氧化物結合態加菌，G表示鐵錳氧化物結合態對照；H表示有機質結合態加菌，I表示有機質結合態對照；J表示殘渣態加菌，K表示殘渣態對照。由圖1可以看出，在pH為5，6，7和8時，重金屬Cd的可交換態，加入光合細菌的土樣比對照所測出的Cd的濃度低，分別降低了 2.21%，1.94%，4.59%和 4.09%。 因此，光合細菌能明顯降低土壤中的交換態Cd，并且，最佳降低Cd交換態的濃度的條件是pH值為7。重金屬Cd的碳酸鹽結合態，加入光合細菌的土樣所測出的Cd的濃度都小于對照，說明光合細菌能降低土壤樣品中碳酸鹽結合態的Cd。當pH為 5，6，7 和 8 時， 分別降低了 1.64%，3.53%，3.00%和0.9%。尤其是能明顯降低pH 7土壤中的碳酸鹽結合態Cd。重金屬Cd的鐵錳氧化物結合態，加光合細菌的土樣所測出的Cd的濃度都大于對照；當 pH為 5，6，7和8時，分別升高0.46%，1.31%，3.65%和 3.09%。 因此，光合細菌在pH為7時能明顯提高土壤中鐵錳氧化物結合態的Cd。重金屬Cd有機質結合態，加菌與對照相比，分別升高了 0.22%，0.12%和 0.74%，而 pH 為7時降低了0.31%。因此，光合細菌能提高土壤中的有機質結合態Cd。重金屬Pb的殘渣態，加光合細菌的土樣所測出的Cd的濃度都大于對照；當pH 為 5，6，7 和 8 時，分別升高了 2.55%，3.76%，4.56%和1.39%。因此，光合細菌在pH為7時能最明顯升高土壤中殘渣態的Cd。

圖1 不同pH值對土壤中鎘各種形態分布的影響Fig.1 Effects on the distribution of soil cadmium at different pH

在不同的pH值的土壤環境中加菌后，重金屬生物可利用性明顯降低。當pH值為7時，最能降低生物可利用性的鎘。

2.2 不同溫度時土壤樣品中鎘各種形態的含量

在圖2中B表示可交換態加菌，C表示可交換態對照；D表示碳酸鹽結合態加菌，E表示碳酸鹽結合態對照；F表示鐵錳氧化物結合態加菌，G表示鐵錳氧化物結合態對照；H表示有機質結合態加菌，I表示有機質結合態對照；J表示殘渣態加菌，K表示殘渣態對照。由圖2可以看出，在溫度不同時光合細菌對可交換態重金屬Cd的影響，當溫度為20℃時加菌比對照降低3.12%，25℃時降低了 1.04%，30℃時降低 4.09%，35℃時降低了6.52%，加入光合細菌重金屬有變小的趨勢。所以，當溫度為35℃為光合細菌降低交換態的Cd。對碳酸鹽結合態重金屬Cd的影響，在溫度為20℃時加菌比對照降低了2.29%，25℃時降低了3.55%，30℃時降低 2.39%，35℃時降低了 1.05%，而此時，當溫度為25℃時光合細菌對碳酸鹽結合態Cd的濃度影響最大。對鐵錳氧化物結合態重金屬Cd的影響，溫度為20℃時加菌比對照升高0.64%，當溫度為 25℃時降低了 0.87%，當溫度為30℃時升高 2.75%， 而 35℃時降低了 0.19%，因此，當溫度為30℃時為光合細菌對鐵錳氧化物的Cd的最適合溫度。對有機質結合態重金屬Cd的影響，20℃時加菌比對照升高了0.43%，25℃時升高了 0.38%，30℃時升高了 0.18%，35℃時升高了4.74%，當溫度為35℃時為光合細菌對有機質結合態的Cd的最適合溫度。對殘渣態重金屬Cd的影響，溫度為20℃時加菌比對照升高了4.74%，25℃時升高了 5.07%，30℃時升高了 3.83%，35℃時升高了2.68%。溫度25℃是光合細菌對有機質結合態的Cd的最適合溫度。

圖2 不同溫度值對土壤中鎘各種形態分布的影響Fig.2 Effects on the distribution of soil cadmium at different temperature

在不同溫度的土壤環境中溫度在30～35℃之間加菌后的生物可利用性明顯降低，土壤環境中加菌后的土壤在30～35℃之間的重金屬遷移能力比不加菌的低。當改變溫度時，溫度為35℃時最佳，最能降低生物可利用性的重金屬Cd，最能提高生物不可利用性的重金屬Cd。

2.3 不同加菌量土壤樣品中鎘各種形態的含量

在圖3中，B表示可交換態，C表示碳酸鹽結合態，D表示鐵錳氧化物結合態，E表示有機質結合態，F表示殘渣態。由圖3可以清晰地看出隨著菌濃度的提高，光合細菌對重金屬的影響最大，也間接說明了光合細菌是有轉移重金屬的能力。

圖3 不同加菌量對土壤中鎘各種形態分布的影響Fig.3 Effects on the distribution of soil cadmium in different concentration of PSB

由圖3可以看出，在不同的菌濃度的土壤環境中，加菌的土樣的生物可利用性明顯降低（與對照組相比），濃度為106個／g土的時候生物可利用性最低。

從以上3個條件分析，總體趨勢是加了光合細菌的土樣比不加光合細菌的土樣所測出的可交換態的重金屬Cd和碳酸鹽結合態的重金屬Cd含量有所減少，鐵錳氧化物結合態，有機質結合態，殘渣態，加菌相對對照有所增加。前邊減少的比例幾乎與后變增加的比例相同。說明光合細菌影響了重金屬的遷移能力。光合細菌影響土壤中重金屬的最適的條件是，本實驗是菌濃度為106個／g土，溫度35℃，pH為7時，在這個條件下光合細菌影響重金屬Cd最大。

4 結論

在不同pH值、溫度、菌濃度條件下，光合細菌都能不同程度影響土壤中重金屬鎘的5種形態分布。

（1）當 pH 為 5，6，7 和 8時，加入光合細菌后，能降低可交換態、碳酸鹽結合態的Cd，提高鐵錳氧化物結合態、有機結合態、殘渣態的Cd，因此，Cd的生物可利用性明顯降低，分別降低了3.85%、5.46%、7.59%和 5.00%。

（2）當溫度為 20℃，25℃，30℃和 35℃時，重金屬鎘在溫度為35℃時，光合細菌最能降低生物可利用性的重金屬Cd，最能提高生物不可利用性的重金屬Cd。

（3）當菌濃度不同時，隨著菌種濃度越高影響重金屬形態分布越大，并在菌濃度106個／g土時，影響最大。

［1］ Wong SC，Li XD，Zhang G，et al.Heavy metal in agricultural soils of the Pearl River Delta ［J］.South China Environ Pollut， 2002， 119：33-44.

［2］ 邱莉萍，張興昌.Cu、Zn、Cd和 EDTA對土壤酶活性影響的研究 ［J］.農業環境科學學報，2006， 25（1）：30-33.

［3］ 李俊峰，王夢亮.光合細菌對農田生態系統的影響［J］.山西農業科學， 2002， 30（1）： 52-56.

［4］ 姚竹云，張肇銘.幾株光合細菌的表型特征及DNADNA同源性分析［J］.應用與環境生物學報，1996，2（1）： 84-89.

［5］ TessierA，CamPbellP GC，BissonM.Sequential extraction procedure for the speciation of particulate tracemetal［J］.Analytical Chemistry， 1979， 51（7）： 844-851.

［6］T.G.Kazi， M.K.Jamali.An ultrasonic assisted extraction method to release heavy metals from untreated sewage sludge samples［J］.Chemosphere，2006， 63：411-420.

Effects on Distribution of Soil Cadmium Using Photosynthetic Bacteria

XIAO Gen-Lin，BAI Hong-Juan，JIA Wan-Li
（College of Chemical＆ Environment Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

The influences of the distribution of soil cadmium in different soil physical and chemical factors using the photosynthetic bacteria （Rhodobacter sphaeroides） were analyzed in this study.The results showed that the optimum conditions for influencing the distribution of soil cadmium were pH7.0， temperature at 35？ C and the amount bacteria of 106 ／g soil.Under the optimal conditions， photosynthetic bacteria could reduce the content of bioavailability of cadmium largely and increased the content of biological non-use of cadmium greatly.Therefore，photosynthetic bacteria could obviously change the content of various forms of soil cadmium，could improve the quality of crops.The result could provide the experimental basis for popularizing and applying the remediation technology of heavy metals polluted soils using the photosynthetic bacteria.

photosynthetic bacteria；soil； cadmium；distribution

X 53

A

1671-9905（2011）03-0043-03

肖根林，男，漢族，江西萍鄉市，中北大學在讀碩士，研究方向：資源化利用與清潔生產

2010-12-01