土壤藻結(jié)皮對高鎘農(nóng)田表層土壤的改良作用研究

李鎏爽,謝作明,2*,裴福文,毛 青

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430078;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室,湖北 武漢 430078)

鎘(Cd)是我國農(nóng)業(yè)土壤中最常見的金屬污染物[1]。農(nóng)業(yè)土壤中的鎘主要來自大氣沉降和農(nóng)業(yè)活動的施肥、添加污泥及污水灌溉[2-4]。鎘被作物吸收進(jìn)入食物鏈并在人體內(nèi)富集[5-6]，導(dǎo)致人類罹患骨骼和腎臟疾病[7]。近年來，人們采用多種物理、化學(xué)和生物方法修復(fù)鎘污染土壤[8]，其中生物修復(fù)被認(rèn)為是一種成本低、效益高、環(huán)境友好的治理途徑[9]。

土壤藻結(jié)皮(Soil Algal Crust，SAC)是土壤藻入侵土壤表面并經(jīng)過一段時間生長發(fā)育后形成的一種生物土壤結(jié)皮[10]。生物土壤結(jié)皮由藻類、真菌、細(xì)菌和苔蘚等生物與土壤顆粒膠結(jié)在一起而形成[11]。生物土壤結(jié)皮覆蓋約12%的陸地面積[12]，在地表穩(wěn)定[13]、地表徑流的水分再分配[14]、水分蒸發(fā)[15]、碳氮固定[16]以及維管植物萌發(fā)和生長中發(fā)揮著重要的作用[17]。因此，生物土壤結(jié)皮被認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)工程師[18]。近年來，大量新的研究表明生物土壤結(jié)皮不僅是一種有效的鹽堿地土壤修復(fù)方法[19]，還可以通過胞外聚合物(EPS)結(jié)合、細(xì)胞表面吸收、細(xì)胞內(nèi)吸收和生物礦化[20]作用來有效修復(fù)稻田系統(tǒng)中的鎘污染[21-23]，并通過重建受損土壤微生態(tài)、擴(kuò)大不同微生物群落的發(fā)展、增強(qiáng)固氮酶活性，從而提高土壤的修復(fù)效率[24-25]。

本研究通過向高鎘農(nóng)田土壤表面接種土壤藍(lán)藻，培植土壤藻結(jié)皮的盆栽實驗，探究土壤藻結(jié)皮對高鎘農(nóng)田表層土壤的理化性質(zhì)和鎘污染修復(fù)的作用。該研究結(jié)果可為深入認(rèn)識高鎘農(nóng)田土壤藻結(jié)皮的生態(tài)功能提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤藍(lán)藻的篩選與培養(yǎng)

從湖北省大冶市松山村(30°10′41″N，114°52′33″E)采集自然土壤藻結(jié)皮樣品，快速運(yùn)回實驗室備用。選取5 g新鮮土壤藻結(jié)皮置于500 mL的無菌三角錐形瓶中，并加入450 mL已滅菌的BG11培養(yǎng)基，實驗室內(nèi)光照、通氣培養(yǎng)3 d，取藻懸液涂布在BG11固體培養(yǎng)基上，置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，溫度為25℃，光照強(qiáng)度為100 μmol/(m2·s)，光、暗周期為14 h∶10 h。當(dāng)固體培養(yǎng)基表面出現(xiàn)單藻落時，挑取單藻落接種到BG11液體培養(yǎng)基中，按照上述方式繼續(xù)純化培養(yǎng)2次。顯微鏡鏡檢顯示為一株絲狀土壤藻，用于后續(xù)實驗。經(jīng)北京六合華大基因科技有限公司鑒定該藻為與Leptolyngbyasp.UIC 10068親緣關(guān)系最近的細(xì)鞘絲藻。

1.2 土壤藻結(jié)皮盆栽實驗

土壤樣品采自湖北省大冶市松山村(30°10′41″N，114°52′33″E)農(nóng)田表層0～20 cm土壤，土壤樣品的理化性質(zhì)見表1。根據(jù)《土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值和管制值》(GB 15618—2018)，該土壤中Cd含量為2.53 mg/kg，已高于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管制值2.0 mg/kg(5.5

表1 土壤樣品的理化性質(zhì)

將篩選的細(xì)鞘絲藻接種到BG11液體培養(yǎng)基中，按照上述條件培養(yǎng)至對數(shù)生長期，過濾后用去離子水清洗3次，重新懸浮于去離子水中，備用。將5 mL葉綠素含量為5.03 μg/mL的細(xì)鞘絲藻懸浮液均勻接種到培養(yǎng)皿中的土壤表面作為處理組；對照組土壤表面均勻添加等量去離子水。所有培養(yǎng)皿在25 ℃、100 μmol/(m2·s)光照強(qiáng)度和光暗周期 14 h∶10 h下連續(xù)培養(yǎng)，試驗過程中通過恒重法保持土壤含水率為22.2%。處理組和對照組分別設(shè)4個平行對照，每隔20 d按照土壤表層以下0～0.5 cm、0.5～1.5 cm、1.5～3 cm、3～5 cm和5～7 cm分層取樣，每次土樣取整體1/4，并用回填土保持完整性，使用薄膜將回填土和實驗土隔開。

1.3 土壤理化性質(zhì)測定方法

土壤分層樣品經(jīng)自然風(fēng)干，研磨后過10目和100目篩，分析土壤的物理化學(xué)性質(zhì)。土壤藻結(jié)皮層中葉綠素a含量采用乙醇提取-紫外分光光度法測定[26]；土壤的pH值采用電位法測定，提取劑為0.01 mol/L CaCl2溶液(土水比為1∶2.5)；土壤的含水率采用重量法測定；土壤中Cd含量經(jīng)HNO3-HCl-HF體系微波消解，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定；土壤中陽離子交換量(CEC)采用三氯化六氨合鈷浸提-紫外分光光度法測定；土壤中有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤中堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤藻結(jié)皮層生物量

土壤藻結(jié)皮層生物量用葉綠素a含量表示。土壤表面接種細(xì)鞘絲藻后，0～0.5 cm土壤藻結(jié)皮層生物量隨時間的變化曲線，見圖1。

圖1 0～0.5 cm土壤藻結(jié)皮層生物量隨時間的變化曲線

由圖1可知:在前20 d內(nèi)0～0.5 cm土壤藻結(jié)皮層生物量緩慢增加；隨著土壤藻結(jié)皮的發(fā)育，其生物量快速增加，在第20～40 d內(nèi)，土壤藻結(jié)皮層生物量由0.10 mg/g DWSAC(干重藻結(jié)皮)增加至0.73 mg/g DWSAC；隨后，土壤藻結(jié)皮層生物量繼續(xù)增加，并在第80 d達(dá)到最大值(0.95 mg/g DWSAC)。可見，土壤藻結(jié)皮可以在高鎘農(nóng)田中正常生長。

2.2 土壤藻結(jié)皮對土壤中有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤樣品中有機(jī)質(zhì)初始含量為22.6 g/kg(見表1)，土壤表面接種細(xì)鞘絲藻后，各分層土壤中有機(jī)質(zhì)含量隨時間和土壤埋深的變化趨勢，見圖2。

圖2 土壤中有機(jī)質(zhì)含量隨時間和土壤埋深的變化趨勢圖

由圖2可知，土壤表面接種細(xì)鞘絲藻后，各分層土壤中有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)隨時間逐步增長的趨勢。其中，最表層0～0.5 cm土壤中有機(jī)質(zhì)含量增長最快，80 d后土壤中有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到36.5 g/kg，增加了61.5%;0.5～1.5 cm、1.5～3 cm、3～5 cm和5～7 cm分層土壤中有機(jī)質(zhì)含量最高值分別為29.6 g/kg、25.2 g/kg、24.7 g/kg和23.2 g/kg,表明土壤藻結(jié)皮以下土壤中有機(jī)質(zhì)含量隨土壤埋深的增加而越少。

土壤藻結(jié)皮具有“生物肥料”功能，可為土壤補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)[27]。一方面，土壤藻結(jié)皮中葉綠素a含量隨藻結(jié)皮的發(fā)育呈現(xiàn)增加的趨勢，光合作用和固氮作用使土壤中有機(jī)質(zhì)逐漸增多[28];另一方面，土壤藻結(jié)皮分泌物和殘體等被微生物不斷分解形成腐殖質(zhì)，有效地促進(jìn)了土壤中有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分的積累[29]。此外,土壤藻結(jié)皮層生物量的增加和水熱因子的變化促進(jìn)了土壤微生物生物量和多樣性的增加[30-31]，進(jìn)一步促進(jìn)了土壤中碳、氮、磷和硫等養(yǎng)分的積累[32]。

2.3 土壤藻結(jié)皮對土壤pH值的影響

土壤表面接種細(xì)鞘絲藻后，各分層土壤pH值隨時間和土壤埋深的變化趨勢，見圖3。

圖3 土壤pH值隨時間和土壤埋深的變化趨勢圖

由圖3可知，土壤藻結(jié)皮各分層土壤的pH值均隨著土壤藻結(jié)皮的發(fā)育而升高。其中，0～0.5 cm分層土壤的pH值增長最快，最高達(dá)7.02，0.5～1.5 cm、1.5～3 cm和3～5 cm分層土壤的pH值升高到6.56、6.38、6.29，5～7 cm分層土壤的pH值幾乎沒有變化，表明土壤pH值隨著土壤埋深的增加，呈現(xiàn)pH值升高逐漸減緩的趨勢。這可能是因為土壤藻的光合作用消耗了大量的CO2[33]，經(jīng)過微生物分解后的有機(jī)酸如醋酸、琥珀酸和檸檬酸等也可以作為土壤藻的碳源，合成有機(jī)物，從而導(dǎo)致土壤的pH值上升。因此，生物藻結(jié)皮能有效改善高鎘農(nóng)田土壤的酸性問題。

2.4 土壤藻結(jié)皮對土壤中堿解氮含量的影響

土壤樣品中堿解氮含量初始值為126 mg/kg(見表1)。土壤表面接種細(xì)鞘絲藻后，各分層土壤中堿解氮含量隨時間和土壤埋深的變化趨勢，見圖4。

圖4 土壤中堿解氮含量隨時間和土壤埋深的變化趨勢圖

由圖4可知，各分層土壤中堿解氮含量均呈現(xiàn)隨時間逐步增長的趨勢。其中，最表層0～0.5 cm土壤中堿解氮含量增長最快，80 d后土壤中堿解氮合量達(dá)到214 mg/kg；0.5～1.5 cm、1.5～3 cm、3～5 cm和5～7 cm分層土壤中堿解氮含量最高分別為187 mg/kg、151 mg/kg、136 mg /kg和128 mg/kg，表明土壤中堿解氮含量隨土壤埋深的增加而減少。

生物固氮是生物土壤藻結(jié)皮的主要生態(tài)作用之一，很多關(guān)于旱地生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)：土壤藻結(jié)皮層高生物量有利于土壤中氮素的積累[34]；較高的土壤藻結(jié)皮層生物量也可以促進(jìn)光合作用過程的碳滲出，提高土壤中氮的礦化率[35]。除此之外，生物土壤藻結(jié)皮的培植和發(fā)育有利于捕獲可能富含養(yǎng)分的灰塵沉積物[36]，這也有助于土壤中氮的積累。

2.5 土壤藻結(jié)皮對土壤中鎘吸附量的影響

土壤藻結(jié)皮對土壤中鎘的吸附量隨時間的變化曲線，見圖5。

圖5 土壤藻結(jié)皮對土壤中鎘的吸附量隨時間的變化曲線

由圖5可知：隨著土壤藻結(jié)皮的發(fā)育，其對0～0.5 cm和0.5～1.5 cm分層土壤中鎘的吸附量在20 d后開始逐漸增加，并在第80 d時達(dá)到最高，分別為0.55 mg/kg和0.35 mg/kg；土壤藻結(jié)皮培植80 d后，其對1.5～3 cm分層土壤中鎘的吸附量僅增加0.06 mg/kg，而其對3～5 cm和5～7 cm分層土壤中鎘的吸附量幾乎沒有變化。

土壤藻結(jié)皮對土壤中鎘的強(qiáng)富集作用機(jī)理包括黏土物理化學(xué)吸附、微生物吸附與吸收和生物成礦作用，其中生物富集轉(zhuǎn)化作用又包含對鎘的吸收再分配。被富集的鎘主要分布在生物結(jié)皮的三個組分[20]：胞外聚合物(EPS)組分、生物吸附組分和非乙二胺四乙酸(EDTA)可提取組分。土壤藻結(jié)皮發(fā)育過程中的光暗周期設(shè)置為14 h∶10 h，有助于土壤藻向更深層土壤中遷移，以吸附土壤中的金屬鎘。由于原土壤偏酸性，質(zhì)子和金屬自由離子與土壤顆粒表面結(jié)合，形成競爭[37]。而隨著土壤pH值的升高，羥基離子增加，從而導(dǎo)致土壤負(fù)電荷表面積增加，因而增強(qiáng)了對金屬離子的吸附[38]。這是由于土壤藻結(jié)皮為生物和土壤礦質(zhì)的復(fù)合體，隨著其生物量的增大，生物組分的有機(jī)官能團(tuán)中締合態(tài)和游離態(tài)的羥基增多，而游離態(tài)的羥基對鎘具有強(qiáng)的吸附能力[39]；其次，土壤中有機(jī)碳含量的增加既能促進(jìn)微生物生長，也能減輕鎘對土壤微生物的危害。土壤藻結(jié)皮僅培植80 d后，其對土壤中鎘的吸附量已有明顯增加；當(dāng)藻結(jié)皮繼續(xù)發(fā)育且其生物量再次升高時，其對高鎘農(nóng)田土壤中鎘的吸附量將會進(jìn)一步增加。因此，土壤藻結(jié)皮可以有效穩(wěn)定農(nóng)田土壤中鎘的含量，減少鎘進(jìn)入食物鏈，提高農(nóng)業(yè)食品的安全性，對保證農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[40]。

3 結(jié) 論

本研究利用高鎘農(nóng)田土壤中篩選的土著藍(lán)藻培植的土壤藻結(jié)皮，可以有效吸附土壤中的鎘，從而穩(wěn)定農(nóng)田表層土壤中鎘的含量；同時能夠改良酸性土壤，通過增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量和堿解氮含量來提高土壤肥力，改善農(nóng)田土壤環(huán)境?？梢姡猛寥涝迮嘀餐寥涝褰Y(jié)皮修復(fù)鎘污染土壤是一種環(huán)境友好型的重金屬修復(fù)方法，該研究結(jié)果可為鎘污染農(nóng)田土壤的生物修復(fù)提供重要的理論依據(jù)。