根瘤菌對煤矸石污染土壤中紫花苜蓿富集特征金屬的影響

趙芮芮,徐秀月*,王寧寧,趙滿滿,陳浩

(1.貴州師范學院 地理與資源學院,貴州 貴陽 550018;2.外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室(重慶地質礦產研究院),重慶 401120)

工業革命以來,人類活動特別是對化石燃料的需求量也隨之增加,導致對煤炭的開采量也隨之加大,與此同時煤矸石的排放量也隨之增大。相關數據顯示,煤矸石的產量約占煤炭產量的10%,我國2020年煤矸石的總積累量已達70多億 t,煤矸石已經成為我國積累量和年增長量最大、占用土地最多的工業廢棄物[1]。針對礦區煤矸石造成的嚴重環境污染,特別是對周邊土壤造成的重金屬污染,國內外專家和學者都給予高度重視,并采取了相應的控制措施,但是傳統的煤矸石污染處理大多為末端治理技術,由于煤矸石長年累月的釋放,導致處理成本的逐年上漲,采用的末端處理方式多為物理法、化學法和生物法等[2],其修復過程容易造成二次污染,且對煤矸石及周圍的環境的生物多樣性造成不可逆轉的損害,因此積極研究煤矸石源頭控制技術是當前嚴峻形勢下的迫切要求[3]。

植物修復以其價格低廉、對環境影響小、使用廣泛、操作簡便、安全可靠、可美化環境、并可在生長過程中減少土壤污染物等優點,從誕生的那刻起,就很快被各國學者所重視,并逐漸進行深入研究[4-5]。盡管國內外研究學者對植物修復進行了大量的研究,但絕大多數的植物具有植株矮小、生長速度較為緩慢且地域性強的特點,造成了修得效率低、修復時間漫長等缺點,均成為制約植物修復技術的瓶頸問題。豆科植物紫花苜蓿具有生長快、生物量大、根系發達且適應性強等特點[6],被應用于Cd[7-8]、Mo[9]污染土壤的修復,根瘤菌與豆科植物共生不僅可為豆科植物提供氮素,而且還可以通過合成鐵載體和植物激素、溶解無機磷、降低乙烯水平與抑制植物病害等多種方式來促進豆科植物的生長,增加其生物量[10]。根瘤菌可與豆科植物形成共生體系參與污染土壤 Hg[11]、Ni、Zn、Cu、Cd[12]的修復,而對煤矸石污染土壤的修復卻未見報道?；诖?本研究采用溫室盆栽的試驗方法,以煤矸石污染土壤為研究對象,探討不同比例根瘤菌的添加對煤矸石污染土壤中紫花苜蓿富集和轉移特征金屬能力進行分析與評價,以期為煤炭開采和洗選地區煤矸石污染土壤的原位控制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自貴州師范學院周邊田間土壤,采集0～20 cm的表層土樣,經自然風干,去除雜草、砂石等雜質后研磨過2 mm的尼龍篩,裝袋備用;煤矸石來自貴州省清鎮市某矸石堆場,土壤及煤矸石的理化性質見表1。紫花苜蓿( Medicago sativa L.) 種子購于網上農資專賣店,根瘤菌購于上海瑞楚生物科技有限公司。

表1 土壤及煤矸石理化性質

1.2 試驗設計

試驗于2022年3～7月在貴州師范學院溫室大棚開展,本試驗共設4個處理組:CK:不添加根瘤菌的植物組;MR1:按質量比添加0.5%根瘤菌的植物組;MR2:按質量比添加1.5%根瘤菌的植物組;MR3:按質量比添加3%根瘤菌的植物組,本試驗每個處理組分別設置3個重復。

供試土樣2 000 g與煤矸石500 g充分混合后置入塑料花盆中來模擬煤矸石污染土壤,并于室內靜置一周,將不同比例的根瘤菌置入相應處理組中,拌勻后加水至50%田間持水量,靜置過夜;紫花苜蓿種子經75%的酒精浸泡30 s殺菌處理,并用去離子水沖洗干凈后,選取顆粒飽滿的種子播種于相應花盆中,15 d以后進行間苗,整個實驗過程中隨機交換花盆位置,并定期澆水,植物種植90 d后收獲。

1.3 樣品采集與分析

試驗結束后將紫花苜蓿地上部分、地下部分分別用不銹鋼剪刀截取后用自來水洗凈,并用去離子水沖洗后,將植物放入烘箱中,105 ℃下殺青30 min后,75 ℃烘干至恒重。然后將植物粉碎后過100目(孔徑0.15 mm)篩,并裝入自封袋中備用,根際土壤樣品自然風干后過100目(孔徑0.15 mm)篩備用。

煤矸石污染土壤的pH值按固液比1∶5(g∶mL)(干樣計)加入純凈水后,pH計(PHSJ-3F型,上海雷克斯)進行測定;有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法進行測定;采用硝酸-氫氟酸-高氯酸高溫溶解土壤及植物樣品進行消解,使用電感耦合等離子體質譜儀(iCAP RQ,賽默飛世)測定土壤中Mn、Cu、Zn、Pb和Cd,Fe采用(WFX-110,北京瑞利)進行測定。

富集系數(BCF)= 紫花苜蓿地上部分特征金屬含量/土壤特征金屬含量

(1)

轉運系數(TF)= 紫花苜蓿地上部分特征金屬含量/紫花苜蓿根部重金屬含量

(2)

1.4 數據處理與分析

使用IBM SPSS statistics 19進行數據統計與分析,采用Origin 2023作圖。采用富集系數、轉運系數對紫花苜蓿的富集能力及轉運能力進行分析與評價。

2 結果與分析

2.1 煤矸石污染土壤pH值與有機質的變化

各處理組中煤矸石污染土壤的pH值及有機質變化如圖1所示,90 d實驗結束后,接種根瘤菌的各處理組中土壤pH值略有上升,CK處理組的pH值為6.47,MP1、MP2和MP3各處理組中土壤pH值分別為6.42,6.49和6.64,有研究表明[13],接種根瘤菌可以使營養液pH值從4.8升至7.5左右,接種根瘤菌可以有效地緩減酸對植物的傷害,本研究中pH值增幅較小,可能是與根瘤菌在代謝過程中分泌有機酸等多種代謝產物有關[10],根瘤菌在代謝過程中通過分泌有機酸、氨基酸等來改變土壤的理化性質,并促進植物的生長[14]。本試驗中污染土壤中有機質量隨根瘤菌的接種量增加而升高,CK處理組中有機質含量為12.4 mg·kg-1,MP3處理組中有機質含量達到16.3 mg·kg-1,接種根瘤菌對土壤有機質的增長有一定的作用,且隨著接種量的增加,根際土壤中有機質的含量有穩步上升的趨勢,這與前人的結果相似[15-16]。

圖1 土壤中pH值、有機質的變化

2.2 根瘤菌對紫花苜蓿富集、遷移特征金屬的影響

2.2.1 根瘤菌對紫花苜蓿體內特征金屬含量的影響

植物對重金屬的富集能力是生態修復的重要內容,是評價植物富集各類重金屬能力的重要指標。植物對重金屬的富集量與根際土壤的理化特征[17]、植物種類[18]及根際土壤重金屬含量有關[19]。該實驗中各處理組紫花苜蓿對煤矸石污染土壤中特征金屬的富集量如圖2所示,接種根瘤菌會對紫花苜蓿體內特征金屬的含量產生一定的影響。接種根瘤菌使紫花苜蓿地上部分和地下部分Fe的含量有一定量的增加,CK處理組中地下部分Fe含量為177.4 mg·kg-1,與CK處理組相比,MP1、MP2和MP3地上部分Fe含量分別提高6.6,10.1,38.4 mg·kg-1,地下部分Fe含量分別增加了3.9%,5.6%和21.9%,這可能是由于根瘤菌代謝過程中產生的一系列有機酸促進了根際有效態Fe含量的增加,增強了根際土壤中Fe的活性,進而使植物對Fe的富集量增加;紫花苜蓿地下Mn含量略有增加,與CK相比,MP3組中地下部分Mn含量增加17.1%,根瘤菌接種量為0.5%和1.5%時對紫花苜蓿地上部分Mn含量影響不明顯,當根瘤菌接種量達到3%時,植物地上部分Mn的含量有一定幅度的增加;各處理組中紫花苜蓿地上及地下部分Cu含量變化均有一定量的增加,當根瘤菌接種量小于1.5%時,紫花苜蓿地上部分Cu含量變化不明顯,當根瘤菌接種量為3%時,與CK相比,紫花苜蓿地上部分Cu的增加率達18.6%,地下部分Cu含量增加71.7%;根瘤菌與豆科植物共生可以迅速繁殖,有研究表明,一個根瘤菌不僅可以繁殖108細菌后代,其為植物提供一定的氮素,可以通過其分泌物促進植物的生物以及對重金屬的積累[10]。MP3處理組中,紫花苜蓿地上部分及地下部分Zn、Cd、Pb含量明顯高于其他處理組,說明只有根瘤菌的添加量達到一定比例時,才會促進紫花苜蓿體內Zn、Cd、Pb含量的增加,這可能是由于接種一定量的根瘤菌可提高植物的生物量[6,20],使植物根系表面積增大,加大了植物根系與污染土壤的接觸范圍,同時根瘤菌也容易結合環境中的活性金屬陽離子到其根系表面,進一步促進植物地下部分對重金屬的吸收和富集[21]。根瘤菌與紫花苜蓿共生能夠形成穩定的互惠關系,紫花苜蓿為根瘤菌提供了必要的碳源及其他營養元素,根瘤菌可以通過分泌物來促進植物生長物質,進而使污染土壤的特征重金屬在植物體內有不同幅度的增加。以上結果表明,接種根瘤菌會影響紫花苜蓿對污染土壤特征金屬的富集,但其富集量與根瘤菌接種量及重金屬的種類不同而不同。

圖2 不同處理組紫花苜蓿體內特征金屬的含量

2.2.2 根瘤菌對紫花苜蓿富集、遷移重金屬的影響

植物對重金屬的富集系數是用來反映重金屬元素從土壤向植物體內遷移的難易程度,轉運系數是植物地上部分或者植物莖葉部分重金屬含量與植物根系重金屬含量的比值,說明植物地上部分或莖葉部分對重金屬元素的吸收能力的差異。根據上述公式(1) (2),將不同處理組中紫花苜蓿及污染土壤中特征金屬含量進行計算,分別得到不同處理組中特征金屬在植物地上部分、地下部分的生物富集系數及轉運系數,計算結果如表2所示。根瘤菌對紫花苜蓿富集特征金屬的富集系數有一定影響,不同處理組中紫花苜蓿對于污染土壤中6 種特征金屬的生物富集系數差異比較大,大小順序是Cd>Mn>Pb>Zn>Cu>Fe,其中Cd 的生物富集系數最大,MP2處理組中,植物地上部分對Cd的富集系數為0.509 1,其次為Mn,其余4種重金屬的生物富集系數均小于0.1,其中最小的為Fe,各處理組中紫花苜蓿地上及地下對Fe的富集系數均小于0.01,可能是紫花苜蓿會通過自身排斥機制來抑制其對各特征金屬的富集和遷移[18],由此可知,紫花苜蓿對Cd富集能力較強。根瘤菌對紫花苜蓿轉運特征金屬具有一定的影響,紫花苜蓿體內,6種重金屬元素轉運系數的差異性較大,不同處理組中紫花苜蓿對Cd的轉運系數均大于1,說明紫花苜蓿能較容易地將Cd從地下部分向地上部分進行轉移,紫花苜蓿對Cd具有較強的植物提取能力。

3 結論

(1)根瘤菌的添加使煤矸石污染土壤的pH值及有機質含量升高,根瘤菌促進紫花苜蓿地上及地下部分Fe含量的增加,根瘤菌添加量小于1.5%時,根瘤菌對紫花苜蓿體內Mn、Cu、Zn、Pb和Cd的含量無顯著影響,當添加量達到3%時,紫花苜蓿體內Mn、Cu、Zn、Pb和Cd均有一定幅度的增加。

(2)根瘤菌對紫花苜蓿的生物富集系數產生一定的影響,紫花苜蓿體內Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Cd等6種特征金屬的生物富集系數整體趨勢與紫花苜蓿體內地上、地下兩部分的變化趨勢基本一致。各處理組中紫花苜蓿對Cd的富集能力較強,其次為Mn。各處理組中紫花苜蓿對Fe、Mn、Cu、Zn和Pb的轉運系數差異性較小,不同處理組對Cd的轉運系數大于其他特征金屬,說明根瘤菌與紫花苜蓿共生在煤矸石污染土壤的修復中具有較大潛力,特別是對Cd具有較強的植物提取能力。