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叢枝菌根真菌(AMF)協同生物炭對土壤重金屬鎘(Cd)的固定化效果研究

2025-06-10 00:00:00趙志瑞胡紫如李碩陽左天源羅佳龍陳小剛孟祥源
安徽農學通報 2025年9期

關鍵詞叢枝菌根真菌;重金屬;鎘污染;生物炭

中圖分類號 X53;X173 文獻標識碼A 文章編號 1007-7731(2025)09-0051-08

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.09.012

AbstractIn this study,local indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)-Glomus consrictum wereselected. Under the stress of cadmium (Cd) at different concentrations ( 0 , 5 ,and 1 0 m g / k g ), to explore its effects on the physical and chemicalpropertiesofsoilandthefixationefectofCdinsoilinthree treatmentgroups: noadditionofbiochar,additionof biochar A (corn stalks),and adition of biochar B(corn cobs).TheFTIR spectral analysis results showed that the functional groupscontainedinthetwo types of biochar were approximatelythe same.Theresultsof theco-treatmentof AMF and biochar showed that the addition of two biochars decreased soil total Cd by 2.9%- 2 5 . 1 % ,soilavailable Cd content by 4 . 8 % - 1 5 . 3 % ,and increased soil available potassium and soil available phosphorus content under different initial Cd concentrations. The soil and soil organic matter increased slightly,but the content of soil alkali-hydrolyzed difused nitrogen decreased.Comprehensivecomparison,under low Cdconcentration,corncob biochar hadamore significant efect on reducing soil total Cd and available cadmium,butunder medium and high Cd concentration,corn straw biochar had a more significant effect on reducing soil total Cd and available Cd.

Keywordsarbuscular mycorrhizal fungi; heavy metals; cadmium pollution; biochar

耕地是農業最基本的生產資料,耕地安全是民生之本。在耕地污染中,以鎘(Cd)污染面積較大2危害較嚴重[3]。Cd元素能夠被植物吸收并在其體內積累,該元素通過擾亂植物的水分平衡4、干擾離子穩態和抑制酶活性等途徑抑制種子萌發7植物的發育及光合作用8-9,進而導致作物產量下降[1]。重金屬元素通過食物鏈可進人人體和動物體內,干擾鈣、磷的正常吸收[1],引起機體骨質疏松、脆化等病理變化2],并對肝、腎及肺等功能造成損害[13]。因此,提高農作物對重金屬毒性的耐受性,改善耕地重金屬Cd的固化技術,已成為當前亟須解決的關鍵科學問題。

大量研究表明,叢枝菌根真菌(Arbuscularmycorrhizalfungi,AMF)能夠促進根系吸收養分[14]、調控植物基因表達[15]及分泌重金屬螯合物[16等,對王壤中重金屬起到固化作用的同時,幫助植物建立重金屬耐受性[17]。AMF可以分泌有機酸[18或刺激根系分泌有機酸[9等物質,改變土壤理化性質。此外,AMF是一類能夠與多數陸生植物根系建立共生關系的有益菌[20],其菌絲一端侵入植物根系,形成叢枝狀結構,從而擴大與植物體的物質交換面積;另一端延伸至土壤中,起到擴大根系營養吸收面積的作用。通過促進植物對營養物質的吸收,增加生物量,發揮生物稀釋作用[21,起到一定的解毒效果。AMF可以調控植物轉運蛋白[22],抑制重金屬從植物地下部向地上部的遷移23],同時誘導植物分泌抗氧化酶,以應對重金屬進入植物體內所引發的活性氧自由基(Reactive oxygen species,ROS)的產生。AMF分泌的聚磷酸鹽及酸根離子[可以螯合重金屬離子,影響其遷移,從而降低重金屬對植株的毒性效應。

生物炭的施用能夠顯著改善土壤理化性質,提高土壤養分水平,并具有鈍化重金屬的作用[24],是一種綠色的重金屬鈍化劑。添加生物炭可增強土壤中磷的可用性,提高土壤有機質含量[25],增強土壤持水能力[26,為植物健康生長提供有利的土壤環境。生物炭還可以利用其巨大比表面積上的可交換離子及官能團[27],通過靜電吸引、離子交換絡合及共沉淀等方式,降低土壤中重金屬的有效態含量,進而減少其向植物體內的遷移。向重金屬污染土壤中添加生物炭,可導致土壤pH上升[28],改變重金屬在土壤環境中的賦存形態,使其從活躍且易遷移的狀態轉變為不易遷移的狀態,從而降低被植物吸收的可能性,以保障植物健康。此外,生物炭在促進AMF在植物根際土壤環境中的定殖也展現出積極作用。生物炭巨大的表面積和豐富的孔隙度為AMF提供了適宜的生長空間及營養物質,促進了其生長和繁殖,進而提高了其在根系的定殖能力[29]。生物炭的性能與其原材料有關,不同種類的生物炭與同種AMF的復配效果有待進一步驗證。本研究以3個濃度的Cd污染土壤為供試土壤,以縮球囊霉(Glomusconstrictum)為供試菌種,探究2種生物炭(玉米秸稈、玉米芯)與縮球囊霉菌對Cd的協同去除效果,為微生物一生物炭雙重修復重金屬污染土壤提供參考。

1材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采集自河北省某小麥種植區 0 ~ 2 0 c m 表層土壤。采集的土壤樣本混合均勻后,剔除其中的石塊及植物根系,自然風干后過 2 m m 篩備用。

試驗所用生物炭購自河南立澤環保科技有限公司,原材料分別為玉米秸稈(生物炭A和玉米芯(生物炭B)。生物炭pH測定方法參照GB/T12496.7—1999《木質活性炭試驗方法 值的測定》,灰分測定方法參照GB/T17664—1999《木炭和木炭試驗方法》,總Cd及有效Cd含量參照《土壤農化分析》(第三版)方法測定。生物炭基本性質測定結果如表1所示。

表1生物炭基本性質

供試叢枝菌根菌種為從供試土壤中提取出的土著菌種,經鑒定,為縮球囊霉。

1.2試驗設計

盆栽試驗設置不外加Cd、外加 5 , 1 0 m g/ k g 3 個Cd污染濃度;生物炭添加種類分別設置不添加生物炭、添加生物炭A、添加生物炭B3個處理,共計9個處理,每個處理設3組重復。每盆按 5 % ( w / w ) 比例接種AMF菌劑,播種15顆已消毒并催芽的小麥種子,并置于 溫室條件下進行培養。待出苗穩定后間苗,每盆保留10株小麥苗。培養期間,每周澆水一次,以水溢滿花盆底托為宜,培養60d后收獲,將土壤及小麥植株分別進行冷凍干燥處理,備用。

1.3測定指標及方法

1.3.1生物炭表面官能團測定 生物炭表面官能團采用傅里葉變換紅外光譜(Fouriertransforminfra-redspectroscopy,FTIR)儀進行測定。

1.3.2土壤理化性質測定 土壤pH采用水(無 水)土(過 2 m m 篩的風干土)比2:1振蕩 3 0 m i n 后離心,使用 計對上清液進行測定。有機質質量分數參照《土壤農化分析》(第三版)中記錄的水合熱重鉻酸鉀氧化一比色法進行測定。堿解擴散氮、速效鉀、有效磷的測定均參照《土壤農化分析》(第三版)中記載的方法進行測定。

土壤全Cd含量的測定根據HJ832—2017《土壤和沉積物金屬元素總量的消解微波消解法》方法進行測定。利用微波消解儀對土壤樣品進行消解,采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)對消解液中Cd離子含量進行測定。土壤有效Cd含量的測定,稱取過0 . 8 5 m m 篩的干燥土壤樣品 1 2 . 5 g ,置于 5 0 m L 離心管中,加入 2 5 m L EDTA浸提劑 ,室溫下振蕩提取 2 h 后,過濾,待測。采用ICP-MS對提取液中Cd離子含量進行測定。

1.4數據統計

利用SPSS26軟件對數據進行單因素方差分析,并比較不同處理之間的顯著性;利用 軟件進行統計圖繪制。

2結果與分析

2.1生物炭FTIR光譜特征

生物炭表面豐富的官能團能與土壤中的重金屬發生絡合反應,起到固化重金屬的作用。2種生物炭的FTIR光譜如圖1所示,2種生物炭所含的官能團大致相同,3853.56和 附近的吸收峰歸因于-OH伸縮振動, 附近的吸收峰源于碳水化合物中-0H伸縮振動,2922.11和

附近的吸收峰與碳水化合物或脂肪酸化合物中 反對稱伸縮振動相關, 附近的吸收峰源于 - C=0 伸縮振動, 附近的吸收峰與CO或N-H振動相關, 附近的吸收峰與含氧官能團-C-O-C伸縮振動有關, 附近的吸收峰源于芳香烴化合物中-C-H振動, 附近的吸收峰與醛類、芳香族或烯烴中-C-H或 - C= C 伸縮振動有關。

圖12種生物炭的FTIR圖譜

2.2AMF協同生物炭處理對土壤理化性質的影響

2.2.1土壤pH 不同處理方式分別在外加0、5、1 0 m g / k g Cd濃度下的土壤pH如圖2所示。無論添加生物炭A還是添加生物炭B相較于不添加生物炭的土壤pH均有不同程度的升高。其中,土壤pH高低依次為添加生物炭 Agt; 添加生物炭 Bgt; 不添加生物炭,且其在3個外加Cd濃度下的表現一致。在不外加Cd處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤pH分別為7.35和7.22,相較于不添加生物炭處理 分別提高了0.16和0.03。在外加 5 m g / k g Cd濃度處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后, 分別為7.68和7.45,相較于不添加生物炭處理分別提高了0.37和0.14。在外加1 0 m g / k g C d 濃度處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后, Δ p H 分別為7.57和7.32,相較于不添加生物炭處理分別提高了0.29和0.04。

圖2不同Cd濃度下生物炭種類對土壤 p H 的影響

2.2.2土壤有機質 不同處理方式分別在外加0 . 5 , 1 0 m g / k g Cd濃度下的土壤有機質含量見圖3。添加生物炭A和生物炭B相較于不添加生物炭土壤中的有機質含量均有不同程度的升高。在不外加Cd濃度和外加Cd濃度為 1 0 m g / k g 條件下,王壤有機質含量均表現為添加生物炭 Bgt; 添加生物炭 Agt; 不添加生物炭;在外加Cd濃度為 5 m g / k g 條件下,土壤有機質含量則表現為添加生物炭 Agt; 添加生物炭 Bgt; 不添加生物炭。相較于不添加生物炭,添加生物炭A的土壤有機質含量在3種外加Cd濃度下分別增加了 0 . 1 0 3 % . 0 . 2 4 6 % 和 0 . 2 5 1 % ,添加生物炭B的土壤有機質含量在3種外加Cd濃度下分別增加了0 . 1 5 7 % . 0 . 1 6 7 % 和 0 . 3 5 0 % 。

圖3不同Cd濃度下生物炭種類對土壤有機質含量的影響

2.2.3土壤堿解擴散氮 不同處理方式在外加 濃度下的土壤堿解擴散氮含量見圖4。添加生物炭A和生物炭B相較于不添加生物炭土壤中堿解擴散氮的含量均有不同程度的下降。在不同處理條件下,堿解擴散氮的含量均表現為不添加生物炭 gt; 添加生物炭 Bgt; 添加生物炭A。在不外加Cd處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤堿解擴散氮含量分別為0.112和 0 . 1 1 9 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別降低了 2 0 % 和 1 5 % 。在外加 5 m g / k g Cd濃度處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤堿解擴散氮含量分別為0.112和0 . 1 2 6 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別降低了 1 5 % 和 2 5 % 。在外加 1 0 m g / k g Cd濃度處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤堿解擴散氮含量分別為0.105和0 . 1 3 3 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別降低了 6 0 % 和 4 0 % 。

圖4不同Cd濃度下生物炭種類對土壤堿解擴散氮含量的影響

2.2.4土壤速效鉀 不同處理方式分別在外加 d濃度下的土壤速效鉀含量如圖5所示。在2種生物炭處理條件下土壤中速效鉀含量均高于不添加生物炭處理組。土壤速效鉀含量表現為添加生物炭 Agt; 添加生物炭 Bgt; 不添加生物炭,且在3個外加Cd濃度下表現一致。在不外加Cd處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤速效鉀含量分別為1397.5和 1 0 8 5 . 2 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別增加了 8 1 % 和 41 % 。在外加 5 m g / k g Cd濃度處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤速效鉀含量分別為962.0和 8 4 3 . 1 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別增加了 123 % 和 9 5 % 。在外加 1 0 m g / k g Cd濃度處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤速效鉀含量分別為867.5和7 7 8 . 7 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別增加了8 0 % 和 6 2 % 。

圖5不同Cd濃度下生物炭種類對土壤速效鉀含量的影響

2.2.5土壤有效磷 不同處理方式分別在外加0 . 5 , 1 0 m g / k g Cd濃度下的土壤有效磷含量見圖 相較于不添加生物炭處理,2種生物炭處理方式均能提高土壤中有效磷的含量。土壤有效磷含量由高到低依次為添加生物炭 Agt; 添加生物炭 Bgt; 不添加生物炭,且在3個外加Cd濃度下表現一致。試驗周期結束后,在添加外源Cd的條件下,添加生物炭A處理后土壤有效磷含量為 4 . 7 1 m g / k g ,添加生物炭B處理后土壤有效磷含量為 3 . 8 4 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別提高了 2 7 . 3 % 和 3 . 8 % 。在外加5 m g / k g Cd濃度條件下,添加生物炭A和生物炭B處理后土壤有效磷含量分別為3.57和 3 . 2 5 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別提高了 2 2 . 7 % 和 1 1 . 7 % 。在外加 1 0 m g / k g Cd濃度組中,添加生物炭A和生物炭B處理后土壤有效磷含量分別為4.07和3 . 7 8 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別提高了9 . 1 % 和 1 . 3 % 。

圖6不同 C d 濃度下生物炭種類對土壤有效磷含量的影響

2.3AMF協同生物炭處理對土壤中Cd活性及Cd含量的影響

2.3.1 土壤總Cd 不同處理方式分別在外加0、5 , 1 0 m g / k g Cd濃度下的土壤總Cd含量見圖7。相較于不添加生物炭處理,2種生物炭處理方式均能降低土壤中總Cd含量。在不外加Cd處理下,土壤總Cd含量由低到高依次為添加生物炭 Blt; 添加生物炭 Alt; 不添加生物炭。添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤總Cd含量分別為2.73和 ,相較于不添加生物炭處理分別降低了1 0 . 6 % 和 3 2 . 3 % 。在外加5和 1 0 m g / k g Cd濃度處理下,土壤總Cd含量由低到高依次為添加生物炭 Alt; 添加生物炭 Blt; 不添加生物炭。其中,在外加5 m g / k g C d 濃度處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤總Cd含量分別為7.13和7 . 6 6 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別降低了9 . 6 % 和 2 . 9 % 。在外加 1 0 m g / k g C d 濃度處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤總Cd含量分別為4.85和 6 . 2 4 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別降低了 2 5 . 1 % 和 3 . 7 % 。

圖7不同Cd濃度下生物炭種類對土壤總Cd含量的影響

2.3.2土壤有效Cd 不同處理方式分別在外加 Cd濃度下的土壤有效Cd含量見圖8。相較于不添加生物炭處理,2種生物炭處理方式均能降低土壤中有效Cd含量。在不外加Cd處理下,土壤有效Cd含量由高到低依次為不添加生物炭 gt; 添加生物炭 Agt; 添加生物炭B。添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤有效Cd含量分別為0.86和 0 . 8 4 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別降低了 1 3 . 3 % 和 1 5 . 3 % 。在外加5和 1 0 m g / k g Cd濃度處理下,土壤有效Cd含量由高到低依次為不添加生物炭 gt; 添加生物炭 Bgt; 添加生物炭A。其中,在外加5 m g / k g Cd濃度處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤有效Cd含量分別為1.95和 ,相較于不添加生物炭處理分別降低了1 1 . 1 % 和 4 . 8 % 。在外加 1 0 m g / k g C d 濃度處理下,添加生物炭A和生物炭B處理在試驗周期結束后,土壤有效Cd含量分別為2.86和 3 . 0 6 m g / k g ,相較于不添加生物炭處理分別降低了 1 1 . 4 % 和 5 . 5 % 。

圖8不同Cd濃度下生物炭種類對土壤有效Cd含量的影響

3結論與討論

生物炭中羥基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基( - C= O )等含氧官能團可以通過離子交換、表面絡合固定重金屬,通過氧化還原反應改變重金屬價態,降低重金屬毒性30;含氮官能團能夠與汞、鎘等重金屬離子形成強配位鍵[31,還可以與重金屬離子發生絡合反應從而降低重金屬有效性[32];香碳結構通過 π - π 相互作用或陽離子 - π 作用吸附帶正電的重金屬離子[33]。

向Cd污染土壤中添加生物炭的處理方式對土壤pH略有提高效果,這源于生物炭本身具有較高的 ,而土壤pH變化不明顯,原因是土壤本身具有酸堿緩沖效果[34]。此外,生物炭分解后會產生一些酸性物質,也會在一定程度上降低土壤 。生物炭的加入可以激活土壤中蔗糖酶活性[3,蔗糖酶直接參與生物炭的代謝過程,提高土壤中的有機質含量。同時,土壤中的有機質可以被微生物代謝分解,兩者的共同作用使土壤中有機質含量保持得較為穩定。生物炭具有較高的碳氮含量,由于氮素的引人,增強了王壤中微生物的活性,加速了微生物對土攘中營養元素的利用[37],從而降低了土壤堿解擴散氮的含量。生物炭表面官能團能夠與土壤中的 發生絡合反應[38],形成穩定的碳氮鍵,從而減少了土壤中可直接被利用的氮素含量。王化秋等39研究發現,土壤中AMF的豐度與速效鉀含量成正相關。根際AMF對解鉀細菌具有一定促生作用[40],可以促進土壤礦物中的鉀向植物可利用形態轉換,從而增加土壤中速效鉀的含量。黃凱等41研究表明,施加生物炭可以使土壤中速效鉀含量升高,這與本試驗的研究結果一致。有效磷含量是土壤養分的重要指標,添加生物炭能有效提高土壤有效磷含量,一方面是由于生物炭的添加引入了部分可溶性磷42;另一方面,經過修復后的土壤理化性質有所改善,減少了土壤養分流失,增加了土壤有效磷含量。

生物炭的加入增加了土壤養分含量,一方面促進了植物的生長[43],增強了植物體對Cd的富集作用44;另一方面,促進了AMF的繁殖,增加土壤中的微生物數量[45],加速了土壤和植物之間的物質交換過程,促進了土壤中Cd向植物遷移的進度。AMF可以通過將Cd固定在菌絲中[4,達到降低土壤中有效Cd含量的效果,其還可以分泌或誘導植物根系分泌相關物質(如細胞黏液、酸根離子等)螯合重金屬離子[47],從而降低重金屬的有效性。袁金瑋等[48研究證明,蘋果酸和檸檬酸可以對重金屬元素起到螯合作用。生物炭的施入提高了土壤pH,降低了土壤中鎘元素的可遷移性;此外,生物炭表面含有大量的官能團,其通過絡合和共沉淀作用等對王壤中活躍的Cd離子起到固定作用,其多孔隙結構為微生物生長繁殖提供了大量的空間,其表面的大量營養元素為微生物生長繁殖提供了豐富的營養物質。AMF與生物炭的相互作用對土壤中重金屬元素起到了很好的固定作用。普東偉等4的研究表明,生物炭和AMF的聯合施用可以顯著降低土壤中Cd的可遷移性。

本試驗中,生物炭與AMF聯合施用后,土壤pH以及有機質、速效鉀和有效磷含量均比只添加AMF的處理有所上升,而土壤堿解擴散氮含量較只添加AMF的處理有所降低。總體上,生物炭的加入較只添加AMF提高了土壤的健康程度,為后續植物生長提供了更多可利用的營養元素。土壤環境中Cd的遷移能力與土壤pH密切相關,當土壤pH升高時,土壤中Cd的遷移能力降低。添加生物炭后,土壤pH有所升高,有助于降低土壤中有效Cd的含量。相較于只添加AMF,添加生物炭在不同Cd濃度下土壤總Cd及有效Cd含量均表現為降低趨勢,但2種生物炭在不同Cd濃度下表現出的效果不相同。在低Cd濃度下,生物炭B(玉米芯)對土壤總Cd及有效Cd含量的降低效果更為顯著,而在中高Cd濃度下表現為生物炭A(玉米秸稈)對土壤總Cd及有效Cd含量的降低效果更為顯著。本研究僅對添加生物炭后AMF對土壤Cd污染修復效果的影響進行了研究,后續可對生物炭的吸附機理、生物炭添加濃度等進行更深人的研究。

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(責任編輯:何艷)

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