蘇丹草根分泌物在有機(jī)氯農(nóng)藥降解過(guò)程中的作用

潘聲旺,雷志華,2,吳云霄,何茂萍*

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蘇丹草根分泌物在有機(jī)氯農(nóng)藥降解過(guò)程中的作用

潘聲旺1,雷志華1,2,吳云霄3,何茂萍1*

(1.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川成都 610106；2.信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院檢驗(yàn)技術(shù)學(xué)院,河南信陽(yáng)464000；3.延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,陜西延安716000)

采用模擬修復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法,研究了蘇丹草()根系分泌物對(duì)根際土壤中有機(jī)氯農(nóng)藥(organochlorine pesticides, OCPs)各殘留組分的降解特征及其對(duì)根際微生物群落特征(數(shù)量、組成、結(jié)構(gòu)及功能)的影響,探討了根際土壤中微生物碳、微生物氮和群落結(jié)構(gòu)的變化差異.結(jié)果顯示,供試OCPs含量(66.67~343.61mg/kg)范圍內(nèi),根系分泌物介導(dǎo)下的土壤－微生物系統(tǒng)對(duì)OCPs污染物去除的促進(jìn)作用明顯:添加根系分泌物20d后,“根際”土壤(TR2)中OCPs去除率在高達(dá)79.32%,比無(wú)根系分泌物的OCPs污染組(TR1)高36.86%,比滅菌處理組(CK)高60.63%;相同處理?xiàng)l件(污染水平、添加劑量)下,根系分泌物對(duì)HCHs、毒殺芬、HCB、艾氏劑、-氯丹等組分的強(qiáng)化去除率總高于對(duì)OCPs的強(qiáng)化率(<0.05);對(duì)DDTs、滅蟻靈、硫丹Ⅰ、狄氏劑、環(huán)氧七氯等組分的強(qiáng)化去除率低于OCPs的強(qiáng)化率.相同污染水平下,“根際”土壤(TR2)中土壤微生物碳、微生物氮也顯著高于無(wú)根系分泌物的TR1組;實(shí)驗(yàn)期間,細(xì)菌的磷脂脂肪酸含量占主導(dǎo)地位、真菌次之,其變化趨勢(shì)與土壤中OCPs的降解特征相一致.可見,在OCPs降解過(guò)程中,根系分泌物改變了根際土壤中細(xì)菌、真菌等菌群的種群數(shù)量及群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而促進(jìn)了OCPs的降解.

根際效應(yīng)；有機(jī)氯農(nóng)藥；蘇丹草；根系分泌物；土壤微生物

有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs)是一類高穩(wěn)定性和強(qiáng)烈“三致”作用的持久性有機(jī)污染物(POPs),已被環(huán)保部門列入優(yōu)先控制污染物名目[1].雖然多數(shù)國(guó)家已于20世紀(jì)80年代禁止OCPs的生產(chǎn)和使用,但環(huán)境中仍有較高殘留[2-4].OCPs可通過(guò)干濕沉降、擴(kuò)散、質(zhì)流等途徑轉(zhuǎn)移至土壤中,危及生態(tài)環(huán)境及食品安全[5-6],因此OCPs污染土壤的治理修復(fù)日益迫切.研究顯示,根系活動(dòng)可促進(jìn)土壤中POPs去除[7],土壤-植物系統(tǒng)間的根際效應(yīng)(rhizosphere effect)對(duì)多環(huán)芳烴(PAHs)[8-9]、多氯聯(lián)苯(PCBs)[10]等污染物的快速消解具有重要作用[11].根系分泌的某些胞外酶直接參與POPs降解;分泌物中的可溶性糖、低分子量有機(jī)酸、氨基酸等物質(zhì),為根際微生物提供營(yíng)養(yǎng)、改善生長(zhǎng)活性,進(jìn)而加速污染物降解.同時(shí),根系分泌物影響污染物的固定、活化及遷移轉(zhuǎn)化行為[12].但相關(guān)研究多局限于根系分泌物對(duì)土壤OCPs的強(qiáng)化降解方面[13],有關(guān)根系分泌物對(duì)OCPs主要組分的降解特征以及對(duì)根際微生物群落動(dòng)態(tài)的影響效應(yīng)等方面的研究鮮見報(bào)道.據(jù)此,本研究以成都盆地典型蔬菜地土壤中OCPs污染狀況[5]為參照,以蘇丹草()[14]為實(shí)驗(yàn)材料,研究OCPs污染狀態(tài)下,根系分泌物對(duì)OCPs殘留量、各殘留組分的降解特征以及根際微生物群落特征的影響,探討其影響機(jī)制,為OCPs污染環(huán)境的植物修復(fù)提供理論及實(shí)踐依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 土壤 中性紫色土,采自成都市郊旱地表層(5~15cm)、無(wú)污染史(44.6pg/L檢出限下未檢測(cè)出OCPs[15]).理化性質(zhì):pH7.19,有機(jī)質(zhì)2.14× 104mg/kg,CEC 20.43cmol/kg,速效N、P、K分別為31.62、24.74、94.81mg/kg;砂粒、粉粒和黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為71.27%、9.59%和19.14%.室內(nèi)風(fēng)干后,過(guò)2mm篩備用.

1.1.2 植物 蘇丹草種子經(jīng)3%H2O2溶液將消毒20min、蒸餾水沖洗干凈后于燒杯中浸泡吸脹24h,培養(yǎng)皿中恒溫(35℃)催芽15h后,移于Hogland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng).

1.1.3 試劑 OCPs混標(biāo):HCHs (-HCH、- HCH、-HCH、-HCH)、DDTs (-DDT、-DDT、-DDE、-DDE、-DDD)、六氯苯(HCB)、艾氏劑、狄氏劑、異狄氏劑、-氯丹、-氯丹、硫丹I、硫丹II、硫丹硫酸鹽、異狄氏劑醛、異狄氏劑酮、七氯、環(huán)氧七氯、甲氧滴滴滴;無(wú)水硫酸鈉、丙酮、正己烷等.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 污染土樣配制 參照成都市區(qū)農(nóng)田土壤OCPs殘留的污染特征[5],稱適量OCPs組分溶于丙酮、均勻?yàn)⒃趥溆猛寥辣韺?待丙酮揮發(fā)后,多次攪拌、混勻,室溫下平衡7d.GC/MS-MS測(cè)得OCPs初始濃度為343.61mg/kg(C5),其中, ∑DDT、∑HCH、HCB、艾氏劑、狄氏劑、毒殺芬、滅蟻靈、硫丹Ⅰ、環(huán)氧七氯和~氯丹的質(zhì)量濃度分別為299.52、14.49、8.13、1.05、1.89、3.21、1.98、1.65、3.42和8.27mg/kg;土樣(C5)以未污染的備用土壤(C0)經(jīng)多次稀釋、攪拌,制得土樣C1~C4,室內(nèi)平衡7d后測(cè)得其濃度分別為:66.67mg/kg (C1)、138.47mg/kg (C2)、205.14mg/kg (C3)、282.07mg/kg (C4).

1.2.2 根系分泌物收集 溶液培養(yǎng)法[15].選擇大小相近的蘇丹草幼苗,蒸餾水緩苗2d后, Hogland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)30d,定期補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液維持液面高度.隨之,將營(yíng)養(yǎng)液更換為含定量OCPs標(biāo)準(zhǔn)溶液(66.67mg/L)的半量Hogland營(yíng)養(yǎng)液脅迫處理5d后,將幼苗由脅迫液中移出、洗凈根表面,再順次用0.2mmol/L CaSO4和30mg/L氯霉素溶液浸泡2h和30min,蒸餾水洗凈3遍后,浸于盛有適量Milli-Q超純水的燒杯中收集根系分泌物,每2h更換1次收集液,連續(xù)收集4次.合并收集液,過(guò)0.45μm濾膜、濃縮約4倍后,獲得總有機(jī)碳(TOC)為248.6mg/L濃縮液,于-20℃保存、備用.

1.2.3 模擬修復(fù)實(shí)驗(yàn) 共設(shè)置2個(gè)處理組(TR1和TR2)和1個(gè)對(duì)照組CK,5個(gè)重復(fù).①滅菌處理組(CK):經(jīng)0.05%NaN3(抑制微生物活性[9])滅菌處理且無(wú)根系分泌物的OCPs污染土樣(6個(gè)水平:C0、C1~C5),用于檢測(cè)各種非生物因子(光解、揮發(fā)、滲濾、吸附等)對(duì)OCPs的去除作用;②OCPs污染組(TR1):無(wú)滅菌處理且無(wú)根系分泌物的OCPs污染土樣,用于檢測(cè)非生物因子、土壤微生物對(duì)OCPs去除的貢獻(xiàn);③模擬根際組(TR2):無(wú)滅菌處理且添加根系分泌物(10~50mL)的OCPs污染土樣,用于檢測(cè)根系分泌物在OCPs去除過(guò)程中的作用.具體操作如下:精確稱取干重(DM)為100g的一定濃度的OCPs污染土樣置于廣口瓶中,依照表1中實(shí)驗(yàn)方案添加0.05%NaN3或根際分泌物,構(gòu)成2個(gè)處理組(TR1、TR2)和1個(gè)對(duì)照組(CK).50%田間持水量(稱重補(bǔ)水法)下,于25℃、相對(duì)濕度95%的恒溫箱(光照強(qiáng)度3000lx)內(nèi)培養(yǎng)20d;四分法取樣,分析土壤OCPs及其主要組分的殘留量、土壤微生物碳(soil microbial biomass carbon, SMBC)、微生物氮(soil microbial biomass nitrogen,SMBN)及磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acids,PLFA)含量.

表1 模擬修復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 檢測(cè)方法

1.3.1 OCPs檢測(cè) 土樣前處理方法參照GB/T14550-1993,OCPs及其主要組分的檢測(cè)方法(GC- ECD、GC/MS-MS)參照潘聲旺等[5].依照此方法,OCPs回收率為90%~120%,檢出限為0.07~ 0.15μg/kg.

1.3.2 土壤微生物群落特征 ①種群數(shù)量:氯仿熏蒸,TOC-500分析儀測(cè)定SMBC、分光光度法測(cè)定SMBN[16].②群落結(jié)構(gòu):參照修正的Bligh- Dyer法[17],以C19:0做內(nèi)標(biāo)、Aligent 6850-GC檢測(cè);MIDI Sherlock鑒定系統(tǒng)(Version6.1)分析PLFA圖譜及脂肪酸成分.

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010、SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析.其中,土壤OCPs的去除率()計(jì)算式為:

式中:0代表污染土壤中OCPs的初始濃度:C為時(shí)間后土壤OCPs的殘留濃度.

OCPs的強(qiáng)化去除率():強(qiáng)化因子(如根系分泌物)作用下土壤中OCPs去除率(R)相對(duì)于的增加值,即,?R= R-[9].

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分泌物對(duì)土壤OCPs降解的影響

2.1.1 OCPs去除率 圖1為模擬修復(fù)實(shí)驗(yàn)期間不同處理土壤中OCPs的降解差異.其中,滅菌處理組(CK)土壤中OCPs的去除主要源于各種非生物作用(光解、揮發(fā)、滲濾、土壤吸附等);無(wú)根系分泌物的OCPs污染組(TR1)土壤中OCPs的去除主要源于各種非生物因子和土壤微生物降解的共同作用;而添加根系分泌物的模擬根際組(TR2)土壤中OCPs的去除則源于各種非生物作用、微生物降解和根系分泌物的強(qiáng)化去除作用.由圖1-A可以看出,添加30mL根系分泌物的“根際”土壤(TR2)中,OCPs的平均去除率(79.32%)明顯高于相同污染水平下的其它處理,無(wú)根系分泌物的TR1組次之(42.46%),滅菌處理組(CK)最差(18.69%),呈現(xiàn)TR2>TR1>CK趨勢(shì),不同處理間差異明顯(<0.05).說(shuō)明根系分泌物的存在有效地促進(jìn)了土壤OCPs降解,根系-土壤間的“根際效應(yīng)”是OCPs強(qiáng)化去除的重要途徑.

相同處理?xiàng)l件下,不同污染水平土壤中OCPs的去除率呈“先升后降”變化,峰值出現(xiàn)在C3水平.其原因可能與土壤顆粒對(duì)OCPs污染物的等溫吸附過(guò)程有關(guān):低污染(C1~C2)環(huán)境中,土壤顆粒對(duì)OCPs的吸附主要借助表面吸附作用(線性分配)吸附于土壤無(wú)機(jī)礦物質(zhì)、無(wú)定形有機(jī)質(zhì)(軟碳),快速可逆[18],吸附容量隨污染水平的升高而遞增;高污染(C4~C5)環(huán)境中,用于表面吸附的吸附點(diǎn)位趨于飽和,部分OCPs污染物借助孔隙填充作用(非線性分配)進(jìn)入土壤凝聚態(tài)有機(jī)質(zhì)(硬碳)中,其吸附行為表現(xiàn)為線性分配和非線性孔隙填充的共同作用[19]、吸附容量增速漸緩;相對(duì)于污染水平的持續(xù)遞增,OCPs去除率逐漸降低,呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì).

圖中不同字母代表同一污染水平上差異顯著(<0.05)

圖1B為根系分泌物添加劑量對(duì)土壤中OCPs降解的影響.可以看出,相同污染水平(C3)下,“根際”土壤(TR2)中OCPs的平均去除率隨根系分泌物濃縮液的增多而增大,30mL時(shí)增幅最大(圖1-B).其原因可能與劑量較低(10~ 20mL)時(shí),根系分泌物可作為部分根際微生物生長(zhǎng)所需的碳源、氮源,改善了根際微生物的營(yíng)養(yǎng)需求,促進(jìn)了生長(zhǎng)代謝、種群數(shù)目增大,提高了對(duì)OCPs的降解效率;劑量較高(40~50mL)時(shí),分泌物中的有機(jī)酸抑制了中性或嗜堿性細(xì)菌及不耐酸的放線菌的生長(zhǎng),制約了對(duì)OCPs的降解效率.

A1:HCHs;A2:毒殺芬;A3:HCB;A4:艾氏劑;A5:-氯丹;B1:DDTs;B2:滅蟻靈;B3:硫丹Ⅰ;B4:狄氏劑;B5:環(huán)氧七氯.不同字母代表同一污染水平上差異顯著(<0.05)

2.1.2 OCPs及其主要組分的強(qiáng)化去除率 圖2為模擬修復(fù)實(shí)驗(yàn)期間根系分泌物添加量對(duì)OCPs殘留及其主要組分強(qiáng)化降解的影響.在添加量相同(圖2-A:30mL)的條件下,OCPs殘留的強(qiáng)化去除率以C5土樣最高(55.32%)、C2次之(46.73%),C4最低(31.17%);相同污染水平下,HCHs、毒殺芬、HCB、-氯丹、艾氏劑的強(qiáng)化去除率明顯高于DDTs、滅蟻靈、硫丹Ⅰ、狄氏劑、環(huán)氧七氯等組分,差異顯著(<0.05).實(shí)驗(yàn)期間,根系分泌物對(duì)DDTs的強(qiáng)化去除作用不甚明顯(>0.05),可能與OCPs殘留中DDTs的百分比濃度相對(duì)較高(87.17%)有關(guān).

相同污染水平(圖2-B:C3)下,“根際”O(jiān)CPs的強(qiáng)化去除率隨根系分泌物的增多而增大, 50mL時(shí)最高(54.71%),40mL時(shí)次之(50.28%), 10mL時(shí)最低(17.49%);相同劑量條件下,根系分泌物對(duì)OCPs各組分的強(qiáng)化作用與相同污染水平時(shí)的強(qiáng)化效應(yīng)相似.

2.2 根系分泌物對(duì)根際微生物群落的影響

2.2.1 種群數(shù)量 根際環(huán)境中,土壤微生物碳(SMBC)的變化反映了根際微生物利用土壤C源進(jìn)行自身細(xì)胞合成而大量繁殖和細(xì)胞解體、有機(jī)碳礦化的過(guò)程,可表征土壤微生物總量;而土壤微生物C/N能在一定程度上反映不同處理對(duì)土壤微生物種群數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)的影響.圖3為“根際”土壤(TR2)中SMBC的變化趨勢(shì):根系分泌物量(30mL)相同的條件下,TR2組的SMBC最高,TR1組次之、CK最少(<0.05(圖3-A);相同污染水平(C3)下,分泌物濃縮液的添加量越多,土壤SMBC越高(圖3-B).這說(shuō)明根系分泌物激活了根際微生物的生長(zhǎng)活性,促進(jìn)了種群數(shù)量的增長(zhǎng).

實(shí)驗(yàn)期間,土壤微生物氮(SMBN)的變化趨勢(shì)與SMBC相似.相同污染水平下,SMBC的增幅明顯高于SMBN;隨著根系分泌物添加量的增加,土壤微生物C/N逐漸增大、真菌在微生物群落中的優(yōu)勢(shì)度愈加突出.如C3污染水平、添加量為50mL時(shí),其比值由參比組(0mL)的4.67增至6.31,說(shuō)明根系分泌物的存在,真菌類的生長(zhǎng)活性更加活躍[20].

2.2.2 群落組成 PLFA是微生物細(xì)胞膜磷脂的組成成分,具有結(jié)構(gòu)多樣性和較高的生物學(xué)特異性.迄今,PLFA已成為微生物分類的主要依據(jù),并作為重要生物標(biāo)記物(biomarker)廣泛應(yīng)用于微生物群落組成和結(jié)構(gòu)研究.圖4為根系分泌物對(duì)“根際”土壤(TR2、C3)中微生物PLFA的影響.可以看出,添加劑量相同時(shí),土壤PLFA量以細(xì)菌最多,真菌次之,放線菌、叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)的PLFA相對(duì)較少,說(shuō)明添加根系分泌物后,土壤微生物的群落組成主要以細(xì)菌為主,真菌次之,放線菌、AMF相對(duì)較少.隨著添加劑量的遞增,細(xì)菌PLFA逐漸增加,并于30~50mL時(shí)增幅放緩.相比之下,真菌的種群波動(dòng)更加劇烈:其PLFA量隨著根系分泌物添加劑量的增加而遞增,不同劑量間差異顯著(<0.05).實(shí)驗(yàn)期間,AMF的PLFA(0.332~0.414μg/kgDM,平均值M=0.386μg/kgDM)變化甚微,與未添加濃縮液的對(duì)比組(0.362μg/kgDM)間差異不明顯;放線菌的種群波動(dòng)較為特殊:隨著根系分泌物的遞增,其PLFA先升后降,于30mL時(shí)出現(xiàn)峰值.其原因可能是:添加量較少時(shí),根系分泌物可作為細(xì)菌生長(zhǎng)所需碳源、氮源,促進(jìn)其生長(zhǎng);添加量較多時(shí),分泌物中的有機(jī)酸對(duì)中性或嗜堿性細(xì)菌產(chǎn)生抑制,不耐酸的放線菌數(shù)量隨之減少,但對(duì)耐酸的真菌、AMF影響不大.綜合分析微生物群落結(jié)構(gòu)和OCPs降解特征發(fā)現(xiàn):OCPs降解菌主要為細(xì)菌、真菌;根系分泌物改變了細(xì)菌、真菌的種群數(shù)量,進(jìn)而影響了OCPs的降解特征.

G-/G+:革蘭氏染色陰性菌與陽(yáng)性菌的種群數(shù)量比

2.2.3 群落結(jié)構(gòu) 圖5顯示,伴隨著根系分泌物的遞增,污染土壤(C3)中革蘭氏陰性菌與陽(yáng)性菌的數(shù)量比(G-/G+)也逐漸增加;除參比組(0mL)外,不同添加劑量(10~50mL)土樣間無(wú)明顯差異.真菌與細(xì)菌、AMF與細(xì)菌及放線菌與細(xì)菌的種群數(shù)量比例關(guān)系顯示,OCPs污染土壤中,細(xì)菌占主導(dǎo)地位,且以革蘭氏陰性菌為主體,真菌和放線菌次之,AMF最少;真菌與細(xì)菌的種群數(shù)量比例隨根系分泌物劑量的增加而劇增,不同劑量間差異顯著(<0.05),說(shuō)明根系分泌物激活了真菌的生長(zhǎng)活性.實(shí)驗(yàn)期間,AMF與細(xì)菌、放線菌與細(xì)菌的數(shù)量比值隨根系分泌物量的增加而減小:劑量較低(0~20mL)時(shí),對(duì)AMF與細(xì)菌的數(shù)量比(8.46%~9.97%)影響較大(<0.05),對(duì)放線菌與細(xì)菌的數(shù)量比(39.82%~42.31%)影響較小;劑量較高(40~50mL)時(shí),對(duì)放線菌與細(xì)菌的數(shù)量比(27.67%~39.82%)影響較大,對(duì)AMF與細(xì)菌的數(shù)量比(7.47%~8.46%)影響較小.這說(shuō)明在根際修復(fù)OCPs過(guò)程中,隨著根系分泌物的遞增,真菌的優(yōu)勢(shì)趨于增強(qiáng),細(xì)菌、AMF和放線菌的群落優(yōu)勢(shì)趨于下降.可見,改變根際微生物的群落結(jié)構(gòu)也是根系分泌物影響OCPs降解的重要途徑.

3 討論

在根際環(huán)境中,植物根系分泌的各種次生性代謝物質(zhì)和土壤微生物自身的趨化感應(yīng)(chemotaxis response)選擇性地影響著根際微生物的生長(zhǎng)活動(dòng)、代謝活性及其空間分布,對(duì)微生物群落的結(jié)構(gòu)及功能產(chǎn)生選擇塑造作用.同時(shí),根際微生物群落結(jié)構(gòu)變化又對(duì)根系分泌物的釋放特征、物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、信息傳遞產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響根際土壤的環(huán)境屬性、生態(tài)性能,呈現(xiàn)獨(dú)特的根際效應(yīng).植物修復(fù)過(guò)程中,根際效應(yīng)在改善根際生態(tài)屬性、緩解環(huán)境脅迫、促進(jìn)POPs快速消解等方面具有重要作用[21].一方面,根系分泌的某些胞外酶能夠直接參與POPs的降解過(guò)程;另一方面,分泌物中的可溶性糖、低分子量有機(jī)酸、氨基酸等物質(zhì),為根際微生物提供碳源、能量,影響根際微生物的群落結(jié)構(gòu)及其代謝活性,進(jìn)而影響對(duì)POPs的降解效率.同時(shí),根系分泌物還能影響POPs的遷移、轉(zhuǎn)化及土壤吸附行為,改善OCPs的生物可利用性、促進(jìn)其去除[12].本研究中,添加根系分泌物的“根際”土壤(TR2)中,OCPs的平均去除率(79.32%)顯著高于滅菌組(18.69%)和無(wú)根系分泌物的TR1組(42.46%),說(shuō)明根系分泌物的存在促進(jìn)了根際微生物對(duì)OCPs的降解.

作為土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍、最易變化的組分,土壤微生物碳含量在很大程度上反映土壤質(zhì)量和土壤微生物數(shù)量,是評(píng)價(jià)土壤微生物量及其活性的重要指標(biāo)[22];而微生物C/N則反映了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化:C/N較小(3~6),細(xì)菌占優(yōu)勢(shì);C/N較大(7~12),真菌占優(yōu)勢(shì).本研究顯示,添加根系分泌物后,“根際”土壤(TR2)中SMBC、SMBN明顯高于相同污染水平下的無(wú)根系分泌物的TR1組(圖3),其C/N逐漸增大,細(xì)菌、AMF和放線菌在根際土壤中的優(yōu)勢(shì)度趨于下降,真菌的優(yōu)勢(shì)度則愈發(fā)明顯.這說(shuō)明根系分泌物存在改變了土壤微生物的增長(zhǎng)、活性及其組成結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響了OCPs的降解行為.該結(jié)論與謝曉梅[23]等的研究結(jié)論相一致.

土壤中的磷脂多以活體生物的組分形式出現(xiàn),PLFA即為甲基化土壤中提取磷脂成分后得到的脂肪酸產(chǎn)物,具有屬的特異性.土壤微生物通過(guò)各種生化途徑形成特異性PLFA,借助特定磷脂脂肪酸標(biāo)記物的種類和組成比例可了解土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性變化[24].本研究顯示, OCPs污染土壤中加入相同劑量的根系分泌物模擬修復(fù)20d后,細(xì)菌類,尤其是革蘭氏陰性菌的PLFA顯著增多,真菌、放線菌次之,AMF最少;不同處理的OCPs污染土樣中,細(xì)菌、真菌的PLFA波動(dòng)與土壤OCPs去除率變化趨勢(shì)相一致,即OCPs的降解菌主要為細(xì)菌、真菌;根系分泌物的存在改變了細(xì)菌、真菌的種群數(shù)量及其群落結(jié)構(gòu),影響了OCPs的降解效率.

OCPs的降解過(guò)程與土壤微生物所釋放的脫氯化氫酶、水解酶、脫氫酶、還原酶和雙加氧酶有關(guān).不同OCPs組分間,因自身理化性質(zhì)差異,涉及的降解菌群、降解過(guò)程也不一樣.現(xiàn)已探明對(duì)OCPs有降解作用的菌屬主要包括:假單胞菌屬(),如鞘氨醇單胞菌UT26及B9[25]、檸檬酸桿菌屬(),如弗氏檸檬酸桿菌、真菌類(),如白腐菌、褐腐菌[26],以及芽孢桿菌屬()、梭菌屬()、產(chǎn)堿桿菌屬()、類芽孢桿菌屬()、微球菌屬()、棒狀桿菌屬()、氫單胞菌屬()、諾卡氏菌屬()等.本研究顯示,OCPs污染土壤中加入根系分泌物后,細(xì)菌(尤其是革蘭氏陰性菌)的PLFA明顯高于真菌、放線菌及AMF, OCPs脅迫下土壤微生物群落動(dòng)態(tài)發(fā)生了結(jié)構(gòu)性波動(dòng).實(shí)驗(yàn)期間,不同處理?xiàng)l件下OCPs組分所表現(xiàn)的降解差異,可能與不同OCPs組分間的化學(xué)結(jié)構(gòu)、環(huán)境屬性及降解過(guò)程有關(guān),其機(jī)理尚待進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

4.1 實(shí)驗(yàn)濃度(66.67~343.61mg/kg)范圍內(nèi),根系分泌物促進(jìn)了根際微生物對(duì)土壤OCPs的降解效應(yīng).模擬修復(fù)20d后,“根際”O(jiān)CPs的平均去除率為79.32%、無(wú)根系分泌物的OCPs污染組為42.46%,而滅菌處理組僅為18.69%,不同處理間差異明顯.

4.2 根系分泌物對(duì)OCPs組分間的強(qiáng)化降解作用與OCPs污染水平和根系分泌物的添加量有關(guān).相同處理?xiàng)l件下,HCHs、毒殺芬、HCB、艾氏劑、-氯丹組分的強(qiáng)化去除率相對(duì)較高,且普遍高于DDTs、滅蟻靈、硫丹Ⅰ、狄氏劑、環(huán)氧七氯的強(qiáng)化去除率.

4.3 添加根系分泌物的OCPs污染土壤中,細(xì)菌占主導(dǎo)地位,且以革蘭氏陰性菌為主體,其次為真菌,最后是放線菌、AMF;細(xì)菌、真菌的種群數(shù)量隨根系分泌物添加量的變化趨勢(shì)與土壤中OCPs降解特征相一致,表明OCPs的降解菌主要為細(xì)菌、真菌;OCPs降解過(guò)程中,根系分泌物主要通過(guò)影響根際微生物中細(xì)菌、真菌的種群數(shù)量及其群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響OCPs降解.

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Effect of exudates fromgrass roots on degradation of organochlorine pesticides in soils.

PAN Sheng-wang1, LEI Zhi-hua1,2, WU Yun-xiao3, HE Mao-ping1*

(1.School of Architecture and Civil Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106；2.School of Medical Laboratorial Technics, Xinyang Vocational & Technical College, Xinyang 464000；3.College of Life Sciences, Yan’an University, Yan’an 716000)., 2017,37(8)：3072~3079

pot experiments was conducted to evaluate the potentials of exudates ofin reinforcing the phytoremediation of organochlorine pesticides (OCPs), the removal efficiencies of OCPs and its main components in soils with initial concentrations ranging 66.67 to 343.61mg/kg were determined, microbial ecological characteristics, including composition, numbers, and community structure and function, were investigated, and their influence on soil microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen and their phospholipid fatty acids (PLFA), as well as roles which root exudates played in the process of phytoremediation were discussed. Results showed that addition of the exudates significantly reinforced dissipation of OCPs in soils. During the entire experiment, the soil-microbe systems (treatment II, TR2) mediated by the exudates exhibited enhancement on OCPs degradation in soils. And, the highest OCPs removal rate at 79.32% was achieved when the exudates were added in the presence of rhizospheric microbes (TR2); whereas, without the exudates (treatment I, TR1), the removal rate was merely 40.46%, and it was 18.69% in soils (CK) spiked with 0.05% NaN3to suppress the microbial effect. Under the same treatment conditions, the enhanced removal rates of hexachlorocyclohexane (HCHs), hexachlorobenzene (HCB), toxaphene, aldrin and-chlordane were much higher than the total amount of OCPs while the extent of enhanced dissipation of dichloro-diphenyl-trichloroethanes (DDTs), mirex, endosulfanⅠ, dieldrin and heptachlor epoxide were always lower than that in the corresponding soils. Furthermore, soils microbial biomass carbon and nitrogen, increased increasing exudates concentration under the same level of the OCPs stress, and there were close relationship between OCPs degradation and soil microbes.In the test soils which PLFA probed by GC-MS, their microbial community was dominated by bacteria,and followed by fungi, and they had the same variation trend as the OCPs degradation, which indicated OCPs in soils were degraded mainly by bacteria and fungi, and influence of the exudates in OCPs degradation were mainly carried out through modifying bacterial and fungi population ecological characteristics. Thus, rhizosphere effect from ofunder the OCPs stress might encourage the growth of rhizospheric microbes and modify their community structure in the process of phytoremediation leading to the improved OCPs degradation.

rhizosphere effect；organochlorine pesticides；；root exudates；soil microbes

X131.3

A

1000-6923(2017)08-3072-08

潘聲旺(1973-),男,河南商城人,博士、副教授,主要研究方向?yàn)槲廴旧鷳B(tài)學(xué).發(fā)表論文50余篇.

2017-01-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31300439);四川省教育廳項(xiàng)目(17ZA0091);成都市科技惠民項(xiàng)目(2015-HM01-00368-SF)

* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, 736342142@qq.com