鉛脅迫下添加硫對小花南芥土壤微生物數量及植株鉛累積特性的影響

李 青，趙秋利，郭 佩，王吉秀

(1.楊凌職業技術學院,陜西 楊凌 712100; 2.廣電計量監測(西安)股份有限公司, 陜西 西安 710100; 3.云南農業大學,云南 昆明 650100)

土壤重金屬污染已經成為制約土地發展的重要因素之一，也成為我國經濟可持續發展的不可回避的重大問題[1]。工業的發展帶動了采礦業的迅速發展，而由于采礦而帶來的污染是不容忽視的。采礦企業的增多，影響了礦山周邊的自然環境，植被破壞、土壤污染，周邊農戶在重金屬污染的土壤上繼續種植生產，從而影響了其自身的身體健康。礦區的生態環境已不允許承載更大的污染，更多的人們意識到了采礦帶來的環境污染以及環境保護的重要性[2]。

我國主要的鉛消費領域有很多，但是在消耗的過程中，鉛被回收再利用的百分比僅僅只有25%[3]。鉛通過三廢等形式排放至環境中，導致了大面積的環境鉛污染[4～7]。

鉛在土壤中會影響植物的光合作用[8～9]、呼吸作用、細胞代謝[10]、產量及質量[11]。近年來，通過土壤-作物或土壤-動物系統進入食物鏈引起的Pb中毒比率呈逐年上升趨勢[12]。因此，土壤質量的好壞決定著糧食是否安全[13]。

通過對云南省會澤鉛鋅礦區的植物及土壤進行采樣調查發現小花南芥是重金屬Pb、Zn、Cd的超富集植物[14]。而硫作為植物所需的中量元素之一，它雖不是植物細胞的結構性組成元素，但它卻可以發揮極其重要的作用[15]。微生物因直接參與土壤物質循環和能量流動，具有維持動植物生長和凈化環境污染等生態系統功能，因此，土壤微生物反映著土壤生態系統的健康狀況[16]。本文通過對鉛脅迫下，外源添加硫對小花南芥的土壤微生物數量及植株鉛累積特性的研究，探索在外援添加硫元素與鉛脅迫下是否會產生對土壤微生物數量及植株鉛累積特性的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

小花南芥幼苗采自云南省會澤鉛鋅礦區，采樣區位于東經103°03′～103°55′，北緯25°48′～26°28′，海拔2 263-2 516 m。2018年10月在會澤鉛鋅礦區采集小花南芥幼苗，采回實驗室進行盆栽實驗。

1.2 試驗設計

將長勢一致的幼苗移栽到培養基質中，進行溫室盆栽試驗。每盆(D=25 cm)裝3 kg土壤，種植7株植物。基質土壤采自云南農業大學后山農場玉米土，土壤自然風干后通過2 mm篩子，土樣的基本理化性質見表1。設置Pb2+脅迫濃度時參照土壤環境質量標準(GB15618-2018)和前期小花南芥Pb的累積特征，分別用0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg、800 mg/kg和1 600 mg/kg的Pb2+(采用分析純試劑Pb(CH3COO)2配置)。設置S素水平時參照前期硫素對小花南芥累積鉛鋅的影響，分別用0 mg/kg、50 mg/kg和100 mg/kg的S(采用分析純試劑Na2SO4配置)。見表2。試劑用蒸餾水溶解后均勻拌在土壤中，然后裝在塑料盆平衡30 d。試驗共15個處理，每個處理3個重復，共計45盆，隨機排列。培養期間進行常規的澆水管理。培養60 d收集制樣。

表1 盆栽土壤本底理化性質

表2 不同濃度Pb脅迫下，施加S素介導調控試驗設計方案 (mg/kg)

1.3 指標測定

1.3.1 土樣的采集 采集非根際土用不銹鋼鐵鍬采集土壤裝入布袋，樣品常溫保存。

1.3.2 土壤pH的測定 稱取10g風干土樣，用雷磁pH計測定，每個土樣測定3次，取其中平均值作為土壤pH值。

1.3.3 土壤中Pb、S測定 稱取0.1g風干土樣，通過1 mm篩孔于聚四氟乙烯坩堝中，加入10 mL HNO3，蓋上蓋子用110℃加熱30 min，加入8 mL HF 1.5 mL HClO4加熱1.5 h，升溫至200℃加熱1 h，取下坩堝蓋加熱1.5 h，升溫至380℃，待HClO4冒盡，加入3ml HNO3(1+1)溶解鹽類至溶解清亮，取下冷卻，加入30 mL蒸餾水。

用火焰原子吸收分光光度計(北京，普析通用TAS-990原子吸收)測定Pb含量，用全譜直讀等離子體發射光譜儀ICAP 6300測定S含量。

1.3.4 小花南芥根際土壤微生物培養基制備 細菌培養采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基。真菌采用馬丁氏—孟加拉紅氯霉素培養基。放線菌采用改良高氏一號培養基。

1.3.5 土壤微生物培養 倒置培養基在恒溫培養箱中，培養溫度為28～30℃，細菌培養2～3 d，真菌培養3～5 d，放線菌培養5～7 d。

涂布法結果計算：

單位CFU/g

1.4 數據分析方法

使用SPSS20.0、Origin 9.0，對數據進行處理、統計分析和圖形繪制。圖表中的所有數據用3個重復的平均值土標準差表示，采用SPSS20.0進行單因素方差分析(P <0.05)和多重比較。

2 結果與分析

2.1 硫鉛處理對小花南芥土壤pH的影響

由圖1可知，小花南芥土壤pH呈現出隨鉛脅迫的增加先增大后減小以及隨硫濃度的增加逐漸減小的趨勢，但不同處理間無顯著差異，在400 mg/kgPb脅迫，50 mg/kgS添加下，pH達到最大值6.87。經雙因素方差分析發現，Pb脅迫和S處理都對土壤pH有極顯著影響，二者之間的交互作用對土壤pH有極顯著影響。

圖1 不同濃度硫鉛處理對小花南芥土壤pH的影響注：不同字母表示處理間差異顯著

2.2 硫鉛處理對小花南芥土壤中S和Pb含量的影響

由圖2(a)可知，隨著鉛脅迫的增大，小花南芥土壤S含量先增大后減小；隨著硫濃度的增大，小花南芥土壤S含量逐漸增大。其中，在0 mg/kgPb脅迫時，100 mg/kg S添加下，土壤硫含量最高，達5.87 mg/kg。經雙因素方差分析發現，S處理和Pb處理都對土壤S含量有極顯著影響，二者之間的交互作用對土壤S含量有極顯著影響。

由圖2(b)可知，不同鉛脅迫、硫處理下小花南芥土壤中的鉛含量顯著高于對照(P<0.05)，隨著鉛脅迫的增大，小花南芥土壤Pb含量逐漸增大；隨著硫濃度的增大，小花南芥土壤Pb含量逐漸減小。其中，在1 600 mg/kgPb脅迫時，0 mg/kgS添加下，土壤鉛含量最高，達2100.22 mg/kg。經雙因素方差分析發現，Pb脅迫和S處理都對土壤Pb含量有極顯著影響，二者之間的交互作用對土壤Pb含量有極顯著影響。

總的來說，在土壤中添加硫使得土壤中的Pb含量增加，從而影響了小花南芥對鉛的累積。

(a)

(b)

2.3 硫鉛處理對小花南芥土壤中細菌數量的影響

由圖3表明，在0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg Pb處理下，隨著硫濃度的增加，細菌菌數增加；在0 mg/kg、50 mg/kg S處理下，隨著鉛脅迫的增加，細菌菌數減少。經雙因素方差分析發現，Pb脅迫和S處理都對土壤中細菌數量無顯著影響，二者之間無交互作用。總的來說，在低硫處理下，土壤中的細菌數量隨鉛脅迫逐漸減少，高硫處理使得土壤中細菌數量增大。

圖3 不同濃度硫鉛處理對小花南芥土壤中細菌的影響

2.4 硫鉛處理對小花南芥土壤中的真菌數量影響

由圖4表明，在200 mg/kg Pb處理下，隨著硫濃度的增加，真菌菌數增加；在0 mg/kg、400 mg/kg Pb處理下，隨著硫濃度的增加，真菌菌數先增加后減少；而在800 mg/kg Pb處理下，隨著硫濃度的增加，真菌菌數先減少后增加。經雙因素方差分析發現，Pb脅迫和S處理都對土壤中真菌數量無顯著影響，二者之間無交互作用。總的來說，在鉛脅迫與硫處理下，真菌數量的變化沒有找到相應規律。

2.5 硫鉛處理對小花南芥土壤中放線菌數量的影響

由圖5可知，在0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg Pb處理下，隨著硫濃度的增加，放線菌菌數增加；在0 mg/kg、50 mg/kg S處理下，隨著鉛濃度的增加，放線菌菌數減少。經雙因素方差分析發現，Pb脅迫和S處理都對土壤中放線菌數量無顯著影響，二者之間無交互作用。總的來說，硫處理使得放線菌數量逐漸增加。

圖5 不同濃度硫鉛處理對小花南芥土壤中放線菌的影響

2.6 硫鉛處理下小花南芥根際土壤中微生物數量與pH值的相關分析

由表3可以看出，不同濃度硫鉛處理下小花南芥根際土壤中細菌、真菌和放線菌數量都與pH無顯著關系；細菌與真菌和放線菌呈顯著相關(P<0.01)，真菌與放線菌呈顯著相關(P<0.01)。

表3 不同濃度硫鉛處理下小花南芥根際土壤中微生物數量與PH值的相關性分析

2.7 硫鉛處理對小花南芥體內鉛含量的影響

由圖6可知，不同鉛脅迫、硫處理下小花南芥地上部和地下部分鉛含量顯著高于對照(P<0.05)。在相同鉛脅迫下，隨著硫濃度的增高，小花南芥地上和地下部分Pb含量隨著硫濃度的增加逐漸增加；在相同的硫處理下，小花南芥地上和地下部分Pb含量隨著硫濃度的增加逐漸增加。其中，小花南芥地上部在1 600 mg/kg Pb處理時，100 mg/kg S添加下，鉛含量達2 524.01 mg/kg，是0和50 mg/kg S添加的1.55和1.15倍；地下部分在800 mg/kg Pb處理時，100 mg/kg S添加下，鉛含量達1 672.94 mg/kg，是0和50 mg/kg S添加的2.38和1.22倍，表現出較強的Pb富集能力。經雙因素方差分析發現，Pb脅迫和S處理都對地上部Pb含量和根系Pb含量有極顯著影響，二者之間交互作用對地上部Pb含量和根系Pb含量有極顯著影響。總的來說，外源添加硫促進了小花南芥地上部和地下部對Pb的吸收。

圖6 不同濃度硫鉛處理對小花南芥體內鉛含量的影響

2.8 硫鉛處理對小花南芥植株鉛累積特性的影響

由表4可知，不同鉛脅迫、硫處理下，小花南芥富集系數在相同硫添加下，隨著鉛脅迫的增加而減小，轉運系數和轉運量系數基本隨鉛濃度的增加而增加。富集系數、轉運系數和轉運量系數最高分別可達4.04、1.73和9.84。說明硫元素的加入對小花南芥累積鉛有促進作用。

表4 不同濃度硫鉛處理對小花南芥吸收累積鉛的特征

3 討論

重金屬在土壤中的不可生物降解的特性，會對生態系統產生持久性的傷害。它降低了土壤微生物的活性、微生物的酶活性、土壤微生物的DNA豐富度，也影響土壤微生物的DNA序列[17]。其中，土壤微生物對重金屬非常敏感，可能會導致細胞功能的紊亂、蛋白質變性或細胞膜完整性的破壞[17]。重金屬也可能導致根褐變、壞死、黃化、葉片卷曲等植物損傷，其毒性還會抑制植物細胞內的細胞質酶，因氧化應激而導致細胞結構受損，從而影響植物的生長和代謝[18]。

植物修復技術與其它重金屬修復技術相比而言，因其經濟環保等優勢從其它修復技術中脫穎而出，成為當今重金屬修復的不可或缺的重要修復手段。所以如何強化其修復效果，拓寬超富集植物的生態適應性需要更深入研究。對超富集植物超量富集重金屬研究發現，超富集植物耐重金屬的主要原因在于它的根系細胞吸收和轉運重金屬的蛋白差異。而硫作為植物所需的中量元素之一，它雖不是植物細胞的結構性組成元素，但它卻可以發揮極其重要的作用[19]。硫素是氨基酸的組成成分和蛋白質合成的必須元素，有助于酶和維生素的形成。同時，硫素還會參與植物光合作用，是葉綠素合成所必需元素之一[20]。

筆者研究發現，硫的添加會改變土壤的理化性質，pH值從6.87下降到6.17，從而影響植物對重金屬的吸收。在鉛脅迫下，外源添加硫對土壤中微生物細菌、真菌、放線菌的數量無顯著影響，但顯著增加了小花南芥地上部與地下部對于土壤中鉛的吸收。不同鉛脅迫、硫處理下，小花南芥富集系數在相同硫添加下，隨著鉛脅迫的增加而減小，轉運系數和轉運量系數基本隨鉛濃度的增加而增加。富集系數、轉運系數和轉運量系數最高分別可達4.04、1.73和9.84。說明硫元素的加入對小花南芥累積鉛有促進作用。

4 結論

Pb2+脅迫濃度0、200、400、800和1600 mg/kg(采用分析純試劑Pb(CH3COO)2配置)以及S濃度0、50和100 mg/kg(采用分析純試劑Na2SO4配置)條件下進行種植野生小花南芥盆栽試驗：

(1)外源添加硫可使土壤的pH值降低到6.17。

(2)硫處理使得土壤中的鉛含量逐漸減少，在本實驗中硫的添加量未達到極限值，后續將繼續進行試驗研究。

(3)硫處理增加了土壤中細菌和放線菌的數量，而真菌數量變化沒有找到規律。細菌、真菌和放線菌與鉛脅迫和硫處理無顯著影響。

(4)硫處理促進了小花南芥地上部與地下部對鉛的累積，增強了小花南芥對Pb2+脅迫的耐性。

總而言之，鉛脅迫下，外源添加硫促進了小花南芥對于土壤中鉛的吸收，但對于土壤微生物數量的變化并不明顯。