肠杆菌对蓼科植物镉砷污染土壤修复机理研究

Mechanismstudyonthephytoremediationofcadmium-andarsenic-contaminatedsoilbyPolygonaceaeplantswithEnterobactersp.LIYi1,2,WANGBing-sen2,HUANGYuan-yuan2,YAOYa-wei2,LINJia-min2,LIUKe-hui1,3,YUFang-ming1,2*（1.KeyLaboratoryofEcologyofRareandEndangeredSpeciesandEnvironmentalProtection,MinistryofEducation,Guilin541004,China;2.CollegeofEnvironmentandResource,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,China;3.CollegeofLifeScience,GuangxiNormalUni⁃versity,Guilin541004,China）Abstract：WeconductedthisstudytoinvestigatetheeffectsofdifferentEnterobactersp.FM-1inoculationlevelsonthegrowth,phytoreme⁃diationofcadmiumandarsenic,antioxidantenzymaticsystem,andnon-enzymaticsystembyPolygonaceaeplants（PolygonumhydropiperL.andPolygonumlapathifoliumL.）incadmium-arsenicco-contaminatedsoil.TheresultsindicatedinoculationwithEnterobactersp.FM-1promotedthegrowthofbothplants.Furthermore,therewereincreasedcontentsofchlorophyllandcarotenoidsintheleavesofPolyg⁃onumhydropiperL.andPolygonumlapathifoliumL.InoculationwithEnterobactersp.FM-1（3.4×107CFU·g-1soil）decreasedrhizospher⁃icsoilpH.ForbothPolygonumhydropiperL.andPolygonumlapathifoliumL.,comparedtothatoftheuninoculatedcontrol,thesoilpHval⁃uedecreasedby0.35and0.28,respectively.Thecontentofcadmiumandarsenicintheroots,stems,andleavesofthetwoplantsincreased1.64~2.74timesand1.21~2.51times,respectively.Additionally,inoculationwithEnterobactersp.couldnotonlyincreasethecontentofSOD,POD,andCATintheleavesofPolygonumhydropiperL.andPolygonumlapathifoliumL.,butalsoincreasedthecontentofGSHandPCs.Moreover,thecontentofO-2·andMDAwereeffectivelydecreased.OurfindingsindicatedthatinoculationwithEnterobactersp.FM-12020，39（2）:304-3122020年2月农业环境科学学报JournalofAgro⁃EnvironmentScience李艺，王炳森，黄媛媛，等.肠杆菌对蓼科植物镉砷污染土壤修复机理研究[J].农业环境科学学报,2020,39（2）：304-312.LIYi,WANGBing-sen,HUANGYuan-yuan,etal.Mechanismstudyonthephytoremediationofcadmium-andarsenic-contaminatedsoilbyPolygonaceaeplantswithEnterobactersp.[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2020,39（2）:304-312.肠杆菌对蓼科植物镉砷污染土壤修复机理研究李艺1，2，王炳森2，黄媛媛2，姚亚威2，林嘉敏2，刘可慧1，3，于方明1，2*（1.广西师范大学珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室，广西桂林541004；2.广西师范大学环境与资源学院，广西桂林541004；3.广西师范大学生命科学学院，广西桂林541004）收稿日期：2019-09-12录用日期：2019-12-04作者简介：李艺（1986—），女，辽宁盖州人，博士，讲师，主要从事环境污染生物修复研究。E-mail：[e-mail]*通信作者：于方明E-mail：[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目（41967019，41907096，41661077）；国家重点研发计划项目（2017YFD0801500）；广西创新驱动发展专项项目（桂科AA17204047-3）；广西自然科学基金项目（2018JJA150018）Projectsupported：TheNationalNaturalScienceFoundationofChina（41967019,41907096,41661077）；TheNationalKeyR&DProgramofChina（2017YFD0801500）；TheMajorProgramforScienceandTechnologyDevelopmentofGuangxi（GuiKe-AA17204047-3）；TheNaturalScienceFoundationofGuangxi（2018JJA150018）摘要：通过盆栽试验研究了接种不同浓度肠杆菌对镉-砷复合污染土壤上蓼科植物水蓼（PolygonumhydropiperL.）和酸模叶蓼（PolygonumlapathifoliumL.）生长、镉砷富集及抗氧化酶系统和非酶系统的影响。结果发现：接种肠杆菌显著提高水蓼和酸模叶蓼株高、株质量及叶片中叶绿素和类胡萝卜素的含量。当接种浓度为3.4×107CFU·g-1土时，水蓼和酸模叶蓼根际土壤pH降低了0.35个和0.28个单位，根茎叶中的镉和砷含量分别为对照的1.64~2.74倍和1.21~2.51倍。接种肠杆菌还可以提高叶片中SOD、POD和CAT的活性以及GSH和PCs的含量，降低O-2·和MDA的含量，缓解重金属的毒害。结果表明，接种肠杆菌能通过提高植株抗氧化酶活性来减轻镉砷富集对水蓼和酸模叶蓼的胁迫，从而提高水蓼和酸模叶蓼对镉-砷复合污染土壤的修复效率。关键词：水蓼；酸模叶蓼；肠杆菌；镉；砷中图分类号：X53文献标志码：A文章编号：1672-2043（2020）02-0304-09doi:10.11654/jaes.2019-1006李艺，等：肠杆菌对蓼科植物镉砷污染土壤修复机理研究2020年2月2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤环境状况不容乐观。其中，镉污染点位超标率为7.0%，砷污染点位超标率为2.7%，在无机污染物中位列第一和第三[1]。因此，对于土壤镉-砷污染的修复至关重要。植物-微生物联合修复是近年来土壤修复的研究热点。有研究表明，一些根际微生物对植物的生长具有显著的促进作用[2]，被称作“根际促生菌”。另外，部分耐重金属的微生物还能显著提高植物对重金属的富集能力[3-4]。Nie等[5]的研究表明，植物促生菌EnterobactercloacaeCAL2通过分泌氨基环丙烷羧酸脱氢酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylicacid，ACC），有效促进了欧洲油菜（BrassicanapusL.）对砷的富集。赵根成等[6]的研究也表明，接种放线菌PSQ、sh2和细菌TS37、C13显著提高了蜈蚣草（PterisvittataL.）对砷的富集。研究表明，在植物受到外界胁迫时如重金属胁迫，植物体内的抗氧化酶及非酶抗氧化剂可以清除植物体内过多的活性氧物质，以减轻逆境胁迫对植物的损伤，是植物抵抗逆境胁迫的重要防御机制[7]。根际微生物可通过提高植物对非生物逆境胁迫的忍耐能力从而促进植物在逆境胁迫下的生长。汤叶涛等[8]研究发现，高浓度镉胁迫导致滇苦菜（Picrisdivarica⁃ta）体内H2O2和丙二醛（MDA）含量以及阴离子超氧自由基产生速率显著提高。李燕等[9]研究表明，重金属锰对短毛蓼（PolygonumpubescensBlume）的胁迫引起了植物体内H2O2和MDA的累积，同时超氧化物歧化酶（SOD）活性随着外界重金属浓度的升高而升高。张子杨等[10]的研究表明，接种StreptomycespactumAct1对包心芥菜（Brassicajuncea）的抗氧化酶系统有积极作用，可以有效降低MDA的含量，提高植物对镉的富集能力。Pandey等[11]的研究表明镉耐受菌Ochrobactrumsp.和砷耐受菌Bacillussp.的接种可以有效提高水稻（OryzasativaL.）根部的SOD含量，并且可以通过分泌ACC促进水稻的生长，提高其对镉和砷的富集能力。水蓼（PolygonumhydropiperL.）[12]和酸模叶蓼（PolygonumlapathifoliumL.）[13]作为两种常见的蓼科植物，具有较好的锰富集和耐受能力。肠杆菌FM-1（Enterobactersp.FM-1）为新发现的对镉具有一定耐性且对植物有一定促进作用的微生物[14]，但水蓼和酸模叶蓼对于镉和砷的富集性能，以及肠杆菌对其的促生特性尚未有研究报道。因此，本研究通过灌根的方式，研究了肠杆菌对水蓼和酸模叶蓼生长、镉和砷富集以及植物抗氧化酶系统和非酶系统的影响，旨在为镉-砷复合污染土壤的植物-微生物联合修复提供理论依据和技术支持。1材料与方法1.1实验材料镉耐受菌——肠杆菌FM-1，GenBank登录号：MF664375；中国典型培养物保藏中心保藏号：2017825[14]。水蓼和酸模叶蓼采自广西桂林漓江沿岸。镉-砷复合污染土壤采自广西桂林阳朔思的村。土壤采集时先去除地表杂物，然后采用蛇形5点法采集0~20cm的土壤，混合均匀后，置于塑料袋中运回实验室。土壤经自然风干后，一部分过4mm筛，另一部分过0.149mm的尼龙筛备用。土壤的理化性质采用鲁如坤的《土壤农业化学分析法》[15]进行测定，结果见表1。1.2实验方法1.2.1植物栽培将过4mm孔径筛的土壤装入直径为25cm的黑helpedplantsalleviateheavymetalpoisoningbyincreasingtheactivityofantioxidantenzymes.Hence,Enterobactersp.FM-1ispotential⁃lyusefulforcadmiumandarsenicphytoremediationincadmium-arsenicco-contaminatedsoilbyPolygonumhydropiperL.andPolygo⁃numlapathifoliumL..Keywords：PolygonumhydropiperL.;PolygonumlapathifoliumL.;Enterobactersp.FM-1;cadmium;arsenic项目Items总镉Tota