论文部分内容阅读
镉（Cd）因其高迁移性、持久性和植物毒性,含Cd土壤污染及其对人类健康的危害已成为全球严重的环境问题。植物萃取技术可用于解决我国大面积分布Cd污染问题,然而超积累植物在环境中定植、生长和提取功能的发挥都受到Cd胁迫的显著影响。丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）和蚯蚓（Earthworm,E）是土壤生态系统中不同营养级的典型代表,在改善植物生理生化特性、增强植物对重金属耐受和吸收方面发挥着重要作用,是土壤生物修复中的关键因子。蚯蚓和AMF直接互作于根际,然而它们之间交互效应如何影响超积累植物提取修复重金属的效应与机制尚不明朗。本研究拟构建蚯蚓-AMF-龙葵联合修复系统,开展Cd胁迫下蚯蚓-AMF互作对龙葵生理生长、Cd吸收积累以及土壤环境功能改善的定向调控作用,揭示Cd在土壤-龙葵系统中的迁移转运机制,以期为多元生物联合修复系统应用于无机污染土壤植被恢复与生态重建提供理论与技术参考。蚯蚓-AMF-龙葵联合系统生长生理对Cd胁迫的响应结果表明,蚯蚓（E）和AMF（AM）单独以及联合接种（EAM）均可不同程度减缓Cd的生物毒性。生物量受损一半对应Cd浓度(Concentration for 50%of maximal effect,EC50)显示龙葵根部对Cd较敏感,且生物接种提高了EC50。E和EAM处理组蚯蚓半致死浓度(Median lethal concentration,LC50)分别为126和168 mg kg-1。在15～120 mg kg-1 Cd污染水平,各处理对地上部生长量促进效应为EAM（20.68%～134.62%）＞AM（14.66%～84.62%）＞E（-0.4%～53.85%）,且接种效应随Cd胁迫浓度增加而增加;当Cd浓度大于15 mg kg-1,对根系的促进效应显示蚯蚓效应高于AMF效应。生物因子对磷（Phosphorus,P）浓度以及对生物量的接种效应之间正相关说明促进P吸收是提升宿主生长量的一个因素。蚯蚓和AMF可缓解Cd对光合器官亚细胞结构的损伤,显著削弱Cd对叶绿素、净光合速率、蒸腾作用和气孔导度的负面影响。接种蚯蚓和AMF后,龙葵叶片O2·-、H2O2和MDA含量均明显降低,且联合接种削减效应最佳。蚯蚓和AMF均能激活抗氧化系统,蚯蚓促进了CAT活性,而AMF提高了SOD和POD活性。此外,联合处理对多酚、黄酮和谷胱甘肽含量促进效应高于单独处理。Cd胁迫下联合修复系统对根际土壤质量评估指标和微生物群落的影响研究结果表明,蚯蚓和AMF为龙葵提供不同的营养补给,蚯蚓增加速效钾,而AMF增加了有效磷和有机质。生物接种缓解了Cd对脲酶和过氧化氢酶的定浓抑制率,且联合接种缓解效果最佳。E处理降低了酸性磷酸酶活性,而AM和EAM处理表现为增加效应。蚯蚓和AMF均能抑制Cd对细菌群落多样性的毒害,二者可通过调控土壤p H、总碳、有机质和碳氮比来影响细菌群落结构。Cd在土壤-龙葵系统中迁移归趋的研究结果表明,土壤Cd整体分布为弱酸提取态（47.96%～68.85%）＞可还原态（26.24%～42.04%）＞可氧化态（2.50%～8.19%）＞残渣态（1.81%～3.97%）。与单独种植龙葵相比,不同生物接种均显著提高了弱酸态Cd含量,降低了残渣态和可还原态Cd浓度。蚯蚓与AMF对可氧化态Cd的影响效应相反,二者交互显著影响了可还原态Cd浓度。土壤生物调控龙葵吸收转运Cd的效应与土壤Cd污染程度有关,低Cd水平(15 mg kg-1)下仅AMF促进地上部Cd浓度;而中高Cd(30和60 mg kg-1)水平下,单独或联合接种均显著增加了不同器官Cd浓度。在相同Cd胁迫下,AMF更容易增加根Cd浓度。生物接种处理对地上部和根系Cd的吸收量均有较明显的促进作用,联合处理较单一接种更能提高龙葵对Cd的积累量。AMF在低Cd水平下促进Cd的转运,在较高Cd胁迫下则抑制了Cd的转运,而蚯蚓的存在能抵消这种抑制效应。蚯蚓和AMF增强龙葵Cd富集能力主要贡献是增加了弱酸态Cd比例。对Cd去除能力大小为EAM（6.51%～10.42%）＞AM（5.93%～10.47%）＞E（3.43%～9.07%）＞CK（1.07%～8.07%）,且联合系统更易使根际土壤Cd向活性较高的形态转化。对龙葵叶片亚细胞分布以及根叶器官Cd形态特征的研究结果表明,叶片Cd分布模式为细胞壁（60.14%～79.56%）＞可溶性组分（14.73%～31.72%）＞细胞器（4.16%～12.56%）。不同生物接种模式在降低细胞器Cd剂量中发挥的作用途径不同,低Cd水平下(30 mg kg-1),E和EAM处理主要通过液泡区隔化Cd,而AM处理则是利用细胞壁沉淀作用。最高Cd水平下(120 mg kg-1),AM通过液泡区室化,而蚯蚓-AMF联合则通过细胞壁沉淀作用。龙葵根叶器官Cd主要赋存形态为Na Cl和去离子水提取态。对于叶片来说,蚯蚓降低了水溶态和乙醇提取态Cd比例,增加了Na Cl和HAc提取态Cd。而对于根系来说,蚯蚓增加了水溶态Cd比例,在高Cd水平下降低了乙醇提取态Cd比例,低Cd水平下则降低了Na Cl和HCl提取态Cd比例。AM和EAM处理对叶和根中Cd形态变化的影响效应一致,均降低了活性态Cd,增加了钝化态比例。本研究构建的生物联合修复体系可有效实现对Cd的去除和污染土壤质量的改良,这对于实际Cd污染土壤植物修复研究与工程应用具有重要指导意义。