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烟曲霉f4对黑麦草修复电子废物拆解场地土壤重金属的影响

刘非凡, 白建峰, 顾卫华, 苑文仪, 庄绪宁, 赵静, 宋小龙, 刘倩, 张承龙, 王景伟. 烟曲霉f4对黑麦草修复电子废物拆解场地土壤重金属的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(7): 1886-1893. doi: 10.12030/j.cjee.201912062
引用本文: 刘非凡, 白建峰, 顾卫华, 苑文仪, 庄绪宁, 赵静, 宋小龙, 刘倩, 张承龙, 王景伟. 烟曲霉f4对黑麦草修复电子废物拆解场地土壤重金属的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(7): 1886-1893. doi: 10.12030/j.cjee.201912062
LIU Feifan, BAI Jianfeng, GU Weihua, YUAN Wenyi, ZHUANG Xuning, ZHAO Jing, SONG Xiaolong, LIU Qian, ZHANG Chenglong, WANG Jingwei. Effects of Aspergillus fumigatus f4 on the soil heavy metal remediation in e-waste dismantling site by ryegrass[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(7): 1886-1893. doi: 10.12030/j.cjee.201912062
Citation: LIU Feifan, BAI Jianfeng, GU Weihua, YUAN Wenyi, ZHUANG Xuning, ZHAO Jing, SONG Xiaolong, LIU Qian, ZHANG Chenglong, WANG Jingwei. Effects of Aspergillus fumigatus f4 on the soil heavy metal remediation in e-waste dismantling site by ryegrass[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(7): 1886-1893. doi: 10.12030/j.cjee.201912062

烟曲霉f4对黑麦草修复电子废物拆解场地土壤重金属的影响

    作者简介: 刘非凡(1996—),女,硕士研究生。研究方向:污染土壤修复。E-mail:707188354@qq.com
    通讯作者: 白建峰(1978—),男,博士,教授。研究方向:污染土壤与修复等。E-mail:jfbai@sspu.edu.cn
  • 基金项目:
    上海市Ⅱ类高原学科-环境科学与工程;上海协同创新中心建设项目(ZF1224);上海第二工业大学重点学科建设项目(XXKZD1602);上海第二工业大学研究生项目基金(EGD18YJ0064)
  • 中图分类号: X53

Effects of Aspergillus fumigatus f4 on the soil heavy metal remediation in e-waste dismantling site by ryegrass

    Corresponding author: BAI Jianfeng, jfbai@sspu.edu.cn
  • 摘要: 为了探究烟曲霉f4对黑麦草修复电子废物拆解场地土壤重金属的影响,通过实验比较接菌处理和不接菌处理黑麦草的生物量、重金属含量、重金属形态分布、富集系数和迁移系数。结果表明:接菌处理前20 d阶段黑麦草地上部分的生物量最大,随着时间推移,地上部生物量逐渐减少;接菌处理与不接菌处理之间地下部生物量存在显著差异,接菌后,其生物量的增幅为91.27%;在接菌处理的地下部,Ni、Cu、Zn、Cd、Cr和Pb的含量与不接菌处理相比,其增幅分别为484%、398%、470%、355%、531%、490%;根际土壤中重金属形态发生改变,接菌处理与不接菌处理相比,Cd、Cu、Zn、Pb和Cr的弱酸可提取态占比提高了0.9%、0.8%、0.5%、0.3%、0.1%。烟曲霉f4能促进黑麦草生长,提高根际土壤中重金属的弱酸可提取态的含量,增加黑麦草对其富集,从而提高了黑麦草对重金属的修复效率。
  • 白洋淀位于京津冀三角地带的中心地带,地理位置关键。其作为华北平原最大的淡水湖泊,对维护当地生态系统平衡和附近居民的居住环境有着重要的意义[1]。随着雄安新区的建立,白洋淀生态环境再次成为我国关注的焦点,进一步提升和改善白洋淀生态环境质量亦成为我们环保工作的重点。

    水生植物依据其生活型不同,可划分为挺水植物、沉水植物、浮叶植物、漂浮植物和湿生植物。沉水植物因其大多处于水体以下界面,易受到流域水源、土壤的影响,使其在浅水湖泊恢复中作为初级生产者率先进行群落构建[2]。20世纪70年代初期,有研究[3]认为沉水植物恢复的关键是改善生境限制因子(如降低过高的氮磷含量),但实验证明,高浓度营养盐并不是制约因素;随后,有研究提出基于水下光场变化的沉水植物恢复技术,并在后海[4]、太湖[5]和滇池[6]等湖泊进行了实际应用,取得了较好的效果。但目前大多以耐污种群恢复为主,较少涉及群落恢复,而群落相对种群有更强的稳定生态能力,因此,以群落恢复为目标可进一步提升生态稳定性;而且,生态恢复是一个长期持续性过程,目前恢复步骤虽表明其需要逐步落实[4-6],但大多并未明确提出包括耐污种、中等耐污种和敏感物种沉水植物多阶段恢复方案。

    本研究在充分调研和分析白洋淀沉水植物历史现状演变的基础上,结合不同沉水植物种群耐污性和对光的敏感性特点,建立沉水植物阶段性恢复方案;根据白洋淀水下光场特点,对白洋淀沉水植物群落恢复区域适宜程度进行划分,提出不适宜恢复区域的关键生境恢复参数,进而为白洋淀淀区沉水植物群落整体恢复提供参考。本研究结果对于白洋淀以及我国北方浅水湖泊的生态恢复具有一定参考价值,并可直接支撑河北雄安新区生态建设。

    2019年3月和5月,在白洋淀布设43、37个点位(图1)并进行水下光场及水质调研,选择在晴好的天气,风浪小的区域进行采样,避免产生因天气改变、风浪而造成的误差。每个采样点现场监测透明度、水下光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)和实际水深,实验室测定总悬浮物(TSS)、叶绿素a(Chl.a)和溶解性有机碳(DOC)。利用30 cm的赛氏圆盘测定透明度;选用水下光量子仪(LI-COR 192SA)测定PAR;使用铅坠和带刻度的绳子测定水深;采集水样后,取0.5 L水样过滤,利用重量法将滤膜分析悬浮物;将0.5 L水样过滤,利用分光光度法取滤膜测定Chl.a;随后使用碳分析仪测定过滤后的清液中的DOC。2018年4月、7月和11月,布设20个采样点(图1)进行沉水植物调查。使用耙子(固定面积0.25 m2)采集沉水植物,后期在实验室完成测量记录工作。

    图 1  白洋淀采样点的分布
    Figure 1.  Distribution of sampling points in Baiyangdian

    沉水植物的光补偿点是指沉水植物光合作用产氧量与呼吸作用耗氧量相互抵消为0时对应的光辐射强度。对于湖泊生态环境管理,常将沉水植物昼夜光补偿点作为临界值[7]考虑。

    实验在晴天的09:00—11:00进行。购买植物培养液,用NaOH调节pH至7.5,量取500 mL配置好的营养液,放入500 mL锥形瓶中备用。分别取5 g单物种黄花狸藻、光叶眼子菜、大茨藻,如果是多种植物,其中占比最大的植物按照5 g处理,其他植物根据比例计算得到具体样品重量(若物种比例过小,按照0.1 g处理)。用吸水纸吸去叶表面水分,分别称重记录后,放入装有培养液的备用锥形瓶中,用封口膜封住瓶口,将其放入人工气候箱,设定光照分别为0、11、12、20、33、38、43、50、61 μmol·(m2·s)−1。每隔0.5 h改变光强,同时利用便携式溶氧仪测定水中溶解氧含量。金鱼藻:龙须眼子菜:穗花狐尾藻比例为1∶2∶1,以此为基础,后期补种沉水植物,其占比与金鱼藻、穗花狐尾藻一致。

    在生态学中,同一物种在特定时间占据一定空间的集体称为生物种群,而在该群落中具有绝对优势地位的种群称为优势种群,也称为优势种。优势度计算方法如式(1)所示。

    Y=(ni/N)fi (1)

    式中:Y为优势度;ni为第i种沉水植物物种在监测区域的数量;N为在该监测区域出现的所有沉水植物数量总和;fi为第i种沉水植物在各个监测点位的出现频率。

    优势度Y≥0.02的物种为优势种,一般优势度大于0.01的物种为主要优势种;大于0.1的物种为绝对优势种。

    净光合速率是指植物光合作用积累的有机物,是总光合速率减去呼吸速率的值。对于光补偿点实验来说,沉水植物种群(群落)的净光合速率为含有沉水植物的锥形瓶中单位时间的净产氧量减去空白对照组的净产氧量,排除水体中藻类光合作用的影响,其具体计算方法如式(2)所示。

    R=QQA32×10002tm (2)

    式中:R为净光合速率(以O2计),μmol·(g·h)−1Q为沉水植物溶解氧含量,mg·L−1QA为实验水样溶解氧含量,mg·L−1t为同一光照培养时间,h;m为沉水植物种群(群落)的质量,kg。

    对于浅水湖泊,其PAR随着水深的增加而降低,而沉水植物光补偿深度是指在该水深深度条件下,沉水植物光合作用与呼吸作用相平衡,不产生有机物。

    将每个监测点的水深梯度与对应的PAR值进行回归分析,其回归方程的通式如式(3)所示。

    It=I0eαt (3)

    式中:I0为在水面0 m处水下光量子仪测定的光合有效辐射值,μmol·(m2·s)−1t为以水面0 m为基准向下的深度,m;It为水深在t处水下光量子仪测定的光合有效辐射值,μmol·(m2·s)−1α为光衰减系数,m−1

    水下光场监测完毕后,得到每个监测点的水下PAR随深度的递减公式,随后将实验测定的沉水植物种群(群落)光补偿点代入It,即可得到每个监测点的沉水植物种群和群落的光补偿深度。

    利用OrigiLab 2020对水下光场数据进行回归拟合;利用光合软件计算沉水植物光补偿点;利用ArcGIS 10.6中的反距离权重插值法,进行光衰减系数、TSS、Chl.a、DOC、光补偿深度空间分布分析和点位的确定;利用SPSS 20.0对光补偿深度与透明度进行回归拟合,利用R语言和OrigiLab 2020进行数据处理和绘图。

    近60年(1958—2018年)白洋淀沉水植物调研的演变结果[8-14]表1。可以看出,从1958—2018年,白洋淀沉水植物由15种逐渐减少至11种。其中2018年淀区内沉水植物分别为,轮藻、穗花狐尾藻、龙须眼子菜、菹草、金鱼藻、黄花狸藻、轮叶黑藻、小茨藻、大茨藻、苦草和光叶眼子菜。曾出现的聚草、拟轮藻、丝网藻、马来眼子菜在2018年未发现,其中拟轮藻和丝网藻自20世纪80年代未见报道,聚草在20世纪90年代后未见报道,马来眼子菜在2011年存在,但2018年未发现。近38年,白洋淀沉水植物总生物量变化趋势复杂,1980年初,白洋淀沉水植物总生物量为6 359.97 g·m−2到1992年提高到7 741.69 g·m−2,但在2009年明显降低,仅为1 315.13 g·m−2,随后在2010年十一五专项调研中明显升高。但在2018年发现沉水植物总生物量降至2 411.6 g·m−2。因此,随着时间的推移,白洋淀沉水植物呈现种类减少、总生物量降低的趋势。

    表 1  白洋淀不同水生植物种类及总生物量历年演变
    Table 1.  Evolution of different aquatic plant species and total biomass in Baiyangdian Lake
    年份种类数量/种物种名称总生物量/(g·m−2)数据来源优势种
    1958年15轮藻、穗花狐尾藻、龙须眼子菜、菹草、金鱼藻、黄花狸藻、聚草、轮叶黑藻、小茨藻、大茨藻、苦草、拟轮藻、丝网藻、马来眼子菜、光叶眼子菜[8]聚草、轮叶黑藻、小眼子菜、金鱼藻、苦草、龙须眼子菜、小茨草、菹草
    1980年14轮藻、穗花狐尾藻、龙须眼子菜、菹草、金鱼藻、黄花狸藻、聚草、轮叶黑藻、小茨藻、大茨藻、苦草、拟轮藻、丝网藻、光叶眼子菜6 359.97[9]轮藻、光叶眼子菜、马来眼子菜、龙须眼子菜、聚草、轮叶黑藻和金鱼藻
    1984年13轮藻、穗花狐尾藻、龙须眼子菜、菹草、金鱼藻、黄花狸藻、聚草、轮叶黑藻、小茨藻、大茨藻、苦草、拟轮藻、马来眼子菜[10]狐尾藻、金鱼藻、马来眼子菜、龙须眼子菜
    1991年11轮藻、穗花狐尾藻、龙须眼子菜、菹草、金鱼藻、黄花狸藻、轮叶黑藻、小茨藻、大茨藻、拟轮藻、马来眼子菜[11]马来眼子菜、光叶眼子菜、龙须眼子菜、轮叶黑藻、范草和穗花狐尾藻和大茨藻
    1992年11轮藻、穗花狐尾藻、龙须眼子菜、菹草、金鱼藻、黄花狸藻、轮叶黑藻、小茨藻、大茨藻、拟轮藻、马来眼子菜7 741.69[12]龙须眼子菜、五刺金鱼藻、轮叶黑藻、茨藻、穗状狐尾草和光叶眼子菜
    2007年11轮藻、穗花狐尾藻、龙须眼子菜、菹草、金鱼藻、黄花狸藻、轮叶黑藻、大茨藻、苦草、马来眼子菜[13]金鱼藻、小茨藻、穗花狐尾藻和微齿眼子菜、龙须眼子菜、马来眼子菜
    2009年8轮藻、龙须眼子菜、菹草、金鱼藻、轮叶黑藻、大茨藻、苦草、黄花狸藻1 315.132009年实地调研金鱼藻、龙须眼子菜及轮藻
    2010年9轮藻、龙须眼子菜、菹草、金鱼藻、黄花狸藻、轮叶黑藻、小茨藻、大茨藻、马来眼子菜48 760[14]金鱼藻、轮藻和龙须眼子菜
    2018年11轮藻、穗花狐尾藻、龙须眼子菜、菹草、金鱼藻、黄花狸藻、轮叶黑藻、苦草、小茨藻、大茨藻、光叶眼子菜2 411.62018年实地调研菹草、龙须眼子菜、金鱼藻、穗花狐尾藻和黄花狸藻
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    沉水植物因其扎根于湖泊沉积物,其植物体在水面下生存的特性使其对水质的污染程度较其他水生植物敏感,常作为指示生物[15]。通过样品采集和文献调研发现,在白洋淀现存沉水植物中,轮藻和小茨藻为敏感种,大茨藻、黄花狸藻为较敏感种,上述物种多分布在轻污染水域中;苦草、轮叶黑藻为中等耐污种;龙须眼子菜、金鱼藻、穗花狐尾藻、光叶眼子菜、菹草为耐污种,可生长在污染较大的水域中。近60年,白洋淀沉水植物优势物种随时间变化显著(见表1)。2018年调研分析结果表明,金鱼藻,龙须眼子菜、菹草、穗花狐尾藻仍为优势物种,而黄花狸藻成为新增的优势物种。随着时间的推移,白洋淀沉水植物优势种逐渐由耐污种、中等耐污种和敏感物种的复合多样化,变为以耐污种为主的趋势,优势物种多样性降低,但耐污性能逐渐增强。

    白洋淀不同沉水植物生物量在2009年和2018年对比分析结果见图2。可以看出:耐污性高的沉水植物生物量增加,龙须眼子菜生物量由19 648.3 g·m−2增长为26 008.96 g·m−2,菹草生物量由812 g·m−2增长为4 651 g·m−2;耐污性低的沉水植物生物量降低,轮藻生物量由7 140.2 g·m−2减少为2 306 g·m−2,大茨藻生物量由1 190 g·m−2减少为0.53 g·m−2。对白洋淀2010年8月与2018年7月不同沉水植物出现频率的分析结果见图2。可以看出,在8年内,马来眼子菜退化消失,而苦草重新出现。淀区主要植物组成与植物出现频率有较大变化。2010年,淀区内出现频率最高的为金鱼藻、轮藻和龙须眼子菜,分别为78%,34%和46%。其中轮藻为敏感种,而金鱼藻和龙须眼子菜为耐污种。2018年,沉水植物出现频率发生变化,出现频率最高的3种植物为金鱼藻、龙须眼子菜和穗花狐尾藻,分别为45%,60%和30%。与8年前相对比,耐污性高于金鱼藻的龙须眼子菜出现率增加,而作为敏感种的轮藻未有出现。

    图 2  白洋淀不同年份不同沉水植物出现频率与生物量的对比
    Figure 2.  Comparison of occurrence frequency and biomass of different submerged plants in Baiyangdian area in different years

    因此,基于优势度、出现频率的调研分析结果,初步选取7种沉水植物作为恢复物种,分别为3种耐污种(龙须眼子菜、金鱼藻和穗花狐尾藻)、2种中等耐污种(轮叶黑藻和苦草)和2种敏感物种(大茨藻和黄花狸藻)。考虑恢复初期水质较差,首先选取耐污种作为先锋物种,水质提升后,分阶段补充中等耐污种和敏感物种,进而形成稳定的群落。具体恢复方案分为2个阶段:在第1阶段,种植耐污种(金鱼藻+龙须眼子菜+穗花狐尾藻),使水质变好;在第2阶段,增加中等耐污种的种植(苦草+轮叶黑藻),最后补充敏感物种(大茨藻+黄花狸藻)。

    光衰减系数一般在湖泊光学中指光在水下随深度变化的衰减速率,衰减系数的高低可以反映出湖泊水体的清澈程度。本研究分别于2019年3月和5月对白洋淀进行水下光场调研,分别根据点位的不同水深的光合作用有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR),同时利用式(3)计算光衰减系数,其空间分布结果如图3所示。可以看出:2019年3月,光衰减系数为0.426 ~1.121 m−1,变化极差为0.695 m−1,其中光衰减系数小于0.5 m−1的点位有6个,占所有点位的14.0%,处于0.5 ~1.0 m−1的点位有34个,占所有点位的79.0%,大于1.0 m−1的点位有3个,占所有点位的7.0%;2019年5月,光衰减系数为0.94 ~3.36 m−1,变化极差为2.42 m−1,其中光衰减系数小于1.0 m−1的点位有1个,占所有点位的2.7%,处于1.0~2.0 m−1的点位有23个,占所有点位的62.2%,处于2.0~3.0 m−1的点位有11个,占所有点位的29.7%,大于3.0 m−1的点位有2个,占所有点位的5.4%。这表明5月的光衰减系数较3月的高,对于白洋淀沉水植物恢复来说,最好选择在3月进行。低值区主要分布在东部退渔环湖区域、自然保护区域,如烧车淀、光淀张庄、枣林庄等区域。高值区主要分布在西部村庄聚集处、部分入淀河口处以及旅游观赏区,如南刘庄、端村、圈头等。

    图 3  2019年白洋淀空间分布图
    Figure 3.  Spatial distribution maps of Baiyangdian Lake in 2019

    据报道[3],通常水中溶解物质、悬浮颗粒和浮游植物的变化会导致光衰减系数发生改变。因此,以5月光衰减系数和水样为例,分析各点位的Chl.a、TSS和DOC浓度,结果如图3所示。可以看出,Chl.a和TSS空间分布趋势大体为从西向东递减,与光衰减系数空间分布类似;而DOC空间分布趋势为从北向南递增。将Chl.a、TSS、DOC分别与光衰减系数进行相关性分析,结果表明光衰减系数和Chl.a具有较好的相关性(R2=0.507 8,P≤0.01),TSS其次(R2=0.174 5),而与DOC相关性较差(R2=0.010 5)。说明光衰减系数与Chl.a、TSS相关,其中Chl.a对光衰减的影响较大。其与太湖区域研究结果一致,太湖区域的光衰减系数同样受TSS和Chl.a的影响,但受TSS影响更为显著。这说明不同湖泊影响光衰减系数的因素大致相同,但影响程度不同,这可能是由于不同湖泊受人为干扰的来源不同,导致影响程度不同。太湖受船只与风浪的干扰较大,TSS含量为15~36 mg·L−1,TSS成为重要干扰因素;而白洋淀周边养殖场较多、村庄聚集,营养物质充足导致Chl.a含量为10~100 μg·L−1,成为主要影响淀区光衰减系数的主要因素,这与白洋淀5月温度上升,藻类生长旺盛,导致光衰减系数较3月大的结果一致。

    1)沉水植物的光补偿点。2018年,白洋淀沉水植物调研分析结果表明,目前沉水植物存在分别以龙须眼子菜、金鱼藻、穗花狐尾藻、菹草、光叶眼子菜、轮叶黑藻和黄花狸藻为优势种的群落类型。不同群落光补偿点分析结果见图4。可以看出,具有相同优势种的群落,即使物种比例不同,群落光补偿点区别不大;但是如果群落优势物种不同,群落的光补偿点相差较大。例如,龙须眼子菜+金鱼藻的搭配,以龙须眼子菜为优势种(2∶1和50∶1)的群落光补偿点的光强分别为22.46 μmol·(m2·s)−1和26.05 μmol·(m2·s)−1,以金鱼藻为优势种(1:2和1:5)的群落光补偿点的光强分别为35.01 μmol·(m2·s)−1和37.79 μmol(m2·s)−1

    图 4  2018年白洋淀现存沉水植物群落的光补偿点
    Figure 4.  Light compensation point of current submerged plant communities in Baiyangdian Lake in 2018

    沉水植物种类不同,光补偿点具有较大差别。沉水植物按光补偿点强度从小到大排序为苦草<大茨藻<黄花狸藻<轮叶黑藻<龙须眼子菜<金鱼藻<穗花狐尾藻,即其适应弱光的能力按从大到小依次排序为苦草>大茨藻>黄花狸藻>轮叶黑藻>龙须眼子菜>金鱼藻>穗花狐尾藻。根据沉水植物2个阶段恢复方案搭配恢复物种,实验测得不同群落的光补偿点结果见图5。结果表明,第1阶段种植的耐污种(金鱼藻、龙须眼子菜和穗花狐尾藻),不同群落光补偿点大于20 μmol·(m2·s)−1,均高于该群落中任一单种沉水植物种群光补偿点,且以三种中的任意两种沉水植物形成的群落光补偿点小于3种沉水植物群落。这与文献报道的滇池、后海研究结果[3-5]相同,即群落较种群光补偿点高;随着水质改善,当加入轮叶黑藻后,群落光补偿点进一步增加,但当加入苦草、黄花狸藻和大茨藻后,因其光补偿点较低,更适应低光环境,导致群落出现它感效应[16],使得群落光补偿点反而降低,即7种植物形成的群落光补偿点低于其他群落,如果仅依据该结果,即单纯依据群落光补偿点大小进行群落恢复,存在不合理性。因此,需要对群落光补偿点和植物耐污性进行综合考虑,进而建立多阶段恢复方案。

    图 5  不同沉水植物群落的光补偿点
    Figure 5.  Light compensation points of different submerged plant communities

    1)沉水植物种群(群落)光补偿深度与透明度回归分析及应用。将沉水植物种群(群落)的光补偿点强度代入方程,该方程为各个监测点水下光场水深与光合有效辐射的回归方程,可得到各个监测点位的上述沉水植物种群(群落)对应的光补偿深度。将其与透明度[3-5]进行拟合(表2),结果表明,7种沉水植物及不同群落光补偿深度与透明度呈显著相关(大部分R2>0.74)。因此,沉水植物种群(群落)光补偿深度与透明度回归方程式常用于针对目标水域现场测定透明度后,计算得到该区域沉水植物种群(群落)的光补偿深度。若沉水植物种群(群落)光补偿深度≥实际水深,表明沉水植物光合作用≥呼吸作用,有机物开始积累,沉水植物可以生存;若沉水植物种群(群落)光补偿深度<实际水深时,沉水植物光合作用<呼吸作用,不产生有机物,只消耗有机物,沉水植物无法生存。因此,表2中的光补偿深度与透明度关系式可用来快速判断目标区域沉水植物是否可以生存,对恢复方案的制定具有很重要的应用价值。

    表 2  沉水植物光补偿深度与透明度回归方程式
    Table 2.  Regression equations of light compensation depth and transparency of submerged plants
    沉水植物种群/群落2019年3月2019年5月
    光补偿深度与透明度关系模型R2P光补偿深度与透明度关系模型R2P
    龙须眼子菜Hc=2.91T+0.890.683<0.01Hc=1.94T+0.880.772<0.01
    金鱼藻Hc=2.73T+0.560.629<0.01Hc=1.78T+0.790.767<0.01
    穗花狐尾藻Hc=2.67T+0.460.607<0.01Hc=1.73T+0.760.764<0.01
    苦草Hc=3.16T+1.330.707<0.01Hc=2.15T+0.990.779<0.01
    轮叶黑藻Hc=2.92T+0.910.685<0.01Hc=1.95T+0.880.773<0.01
    黄花狸藻Hc=2.75T+1.670.537<0.01Hc=2.07T+0.940.778<0.01
    大茨藻Hc=2.79T+1.790.529<0.01Hc=2.01T+1.020.722<0.01
    龙须眼子菜+穗花狐尾藻Hc=2.43T+0.740.479<0.01Hc=1.70T+0.740.764<0.01
    龙须眼子菜+金鱼藻Hc=2.53T+1.030.509<0.01Hc=1.76T+0.970.715<0.01
    穗花狐尾藻+金鱼藻Hc=2.46T+0.880.486<0.01Hc=1.65T+0.810.711<0.01
    金鱼藻+龙须眼子菜+穗花狐尾藻Hc=2.44T+0.820.479<0.01Hc=1.63T+0.790.708<0.01
    金鱼藻+龙须眼子菜+穗花狐尾藻+轮叶黑藻Hc=2.43T+0.780.475<0.01Hc=1.62T+0.790.71<0.01
    金鱼藻+龙须眼子菜+穗花狐尾藻+苦草Hc=2.5T+0.980.475<0.01Hc=1.69T+0.830.713<0.01
    金鱼藻+龙须眼子菜+穗花狐尾藻+轮叶黑藻+苦草Hc=2.52T+1.020.501<0.01Hc=1.71T+0.840.713<0.01
    金鱼藻+龙须眼子菜+穗花狐尾藻+轮叶黑藻+苦草+黄花狸藻Hc=2.63T+1.340.522<0.01Hc=1.83T+0.920.716<0.01
    金鱼藻+龙须眼子菜+穗花狐尾藻+轮叶黑藻+苦草+大茨藻Hc=2.68T+1.490.527<0.01Hc=1.89T+0.950.716<0.01
    金鱼藻+龙须眼子菜+穗花狐尾藻+轮叶黑藻+苦草+黄花狸藻+大茨藻Hc=2.77T+1.740.529<0.01Hc=1.99T+1.010.722<0.01
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    另外,当实际水深等于沉水植物群落光补偿深度时,利用沉水植物光补偿深度与透明度关系式,计算得到的透明度是该区域沉水植物恢复初期所需的最小值。只有当透明度达到该数值时,才能种植沉水植物;否则,无法满足沉水植物群落的需光要求,导致种植后无法存活。同时3月与5月2次光补偿深度与透明度的关系式表明,不同时期沉水植物恢复所需透明度不同,但5月沉水植物光补偿深度与透明度关系式可作为其沉水植物春季恢复所需最小透明度的代表式。

    第1阶段恢复的耐污种群落光补偿深度与实际水深比值(Qi)的空间分布如图6所示。将Qi>1的区域作为沉水植物恢复的“适宜区”,可优选恢复;0.75<Qi<1作为沉水植物恢复的“过渡区”,只有通过适当的工程措施改善其透明度后才能恢复沉水植物;Qi<0.75作为沉水植物恢复的“暂不适宜区”,即需要加强改善透明度,才能考虑在该区域恢复。由图6可以看出,沉水植物耐污种群落(龙须眼子菜+穗花狐尾藻、金鱼藻+龙须眼子菜、穗花狐尾藻+金鱼藻、金鱼藻+龙须眼子菜+穗花狐尾藻)的Qi均表现出由西到东递增的趋势,即在白洋淀西部为暂不适宜区,中部为过渡区,东部为适宜区,其Qi的衰减与光衰减系数由西到东递减的规律(图3)相反。这表明:在水体相对澄清区域(光衰减系数低),受到人为干扰较少,适宜沉水植物直接恢复,如枣林庄、烧车淀、光淀张庄等区域;在白洋淀中部,如圈头、赵北口等村庄聚集区,适宜通过工程措施将透明度提高才可种植耐污种群落;在白洋淀西部,如北刘庄、端村等村庄聚集区域,人为干扰较多,需要显著提高透明度,才可考虑恢复。透明度的主要影响因素是Chl.a和TSS,所以需要优选相应技术降低Chl.a和TSS,进而提高透明度,才能开展沉水植物的恢复。

    图 6  2019年5月白洋淀区域沉水植物群落第1阶段恢复区划分
    Figure 6.  Division of the 1st stage restoration region of submerged plant in Baiyangdian Lake in May 2019

    根据2019年5月沉水植物光补偿深度与透明度关系式,以实际水深作为沉水植物光补偿深度,可以反推算出沉水植物恢复所需的最低的透明度及透明度恢复目标值,结果见表3。据报道[6],当沉水植物种群光补偿深度≥实际水深,水域中可以有稀疏的沉水植物种群存活,当沉水植物群落光补偿深度≥实际水深时,水域中可以有沉水植物群落存活。因此,当实际水深等于沉水植物种群(群落)光补偿深度时,利用表2中5月光补偿深度与透明度关系式,可得到第1阶段各种群(群落)沉水植物恢复前的透明度目标值,其平均值可作为种群或群落恢复的透明度目标值。因此,针对白洋淀第1阶段沉水植物恢复 “过渡区”和“暂不适宜区”,可以通过工程措施将透明度提高至平均目标值,即可达到目标水域有稀疏群簇存活,进一步提升透明度,达到群落生长的透明度目标值后,可实现形成群落的目标。因此,综合考虑水下光场、沉水植物耐污性和光敏感性,白洋淀沉水植物恢复方案技术路线见图7,该沉水植物恢复方案的考虑因素对北方湖泊生态治理具有借鉴意义。

    表 3  白洋淀沉水植物第1阶段恢复所需水体透明度目标值
    Table 3.  The water transparency requirements of the 1st stage restoration of submerged plant in Baiyangdian Lake cm
    水深恢复沉水植物种群(群落)所需透明度目标值
    龙须眼子菜种群金鱼藻种群穗花狐尾藻种群稀疏群簇龙须眼子菜+穗花狐尾藻群落龙须眼子菜+金鱼藻群落穗花狐尾藻+金鱼藻群落金鱼藻+龙须眼子菜+穗花狐尾藻群落拥有一定生物量的沉水植物群落
    200(实际)586872667459727470
    300(实际)109124129121133115133136129
    400(实际)161180187176192172193197189
    500(实际)212237245231251229254258248
    600(实际)264293303287309286315320307
    252(平均)85971029410588104106101
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    图 7  沉水植物恢复技术路线
    Figure 7.  Submerged phytoremediation technology road

    1)白洋淀淀区沉水植物历年调研和2018年现状分析结果表明,白洋淀淀区现存11种沉水植物。结合沉水植物耐污性,确定沉水植物阶段性恢复方案为:在第1阶段,种植耐污种(金鱼藻+龙须眼子菜+穗花狐尾藻);在第2阶段,当水质变好后,增加中等耐污种(苦草+轮叶黑藻),最后补充敏感种(大茨藻+黄花狸藻)。当群落组成与优势物种确定时,植物比例对光补偿点影响不大。

    2)白洋淀水下光衰减系数在2019年5月较2019年3月大,故对沉水植物的恢复工程最好在3月进行;同时,光衰减系数的空间分布均呈东低西高的趋势,且与Chl.a、TSS空间变化趋势一致,高值区存在于人为干扰较多区域,低值区则人为干扰较少。

    3)沉水植物种群(群落)光补偿深度与透明度符合线性关系。针对淡水湖泊的恢复,可以通过对水体透明度的监测,从而计算出该区域群落生长的光补偿深度。当沉水植物种群(群落)光补偿深度≥实际水深,水体中有沉水植物种群(群落)出现;而当沉水植物种群(群落)光补偿深度<实际水深,水体中无法存活沉水植物。利用沉水植物种群(群落)光补偿深度和实际水深的比值评估第1阶段白洋淀修复区域,并通过前期光衰减系数与叶绿素a、悬浮物和DOC的相关性分析,确定可通过降低水体中叶绿素a和悬浮物含量,从而提高沉水植物光补偿深度,进而实现沉水植物群落恢复。

  • 图 1  黑麦草地上部与地下部干质量

    Figure 1.  Dry weight of rye grass above and below ground

    表 1  黑麦草各部位重金属含量

    Table 1.  Heavy metal concentrations in aboveground and belowground biomass of ryegrass mg·kg−1

    重金属元素取样部位不接菌处理接菌处理
    CuD1地上部64.58±5.26a58.97±6.52a
    D2地上部43.28±9.29a87.99±3.01b
    D3地上部791.22±32.89a424.78±15.03b
    地下部772.53±28.36a3 854.06±273.39b
    CdD1地上部1.25±0.16a1.33±0.27a
    D2地上部1.33±0.20a3.78±0.21b
    D3地上部12.48±0.24a8.83±0.37b
    地下部10.32±0.52a50.88±0.82b
    CrD1地上部13.07±1.09a10.53 ±1.66a
    D2地上部8.71±0.86a17.71±1.74b
    D3地上部27.26±1.37a24.08±1.63a
    地下部45.20±2.14a285.51±4.98b
    ZnD1地上部410.35±4.14a403.27±2.93a
    D2地上部323.78±28.86a945.02±4.80b
    D3地上部4 414.28±197.67a2 933.36±69.25b
    地下部3 032.71±171.94a17 310.42±83.50b
    PbD1地上部141.53±1.60a132.04±2.67b
    D2地上部124.00±2.28a70.32±8.18b
    D3地上部564.98±3.98a283.56±2.24b
    地下部418.40±14.37a2 469.09±159.84b
      注:不同小写字母表示在0.05水平下差异显著。
    重金属元素取样部位不接菌处理接菌处理
    CuD1地上部64.58±5.26a58.97±6.52a
    D2地上部43.28±9.29a87.99±3.01b
    D3地上部791.22±32.89a424.78±15.03b
    地下部772.53±28.36a3 854.06±273.39b
    CdD1地上部1.25±0.16a1.33±0.27a
    D2地上部1.33±0.20a3.78±0.21b
    D3地上部12.48±0.24a8.83±0.37b
    地下部10.32±0.52a50.88±0.82b
    CrD1地上部13.07±1.09a10.53 ±1.66a
    D2地上部8.71±0.86a17.71±1.74b
    D3地上部27.26±1.37a24.08±1.63a
    地下部45.20±2.14a285.51±4.98b
    ZnD1地上部410.35±4.14a403.27±2.93a
    D2地上部323.78±28.86a945.02±4.80b
    D3地上部4 414.28±197.67a2 933.36±69.25b
    地下部3 032.71±171.94a17 310.42±83.50b
    PbD1地上部141.53±1.60a132.04±2.67b
    D2地上部124.00±2.28a70.32±8.18b
    D3地上部564.98±3.98a283.56±2.24b
    地下部418.40±14.37a2 469.09±159.84b
      注:不同小写字母表示在0.05水平下差异显著。
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    表 2  黑麦草对重金属的迁移系数与富集系数

    Table 2.  Migration coefficient and enrichment factor of heavy metals in ryegrass mg·kg−1

    重金属元素取样部位不接菌处理接菌处理
    TFBCFTFBCF
    CuD1地上部0.080.010.020.01
    D2地上部0.060.010.020.02
    D3地上部1.020.150.110.08
    地下部0.140.72
    CdD1地上部0.120.020.030.02
    D2地上部0.130.020.080.07
    D3地上部1.210.230.190.16
    地下部0.190.94
    CrD1地上部0.290.020.040.01
    D2地上部0.190.010.060.02
    D3地上部0.60.040.080.03
    地下部0.060.39
    ZnD1地上部0.140.020.020.02
    D2地上部0.110.010.050.04
    D3地上部1.460.180.170.12
    地下部0.130.72
    PbD1地上部0.340.030.050.03
    D2地上部0.30.030.030.02
    D3地上部1.350.130.110.07
    地下部0.10.5
    重金属元素取样部位不接菌处理接菌处理
    TFBCFTFBCF
    CuD1地上部0.080.010.020.01
    D2地上部0.060.010.020.02
    D3地上部1.020.150.110.08
    地下部0.140.72
    CdD1地上部0.120.020.030.02
    D2地上部0.130.020.080.07
    D3地上部1.210.230.190.16
    地下部0.190.94
    CrD1地上部0.290.020.040.01
    D2地上部0.190.010.060.02
    D3地上部0.60.040.080.03
    地下部0.060.39
    ZnD1地上部0.140.020.020.02
    D2地上部0.110.010.050.04
    D3地上部1.460.180.170.12
    地下部0.130.72
    PbD1地上部0.340.030.050.03
    D2地上部0.30.030.030.02
    D3地上部1.350.130.110.07
    地下部0.10.5
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    表 3  土壤中重金属形态分布

    Table 3.  Form distribution of heavy metals in soil %

    重金属元素弱酸可提取态可还原态可氧化态残渣态
    ck烟曲霉f4ck烟曲霉f4ck烟曲霉f4ck烟曲霉f4
    Cu9.610.417.123.630.420.342.945.7
    Cd27.728.619.221.721.814.631.335.1
    Cr0.40.54.15.940.940.854.652.8
    Pb8.99.225.930.316.74.648.555.9
    Zn19.419.923.324.414.611.442.744.3
    重金属元素弱酸可提取态可还原态可氧化态残渣态
    ck烟曲霉f4ck烟曲霉f4ck烟曲霉f4ck烟曲霉f4
    Cu9.610.417.123.630.420.342.945.7
    Cd27.728.619.221.721.814.631.335.1
    Cr0.40.54.15.940.940.854.652.8
    Pb8.99.225.930.316.74.648.555.9
    Zn19.419.923.324.414.611.442.744.3
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    表 4  黑麦草地下部中重金属与其土壤中各形态的相关系数

    Table 4.  Correlation coefficients between heavy metals in the belowground part of ryegrass and the forms of heavy metals in soil

    重金属元素弱酸可提取态可还原态可氧化态
    ck烟曲霉f4ck烟曲霉f4ck烟曲霉f4
    Cu−0.9690.3630.0760.828−0.3720.872
    Cd−0.955−0.4930.464−0.9921)−0.5930.002
    Cr−0.8320.0830.704−0.824−0.4350.611
    Pb−0.9410.433−0.777−0.496−0.4130.933
    Zn−0.9170.319−0.2470.609−0.9680.763
      注:1)表示在0.05水平下相关性显著。
    重金属元素弱酸可提取态可还原态可氧化态
    ck烟曲霉f4ck烟曲霉f4ck烟曲霉f4
    Cu−0.9690.3630.0760.828−0.3720.872
    Cd−0.955−0.4930.464−0.9921)−0.5930.002
    Cr−0.8320.0830.704−0.824−0.4350.611
    Pb−0.9410.433−0.777−0.496−0.4130.933
    Zn−0.9170.319−0.2470.609−0.9680.763
      注:1)表示在0.05水平下相关性显著。
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-09
  • 录用日期:  2020-03-28
  • 刊出日期:  2020-07-01
刘非凡, 白建峰, 顾卫华, 苑文仪, 庄绪宁, 赵静, 宋小龙, 刘倩, 张承龙, 王景伟. 烟曲霉f4对黑麦草修复电子废物拆解场地土壤重金属的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(7): 1886-1893. doi: 10.12030/j.cjee.201912062
引用本文: 刘非凡, 白建峰, 顾卫华, 苑文仪, 庄绪宁, 赵静, 宋小龙, 刘倩, 张承龙, 王景伟. 烟曲霉f4对黑麦草修复电子废物拆解场地土壤重金属的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(7): 1886-1893. doi: 10.12030/j.cjee.201912062
LIU Feifan, BAI Jianfeng, GU Weihua, YUAN Wenyi, ZHUANG Xuning, ZHAO Jing, SONG Xiaolong, LIU Qian, ZHANG Chenglong, WANG Jingwei. Effects of Aspergillus fumigatus f4 on the soil heavy metal remediation in e-waste dismantling site by ryegrass[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(7): 1886-1893. doi: 10.12030/j.cjee.201912062
Citation: LIU Feifan, BAI Jianfeng, GU Weihua, YUAN Wenyi, ZHUANG Xuning, ZHAO Jing, SONG Xiaolong, LIU Qian, ZHANG Chenglong, WANG Jingwei. Effects of Aspergillus fumigatus f4 on the soil heavy metal remediation in e-waste dismantling site by ryegrass[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(7): 1886-1893. doi: 10.12030/j.cjee.201912062

烟曲霉f4对黑麦草修复电子废物拆解场地土壤重金属的影响

    通讯作者: 白建峰(1978—),男,博士,教授。研究方向:污染土壤与修复等。E-mail:jfbai@sspu.edu.cn
    作者简介: 刘非凡(1996—),女,硕士研究生。研究方向:污染土壤修复。E-mail:707188354@qq.com
  • 1. 上海第二工业大学电子废弃物研究中心,上海 201209
  • 2. 上海电子废弃物资源化协同创新中心,上海 201209
基金项目:
上海市Ⅱ类高原学科-环境科学与工程;上海协同创新中心建设项目(ZF1224);上海第二工业大学重点学科建设项目(XXKZD1602);上海第二工业大学研究生项目基金(EGD18YJ0064)

摘要: 为了探究烟曲霉f4对黑麦草修复电子废物拆解场地土壤重金属的影响,通过实验比较接菌处理和不接菌处理黑麦草的生物量、重金属含量、重金属形态分布、富集系数和迁移系数。结果表明:接菌处理前20 d阶段黑麦草地上部分的生物量最大,随着时间推移,地上部生物量逐渐减少;接菌处理与不接菌处理之间地下部生物量存在显著差异,接菌后,其生物量的增幅为91.27%;在接菌处理的地下部,Ni、Cu、Zn、Cd、Cr和Pb的含量与不接菌处理相比,其增幅分别为484%、398%、470%、355%、531%、490%;根际土壤中重金属形态发生改变,接菌处理与不接菌处理相比,Cd、Cu、Zn、Pb和Cr的弱酸可提取态占比提高了0.9%、0.8%、0.5%、0.3%、0.1%。烟曲霉f4能促进黑麦草生长,提高根际土壤中重金属的弱酸可提取态的含量,增加黑麦草对其富集,从而提高了黑麦草对重金属的修复效率。

English Abstract

  • 近年来,电子垃圾的产生量随着电子产品的大量使用而剧增。在拆解过程中,电子垃圾被随意倾倒或填埋,这种方法会浸出有害物质和重金属,导致处理场地周边地下水和土壤的污染[1-2]。露天焚烧电子废物以收集贵金属的做法同样会导致空气污染和环境污染。家庭作坊使用酸洗方法回收重金属,随意倾倒,进一步加剧了重金属从电子废物中释出并进入土壤[3]。有研究表明,电子废物拆解场地存在多种重金属或重金属与有机污染的复合污染,其中重金属污染以铅、镉、铜、镍为主[4]。这些有毒元素会导致植物形态异常和代谢紊乱,最终导致植物减产[5]。土壤中的重金属迁移性差、持久性强、毒性高,导致了土壤很难通过自身进行修复[6]

    植物-微生物联合修复具有环境友好、资源节约的优点,从而受到了广泛关注。微生物能够在重金属胁迫条件下促进植物生长和生存。微生物通过分泌铁载体、氨基酸以及络合重金属等方式改变土壤中重金属的赋存形态来缓解重金属对植物的毒害作用[7]。微生物可在重金属存在的条件下,产生抗性机制[8]。黑麦草具有生长速度快、产量高、生长季节长、适应性广且具有耐性等特点。赵树民等[9]研究发现,巨大芽孢杆菌可以强化黑麦草对污染土壤中的铜、镉的吸收。马婵华[10]的研究表明,黑麦草吸收污染土壤中的镉。敬路淮等[11]的研究表明,黑麦草对复合重金属污染土壤中重金属均具有良好的富集能力,能大大地提高黑麦草对重金属修复的利用效率。史鼎鼎等[12]研究发现,添加细菌J6菌株可以促进黑麦草生长,提高黑麦草生物量,强化黑麦草对土壤中Pb、Cd的吸收。张永兰等[13]的研究表明,黑麦草可以对覆土下的铜尾矿进行修复。通过以上研究可知,具有功能性的微生物联合植物修复土壤重金属污染是一种有效的方法,针对多种重金属混合污染土壤值得深入研究。

    本研究针对电子废物拆解场地多重重金属污染土壤,通过利用实验室筛选获得的具有重金属耐性、分泌吲哚乙酸以及解磷的烟曲霉f4,通过盆栽实验测定黑麦草地上部和地下部的生物量、黑麦草吸收和富集重金属的能力以及不同处理对根际土壤中重金属形态的影响,明确烟曲霉f4强化黑麦草对电子废物拆解场地土壤修复的能力。

  • 植物选用南方多年生黑麦草。供试土壤采自台州市路桥区电子废物无序拆解场地表层土壤(0~10 cm),土壤经过风干后过5目筛,保存备用;取混匀后的少量土壤过100目筛,测定土壤中重金属含量。

    供试土壤中的铜、锌、铬、铅、镉超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)[14]。土壤中Cu质量分数为5 384 mg·kg−1,超过标准约53倍;土壤中Zn质量分数为24 078 mg·kg−1,超过标准约80倍;土壤中Cr质量分数为727 mg·kg−1,超过标准约2倍;土壤中Pb质量分数为4 302 mg·kg−1,超过标准约18倍;土壤中Cd质量分数为54.2 mg·kg−1,超过标准约68倍。

    实验室保藏的具有铬、铅、铜和锌抗性的烟曲霉(Aspergillus fumigatus)f4,该菌具备分泌吲哚乙酸(IAA)和溶磷的能力。

  • 过氧化氢(H2O2)、氢氟酸(HF)、浓硝酸(HNO3)、高氯酸(HClO4)、冰醋酸(CH3COOH)、盐酸羟胺(NH2OH·HCl、醋酸胺(CH3COONH4)均为分析纯。

  • pH计(STARTER3100,OHAUS);精密电子天平(AL204,瑞士MEMETTLER TOLEDO公司);微波消解仪(ANTON PAAR);电感耦合等离子体光谱仪(ICAP-7200,赛默飞世尔科技中国有限公司)。

  • 盆栽实验周期为60 d,每20 d对黑麦草地上部进行收割,地下部在第60天收取。将风干后的电子废物拆解场地土壤装盆,每盆装入1 kg污染土,撒入0.6 g黑麦草种子。盆栽实验分为2组:接菌处理(烟曲霉f4)和不接菌处理(ck)。取10 mL菌悬液至接菌处理盆栽中,不接菌处理加入10 mL无菌水,每个处理3次重复。每周浇透盆栽2次,不额外供给营养液。

    沿着土壤表层将黑麦草地上部进行收集,将黑麦草根系取出,抖落根系周围土壤,收集紧密粘连在黑麦草根系上的土壤,用去离子水将根系清洗干净。将黑麦草在105 ℃下烘2 h,再放在60 ℃下烘干至恒重并测定其干质量[15]

  • 使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)对土壤和植物中重金属含量进行测定。土壤中重金属测定过程为:称取根际土壤0.200 0 g于消解罐中,加入5 mL硝酸(HNO4)、3 mL氢氟酸(HF)、1 mL过氧化氢(H2O2)[16],置于微波消解仪内进行消解;微波消解完成后,使用3 mL高氯酸(HClO3)赶酸,定容至50 mL。植物中重金属测定过程为:称取植物样0.200 0 g于消解罐中,加入8 mL王水,置于微波消解仪内进行消解;微波消解完成后,使用3 mL高氯酸(HClO3)赶酸,定容至50 mL。

    土壤中的重金属的形态分别为弱酸可提取态、可氧化态、可还原态、残渣态,采用BCR连续提取法[17]对根际土壤中重金属的形态进行分析。

  • 植物富集系数(BCF)是某种元素在植物地上部或地下部的含量与植物所生长的土壤中该元素含量的比值,反映植物对某种元素的富集能力[18],计算方法见式(1)。

    式中:FBCF为植物富集系数;Cplant为植物地上部或地下部的重金属含量,mg·kg−1Csoil为土壤重金属含量,mg·kg−1

  • 植物迁移系数(TF)是植物地上部某元素的含量与地下部该元素含量的比值,反映植物对该元素的迁移能力[18],计算方法见式(2)。

    式中:FTF为植物迁移系数;Cshoot为植物地上部的重金属含量,mg·kg−1Croot为植物根部的重金属含量,mg·kg−1。当FTF>1时,植物易将地下部吸收的元素输送到地上部;当FTF<1时,植物防止重金属元素向地上部迁移,可降低重金属引起的毒性[19]

  • 图1反映了为接菌处理与不接菌处理黑麦草地上部和地下部干质量的对比结果。可以看出,地上部分为3个阶段进行收割,1~20、21~40、41~60 d分别标记为D1、D2、D3。在D1阶段,接菌处理使黑麦草地上部生物量提高了2.16%,与不接菌处理无显著差异;D2阶段,接菌处理使黑麦草地上部生物量提高了43.56%,与不接菌处理有显著差异;D3阶段,接菌处理使黑麦草地上部生物量提高了28.64%,与不接菌处理无显著差异。接菌处理使黑麦草地下部生物量提高了91%,与不接菌处理有显著差异。在同一处理中,D1与D2、D3黑麦草地上部生物量有差异,由于地下部是第60天进行收割,随着时间的推移,地下部受到毒害作用越来越强,这可能对黑麦草地上部的生长产生了影响。严警等[20]的研究表明,筛选到的根瘤菌对于黑麦草生物量增加无显著的促进作用。本研究中的烟曲霉f4与其类似,虽无显著的促进作用,但是接菌处理对于黑麦草地上部生物量有所提高。

  • 表1可知,接种烟曲霉f4能够显著提高黑麦草对地下部重金属的积累。相较于不接菌处理,Ni、Cu、Zn、Cd、Cr、Pb的增幅分别为484%、398%、470%、355%、531%和490%。对地上部来说,接种烟曲霉f4后,地上部重金属含量相较于不接菌处理普遍降低。在烟曲霉f4的作用下,黑麦草根部吸收重金属后,通过形成带有铁载体、特殊代谢物和菌株转运体的复合物来限制重金属的生物利用度。赵会会等[21]筛选出了能活化Cd的菌株,接种在黑麦草幼苗上,能够促进黑麦草的生长。其中,接菌处理的黑麦草根系Cd相较于不接菌处理增加了57.64%。赵树民等[9]筛选出了巨大芽孢杆菌,在Cd污染、Cu污染或Cd与Cu混合污染土壤中,接种巨大芽孢杆菌后,黑麦草地下部重金属含量较不接菌处理高,巨大芽孢杆菌的施加对黑麦草地下部根系富集重金属能力提高。本研究发现接种烟曲霉f4后黑麦草地下部根系积累重金属的能力优于巨大芽孢杆菌。

  • 表2可知,不接菌处理,黑麦草地上部D3的Cu、Cd、Zn、Pb的迁移系数均大于1。这说明在D3阶段,不接菌处理的黑麦草易将地下部重金属(Cu、Cd、Zn、Pb)转移到地上部;对于D1和D2阶段,接菌处理与不接菌处理,迁移系数并无显著差异。不接菌处理对于地上部重金属的富集系数与接菌处理地上部重金属系数并无显著性差异。但是,地下部重金属的富集系数接菌与不接菌存在显著性差异。这可能是金属的移动与微生物通过分泌的络合剂与各种氧化和化学反应引发的[22]。接菌后,黑麦草对于重金属的富集显著增强。

  • 表3为根际土壤中重金属的形态分布。可以看出,烟曲霉f4将可氧化态Cd转化成弱酸可提取态、可还原态和残渣态Cd;烟曲霉f4将残渣态Cr转化成弱酸可提取态、可氧化态和可还原态Cr;烟曲霉f4将可氧化态Cu转化成弱酸可提取态、可还原态和残渣态Cu;烟曲霉f4将可氧化态Zn转化成可还原态Zn;烟曲霉f4将可氧化态Pb转化成可还原态和残渣态Pb。不同重金属在作物体内的迁移能力有所不同[23],电子废物拆解场地土壤中重金属迁移能力大小依次为Cd>Zn>Cu>Pb>Cr。烟曲霉f4通过产有机酸活化了土壤中难以移动的重金属,增强了重金属的迁移性和有效性[24]。兰翔等[25]发现产黄头孢霉(CC)和头孢霉(SP)可改变土壤中重金属的形态。这可能是菌株分泌的有机物质与土壤中重金属结合,降低了土壤中重金属的活性。

    表4可知,不接菌处理黑麦草地下部Cu、Cd、Cr、Pb、Zn的弱酸可提取态含量与根际土壤中Cu、Cd、Cr、Pb、Zn含量呈负相关;接菌处理黑麦草地下部Cu、Cr、Pb、Zn的弱酸可提取态含量与根际土壤中Cu、Cr、Pb、Zn呈正相关,与Cd呈负相关。这表明接种烟曲霉f4后,根际土壤中Cu、Cr、Pb、Zn的弱酸可提取态含量越高,黑麦草地下部含量亦越高。不接菌处理黑麦草地下部Cu、Cd、Cr的可还原态含量与根际土壤中Cu、Cd、Cr含量呈正相关,与Pb、Zn呈负相关;接菌处理黑麦草地下部Cu、Zn的还原态含量与根际土壤中Cu、Zn含量呈正相关,与Cr、Pb、Cd呈负相关。这表明接种烟曲霉f4后,根际土壤中Cu、Cd、Cr的可还原态含量越高,黑麦草地下部含量亦越高。不接菌处理黑麦草地下部Cu、Cd、Cr、Pb、Zn的可氧化态含量与根际土壤中Cu、Cd、Cr、Pb、Zn含量呈负相关;接菌处理黑麦草地下部Cu、Cd、Cr、Pb、Zn的可氧化态含量与根际土壤中Cu、Cd、Cr、Pb、Zn含量呈正相关。这表明接种烟曲霉f4后,根际土壤中Cu、Cd、Cr、Pb、Zn的可氧化态含量越高,黑麦草地下部含量亦越高。

  • 1)通过测定接菌和不接菌处理黑麦草地上部、地下部生物量,接菌处理(烟曲霉f4)较不接菌处理3个阶段地上部生物量增幅分别为2.16%、43.56%、28.64%。地下部生物量增幅91.27%,达到差异显著水平。

    2)通过对黑麦草地上部、地下部重金属含量的测定,接菌处理(烟曲霉f4)相较于不接菌处理黑麦草地下部Ni、Cu、Zn、Cd、Cr、Pb的含量增幅分别为484%、398%、470 %、355%、531%、490%。接菌后利于黑麦草地下部对重金属的富集。

    3)通过BCR逐级提取法对根际土壤进行形态分析,发现接种烟曲霉f4后能够活化根际土壤中的Cd、Cu、Ni、Zn、Pb,使得弱酸可提取态占比增多。烟曲霉f4能强化黑麦草对电子废物拆解场地土壤重金属的修复。

参考文献 (25)

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