根际重金属形态与生物有效性研究进展

根际是受植物根系及其生长活动显著影响的土壤微域环境，由于其特殊的物理、化学和生物性质，根际环境影响着重金属的形态和生物有效性。文章综述了近年来国内外的根际环境重金属地球化学行为及其生物有效性方面的一些主要研究进展，并指出其存在问题以及今后的研究方向。     

再生水中的Pb对萝卜根际土壤微生物群落结构的影响研究

采用盆栽方法研究再生水、再生水+Pb、清水+Pb处理浇灌萝卜,以清水浇灌为对照对萝卜根际土壤微生物群落的影响进行研究。结果表明:(1)土壤总PLFA含量及各菌群生物量从大到小依次为:再生水再生水+Pb清水清水+Pb。再生水灌溉有利于萝卜根际微生物各类群数量的增加,丰富微生物多样性。用含铅的溶液(再生水+Pb、清水+Pb)浇灌萝卜,可抑制土壤微生物各类群的数量,G-受到的抑制尤为明显。(2)主成分分析表明,再生水灌溉与对照相比,土壤微生物群落结构差异最大。(3)土壤微生物各类群与土壤速效钾、硝酸盐氮含量呈极显著正相关(P0.01),真菌、放线菌与土壤有机质含量,G~+、G~-菌与p H均呈极显著正相关(P0.01)。G~+、G~-与萝卜地下鲜重均呈极显著负相关(P0.01),土壤微生物各类群与地上部分硝酸盐含量、与根冠比呈极显著正相关(P0.01)。     

微生物代谢物中的低分子有机酸对土壤中重金属生物有效性的影响

低分子量有机酸是一种带有一个或多个羧基功能团的低分子量碳氢氧化合物,广泛存在于土壤环境,尤其是根际土壤中,且其在植物-土壤系统中具有重要的生态功能,尤其是对土壤中重金属生物有效性的影响。因此特点,有机酸强化植物修复重金属污染土壤得到了研究者的广泛重视。因此,本文介绍了微生物代谢产物有机酸对重金属生物有效性的影响,以期推动今后在微生物强化植物修复重金属污染土壤的机理与实践研究。     

重金属污染土壤修复中的根际效应研究进展

由根际分泌物介导的根际效应表现为根际土壤中微生物种类和活性、土壤理化性质（如酶、pH、有机质等）显著不同于非根际土壤。根际效应受土壤类型、植物种类等影响较大,在农业生产、林业防护等领域被广泛研究,并被投入到实际应用中。近年来,根际效应在土壤修复领域的研究取得了一定进展,但对其修复机制、影响因素等尚缺乏系统性的认识。综述了受重金属污染土壤中根际效应的修复机制、影响因素,并提出加强修复效果的措施,以期利用根际效应提高土壤生物修复效率。根际效应驱动根际土壤与非根际土壤中重金属的形态和分布差异显著,受土壤类型、植物功能性状、重金属性质等因素影响,土壤改良、接种外源微生物等措施可强化植物根际对重金属污染土壤的修复效果。然而目前相关研究时间较短、规模较小,忽略了多年生植物不同生长阶段的根际效应对重金属修复效果的影响,植物生长发育周期长导致筛选特异性修复植物也存在一定的挑战。随着根际效应在土壤修复领域研究的深入,建议展开更系统、全面、长期的指标监测研究,从而明确影响根际效应修复重金属的主次因素,同时筛选出针对不同重金属污染土壤的特异性修复植物,以便于建立土壤生物修复的植物资源库。     

基于高通量测序检测Pb污染对三叶草根际土壤细菌多样性的影响

为了研究Pb污染对根际土壤微生物多样性的影响,揭示根际微生物对Pb胁迫的适应性机制,通过盆栽试验模拟轻度[w（Pb）为300 mg/kg]、中度[w（Pb）为600 mg/kg]和重度[w（Pb）为900 mg/kg]Pb污染土壤环境,利用高通量测序技术和生物信息学分析方法,测定了不同w（Pb）处理下三叶草根际土壤中细菌群落的丰度和组成.结果表明:①共检测到37个门,其中变形菌门为优势菌群,占比为50.7%~53.9%,其次为拟杆菌门、酸杆菌门和疣微菌门. ②共检测到623个属,其中鞘氨醇单胞菌属为优势菌属,占比为17.1%~19.4%. ③中度Pb污染土壤样本中细菌的多样性最高,重度Pb污染土壤样本中的细菌数量最少,并且其群落组成与其他处理差异最大.研究显示,重度Pb污染会显著抑制三叶草根际土壤样本中细菌的生长,降低土壤样本中细菌总量及其群落的多样性,但中度Pb污染会提高土壤样本中细菌群落的多样性. Pb污染会改变三叶草根际土壤样本中细菌群落组成和丰度,不同类型细菌对Pb污染土壤的适应性不同.根际土壤样本中Gp1菌群的丰度随着土壤w（Pb）的增加而增加,说明Gp1菌群可能是具有Pb污染抗性的优势菌群.      

外源稀土在根际与非根际土壤中的存在形态

采用根际袋法研究了稀土在春小麦根际土壤与非根际土壤中存在形态的差别.结果表明,外源稀土进入土壤后,在根际土壤与非根际土壤中主要以残渣态形式存在,各形态含量的大小顺序为:残渣态>碳酸盐结合态>可交换态>铁锰氧化物结合态>有机质结合态.小麦根系活动明显影响根际土壤中的稀土存在形态,根际土壤中的可交换态和铁锰氧化物结合态含量明显大于非根际土壤中的含量,而碳酸盐结合态有所下降,有机质结合态无明显变化.     

重金属在根际中的化学行为--Ⅰ.土壤中铜吸附的根际效应

在第四纪红壤性水稻土(QP)、淀浆白土(WP)、第四纪红土(QR)和赤红壤(LR)上种水稻后,用自制根盒制得各自的根际土和非根际土,以铜为指示离子,研究了土壤对铜吸附的根际效应。结果表明,根系生长使土壤中铜专性吸附载体、pH等因子改变,从而使根际土吸附铜量大于非根际土。QR的铜吸附特征可用Freundlich方程表征,其余土壤可用Langmuir方程描述。铜吸附的根际效应大小依次为QP>WP>LR>QR。起始铜浓度对根际土壤中铜吸附的影响较复杂。除QR外,随样品铜吸附量增加,平衡液pH下降、铜吸附会引起根际土与非根际土pH的差异。     

小麦根际环境中铜和铅形态的变化

采用根垫法研究了小麦根际土壤中铜和铅形态的变化,研究结果表明：根际土壤中交换态铜的含量显著增加,０－５ｍｍ范围内交换态铜增加１１０％,碳酸盐结合态铜含量则有所下降,这样的根际影响随着距离根系距离的加大而减弱,铜形态变化主要发生在０－２ｍｍ范围内,铅的形态测没有发生这样的变化。     

湿地植物根际土壤磷酸酶活性变化规律研究

以野鸭湖湿地中3种典型湿地植物扁秆藨草(Scirpus planiculmis)、芦苇(Phragmites communis)和茭白(Zizania aquatica)为研究对象,测定分析了植物根际和非根际土壤中磷酸单酯酶、磷酸二酯酶和植酸酶的活性随植物生长的变化规律,探讨了影响不同磷酸酶活性的主要因素。结果表明,3种植物根际磷酸酶活性均高于非根际磷酸酶的活性,表现出酶的根际效应;比较整个研究周期不同植物根际磷酸酶活性均值,磷酸单酯酶活性均值在芦苇根际土壤最高,为1.5 mg PhOH/(g·h),磷酸二酯酶和植酸酶活性均值都在扁秆藨草根际表现出最高活性,分别为170.5μg PN/(g·h)和7.44μg P/(g·min);磷酸酶活性一般在植物衰亡期达到最高值,因为衰亡期枯落物的增加导致微生物数量及代谢程度达到峰值,也说明微生物所分泌的磷酸酶发挥着重要作用。此外,磷酸酶也受土壤理化性质的影响,3种土壤磷酸酶与pH值均成不同程度的负相关,pH的降低有利于提高磷酸酶活性。磷酸单酯酶、植酸酶的活性又分别与土壤有机质、总氮含量呈显著正相关,有机质、总氮含量升高分别有利于磷酸单酯酶、植酸酶活性的提高。     

水稻根际土壤中汞的微生物循环过程

甲基汞(MeHg)是一种具有神经毒性的环境污染物。稻田土壤中在微生物作用下由无机汞转化产生的甲基汞,经水稻根系吸收后最终会富集于稻米中,由此造成人体的甲基汞暴露风险。水稻根际土壤在此过程中可能扮演着至关重要的作用。受水稻根系分泌的有机碳及氧气等的影响,根际土壤被视为稻田环境中的特殊生境,其间的微生物群落结构与丰度以及若干关键元素的循环过程与非根际土壤相比存在巨大差异。这一特殊生境会对无机汞(IHg)以及甲基汞在稻田环境中的命运产生重要影响。本文首先简要综述了稻田土壤环境中甲基汞产生与降解的微生物学过程研究进展,并进一步着重分析了水稻根际土壤中Fe、S、C、N和P等关键元素对汞的微生物循环过程的影响。深刻认识这些过程,有助于研究者准确评估汞污染区稻田土壤甲基汞的产生及向水稻体内的转移效率,这对未来选择适当的农业手段降低人体甲基汞暴露风险具有重要意义。文章最后提出了若干值得探索的研究方向,期望能为相关研究提供新思考。     

Characteristics and distribution of low molecular weight organic acids in the sediment porewaters in Bosten Lake, China

The composition and vertical profiles of low molecular-weight organic acids (LMWOAs) and the contribution of them to dissolved organic matter (DOM) in sediment porewaters in Bosten Lake, Xinjiang, China were investigated. The results showed that total concentration of LMWOAs was up to 94.5 μmol/L and their proportion in DOM was 5.6%, suggesting that LMWOAs were important chemical components in DOM in lake sediment porewaters. Among the seven LMWOAs, pyruvic and acetic acid had the highest concentrations with 26.30 and 8.31 μmol/L, accounting for 51.4% and 14.92% of LMWOAs, respectively. Trifluoroacetic and sorbic acid had the lowest concentrations, indicating that the compositions of LMWOAs in relative reducing environments were largely different from those reported in glacier, atmosphere and soils. The concentrations of lactic, acetic, formic, sorbic and oxalic acid decreased with increasing depth, probably relating to stronger microbial activities in the initial stage of early diagenesis. Trifluoroacetic acid was mainly anthropogenic with its concentration, showing a diusive trend from the surface to bottom sediments. The concentrations of lactic acid and nitrate generally showed a consistent profile. The increasing concentration of pyruvic acid in the vertical profile was just opposite to that of sulfate, revealing a significant negative relationship between them. Oxalic acid remained constant except for an obvious peak at 6 cm depth. The results indicated the diversities in sources and behaviors for various LMWOAs during early diagenesis in sediments.     

2种水生植物根际溶液磷素时空变异及有机酸分泌

利用根际土壤溶液的原位抽提和微量样品分析技术,比较了喜旱莲子草(Alternanthera philoxeroides)和香蒲(Typhalatifolia)2种水生植物根际土壤溶液磷素含量的时空变异和根系分泌有机酸种类及数量的差异,从植物吸收磷素、根系分泌有机酸和根际土壤pH值变化等角度探讨了植物磷素高效净化的根际调控机制.结果表明,2种水生植物的根际溶液磷素含量均明显低于非根际溶液;喜旱莲子草的根际溶液磷酸根离子质量浓度(2.53 mg.L-1)显著低于香蒲的根际溶液(5.43mg.L-1)(p<0.05),且喜旱莲子草根系对土壤溶液磷酸根的影响范围大于香蒲.与香蒲相比,喜旱莲子草分泌了较多的苹果酸(浓度27.33μmol.L-1),在活化土壤磷素、促进根系对磷素的吸收方面起了更大的作用.喜旱莲子草吸收磷素的根际效应强于香蒲.     

钾肥对土壤-辣椒体系中铅生物有效性的影响

在重金属中、轻度污染的土壤土,开展施肥对蔬菜安全生产的研究,对于减少重金属进入食物链、提高农产品的安全性具有重要意义。因此,本研究采用盆栽试验,探讨了不同用量的硫酸钾和氯化钾对辣椒（Capsicum annuum L．）吸收、累积铅的效应及对土壤铅植物有效性的影响。结果表明,硫酸钾能显著促进辣椒生长,降低辣椒根、茎叶及果实中铅含量,土壤有效态铅含量亦随着硫酸钾用量的增加而有所降低;低用量的氯化钾也能促进辣椒的生长,但随着氯化钾用量的增加,辣椒各部分生物量反而降低,其茎叶和果实铅含量也显著增加,而土壤DTPA-Pb含量则没有明显的变化趋势。因此,硫酸钾在控制辣椒吸收重金属铅方面较氯化钾有较好的效果,在类似铅污染农田中可以成为保障辣椒安全生产的简单易行、经济实惠的农艺措施。     

不同阻控措施对生菜中镉铅累积及品质的影响

为探索受重金属镉（Cd）和铅（Pb）复合污染农田的安全利用技术,实现农产品安全生产,采用盆栽试验,以低铅镉累积品种生菜（KCW）为供试材料,研究2种土壤钝化剂和5种叶面阻控剂对生菜中Cd和Pb累积及品质的影响.结果表明,不同阻控措施对生菜土壤pH值影响不同,其中施用45 g ·m^-2生物炭基钝化剂对提升土壤pH值差异最显著,较CK提高了0.8个单位;施用72 g ·m^-2腐殖酸钝化剂对降低生菜土壤pH值差异最显著,较CK显著降低了0.25个单位.在所有阻控措施中,施用45g ·m^-2生物炭基钝化剂对土壤有效态Cd含量的降低效果最好,较CK显著降低53%,施用135g ·m^-2生物炭基钝化剂对土壤有效态Pb含量的降低效果最好,较CK显著降低64%.喷施0.8% FAK-Zn叶面阻控剂不仅对降低生菜可食部Cd、Pb含量的阻控效果最佳,分别较CK显著降低77%和60%,且还显著降低生菜可食部Cd、Pb富集系数和根部向可食部的转运系数.不同阻控措施对生菜营养品质影响不同,其中0.4% FAK-Zn叶面阻控剂对可溶性蛋白提升效果最佳;0.6% FAK-Zn对可溶性糖提升效果最佳,0.4% FAK-Zn阻控剂对维生素C含量提升效果最佳.总之,施用生物炭基钝化剂可有效地修复受Cd和Pb复合污染的生菜土壤,而喷施FAK-Zn叶面阻控剂可有效地抑制生菜中Cd和Pb富集吸收转移,并能改善提升生菜营养品质,为重金属复合污染的蔬菜安全生产提供理论依据,促进资源与环境的循环利用.     

重金属污染农田生菜根际重金属固定细菌群落组成及其阻控效应

为了了解高含量重金属对蔬菜根际土壤可培养细菌和重金属固定细菌群落的影响,发掘其中的微生物资源,从河南省新乡市郊区采集一份高含量重金属污染(HY)和一份低含量重金属污染(DK)意大利生菜根际土壤,通过可培养分离技术和溶液吸附实验比较其重金属固定细菌的群落差异,通过水培实验研究功能菌株对生菜生长和富集Cd和Pb的影响.从HY和DK样品中各分离出400株细菌:HY样品中的400株细菌隶属于3门14属,其中β-Proteobacteria是优势门,而DK样品中的400株细菌隶属于4门30属,Firmicutes是优势门.HY样品中的400株细菌中有146株细菌对Cd和Pb的吸附率均大于80%,Brevundimonas、Serratia、Arthrobacter和Pseudarthrobacter为主要的属.而DK样品中的400株细菌中有44株细菌对Cd和Pb的吸附率均大于80%,Bacillus为主要的属.与不接菌对照相比,重金属固定细菌Serratia liquefaciens HY-22、Bacillus thuringensis HY-53和Acinetobacter lwoffii HY-157均能显著提高意大利生菜和花叶生菜根部(7. 5%～77. 6%)和地上部(15. 4%～67. 2%)干重,降低意大利生菜根部和地上部Cd(38. 7%～66. 6%)和Pb(34. 7%～62. 5%)的含量,此外Bacillus thuringensis HY-53能够使意大利生菜和花叶生菜新鲜叶片中Cd和Pb的含量达到食品安全国家标准.研究结果为Cd和Pb污染农田的修复和农作物的安全生产提供菌种资源和理论依据.     

不同钾肥对土壤铅植物有效性的影响及其机制

采用盆栽试验,观测了水稻土上钾常规用量(K,0.11 g·kg-1)下施用4种钾肥(KH2PO4、K2SO4、KNO3、KCl)后小油菜对铅的吸收量及土壤铅的形态转化.结果表明,与不施钾肥的对照相比,施用KH2PO4和K2SO4能够抑制植株吸收铅,其中施用KH2PO4作物生长第2季在铅低污染(Pb1=300 mg·kg-1)和高污染水平(Pb2=500 mg·kg-1)下植株体内铅含量分别降低了35.6%和45.4%;KNO3对植物铅吸收也有一定的抑制作用,KCl则促进了植株的铅吸收.在铅低污染水平时,施用KH2PO4和K2SO4降低了水溶交换态和碳酸盐结合态的铅,而铁锰氧化态、有机结合态和残渣态则显著增高;对于铅高污染土壤,仅在施用KH2PO4时表现出和铅低污染水平下相似的效果.在2种铅污染水平下,施用KCl的土壤水溶交换态或碳酸盐结合态铅都明显提高,说明其能增加铅的植物有效性.钾肥影响铅植物有效性的机制之一是改变了土壤中铅的赋存形态.     

铅镉胁迫下接种根际细菌和真菌对圆叶无心菜生长和铅镉累积的影响

铅镉胁迫条件下,采用盆栽试验．研究接种云南会泽铅锌矿区Cd超累积植物-圆叶无心菜的根际细菌和真菌,对圆叶无心菜的生长和铅镉累积的影响,结果表明：2株根际真菌（YQ2F-5和YG2F-6）显著增加盆栽圆叶无心菜地上部分的生长,1株根际真菌（YQ2F-5）显著增加盆栽圆叶无心菜的生物量。根际细菌对盆栽圆叶无心莱的生长和生物量没有影响。接种根际细菌和真菌对盆栽圆叶无心菜Pb和Cd的吸收累积没有影响。     

铅镉胁迫下接种根际细菌和真菌对圆叶无心菜生长和铅镉累积的影响

铅镉胁迫条件下,采用盆栽试验,研究接种云南会泽铅锌矿区Cd超累积植物-圆叶无心菜的根际细菌和真菌,对圆叶无心菜的生长和铅镉累积的影响,结果表明：2株根际真菌（YQ2F-5和YG2F-6）显著增加盆栽圆叶无心菜地上部分的生长,1株根际真菌（YQF-5）显著增加盆栽圆叶无心菜的生物量.根际细菌对盆栽圆叶无心菜的生长和生物量没有影响.接种根际细菌和真菌对盆栽圆叶无心菜Pb和Cd的吸收累积没有影响.