李佳欣,張敏哲,劉家女,周啟星

?

CO2升高對(duì)三角梅吸收Cd和佳樂麝香及根際的影響

李佳欣,張敏哲,劉家女*,周啟星

(南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津市城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)與污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350)

以花卉三角梅修復(fù)Cd和佳樂麝香污染土壤為研究對(duì)象,探討大氣CO2濃度升高對(duì)該植物吸收Cd和佳樂麝香的影響,并通過檢測(cè)植物根際各相關(guān)指標(biāo)綜合分析三角梅修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的整體功能.結(jié)果表明, CO2濃度升高、Cd和佳樂麝香的聯(lián)合脅迫對(duì)三角梅生長(zhǎng)沒有顯著抑制,對(duì)其吸收Cd和佳樂麝香具有促進(jìn)作用,尤其是750μL/LCO2、50mg/kg Cd和佳樂麝香處理促進(jìn)作用最顯著,并且,此時(shí)三角梅根際細(xì)菌的數(shù)量最多.脲酶活性隨不同處理組濃度變化存在顯著性差異.佳樂麝香的添加和CO2濃度升高促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的增加.綜上,三角梅具有應(yīng)用于大氣CO2濃度升高條件下修復(fù)Cd和佳樂麝香復(fù)合污染土壤的潛力.

CO2升高；植物修復(fù)；三角梅；佳樂麝香；根際作用

多環(huán)麝香(PCMs)作為一類新型污染物,是目前使用最多的人工合成麝香[1-2],其使用后可通過多種渠道進(jìn)入并積累于土壤[3-5],其對(duì)環(huán)境造成的污染已被廣泛認(rèn)可[6-9].由于土壤中重金屬Cd與多環(huán)麝香具有共同的來源,因此土壤環(huán)境中二者的共存也是必然的.鑒于多環(huán)麝香污染給生態(tài)和人類健康帶來的影響,以及它與Cd構(gòu)成的復(fù)合污染的廣泛存在,有必要開展相關(guān)土壤修復(fù)技術(shù)的研究.植物修復(fù)技術(shù)作為生態(tài)修復(fù)的一種形式倍受關(guān)注,尋找、馴化對(duì)污染土壤具有較強(qiáng)耐性,并同時(shí)對(duì)污染物保持較高積累量的新植物材料成為研究的關(guān)鍵[10-11]. 我們前期的研究結(jié)果表明,紫茉莉科花卉植物紫茉莉?qū)d和佳樂麝香(HHCB)具有較強(qiáng)的耐性,本研究在此基礎(chǔ)上,擬選擇與紫茉莉同屬的三角梅作為修復(fù)植物研究對(duì)象.

由于人類活動(dòng)的影響,加劇了溫室氣體尤其是CO2的排放,大氣CO2濃度正逐步上升,導(dǎo)致全球氣候發(fā)生變化,據(jù)預(yù)測(cè),到本世紀(jì)末CO2濃度可達(dá)到800μL/L[12-13].土壤一旦受到污染,其修復(fù)過程與效率也必定會(huì)受到大氣CO2濃度增高帶來的影響[14-16].面臨土壤污染以及CO2的雙重脅迫,生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)的響應(yīng)以及機(jī)制問題有待研究.目前,國內(nèi)外大量的研究主要集中在CO2濃度升高對(duì)無污染土壤上植物生長(zhǎng)影響的研究[17-18],而對(duì)CO2濃度升高與污染土壤上的植物生長(zhǎng)的影響則研究相對(duì)較少[19-22],因此,結(jié)合上述Cd和多環(huán)麝香污染現(xiàn)狀分析,有必要開展高濃度CO2條件下修復(fù)植物對(duì)Cd和多環(huán)麝香的響應(yīng)及機(jī)制研究.根際系統(tǒng)作為主要修復(fù)功能發(fā)生區(qū)域,也是整個(gè)修復(fù)系統(tǒng)碳的生物化學(xué)過程重要場(chǎng)所和主要參與者[23-25].

本研究選擇花卉植物三角梅為供試植物材料,研究大氣CO2濃度升高條件下,該花卉植物對(duì)Cd和多環(huán)麝香污染土壤系統(tǒng)的響應(yīng)及根際微生物效應(yīng),以期為了解大氣CO2濃度持續(xù)升高條件下生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律及機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 盆栽試驗(yàn)

表1 不同處理組中CO2,Cd和佳樂麝香的濃度設(shè)置

選取新型污染物多環(huán)麝香中的佳樂麝香(HHCB),以及重金屬Cd為污染物研究對(duì)象. CO2處理濃度分別為460,750,950μL/L.不同污染物處理組設(shè)置如表1所示,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù).盆栽試驗(yàn)所用無污染土壤采自南開大學(xué)校內(nèi)0~20cm表層土.土壤基本理化性質(zhì)為pH 7.65,有機(jī)質(zhì)1.594%,黏粒、粉粒和砂粒分別為48.90%、36.20%和14.90%,Cd 0.012mg/kg,HHCB未檢出.土壤放在通風(fēng)陰涼處風(fēng)干,剔除小石塊和植物殘留等雜質(zhì),研磨過篩,風(fēng)干過篩后的土壤裝入花盆中,每盆1kg.按表1濃度設(shè)置將污染物Cd和佳樂麝香以溶液形式染毒,之后土壤平衡2周待用.選取生長(zhǎng)情況一致的三角梅()幼苗移入各處理盆中,根據(jù)土壤缺水狀況不定期澆水,使土壤含水量保持在田間持水量的70%~85%.將植物放置于人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng),培養(yǎng)箱相對(duì)濕度為80%,溫度控制為(25±0.5)℃,光照強(qiáng)度為100μmol/(m·s),光照時(shí)間從8:00~18:00.其中,對(duì)于CO2濃度升高的處理(750, 950μL/L),通過調(diào)節(jié)CO2氣瓶(CO2純度為99.99%)控制閥,控制通入培養(yǎng)箱中CO2的通量,從而使培養(yǎng)箱內(nèi)CO2濃度分別為750,950μL/L,而另外一個(gè)處理,則是正常CO2濃度.CO2濃度采用便攜式CO2氣體檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè).實(shí)驗(yàn)過程中定期記錄植物生長(zhǎng)情況,植物生長(zhǎng)6周后收獲.

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 佳樂麝香的測(cè)定 參照文獻(xiàn)[26]的方法,將植物樣品凍干并用研缽磨成粉末后,在二氯甲烷和正己烷(3:1)的混合液中萃取,將萃取液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)濃縮至2mL,然后用12位固相萃取裝置進(jìn)行凈化.固相萃取淋洗液為正己烷,洗脫液為二氯甲烷,洗脫液用氮?dú)獯抵两?然后用300μL色譜純正己烷定容至氣質(zhì)進(jìn)樣小瓶中以備測(cè)定.佳樂麝香含量的分析測(cè)定采用氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用儀(Agilent 7890A GC-5975C MS),氣相色譜柱為J＆W DB- 5MS 毛細(xì)管柱(30m長(zhǎng),0.25mm內(nèi)徑,0.25μm膜厚).樣品的分析采用選擇性離子模式,定量離子核質(zhì)比為243,離子源溫度和電壓分別為230℃ 和70eV.氣相色譜升溫程序?yàn)?先從100℃開始以15℃/min升至140℃后保持2min,再以4℃/min升至175℃,最后以30℃/min升至250℃.進(jìn)樣口溫度保持在270℃,氦氣流速為2mL/min.

1.2.2 重金屬Cd的測(cè)定 取凍干并研磨后的植物樣放置于錐形瓶中,加入6mL硝酸與2mL過氧化氫置于電熱板上加熱消解.消解后的樣品先趕酸后定容,經(jīng)0.45μm濾膜過濾后用火焰原子吸收儀(瓦里安AA140/240,美國)測(cè)定其濃度.

1.2.3 根際細(xì)菌數(shù)量測(cè)定 采用MPN三管法測(cè)定[27].參照文獻(xiàn)配制牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基,并制備10-1~10-9系列土壤稀釋液.利用無菌移液管分別從不同濃度稀釋液中各取1mL,分別接種到3支已滅菌液體培養(yǎng)基中,37℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)7d后計(jì)數(shù).

1.2.4 根際土壤脲酶活性測(cè)定 采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[28],過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定[28],中性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[28].

1.2.5 根際土壤有機(jī)碳測(cè)定 采用熱水提取有機(jī)碳法[29-30].取風(fēng)干土壤樣品,混合均勻后加入35mL蒸餾水, 70℃水浴18h.之后離心10min,將提取液經(jīng)0.45μm濾膜過濾,島津總有機(jī)碳分析儀測(cè)定根際土壤有機(jī)碳.

1.3 數(shù)據(jù)分析及處理方法

采用SPSS 21.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性統(tǒng)計(jì)分析,用Origin8.5進(jìn)行作圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 CO2濃度升高條件下土壤Cd和佳樂麝香聯(lián)合處理對(duì)三角梅生物量的影響

各處理組三角梅各部位生物量如表2所示,對(duì)于莖部,一個(gè)明顯的特征是同一CO2濃度條件下C50H0處理組干重最大.當(dāng)CO2濃度為950μL/L時(shí),處理組H-C50H0的生物量顯著高于H-C0H0和H-C50H100.對(duì)于葉部,當(dāng)CO2濃度為750μL/L時(shí),各處理組干重均高于對(duì)照組(CO2濃度為460μL/L),即此濃度CO2處理顯著促進(jìn)了三角梅葉部生長(zhǎng).對(duì)于地上部總生物量,各個(gè)污染處理組與其相應(yīng)的對(duì)照組(L-C0H0、M-C0H0和H-C0H0)相比無顯著差異.對(duì)于根部,各濃度CO2處理對(duì)照組(L-C0H0, M- C0H0和H-C0H0)干重均小于同濃度CO2處理污染組.其中,當(dāng)CO2濃度為460μL/L時(shí),對(duì)照組L-C0H0和污染組L-C50H50、L-C50H100差異顯著.CO2濃度為750μL/L時(shí),對(duì)照組干重顯著小于各污染組,這與葉部干重?cái)?shù)據(jù)吻合,進(jìn)一步說明了此CO2濃度處理?xiàng)l件下,土壤中Cd和佳樂麝香復(fù)合污染的存在不但沒有顯著抑制花卉植物三角梅的生長(zhǎng),反而在一定程度上起到了促進(jìn)的作用.對(duì)于植株總干重,每個(gè)CO2處理?xiàng)l件下,對(duì)照組的生物量均小于污染組,尤其是當(dāng)CO2濃度為750μL/L時(shí),M-C50H0處理組生物量比對(duì)照M-C0H0顯著增加.

總體上,該植物生物量幾乎沒有隨Cd或佳樂麝香處理濃度變化呈現(xiàn)顯著規(guī)律性差異,而對(duì)于CO2處理來說,其對(duì)該植物的生長(zhǎng)影響更為明顯,尤其是此實(shí)驗(yàn)中中等濃度的750μL/L處理能顯著促進(jìn)三角梅生長(zhǎng).可能原因是三角梅對(duì)50mg/kg濃度水平Cd和100mg/kg濃度水平佳樂麝香污染具有較強(qiáng)的耐性.而該植物生物量隨CO2處理濃度增加呈先增加后減少的變化趨勢(shì),也就是說一定濃度范圍內(nèi)CO2(￡750μL/L)能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng),但當(dāng)濃度繼續(xù)增加時(shí),可能會(huì)抑制三角梅的生長(zhǎng).這與其他文獻(xiàn)研究結(jié)果類似,CO2有利于植物光合作用從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)[31],一定時(shí)間和濃度范圍內(nèi)對(duì)暴露在高濃度CO2下植物的光合速率有提高作用[32],而CO2濃度過高時(shí)三角梅則對(duì)CO2產(chǎn)生了光合適應(yīng)現(xiàn)象.

對(duì)于修復(fù)植物來說,根具有固定植株,從土壤中吸收水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)鹽的功能,同時(shí)植物根系是氨基酸和植物堿的合成場(chǎng)合[33],如果能夠在土壤污染條件下,修復(fù)植物根部依然能夠保持良好生長(zhǎng),對(duì)修復(fù)系統(tǒng)乃至整個(gè)修復(fù)過程都是重要的.另外,植物收獲時(shí),通過觀測(cè)不同濃度CO2條件下三角梅的根部生長(zhǎng)情況,發(fā)現(xiàn)隨著CO2處理濃度的增加,三角梅的根系逐漸發(fā)生變化,直徑變粗,根須增多,這與陳靜等[33]的研究相似,此外也有研究表明大氣CO2濃度升高明顯促進(jìn)根系的生長(zhǎng)(次生根數(shù)量和土表根系數(shù)量增加)和改變根系的形態(tài)(直徑變粗,中柱變大,皮層變厚)[34-37].

表2 不同處理對(duì)三角梅生物量的影響(g/盆) Table 2 The effects of different treatments on the dry biomass of Bougainvillea spectabilis(g/pot)

注:同列字母不同表示差異顯著(<0.05) ,字母相同表示差異不顯著(>0.05).

2.2 CO2濃度升高條件下Cd和佳樂麝香聯(lián)合處理對(duì)三角梅吸收Cd的影響

不同處理對(duì)三角梅吸收Cd的影響如表3所示.對(duì)于三角梅的莖部,當(dāng)CO2濃度為950μL/L時(shí),H- C50H100處理組Cd含量顯著高于另外2個(gè)處理. CO2濃度為750μL/L時(shí),M-C50H100處理組Cd含量顯著高于M-C50H50處理.這說明CO2濃度升高條件下,土壤佳樂麝香的存在促進(jìn)了三角梅莖部對(duì)土壤中重金屬Cd的吸收,尤其對(duì)于最高濃度佳樂麝香處理差異更為顯著.已有研究表明,佳樂麝香和Cd復(fù)合污染可以增強(qiáng)單一污染對(duì)動(dòng)物或植物的毒性,因?yàn)榧褬拂晗憧梢酝ㄟ^擾亂細(xì)胞防御系統(tǒng)來提高其他毒物的毒性效應(yīng)[26,38].但是,目前關(guān)于植物耐佳樂麝香和Cd復(fù)合污染脅迫研究開展較少,幾乎未見受試體關(guān)于二者聯(lián)合污染脅迫的抗性機(jī)制文獻(xiàn)報(bào)道.本研究中,佳樂麝香存在促進(jìn)了花卉三角梅對(duì)Cd吸收的原因可能是二者聯(lián)合產(chǎn)生了螯合作用,即佳樂麝香的存在使土壤中重金屬Cd產(chǎn)生了更多的螯合態(tài),起到了活化作用;也可能是因?yàn)榧褬拂晗愕拇嬖谔岣吡水?dāng)時(shí)土壤環(huán)境中微生物碳源的利用能力效應(yīng),微生物的活躍促進(jìn)了三角梅根系以及地上部對(duì)Cd的吸收.關(guān)于佳樂麝香促進(jìn)三角梅對(duì)Cd的吸收能力機(jī)制還有待進(jìn)一步探索,另外,多元復(fù)合污染條件下污染物的濃度組合起至關(guān)重要的作用,修復(fù)植物三角梅對(duì)污染物Cd的吸收與污染物Cd和佳樂麝香濃度的確切劑量效應(yīng)關(guān)系也有待在今后的研究中進(jìn)一步明確.當(dāng)CO2濃度為460μL/L時(shí),各處理組之間無顯著性差異.值得一提的是,CO2濃度為950μL/L時(shí),各處理組莖部Cd含量要高于CO2濃度為460μL/L時(shí)的各處理組,這說明盡管此時(shí)的CO2濃度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前實(shí)際環(huán)境大氣CO2濃度,但CO2濃度的升高對(duì)三角梅莖部吸收Cd依然具有一定的促進(jìn)作用.

對(duì)于三角梅葉部, 950μL/LCO2處理?xiàng)l件下,H-C50H100處理組三角梅葉部Cd含量明顯高于H-C50H50和H-C50H0.750μL/LCO2處理?xiàng)l件下, M-C50H100處理組葉部Cd含量明顯高于對(duì)照組M-C50H0.460μL/LCO2處理?xiàng)l件下,L-C50H50三角梅葉部Cd含量明顯高于L-C50H0和L-C50H100處理組.以上現(xiàn)象說明,對(duì)于三角梅的葉部,在CO2濃度較高時(shí),最高處理濃度的佳樂麝香最能明顯地促進(jìn)植物對(duì)Cd的吸收,而在通常環(huán)境CO2濃度時(shí),則是50mg/kg佳樂麝香能體現(xiàn)出顯著促進(jìn)作用.值得注意的是,與本研究中的生物量變化趨勢(shì)類似,750μL/ LCO2處理時(shí),各處理組的三角梅葉部Cd含量均略高于460μL/L CO2,這說明此CO2濃度處理,不僅使三角梅葉部的生長(zhǎng)較好,而且促進(jìn)了葉部對(duì)Cd的吸收.CO2濃度升高促進(jìn)修復(fù)植物三角梅對(duì)Cd吸收的原因可能是其影響了植物根際土壤pH值以及根際分泌有機(jī)酸等[39-40].

對(duì)于三角梅根部,950μL/L CO2處理?xiàng)l件下, H-C50H100處理組三角梅根部Cd含量明顯高于H-C50H50和H-C50H0處理組.750μL/L CO2處理?xiàng)l件下,M-C50H100處理組根部Cd含量明顯高于M-C50H50處理組.460μL/L CO2處理?xiàng)l件下, L-C50H50處理組三角梅根部Cd含量明顯高于L-C50H0和L-C50H100處理組.和葉部相似,該實(shí)驗(yàn)濃度的土壤佳樂麝香對(duì)于三角梅根部吸收Cd也起到了促進(jìn)作用,而且當(dāng)CO2濃度為950μL/L時(shí),各處理組根部Cd含量均要略高于750μL/L CO2處理組.綜上所述,CO2濃度升高,促進(jìn)了三角梅各部位對(duì)Cd的吸收.

表3 不同處理對(duì)三角梅吸收Cd的影響

注:同列字母不同表示差異顯著(<0.05) ,字母相同表示差異不顯著(>0.05).

從表3還可以看出,對(duì)于三角梅地上部和根部對(duì)Cd的總富集量,750μL/L CO2處理組的地上部和根部總量均高于其余2個(gè)濃度的CO2處理,說明此濃度CO2處理不但促進(jìn)了三角梅植物的生長(zhǎng)還促進(jìn)了地上部與根部對(duì)重金屬Cd的積累.總體上,相對(duì)于佳樂麝香,CO2對(duì)三角梅積累Cd的影響更為明顯.

表4 不同處理時(shí)三角梅的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)

注:同列字母不同表示差異顯著(<0.05),字母相同表示差異不顯著(>0.05).

不同處理時(shí)三角梅的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)如表4所示.富集系數(shù)反映植物對(duì)重金屬富集程度的高低或富集能力的強(qiáng)弱,為植物重金屬含量與土壤環(huán)境中重金屬含量的比值.950μL/L CO2條件下的各處理組三角梅的Cd富集系數(shù)普遍高于460,750μL/L CO2處理組.轉(zhuǎn)移系數(shù)反映植物將重金屬從根部轉(zhuǎn)移至地上部的能力,為植物地上部分重金屬含量與根部重金屬含量的比值.當(dāng)CO2濃度升高至750, 950μL/L時(shí),對(duì)照組的轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著低于2個(gè)污染組.這說明CO2濃度升高可以促進(jìn)三角梅從根部轉(zhuǎn)移重金屬Cd至其地上部.值得注意的是,對(duì)于750μL/L CO2處理組的M-C50H50和M-C50H100,此時(shí)三角梅對(duì)Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1.

2.3 CO2濃度升高條件下Cd和佳樂麝香聯(lián)合處理對(duì)三角梅吸收佳樂麝香的影響

不同處理對(duì)三角梅吸收佳樂麝香的影響如表5所示.當(dāng)佳樂麝香處理濃度為50mg/kg時(shí),CO2濃度為950μL/L條件下的三角梅莖部和葉部佳樂麝香含量顯著高于另外2個(gè)CO2處理.三角梅的根部佳樂麝香含量由大到小依次為L(zhǎng)-C50H50> H-C50H50> M-C50H50.950μL/LCO2時(shí),三角梅根部佳樂麝香含量顯著高于750μL/LCO2.這說明此復(fù)合污染條件下,CO2濃度升高對(duì)于三角梅根部吸收佳樂麝香有一定的促進(jìn)作用.對(duì)于各處理,三角梅地上部和根部對(duì)佳樂麝香的總富集量由大到小依次為L(zhǎng)- C50H50>M-C50H50> H-C50H50.

當(dāng)佳樂麝香處理濃度為100mg/kg時(shí),三角梅莖部佳樂麝香含量大小順序?yàn)?H-C50H100> M-C50H100> L-C50H100.不同濃度CO2處理組存在顯著性差異.三角梅葉部佳樂麝香含量與莖部呈現(xiàn)相同的規(guī)律. CO2濃度為950μL/L時(shí),三角梅的根部佳樂麝香含量顯著高于另外2個(gè)CO2處理,說明此復(fù)合污染條件下CO2濃度升高對(duì)三角梅根部吸收佳樂麝香促進(jìn)作用最明顯.當(dāng)CO2濃度為750μL/L時(shí)三角梅地上部與根部佳樂麝香總量高于其余2個(gè)濃度CO2處理,其中M-C50H100的根部總量要顯著高于L-C50H100 和H-C50H100.

表5 升高CO2濃度對(duì)三角梅吸收佳樂麝香的影響

注:同列字母不同表示差異顯著(<0.05),字母相同表示差異不顯著(>0.05).

CO2濃度升高促進(jìn)了三角梅地上部(莖部和葉部)對(duì)佳樂麝香的吸收,可能原因是隨著CO2濃度增加該花卉植物光合作用的速率增大,這不僅使得植物表面氣孔更活躍,也刺激了植物地上部器官生物合成作用,使得佳樂麝香更有效地被束縛在三角梅植物組織中.而對(duì)于三角梅的根部來說,2個(gè)不同濃度水平的佳樂麝香處理?xiàng)l件對(duì)其吸收降解的影響規(guī)律不盡相同,原因可能是作為修復(fù)植物來說,為了使自身對(duì)污染物保持較強(qiáng)的耐性,其不同部位對(duì)污染物呈現(xiàn)出不同的響應(yīng).三角梅植物的根部可通過直接吸收和微生物的聯(lián)合作用以及分泌物和酶的降解作用等對(duì)土壤中佳樂麝香的吸收和降解過程發(fā)揮重要作用,尤其是在高濃度CO2的參與下,這一過程的機(jī)制顯得更為復(fù)雜.

2.4 CO2濃度升高條件下Cd和佳樂麝香聯(lián)合處理對(duì)三角梅根際細(xì)菌數(shù)量的影響

表6 不同處理對(duì)三角梅根際細(xì)菌數(shù)量的影響(′107CFU/g,干土)

注:同列字母不同表示差異顯著(<0.05),字母相同表示差異不顯著(>0.05).

不同處理對(duì)三角梅根際細(xì)菌數(shù)量的影響如表6所示,在CO2和佳樂麝香聯(lián)合處理時(shí),M-C50H50處理組根際細(xì)菌的數(shù)量達(dá)到最大值,是對(duì)照處理L-C0H0的3.12倍.單一考慮CO2濃度因素時(shí),結(jié)果表現(xiàn)出750μL/L CO2處理時(shí)根際細(xì)菌最多, 950μL/LCO2處理時(shí)最少.而單一考慮佳樂麝香濃度因素時(shí),50mg/kg 處理時(shí)根際細(xì)菌最多,顯著高于沒有添加佳樂麝香和100mg/kg佳樂麝香處理. 總體上,植物對(duì)CO2濃度升高脅迫的響應(yīng)最明顯,Cd污染脅迫響應(yīng)次之.本試驗(yàn)結(jié)果說明一定范圍內(nèi)大氣CO2濃度升高和土壤佳樂麝香的投入提高了修復(fù)植物三角梅根際土壤細(xì)菌的活性.隨著CO2濃度的升高,底物有效性(例如數(shù)量和生化性質(zhì))發(fā)生改變,微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能將隨著改變[41].這能加速養(yǎng)分的礦化,改善植物的養(yǎng)分狀況[42-43],為修復(fù)植物的正常生長(zhǎng)乃至對(duì)污染物的有效吸收都提供了有利條件.

2.5 CO2濃度升高條件下Cd和佳樂麝香聯(lián)合處理對(duì)三角梅根際酶活性的影響

表7 不同處理對(duì)三角梅根際酶活性的影響

注:同列字母不同表示差異顯著(<0.05),字母相同表示差異不顯著(>0.05).

酶活變化有利于分析土壤中有機(jī)化合物的分解和礦化作用,從而反應(yīng)出土壤有效養(yǎng)分的情況.本實(shí)驗(yàn)條件下,不同處理對(duì)三角梅根際酶活性的影響如表7所示.各處理組之間脲酶活性差異顯著,但是過氧化氫酶和中性磷酸酶活性差異并不顯著.對(duì)于脲酶活性來說,其值隨著污染物濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)土壤佳樂麝香添加量為50mg/kg (H-C50H50)時(shí)脲酶活性達(dá)到最大,相比對(duì)照組H-C0H0增加了139%~146%.另外一個(gè)污染處理組H-C50H0條件下的脲酶活性與對(duì)照相比無顯著差別,而對(duì)于CO2和佳樂麝香濃度都達(dá)到最大值的H-C50H100處理,脲酶值則顯著低于其他處理組.這說明在一定濃度范圍內(nèi)Cd和佳樂麝香復(fù)合污染對(duì)三角梅根際脲酶活性有促進(jìn)作用.脲酶是一種酶促含氮有機(jī)物的水解酶,能專一性地水解尿素,同時(shí)釋放氮和二氧化碳,對(duì)土壤氮素循環(huán)具有獨(dú)特作用,其活性的提高可能有利于土壤中穩(wěn)定性較高的有機(jī)氮向有效氮轉(zhuǎn)化,從而改善土壤氮素供應(yīng)狀況[44].孫福紅等[45]的研究發(fā)現(xiàn),高濃度1,4-DCB與Cd聯(lián)合脅迫會(huì)促進(jìn)近根際區(qū)域脲酶活性.沈國清等[46]發(fā)現(xiàn),重金屬和多環(huán)芳烴復(fù)合污染對(duì)脲酶活性的影響與污染物的濃度密切相關(guān).這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果相似.總體上,對(duì)于本研究中的三角梅來說,高濃度大氣CO2條件下,50mg/kg Cd和50mg/kg佳樂麝香沒有對(duì)其根際土壤酶產(chǎn)生抑制,一定程度上說明了以該花卉為主體修復(fù)材料的生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)保持了較好的土壤功能.

2.6 CO2濃度升高條件下Cd和佳樂麝香聯(lián)合處理對(duì)三角梅根際土壤有機(jī)碳的影響

不同處理對(duì)三角梅根際土壤有機(jī)碳的影響如圖1所示.460μL/LCO2處理時(shí),處理組L-C50H100的土壤有機(jī)碳值顯著高于其它3個(gè)處理組,尤其是,其土壤有機(jī)碳含量是處理組L-C50H0的2.3倍.750μL/LCO2處理時(shí),處理組M-C50H100的土壤有機(jī)碳含量也顯著高于處理組M-C50H0.950μL/ LCO2處理時(shí),三角梅根際土壤有機(jī)碳含量同其他2個(gè)CO2濃度處理時(shí)的情況類似.總體上,對(duì)于各個(gè)大氣CO2濃度處理,隨著土壤佳樂麝香處理濃度的增加,植物根際土壤有機(jī)碳含量也在逐漸增加,各污染處理組與其對(duì)照處理(L-C0H0、M-C0H0和H-C0H0)相比,只有Cd和佳樂麝香濃度最大的復(fù)合處理其有機(jī)碳含量才顯著增加,這是因?yàn)榧褬拂晗惚旧碜鳛橐环N碳?xì)浠衔?進(jìn)入土壤后其本身和其降解物為土壤提供了一定的有機(jī)碳含量,但其效果也與同時(shí)存在另外一種污染物重金屬Cd有關(guān).但與佳樂麝香對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響相比,本實(shí)驗(yàn)中大氣CO2濃度升高的影響較小.總體來說,對(duì)于高濃度CO2、土壤Cd和佳樂麝香3種脅迫,三角梅根際土壤有機(jī)碳對(duì)土壤佳樂麝香的響應(yīng)最明顯,對(duì)CO2濃度的響應(yīng)次之.

圖1 不同處理對(duì)三角梅根際土壤有機(jī)碳的影響

2.7 CO2濃度與三角梅各部位污染物含量,根際細(xì)菌數(shù)量和有機(jī)碳相關(guān)性分析

如表8所示,本研究中大氣CO2濃度與三角梅各部位Cd含量以及莖、葉部佳樂麝香含量均呈顯著性正相關(guān),這進(jìn)一步說明了CO2濃度升高對(duì)于三角梅吸收Cd和佳樂麝香有促進(jìn)作用.三角梅根部Cd含量與莖部和葉部Cd含量呈顯著性正相關(guān),而與根部佳樂麝香含量、總有機(jī)碳根際土有機(jī)碳之間呈顯著性負(fù)相關(guān),這說明了Cd與佳樂麝香的共同存在對(duì)于三角梅根部系統(tǒng)存在一定的影響.三角梅各部位佳樂麝香含量均與根際細(xì)菌數(shù)量呈顯著性正相關(guān),說明土壤佳樂麝香的加入可能為細(xì)菌提供了碳源,從而促進(jìn)了細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖.此相關(guān)性分析結(jié)果與上述各項(xiàng)指標(biāo)分析結(jié)果基本吻合,進(jìn)一步說明了在大氣CO2濃度升高條件下,Cd和佳樂麝香污染土壤修復(fù)系統(tǒng)中,修復(fù)植物材料三角梅對(duì)污染物具有較強(qiáng)的耐性和一定的吸收能力,并且根際土壤微生態(tài)系統(tǒng)沒有受到明顯破壞.

表8 三角梅各部污染物含量、根際細(xì)菌數(shù)量和有機(jī)碳相關(guān)性

注:**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

3 結(jié)論

3.1 大氣CO2濃度升高條件下花卉植物三角梅對(duì)重金屬Cd和佳樂麝香復(fù)合污染具有良好的耐性,在各污染條件下生長(zhǎng)沒有受到明顯抑制,尤其是CO2濃度升高至750μL/L的處理還能顯著促進(jìn)該修復(fù)植物的生長(zhǎng).另外,大氣CO2濃度升高對(duì)三角梅吸收Cd和佳樂麝香有一定的促進(jìn)作用,并且增加了三角梅對(duì)重金屬Cd的生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù).可見,三角梅具有應(yīng)用于大氣CO2濃度升高條件下修復(fù)Cd和佳樂麝香復(fù)合污染土壤的潛力.

3.2 三角梅根際土中性磷酸酶和過氧化氫酶隨污染處理的變化不顯著,但脲酶活性隨著污染物濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),相比對(duì)照組最多增加了139%~146%.根際細(xì)菌數(shù)量隨著CO2和佳樂麝香濃度的變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律,整體上,950μL/LCO2處理的細(xì)菌數(shù)量最少.隨著土壤佳樂麝香處理濃度的增加,植物根際土壤有機(jī)碳含量逐漸增加.

[1] 李卓娜,周群芳,劉稷燕,等.多環(huán)麝香(PCMs)的環(huán)境行為及毒性效應(yīng) [J]. 化學(xué)進(jìn)展, 2011,24(4):606-615.

[2] Sun P, Casteel K, Dai H, et al. Distributions of polycyclic musk fragrance in wastewater treatment plant (WWTP) effluents and sludges in the United States [J]. Science of the Total Environment, 2014,493:1073-1078.

[3] Yang J J, Metcalfe C D. Fate of synthetic masks in a domestic wastewater treatment plant and in an agricultural field amended with biosolids [J]. Science of the Total Environment, 2006,363(1):149-165.

[4] Chase D A, Karnjanapiboonwong A, Fang Y, et al. Occurrence of synthetic musk fragrances in effluent and non-effluent impacted environments [J]. Science of the Total Environment, 2012,416(2): 253-260.

[5] Wang X, Liu Z, Wang W, et al. Derivation of predicted no effect concentration (PNEC) for HHCB to terrestrial species (plants and invertebrates) [J]. Science of the Total Environment, 2015,508(3): 122-127

[6] Litz N T, Müller J, B?hmer W. Occurrence of polycyclic musks in sewage sludge and their behaviour in soils and plants. Part 2: Investigation of polycyclic musks in soils and plants [J]. Journal of Soils and Sediment, 2007,7(1):36-44.

[7] Chen C, Zhou Q, Liu S, et al. Acute toxicity, biochemical and gene expression responses of the earthworm Eisenia fetida exposed to polycyclic musks [J]. Chemosphere, 2011,83(8):1147-1154.

[8] Homem V, Silva J A, Ratola N, et al. Prioritisation approach to score and rank synthetic musk compounds for environmental risk assessment[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2015,90(9):1619-1630.

[9] 律 澤,胡筱敏,魏 煒,等.佳樂麝香和鎘復(fù)合污染對(duì)土壤中細(xì)菌和真菌數(shù)量的影響 [J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2014,33(8):2161-2167.

[10] Kukla M, P?ociniczak T, Piotrowska-Seget Z. Diversity of endophytic bacteria in Lolium perenne and their potential to degrade petroleum hydrocarbons and promote plant growth [J]. Chemosphere, 2014, 117(1):40-46.

[11] Liu J N, Xin X, Zhou Q X. Phytoremediation of contaminated soils using ornamental plants [J]. Environmental Reviews, 2018,26:43-54.

[12] Knohl A, Veldkamp E. Global change: indirect feedbacks to rising CO2[J]. Nature, 2011,475(7355):177.

[13] IPCC (2007) Climate change 2007:the physical science basis: Working group I contribution to the fourth assessment report of the IPCC [M]. UK: Cambridge university press, 2007:36-42.

[14] Rajkumar M, Prasad M N V, Swaminathan S, et al. Climate change driven plant–metal–microbe interactions [J]. Environment International, 2013,53(2):74-86.

[15] Jia X, Zhao Y H, Wang W K, et al. Elevated temperature altered photosynthetic products in wheat seedlings and organic compounds and biological activity in rhizopshere soil under cadmium stress [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016,23(1):514-526.

[16] Augustine D J, Dijkstra F A, Hamilton III E W, et al. Rhizosphere interactions, carbon allocation, and nitrogen acquisition of two perennial North American grasses in response to defoliation and elevated atmospheric CO2[J]. Oecologia, 2011,165(3):755-770.

[17] Reyes-Fox M, Steltzer H, Trlica M J, et al. Elevated CO2further lengthens growing season under warming conditions [J]. Nature, 2014,510(7504):259.

[18] Tripathi V, Fraceto L F, Abhilash P C. Sustainable clean-up technologies for soils contaminated with multiple pollutants: plant- microbe-pollutant and climate nexus [J]. Eco. Eng., 2015,82:330-335.

[19] Jia Y, Ju X H, Liao S Q, et al. Phytochelatin synthesis in response to elevated CO2under cadmium stress inL [J]. Journal of Plant Physiology, 2011,168(15):1723-1728.

[20] Reverchon F, Yang H, Ho T Y, et al. A preliminary assessment of the potential of using an acacia—biochar system for spent mine site rehabilitation [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22(3):2138-2144.

[21] Guo H, Zhu J, Zhou H, et al. Elevated CO2levels affects the concentrations of copper and cadmium in crops grown in soil contaminated with heavy metals under fully open-air field conditions [J]. Environmental Science and Technology, 2011,45(16):6997-7003.

[22] Li T, Tao Q, Liang C, Yang X. Elevated CO2concentration increase the mobility of Cd and Zn in the rhizosphere of hyperaccumulator[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2014,21(9):5899-5908.

[23] Xie X, Liao M, Yang J, et al. Influence of root-exudates concentration on pyrene degradation and soil microbial characteristics in pyrene contaminated soil [J]. Chemosphere, 2012,88(10):1190-1195.

[24] Van Groenigen K J, Qi X, Osenberg C W, et al. Faster decomposition under increased atmospheric CO2limits soil carbon storage [J]. Science, 2014,344(6183):508-509.

[25] Zhang N, Lin J, Yang Y, et al. The tolerance of growth and clonal propagation of(common reeds) subjected to lead contamination under elevated CO2conditions[J]. RSC Advances, 2015,5(68):55527-55535.

[26] 陳翠紅,周啟星,張志能,等.土壤中佳樂麝香和鎘污染對(duì)苗期小麥生長(zhǎng)及其污染物積累的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2011,32(2):567-573.

[27] 俞毓馨.環(huán)境工程微生物檢驗(yàn)手冊(cè)[M]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1990:136-140.

[28] 關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法[M]. 北京:農(nóng)業(yè)出版社, 1986:28-32.

[29] Wang Y Z, Zhang L W, Hong Y, et al. Biochar nutrient availability rather than its water holding capacity governs the growth of both C3 and C4 plants [J]. Journal of Soils and Sediments, 2016,16(3):801– 810.

[30] Zhang Y L, Chen H, Shahla Hosseini Bai, et al. Interactive effects of biochar addition and elevated carbon dioxide concentration on soil carbon and nitrogen pools in mine spoil [J]. Journal of Soils and Sediments, 2017,17(10):2400-2409.

[31] Augustine D J, Dijkstra F A, Hamilton III E W, et al. Rhizosphere interactions, carbon allocation, and nitrogen acquisition of two perennial North American grasses in response to defoliation and elevated atmospheric CO2[J]. Oecologia, 2011,165(3):755-770.

[32] Tripathi V, Fraceto L F, Abhilash P C. Sustainable clean-up technologies for soils contaminated with multiple pollutants:plant- microbe-pollutant and climate nexus [J]. Ecological Engineering, 2015,82:330-335.

[33] 陳 靜,陳 欣,唐建軍.大氣二氧化碳濃度升高對(duì)植物根際微生物及菌根共生體的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2004,15(12):2388-2392.

[34] Bentson G M , Bazzaz F A. Elevated CO2and the magnitude and seasonal dynamics of root production and loss in Betula papyrifera [J]. Plant and Soil, 1997,190(2):2111-216.

[35] Dilustro J J, Day F P, Drake B G, et al. Abundance, production and mortality of fine root s under elevated atmospheric CO2in an oak- scrub ecosystem [J]. Environmental Experiment and Botony, 2002, 48(2):149-159.

[36] Korner C, Arnone J A. Response to elevated carbon dioxide in artificial tropical ecosystem [J]. Science, 1992,258:1672-1675.

[37] 苑學(xué)霞,林先貴,褚海燕,等.大氣CO2濃度升高對(duì)幾種土壤微生物學(xué)特征的影響[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2006,26(1):25-29.

[38] 陳 芳,周啟星.模擬城市徑流中加樂麝香和鎘對(duì)大型水蚤的毒性效應(yīng)[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(1):58-62.

[39] Jia Y, Ju X H, Liao S Q, et al. Phytochelatin synthesis in response to elevated CO2under cadmium stress inL[J]. Plant Physiology, 2011,168(15):1723-1728.

[40] Guo H, Zhu J, Zhou H, et al. Elevated CO2levels affects the concentrations of copper and cadmium in crops grown in soil contaminated with heavy metals under fully open-air field conditions [J]. Environmental Science and Technology, 2011,45(16):6997-7003.

[41] 羅 艷.土壤微生物對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng) [J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2003,12(3):108-111.

[42] Zak D R, Pergizer K S, Curtis P S, et al. Elevated atmospheric CO2and feedback between carbon and nitrogen cycles [J]. Plant and Soil, 1993,151(1):105-117.

[43] Hungate B A, Holland E A, Jackson R B, et al. The fate of carbon in grasslands under carbon dioxide enrichment [J]. Nature, 1997, 388(6642):576-579.

[44] 曾 鵬,郭朝暉,肖細(xì)元,等.構(gòu)樹修復(fù)對(duì)重金屬污染土壤環(huán)境質(zhì)量的影響[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2018,38(7):2639-2645.

[45] 孫福紅,周啟星,陳艷卿.對(duì)二氯苯與Cd復(fù)合污染對(duì)毫米級(jí)根際微域土壤酶活性的聯(lián)合毒性效應(yīng)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 6(6):571-578.

[46] 沈國清,陸貽通,洪靜波.重金屬和多環(huán)芳烴復(fù)合污染對(duì)土壤酶活性的影響及定量表征[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 2005,11(4):479-482.

The effects of elevated CO2on Cd and HHCB accumulation byand its rhizosphere system.

LI Jia-xin, ZHANG Min-zhe, LIU Jia-nv*, ZHOU Qi-xing

(Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria, Ministry of Education,Tianjin Key Laboratory of Urban Ecological Environment Restoration and Pollution Control, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China)., 2018,38(10)：

The study selected the ornamental plant remediation system as the study object, discussed the effects of the elevated CO2on the Cd and HHCB accumulation efficiency by, and analysed the ecological function by detecting the rhizosphere bacteria number, enzymatic activity, and organic carbon. Results showed that the combined Cd and HHCB contamination under elevated CO2showed no obvious inhibition function to the growth of the plant. Especially the elevated CO2treatments (750μL/L) significantly facilitated the plant growth and contaminant accumulation, furthermore, the rhizosphere bacteria number reached the maximum. Urea enzymes activity showed significant difference under the different treatments. The addition of HHCB and the elevated CO2facilitated the organic carbon in the rhizospheric soil. In summary,has potential to be used for remediating the combined Cd and HHCB contaminated soil remediation under elevated CO2.

elevated CO2；phytoremediation；；galaxolide；rhizosphere effect

X53

A

1000-6923(2018)10-3880-09

李佳欣(1993-),女,山西晉中人,南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要從事污染土壤修復(fù)研究.

2018-03-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31770547)

* 責(zé)任作者, 副教授, jianv2008@nankai.edu.cn