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        龍葵+膠質(zhì)芽孢桿菌修復(fù)Cd 污染石墨尾礦試驗研究①

        2022-04-21 05:52:20柳曉光張亮劉暢王雨晨楊紅霞宗寶超
        化工礦產(chǎn)地質(zhì) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:礦砂龍葵膠質(zhì)

        柳曉光 張亮 劉暢 王雨晨 楊紅霞 宗寶超

        中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院,河北 涿州 072750

        廢棄礦山的生態(tài)修復(fù)是我國近年來生態(tài)環(huán)境保護工作的重點之一,開展礦山生態(tài)修復(fù)也是近年來的熱點工作之一。廢棄礦山通常存在比較嚴重的土壤污染,尤其是重金屬污染,以石墨礦為例,由于淋濾、滲透作用,尾礦堆及周邊普遍存在明顯的重金屬污染,對植物的生長產(chǎn)生不利影響,并通過食物鏈進入人體危害健康。Cd 是石墨尾礦庫的主要重金屬污染元素[1],是重金屬元素中生物毒性最大的元素之一,對人的腎臟、肺、肝、大腦、骨骼和血液等各系統(tǒng)產(chǎn)生毒性,具有致癌、致畸、致突變的嚴重危害[2]。

        在對土壤重金屬污染治理的諸多方法中,使用超富集植物對重金屬進行吸收是一種經(jīng)濟、環(huán)保的方法,適合大面積的土地修復(fù),但存在修復(fù)效率較低的缺陷[3]。土壤中只有一部分活化的離子態(tài)Cd 可以被植物吸收、利用,固化的絡(luò)合態(tài)的Cd 不能被直接吸收活化態(tài)的Cd 稱為有效Cd,有效Cd 在污染土壤Cd 中所占的比例通常是穩(wěn)定的,但近年來的研究發(fā)現(xiàn)以芽孢桿菌為代表的微生物可以一定程度的提高有效Cd 的比例,提高植物的修復(fù)效率,形成微生物-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。

        龍葵(Solanum nigrum L.)是Cd 的超富集植物,具有生物量大、適應(yīng)能力強等優(yōu)點,在修復(fù)Cd 污染中具有較大的潛力,但吸收效率較低[4]。龍葵對重金屬Cd 的積累隨著土壤中該重金屬濃度的增加而增加,提高土壤中有效Cd 的濃度,可有效提高修復(fù)效率[5]。

        膠質(zhì)芽孢桿菌(Bacillus mucilaginosus)又稱硅酸鹽細菌,廣泛存在于自然界中,無毒無害,對環(huán)境比較友好,抗逆性強,可以提高土壤中有效態(tài)Cd 的含量,從而有利于植物對Cd 的吸收[6]。同時,膠質(zhì)芽孢桿菌可以將土壤中的K、P 轉(zhuǎn)換成可溶態(tài)供植物吸收,促進植物生長,進一步提升超富集植物吸收重金屬的效率[7]。本次通過盆栽試驗研究龍葵+膠質(zhì)芽孢桿菌的植物-微生物組合在修復(fù)石墨尾礦砂Cd 污染中的效率。

        1 材料與方法

        1.1 試驗材料

        供試土壤:采自山東平度興強石墨礦尾礦庫,取樣深度為表層30~50cm,對試驗用尾礦砂進行3mm 過篩處理,篩去大顆粒的石渣、雜草等,分散風(fēng)干,保持干燥,靜置后檢測備用。供試土壤中Cd 含量為0.75mg/kg,有效Cd 的含量為0.065mg/kg,PH 值為7.44。

        供試植物:龍葵種子由河北農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所提供。

        供試菌劑:膠質(zhì)芽孢桿菌由天津環(huán)微生物技術(shù)有限公司提供,有效菌種數(shù)量為1×109cfu/g。

        1.2 試驗設(shè)計

        盆栽試驗在無菌溫室環(huán)境下進行,室內(nèi)環(huán)境溫度控制在25℃左右,濕度保持在50%~60%。每個試驗盆裝試驗土壤4kg。

        試驗分為2 組,分別為接種膠質(zhì)芽孢桿菌的實驗組和不接種膠質(zhì)芽孢桿菌的對照組,每組包括3 個試驗盆栽。

        試驗組將膠質(zhì)芽孢桿菌干劑添加到海藻有機肥中,微生物濃度為5×107cfu/g,菌劑與有機肥充分混合后在20~30℃的環(huán)境下發(fā)酵48h,制備微生物有機肥,經(jīng)檢測海藻有機肥中的重金屬含量在檢出限以下,對試驗結(jié)果不產(chǎn)生影響。在每盆實驗土壤中添加50g 制備好的微生物有機肥,作為底肥混拌均勻。對照組添加同等質(zhì)量未接種膠質(zhì)芽孢桿菌的海藻有機肥。

        選取龍葵種子經(jīng)消毒處理后,在30℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)催芽,發(fā)芽后移至育苗盤,置于溫度25℃左右、濕度50%~60%的環(huán)境下培養(yǎng)。

        龍葵育苗、移栽完成后,將膠質(zhì)芽孢桿菌菌劑以1∶500 的比例進行稀釋,用專用噴壺均勻的噴灑在植物根部,每個試驗盆噴灑30ml。共進行2 次微生物的根灌接種,第1 次接種在幼苗移栽成活后的第2 天,第2 次接種在第一次接種的45天之后。

        試驗第一周行移栽龍葵幼苗定株,保持各試驗盆中幼苗數(shù)量3 株,存活數(shù)量未達到3 株的進行補種。為保障植物生長狀態(tài)良好,需每隔2 日對龍葵進行灌溉,保持土壤濕潤,并及時調(diào)整綠植對光角度。第六周龍葵由開始的兩片細葉長出分葉,并且莖部維度增長較快,植物穩(wěn)定性較好。第八周試驗組與對照組龍葵生長狀態(tài)出現(xiàn)差異,接種芽孢桿菌的龍葵生長狀態(tài)更好,葉片由細長變?yōu)闄E圓形。龍葵經(jīng)過15 周生長,完成了一個完整的生長周期,然后開展一系列樣品采集、樣品測試、結(jié)果分析。

        2 樣品采集及分析

        2.1 樣品采集及分析方法

        15 周以后對龍葵植物進行采樣。剪摘地上部分烘干稱重后裝袋。土壤樣品在試驗盆栽內(nèi)分點采集,點位均勻布置,單個土壤樣品重量不小于200g。土壤中有效Cd 采用DTPA 浸提,植物及土壤中的Cd 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜ICP-MS法測定。

        2.2 分析結(jié)果

        本次試驗對試驗前供試土壤、龍葵+膠質(zhì)芽孢桿菌試驗組、龍葵對照組進行測試分析,分析項目包括土壤中Cd 含量、土壤中有效Cd 含量、土壤PH 值、植物吸收的Cd 含量(表1)。

        表1 樣品分析結(jié)果表 Table 1 Analysis result of the samples

        3 討論

        3.1 龍葵+膠質(zhì)芽孢桿菌對試驗土壤中PH的影響

        pH 是影響土壤中重金屬生物有效性的重要因素之一[8],土壤pH 值對植物生長也具有重要影響[9]。植物的生長過程中,根部會產(chǎn)生一系列分泌物,從而改變土壤的理化性質(zhì)。試驗前土壤為弱堿性,PH 值為7.44;對照組種植龍葵后土壤樣品的PH 值7.43,二者沒有明顯的變化,龍葵在生長過程中的分泌物對土壤PH 值的影響較??;龍葵+膠質(zhì)芽孢桿菌的試驗組土壤的pH 值為7.25,有一定程度的降低。試驗結(jié)果顯示,膠質(zhì)芽孢桿菌可以通過新陳代謝產(chǎn)生草酸、檸檬酸等有機酸,從而降低PH 值,使偏堿性的尾礦砂趨向酸堿適宜,促進植物生長,提高土壤中重金屬的活性。

        3.2 膠質(zhì)芽孢桿菌對土壤中Cd 的生物活性及龍葵吸收Cd 濃度的影響

        污染土壤中Cd 離子與土壤粒子之間的結(jié)合十分緊密,形成狀態(tài)穩(wěn)定的絡(luò)合物,不容易被超富集植物提取和吸收。膠質(zhì)芽孢桿菌在繁殖、生長的過程中會產(chǎn)生一系列代謝產(chǎn)物,楊卓等[10]利用反向高效液相色譜測定膠質(zhì)芽孢桿菌發(fā)酵液中的成分,發(fā)現(xiàn)這些代謝產(chǎn)物包括檸草酸、檬酸、蘋果酸等有機酸,而這些有機酸能改變土壤Cd存在形態(tài),將更多固化絡(luò)合物狀態(tài)的Cd 轉(zhuǎn)變?yōu)橛行d,提高重金屬的生物活性,促進植物對于重金屬的提取和吸收[11]。

        有效Cd 的含量決定了植物對Cd 吸收的效率,試驗前土壤中的有效Cd 含量為0.065mg/kg,單一種植龍葵的對照組有效Cd 含量0.063mg/kg,單一種植龍葵對土壤中有效Cd 含量的影響極小。龍葵+膠質(zhì)芽孢桿菌的實驗組土壤中有效Cd 含量為0.092mg/kg,與單一種植龍葵的對照組相比有效Cd 的含量提高了46.03%。

        膠質(zhì)芽孢桿菌提高了土壤中有效Cd 的含量,可以大幅促進龍葵對Cd 的吸收,從而提升龍葵修復(fù)土壤Cd 污染的效率。試驗組龍葵在接種膠質(zhì)芽孢桿菌后,龍葵中Cd 的濃度達到0.84mg/kg,與單一種植龍葵的對照組0.68mg/kg的Cd 濃度相比,接種膠質(zhì)芽孢桿菌將龍葵吸收Cd 的濃度提高了23.53%,富集系數(shù)提高至1.31。

        3.3 膠質(zhì)芽孢桿菌對龍葵生物量的影響

        龍葵在Cd 的脅迫下生物量有明顯的降低,提高龍葵生物量,尤其是地上可收割部分的生物量,是提高龍葵修復(fù)效率的重要途徑[12]。膠質(zhì)芽孢桿菌具有解磷、解鉀的作用[13]。試驗結(jié)果顯示,接種芽孢桿菌的龍葵單株平均干重量是對照組的112%,芽孢桿菌可以一定程度促進龍葵生長,提高龍葵的生物量,進一步提高龍葵對Cd 的吸收效率。

        3.4 龍葵+膠質(zhì)芽孢桿菌對土壤的凈化能力

        龍葵中的Cd 累積量是該種植物體內(nèi)所累積的某種重金屬濃度與其生物量的乘積[14]。膠質(zhì)芽孢桿菌對龍葵吸收Cd 的效率的提升主要體現(xiàn)在兩個方面:一是通過解磷、解鉀促進龍葵生長,提高生物量;二是通過提高土壤中Cd 的生物活性,促進龍葵對Cd 的吸收。試驗前土壤中Cd 的含量為0.75mg/kg,通過對比試驗前、后土壤中Cd 元素的含量,試驗組和對照組在種植龍葵后土壤中Cd 含量都有一定程度的降低。在單一生長周期內(nèi),僅種植龍葵的對照組的凈化率為8%,接種膠質(zhì)芽孢桿菌的試驗組凈化率達到了14.7%,有顯著提高(表2)。使用龍葵+膠質(zhì)芽孢桿菌的植物-微生物組合可有效降低石墨尾礦砂中Cd 的含量,對修復(fù)石墨尾礦砂中重金屬污染有良好的效果,較單獨種植龍葵效率更高。

        表2 試驗組合的富集系數(shù)及凈化率 Table 2 Enrichment coefficient and purification rate of the test combination

        4 石墨尾礦砂的龍葵種植技術(shù)

        本次試驗以石墨尾礦砂作為供試土壤,石墨尾礦砂質(zhì)地松散、保水性差、幾乎不含任何營養(yǎng)成分和有機物,堆積多年都是寸草不生,使用龍葵-膠質(zhì)芽孢桿菌的植物-微生物組合來治理尾礦砂的污染存在實際工程應(yīng)用難題。

        筆者所在研究團隊經(jīng)過多次失敗和方法改進后,終于在盆栽試驗中實現(xiàn)了在石墨尾礦砂中種植龍葵,除了施肥、灌溉、保溫,保證足夠的養(yǎng)分、水分、空氣以及適宜的溫度外,總結(jié)出幾個關(guān)鍵的技術(shù)要點:

        (1)育苗移栽

        選擇在培養(yǎng)盒內(nèi)育苗,待幼苗根系生長到一定程度后再移栽的方法。

        (2)加蓋遮陽布

        幼苗根系十分脆弱,為保證成活率,除了保證足夠水分和適宜溫度外,還要對新移栽的幼苗做避陰處理,因此加蓋了遮陽布,之后枯萎現(xiàn)象逐漸得到恢復(fù),大面積種植時也可以用薄膜遮陽。

        (3)有機肥粉碎、旁施

        由于石墨尾礦砂比較貧瘠,試驗前需加入較多的有機肥,幼苗根系生長鉆進這些有機肥顆粒,容易被過量的營養(yǎng)成分燒死。于是對表層的試驗土壤進行過篩,將大顆粒的有機肥進行粉碎后,重新加入到試驗土壤中,施肥的地點避開幼苗一段距離,幼苗成活率超過80%。

        5 結(jié)論

        (1)龍葵具有生物量大、適應(yīng)性強等特點,是理想的修復(fù)Cd污染的超富集植物,采取合理的技術(shù)措施可以實現(xiàn)在石墨尾礦砂中種植。

        (2)膠質(zhì)芽孢桿菌通過分泌有機酸可以有效降低土壤中的PH值,提升土壤中有效Cd的含量,從而促進龍葵對Cd的吸收。

        (3)膠質(zhì)芽孢桿菌可以通過解磷、解鉀促進龍葵生長,提高龍葵的生物量,進一步提高龍葵吸收Cd的效率。

        (4)試驗表明,使用龍葵+膠質(zhì)芽孢桿菌的植物-微生物組合比單獨種植龍葵在降低石墨尾礦砂中的Cd污染中有更高的效率。

        綜上所述,龍葵+膠質(zhì)芽孢桿菌在治理石墨尾礦重金屬污染中有較大的潛力。

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