重金属污染土壤间作修复的研究进展

种植单一的超富集植物修复重金属污染土壤,不但中断农业生产导致经济收益降低,而且因生物量较低、修复周期长等诸多弊端导致修复效果不甚理想。间作作为一种传统的农艺管理方式,利用生态位和生物多样性原理等能提高农作物对资源的有效利用,对共植的农作物种类增量提质。在中、轻度污染土壤修复中利用间作体系,通过调控超富集植物与农作物的生长发育,促进超富集植物根系低分子量有机酸(LMWOAs)的分泌,降低其根际土壤pH,增加重金属活性,从而增加超富集植物对重金属的吸收,同时抑制农作物根系LMWOAs的分泌,以减少农作物对重金属的吸收,提高其产量和品质,实现“边生产边修复”,提高土地利用率,并增加经济效益。本文根据近几年来国内外相关文献,综述了间作条件下超富集植物和农作物生物量、生理生化响应、重金属吸收、转运、富集等方面的变化,以及间作对土壤环境质量的影响,并对间作修复重金属污染土壤领域的发展趋势,如超富集植物和农作物间作的信号转导和分子生物学机制、间作体系下两类植物根际微生物类群的差异及其功能机制,以及构建高效间作体系提高重金属污染土壤的修复效率等方面进行了展望。

生物炭对土壤微生物代谢活动的影响

近年来,生物炭在农业及环境领域的应用受到广泛关注,不仅能够增强土壤肥力,还能固定与降解土壤污染物,从而降低污染物对土壤生态系统的毒性效应。土壤微生物的生长代谢活动是驱动土壤元素循环和有机污染物降解的主要动力,也是反映土壤健康状况的重要指标。生物炭的上述正面作用可能是通过促进微生物生长代谢活动来实现的。而目前对各类生物炭影响下微生物代谢活动存在的差异认识仍不全面,不利于生物炭的可持续发展应用。因此,考察生物炭的施用对土壤微生物的影响显得十分必要。本文总结了生物炭对土壤微生物丰度、多样性、群落结构及活性变化的影响机制:生物炭的多孔结构可为微生物提供栖息地,其灰分可为微生物提供养分;高温生物炭可提高酸性土壤pH,这为大部分微生物提供适宜的生存环境;同时,生物炭的活性官能团可介导微生物的电子传递促进微生物的代谢活动。但生物炭含有的多环芳烃(PAHs)、挥发性有机物(VOCs)、环境持久性自由基(EPFRs)和重金属等对微生物生长代谢活动具有抑制作用。因此,本文结合生物炭的原料来源、热解温度等重要因素,深入探究了生物炭对土壤微生物的正面与负面作用;以及生物炭与微生物作用对土壤的肥力提升、污染修复和控制病原微生物的影响,及其所涉及的相关机制。最后,本文就如何高效应用生物炭提出建议,并对生物炭与微生物的未来研究方向提出了展望。

农田土壤砷、镉协同钝化修复的研究进展

由于砷和镉的化学行为不同,为使用化学法实现农田土壤中两元素协同钝化修复增加了难度。本文综述了近几年来砷、镉协同钝化修复的材料和使用效果,其中应用较多的是复合钝化剂和改性钝化剂。复合钝化剂在施加方式上略微复杂,但制备工艺较为简单,钝化效果比单一钝化剂更胜一筹;从钝化剂的性质上看,改性钝化剂效果好且施加量少,但其制备工艺比不改性钝化剂复杂,限制其大面积推广使用,因而简化改性材料的制备流程是砷、镉协同钝化修复的一大突破口。此外,文章从吸附、化学沉淀、络合、螯合作用等方面,归纳了砷、镉协同钝化的机理,并介绍了田间砷、镉协同钝化修复的案例;最后,对目前农田土壤砷、镉协同钝化修复研究提出了5个亟待解决的科学问题——钝化剂的有效性、持久性、安全性、普适性和经济性,并对该领域今后的发展趋势如深入研究如何提高钝化修复材料的普适性,重点关注钝化剂的施用量、持久性和对土壤生态系统的风险评价以及针对不同类型污染土壤的模式化、规范化和规程化钝化修复等方面进行了展望。

紫茉莉β-谷甾醇对镉处理的浓度响应及其化感效应

外来入侵植物紫茉莉(Mirabilis jalapa)对镉(Cd)具有一定的富集能力,但对其他植物也会产生化感效应,其植株体内已被检测到甾醇类物质,对其他植物的种子萌发和幼苗生长会产生不同程度的影响。虽然有关紫茉莉对作物化感效应方面已有一些研究,但大多是在非重金属污染条件下进行,有关Cd处理下紫茉莉化感效应的报道甚少。采用室内水培法研究不同Cd浓度处理下外来入侵植物紫茉莉根系分泌物对黄豆和玉米的化感效应,以及紫茉莉植株和根系分泌物中化感物质β-谷甾醇含量和Cd处理下外源添加不同浓度β-谷甾醇(0、0.125、0.5、1、2 mg·L^(-1))对黄豆和玉米的化感效应。结果表明,不同Cd浓度处理下,紫茉莉根系分泌物会对2种作物产生化感抑制作用,但对黄豆的抑制作用高于玉米。紫茉莉根部β-谷甾醇含量显著高于茎、叶;根部β-谷甾醇含量在高浓度Cd处理下显著减少,其根分泌物中β-谷甾醇含量则显著增加。Cd处理下外源添加0.125 mg·L^(-1)β-谷甾醇时,黄豆和玉米种子发芽及幼苗生长均受到显著抑制,其他β-谷甾醇处理浓度对玉米幼苗生长则表现为促进作用,黄豆则受到不同程度的化感抑制作用。随β-谷甾醇添加浓度升高,黄豆幼苗叶片中的超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性均呈先升高后下降的趋势,黄豆叶片丙二醛(MDA)含量在0.125 mg·L^(-1)β-谷甾醇浓度下显著高于对照,玉米MDA含量变化则不显著;玉米幼苗叶片的SOD和CAT活性则呈升高趋势。同时,在低、高浓度β-谷甾醇处理下,黄豆和玉米幼苗的叶绿素a和类胡萝卜素含量与对照相比均显著下降。Cd处理下不同浓度β-谷甾醇对2种作物的化感效应不同,且对黄豆的化感抑制作用强于玉米。因此,可优先选择玉米与紫茉莉进行Cd污染土壤的间作修复。

吲哚乙酸和激动素配合施用提高蜈蚣草和龙葵对砷、镉富集的田间试验

植物激素可打破重金属超富集植物的种子休眠、促进发芽和快速生长,从而提高其富集重金属的效率。虽然人工合成的植物生长调节剂在促进超富集植物生长和提高重金属富集方面已取得很多成果,但大多是盆栽试验,大田试验甚少。文章在课题组前期室内盆栽试验筛选出的吲哚乙酸(IAA)和激动素(KT)提高砷(As)超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)砷提取效率的最佳配比(IAA꞉KT=25 mg·L^(−1)꞉20 mg·L^(−1))基础上,在云南省个旧市大屯镇重金属污染农田分45个小区、喷施2次激素开展IAA和KT配合施用对As超富集植物蜈蚣草和镉(Cd)超富集植物龙葵(Solanum nigrum L.)超富集As和Cd的影响和机理研究。结果表明,大田条件下IAA和KT配合施用能够促进2种超富集植物快速生长,在含Cd为3.12 mg·kg^(−1)、含砷As 98.7 mg·kg^(−1)的农田土壤上,与未施用植物激素的对照相比,25 mg·L^(−1)IAA和20 mg·L^(−1)KT配合施用后,龙葵和蜈蚣草的株高、鲜物质量、地上部和地下部Cd/As含量、Cd/As转运系数和富集系数均显著增加,且龙葵对Cd、蜈蚣草对As的提取效率最高可分别达7.52%和6.06%。第2次喷施激素后,单加KT和激素配合施用条件下,龙葵和蜈蚣草间作时两种植物叶片过氧化物酶(POD)活性均显著增加。逐步回归分析结果表明,龙葵对As、蜈蚣草对Cd的提取效率均与叶片POD活性成显著正相关。因此,叶片保持较高的POD活性对两种超富集植物对Cd和As的提取具有重要意义。

镉胁迫下紫茉莉生物碱的化感效应

为探究镉(Cd)胁迫下外来入侵植物紫茉莉(Mirabilis jalapa L.)中生物碱对本地种的化感效应,采用室内水培和土培实验,运用超高效液相色谱(UPLC)技术测定Cd胁迫下紫茉莉根系分泌的生物碱含量,并研究水培紫茉莉根系分泌物、外源添加生物碱和土培紫茉莉根际土壤对2个本地种(萝卜和莴苣)种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明:水培条件下,1~3 mg·L^(-1)Cd胁迫下紫茉莉根系分泌物中葫芦巴碱、小檗碱和巴马汀含量显著增加;3 mg·L^(-1)Cd胁迫下紫茉莉根系分泌物对萝卜和莴苣的抑制作用最强,其中萝卜种子萌发率和幼苗根长抑制率分别为25.17%和44.23%,莴苣为10.00%和40.44%,萝卜受到的抑制强于莴苣。外源添加生物碱对萝卜和莴苣幼苗生长的化感效应不同,小檗碱最低抑制浓度分别为0.1mg·L^(-1)和0.05 mg·L^(-1),化感效应最强;巴马汀和药根碱均为0.25 mg·L^(-1),化感效应次之;葫芦巴碱为100 mg·L^(-1)和50 mg·L^(-1),化感效应最弱。Cd胁迫下种植紫茉莉的土壤在有菌和无菌时的化感效应也不同,除25 mg·kg^(-1)Cd胁迫外,有菌土壤对萝卜和莴苣种子萌发和幼苗生长均产生不同程度的促进作用,且对莴苣的促进作用强于萝卜;而无菌土壤则产生抑制作用,5 mg·kg^(-1)Cd胁迫对萝卜种子萌发和幼苗生长的最大抑制率分别为41.23%和48.54%,莴苣则为21.07%和15.25%。研究表明,在Cd胁迫下,紫茉莉水培和土培方式对本地种产生的化感效应不同,土培和有菌条件减缓了生物碱的化感效应,且当利用紫茉莉与本地种进行Cd污染农田土壤的间作修复时,莴苣所受的化感抑制较小,是较为合适的间作种类。