殷涂童,周倩倩,張靜,張亞見(jiàn),盛下放,何琳燕

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210095)

鎘(Cd)是蔬菜重金屬污染中常見(jiàn)的一種重金屬。在Cd污染的土壤中種植蔬菜,蔬菜易受到鎘的毒害,引起減產(chǎn),品質(zhì)下降,同時(shí)也易出現(xiàn)鎘超標(biāo)事件,從而威脅人體健康[1]。調(diào)查顯示,中國(guó)蔬菜Cd超標(biāo)問(wèn)題較為嚴(yán)重[2-3]。丁愛(ài)芳等[4]發(fā)現(xiàn)南京城郊蔬菜樣品中Cd、Pb含量都超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn);師榮光等[5]研究表明天津市郊蔬菜品質(zhì)受Cd污染;Wang等[6]調(diào)查發(fā)現(xiàn)湖南省湘江中下游地區(qū)48種蔬菜中Cd超標(biāo)率高達(dá)68.8%;李明德等[7]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)沙市主要蔬菜中50%的葉菜類(lèi)蔬菜樣品Cd超標(biāo)。因此,探究降低蔬菜可食用組織中Cd含量、修復(fù)鎘污染土壤的方法極為重要。

近年來(lái),重金屬污染土壤鈍化解毒修復(fù)技術(shù)備受關(guān)注,其可操作性強(qiáng),可邊生產(chǎn)邊修復(fù)。在重金屬污染土壤中施加某些具有離子吸附特性的鈍化劑可實(shí)現(xiàn)重金屬鈍化解毒修復(fù)功效[8]。生物炭(biochar)具備多孔的特性,有著良好的親水性,同時(shí)生物炭能夠有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH值,這些都能有效降低土壤中重金屬的活性[9],減少蔬菜對(duì)重金屬的吸收與積累。鉀長(zhǎng)石是一類(lèi)儲(chǔ)量多、分布廣的天然硅鋁酸鹽礦石,具有特殊的孔隙及一定的離子交換性,在治理環(huán)境污染領(lǐng)域存在一定的潛能,尤其是經(jīng)過(guò)改性或者加工的鉀長(zhǎng)石粉對(duì)重金屬的吸附能力大大加強(qiáng)[10]。然而,鈍化修復(fù)劑施用太多可能會(huì)產(chǎn)生二次污染,阻礙植物微量元素的吸收,影響土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),這將直接影響鈍化修復(fù)劑的持續(xù)應(yīng)用[11]。

針對(duì)化學(xué)鈍化修復(fù)劑可能存在的問(wèn)題,生物鈍化修復(fù)成為研究熱點(diǎn),利用鈍化細(xì)菌來(lái)阻控蔬菜吸收、積累重金屬成為許多學(xué)者不斷探索的方向。細(xì)菌表面具有許多官能團(tuán),能夠與重金屬結(jié)合,競(jìng)爭(zhēng)吸附土壤中的重金屬。Han等[12]發(fā)現(xiàn)SerratialiquefaciensCL-1能夠降低溶液中Cd含量70%以上,紅外光譜顯示多種官能團(tuán)參與Cd的吸附,該菌株能夠分泌一些胞外聚合物、H2S、多胺類(lèi)物質(zhì),從而降低植物根際重金屬的有效性。此外,根際微生物還能夠分泌植物激素(如IAA、鐵載體等),同時(shí)還具備溶磷、溶鉀、固氮功能,這些作用能夠減輕重金屬對(duì)植物的毒害作用,增加農(nóng)作物產(chǎn)量,提高農(nóng)作物品質(zhì)。關(guān)于植物根際促生細(xì)菌(PGPR)被應(yīng)用于生物鈍化修復(fù)的研究和實(shí)踐的報(bào)道已有許多,如Wang等[13]發(fā)現(xiàn)RalstoniaeutrophaQ2-8能減少小麥地上部鎘和砷的吸收,并增加小麥根細(xì)胞壁組織和生物合成相關(guān)蛋白的表達(dá);Li等[14]發(fā)現(xiàn)接種內(nèi)生巨大芽胞桿菌H3可減輕Cd污染對(duì)雜交狼尾草的毒性。一些學(xué)者開(kāi)始探究細(xì)菌和鈍化劑聯(lián)合使用的成效。賀卓等[15]發(fā)現(xiàn)細(xì)菌聯(lián)合海泡石能夠顯著降低辣椒和茄子果實(shí)中鉛含量,提高蔬菜品質(zhì)。Chen等[16]利用NeorhizobiumhuautlenseT1-17 與蛭石或草炭復(fù)合,發(fā)現(xiàn)相比單一處理,復(fù)合處理能夠顯著降低辣椒果實(shí)的鉛、鎘含量,減少重金屬的積累。

本研究采用盆栽試驗(yàn),以Cd抗性細(xì)菌BacillushalotoleransG20與生物炭、鉀長(zhǎng)石為鈍化劑,研究在Cd污染土壤中不同鈍化劑對(duì)生菜生長(zhǎng)、品質(zhì)、重金屬含量以及土壤理化性質(zhì)的影響,以期明確細(xì)菌鈍化劑減少蔬菜中重金屬含量的效果,闡明其阻控蔬菜吸收重金屬機(jī)制,為今后受污染農(nóng)田的修復(fù)、蔬菜安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試蔬菜為生菜(LactucasativaL.var.ramosaHort.),品種為‘香港玻璃生菜’,種子購(gòu)自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種子站。供試菌株為本實(shí)驗(yàn)室保存的Cd抗性細(xì)菌BacillushalotoleransG20(GenBank登錄號(hào)MH393328),供試鈍化劑為生物炭和鉀長(zhǎng)石粉,購(gòu)自富華納米新材料有限公司,使用前經(jīng)過(guò)研磨并過(guò)孔徑為75 μm的篩。

1.2 鈍化劑的制備

供試菌株G20經(jīng)活化,挑取單菌落接種至新鮮LB培養(yǎng)基(酵母膏5 g、蛋白胨10 g、NaCl 10 g、pH7、水1 L),30 ℃、160 r·min-1振蕩培養(yǎng)18 h,6 000 r·min-1離心5 min后,收集菌體,用生理鹽水重懸(保持總體積不變),細(xì)菌數(shù)量在108CFU·mL-1以上。將該菌液分為2份,1份為活菌液G20L,另1份菌液經(jīng)121 ℃、高壓滅菌30 min,制備滅菌液G20D。將生物炭(B)和鉀長(zhǎng)石(K)經(jīng)121 ℃、高壓蒸汽滅菌60 min后,分別與制備的活菌液、滅菌液按質(zhì)量體積比為1∶1的比例混合,160 r·min-1振蕩混合1 h,37 ℃烘干,即分別得到菌劑B(G20L+B)、菌劑K(G20L+K)、滅菌菌劑B(G20D+B)、滅菌菌劑K(G20D+K)。其中活菌菌劑的細(xì)菌數(shù)量約108CFU·g-1。

1.3 盆栽試驗(yàn)

盆栽試驗(yàn)土壤采集自江蘇省南京市棲霞區(qū)某礦區(qū)周邊一處農(nóng)田(32°9.7′ N,118°56.8′ E)。土壤基本性質(zhì)為:Cd(2.03±0.26)mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)(11.67±1.49)g·kg-1,pH(6.81±0.05),肥力中等偏低。將采集的試驗(yàn)土壤放置于陰涼處風(fēng)干,去除雜草和石塊,錘碎。共設(shè)置9個(gè)處理:1)未經(jīng)任何處理的對(duì)照(CK);2)每千克土壤加入50 mL菌液的接菌處理(G20L);3)每千克土壤加入50 g生物炭的處理(B);4)每千克土壤加入50 g鉀長(zhǎng)石的處理(K);5)每千克土壤加入50 g菌劑B的處理(G20L+B);6)每千克土壤加入50 g菌劑K的處理(G20L+K);7)每千克土壤加入50 mL滅菌菌液的處理(G20D);8)每千克土壤加入 50 g 滅菌菌劑B的處理(G20D+B);9)每千克土壤加入50 g滅菌菌劑K的處理(G20D+K)。將各處理土壤和鈍化劑拌勻,拌勻后平衡3 d。

根際袋的制備采用Liang等[17]方法并略做改動(dòng)(根際袋長(zhǎng)10 cm,寬5 cm):準(zhǔn)確稱取20 g拌勻后的各處理組土壤置于根際袋中,隨后將根際袋和對(duì)應(yīng)拌勻過(guò)的土壤一起裝盆,使根際袋埋沒(méi)于盆缽中,每個(gè)盆缽中放置5個(gè)根際袋,每個(gè)根際袋可移植1棵生菜,盆中土壤和根際袋中土壤總計(jì)2 kg。將生菜種子經(jīng)75%(體積分?jǐn)?shù))乙醇消毒后,播種于裝有營(yíng)養(yǎng)土的穴盤(pán)中,置于光照溫室中培養(yǎng),定期澆水管理,育苗10 d。挑選長(zhǎng)勢(shì)良好一致的生菜幼苗,用10 mL菌液蘸根處理G20L、G20L+B和G20L+K處理生菜幼苗1 h,以使功能菌株能夠更好在生菜根部定殖,隨后和其他處理組合中的幼苗一起移入相對(duì)應(yīng)盆缽的根際袋中,每盆5棵,定期澆水管理直至收獲。生長(zhǎng)期內(nèi)給予充足的光照,保持溫室內(nèi)的溫度為18～22 ℃,濕度為50%～70%,生長(zhǎng)周期約50 d,期間不施加任何肥料。收獲時(shí)將生菜從根際袋中連根取出,保留根際袋中的土壤,用毛刷輕輕刷落黏附于根上的土壤,和根際袋中的土壤收集在一起,即為根際土壤。妥善保管生菜樣品及土壤樣品,用于后續(xù)測(cè)試。

1.4 土壤和植物樣品的分析

1.4.1 生菜生物量將生菜植株清洗干凈,根部用0.01 mol·L-1EDTA-2Na溶液浸泡10 min,清洗后瀝干,稱取生菜的鮮質(zhì)量。將生菜地上部和根部組織于100 ℃殺青30 min,然后80 ℃烘干至恒質(zhì)量,稱取干質(zhì)量。

1.4.2 生菜可食用組織Cd含量和根部Cd含量生菜地上部為可食用組織,將烘干后的地上部和根部組織搗碎,準(zhǔn)確稱取0.2 g于微波消解儀中消解,5% HNO3定容,用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定Cd含量。

1.4.3 生菜Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)、富集系數(shù)及地上部Cd總含量生菜Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factor,TF)、富集系數(shù)(bioconcentration factor,BCF)及Cd總含量計(jì)算公式為:轉(zhuǎn)移系數(shù)=地上部Cd含量/根部Cd含量;富集系數(shù)=根部Cd含量/土壤Cd含量;Cd總含量=生菜地上部Cd含量×地上部干質(zhì)量。

1.4.4 生菜可食用組織營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)將新鮮的生菜地上部研磨成勻漿,稀釋后離心并去除沉淀。上清液中維生素C含量參考劉紹俊等[18]的方法,用鉬藍(lán)比色法測(cè)定;生菜中亞硝酸鹽含量測(cè)定采用分光光度法(鹽酸萘乙二胺法)測(cè)定。每個(gè)樣品3次重復(fù),每批樣品設(shè)3個(gè)空白對(duì)照。計(jì)算每100 g新鮮可食用組織中各營(yíng)養(yǎng)成分的含量。

1.4.5 根際土壤細(xì)菌數(shù)量準(zhǔn)確稱取1.000 g新鮮根際土壤,加99 mL無(wú)菌去離子水并充分振蕩成土壤懸液。土壤懸液經(jīng)80 ℃處理15 min后,梯度稀釋涂布于含有50 mg·L-1壯觀霉素的LB平板上。30 ℃培養(yǎng)2 d后計(jì)數(shù)。

1.4.6 根際土壤有效態(tài)Cd含量二乙烯三胺五乙酸(DTPA)提取劑的配制參照Li等[19]的方法。準(zhǔn)確稱取1.000 g風(fēng)干后研磨過(guò)孔徑為75 μm篩的根際土壤,將其與DTPA提取劑按質(zhì)量體積比為1∶4混合,160 r·min-1室溫振蕩 2 h,8 000 r·min-1離心后取上清液,用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定上清液中Cd濃度,并計(jì)算每千克土壤樣品中DTPA提取態(tài)Cd含量。

1.4.7 根際土壤pH值將風(fēng)干并研磨過(guò)孔徑為75 μm篩的1.000 g根際土壤與去離子水按質(zhì)量體積比為1∶2.5混合,160 r·min-1室溫振蕩2 h,6 000 r·min-1離心5 min后,用pH計(jì)測(cè)定土壤pH值。

1.4.8 根際土壤Cd的分級(jí)提取及形態(tài)變化使用BCR分級(jí)提取法對(duì)根際土壤中Cd進(jìn)行分級(jí)提取,每步提取完成后,用去離子水清洗,5 000 r·min-1離心10 min,將上清液與相應(yīng)的提取液合并,用ICP-OES測(cè)定Cd含量。第1步為酸可提取態(tài)Cd,第2步為可還原態(tài)Cd,第3步為可氧化態(tài)Cd。

1.4.9 根際土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法[20]測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

各處理均重復(fù)3次。采用Microsoft Office 2016和Graphpad Prism軟件制表與繪圖。采用SPSS 25.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,差異顯著性采用 ANOVA 單因素方差分析和Duncan’s測(cè)驗(yàn)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鈍化劑對(duì)生菜干質(zhì)量和Cd含量的影響

由圖1-A可見(jiàn):在Cd污染土壤中,與CK相比,活菌液G20L處理顯著增加生菜地上部干質(zhì)量(22.5%)(P<0.05),且與生物炭、鉀長(zhǎng)石分別制成的固體菌劑B(G20L+B)處理和固體菌劑K(G20L+K)處理也能增加生菜地上部干質(zhì)量,分別增加33.3%和20.9%(P<0.05),而生物炭(B)、鉀長(zhǎng)石(K)處理、滅菌液及滅菌固體菌劑的促生作用不顯著。和滅菌液相比,活菌液對(duì)生菜的促生作用增加23.3%(P<0.05)?；罹腆w菌劑與滅菌固體菌劑對(duì)生菜的促生作用無(wú)顯著差異。

與CK相比,除K處理外,其他處理生菜地上部Cd含量均顯著下降(圖1-B)。G20L、G20L+B和G20L+K處理使生菜地上部Cd含量分別顯著降低40.6%、53.1%和40.6%,且優(yōu)于G20D、G20D+B和G20D+K處理,說(shuō)明活的功能菌株G20發(fā)揮了主要作用,死菌體也有部分作用。其中G20L+B處理的生菜地上部Cd含量顯著降低53.1%,降至0.15 mg·kg-1,低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的蔬菜Cd含量閾值(0.2 mg·kg-1)。與CK相比,處理組G20L、G20L+B和G20L+K處理生菜地上部Cd總量顯著降低30.4%、48.7%和30.9%,而其他處理降低生菜Cd總量的效果無(wú)顯著差異(圖1-C)。此外,與對(duì)照組相比,所有處理均能顯著降低生菜根部Cd含量,其中G20L+B處理生菜根部Cd含量降低35.8%(圖1-D),各處理組間無(wú)顯著差別。

由此可知,菌液G20L能顯著促進(jìn)生菜生長(zhǎng),減少生菜吸收Cd,且與生物炭制成的固體菌劑能更好發(fā)揮協(xié)同作用,使生菜生產(chǎn)更安全。

2.2 不同鈍化劑對(duì)生菜Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)的影響

由表1可知:與CK相比,各處理生菜Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)無(wú)顯著差異,但各處理都能顯著降低生菜根的Cd富集系數(shù)。G20L+B處理生菜根Cd富集系數(shù)顯著下降48.6%,G20L和G20L+K處理作用效果稍弱,均高于滅菌處理組,可見(jiàn)活菌處理能夠有效降低Cd在生菜根部的富集,生物炭與菌株G20的協(xié)同作用要好于鉀長(zhǎng)石與菌株G20的協(xié)同作用。

表1 不同鈍化劑對(duì)生菜Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)的影響

2.3 不同鈍化劑對(duì)生菜品質(zhì)的影響

在Cd污染土壤中,與CK相比,除G20D處理外,其他處理均能顯著增加生菜地上部維生素C含量,其中G20L+B處理效果最佳,能夠使生菜維生素C含量顯著增加32.9%,G20L、B、K、G20L+K、G20D+B和G20D+K處理之間生菜維生素C含量無(wú)顯著差異(圖2-A)。

與CK相比,B和K處理對(duì)生菜亞硝酸鹽含量沒(méi)有影響,G20D、G20D+B和G20D+K處理生菜亞硝酸鹽含量也沒(méi)顯著影響;只有G20L、G20L+B和G20L+K處理顯著降低生菜亞硝酸鹽含量,其中G20L+B處理生菜亞硝酸鹽含量最低,比CK顯著降低38.8%(圖2-B)。

2.4 不同鈍化劑對(duì)生菜根際土壤理化性質(zhì)的影響

由圖3可知:與CK相比,除G20D處理外,其他處理均顯著降低生菜根際土壤有效態(tài)Cd含量,其中G20L+B和G20L+K處理生菜根際土壤有效態(tài)Cd含量分別顯著降低45.4%和34.4%(P<0.05),優(yōu)于G20L處理;生物炭B、鉀長(zhǎng)石K及其滅菌固體菌劑處理生菜根際土壤有效態(tài)Cd含量之間無(wú)顯著差異。添加生物炭能夠顯著提高生菜根際土壤pH值,且G20L+B與G20D+B處理,都顯著提高生菜根際土壤pH值,其他處理沒(méi)有顯著差異。與CK相比,B、G20D+B和G20L+B處理都能夠顯著增加根際土壤有機(jī)質(zhì)含量,其中G20L+B處理使生菜根際土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加44.6%(P<0.05),其他處理都沒(méi)有顯著作用,說(shuō)明土壤中有機(jī)質(zhì)的增加主要與生物炭的添加有關(guān),活細(xì)胞能提供少量有機(jī)質(zhì),而鉀長(zhǎng)石和滅活菌液提供的有機(jī)質(zhì)微乎其微。

2.5 不同鈍化劑對(duì)生菜根際土壤細(xì)菌數(shù)量的影響

由圖4可知:在Cd污染土壤中,與CK相比,G20L、G20L+B和G20L+K處理的生菜根際土壤細(xì)菌數(shù)量大于106CFU·g-1,而其他處理沒(méi)有明顯作用,說(shuō)明菌株G20能夠在生菜根際土壤中良好定殖。

2.6 不同鈍化劑對(duì)生菜根際土壤Cd形態(tài)及含量的影響

與CK相比,除G20D處理外,其他處理生菜根際土壤酸可提取態(tài)Cd含量都顯著降低(圖5-A)。G20L、G20L+B和G20L+K處理生菜根際土壤中酸可提取態(tài)Cd含量分別顯著降低32.0%、48.2%和29.3%。與CK相比,各處理對(duì)生菜根際土壤可還原態(tài)Cd沒(méi)有明顯影響,僅G20L+B處理生菜根際土壤可還原態(tài)Cd含量顯著增加40.9%(圖5-B)。此外,與CK相比,生物炭及其固體菌劑(B、G20L+B、G20D+B)處理能夠使生菜根際土壤可氧化態(tài)Cd含量分別顯著提高51.5%、93.2%和61.4%,菌株G20處理、鉀長(zhǎng)石及其固體菌劑沒(méi)有顯著性差異(圖5-C),可見(jiàn)土壤中可氧化態(tài)Cd含量的提高與生物炭添加有關(guān),而鉀長(zhǎng)石沒(méi)有作用。

2.7 生菜地上部Cd含量與根際土壤各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性分析

生菜地上部Cd含量與根際土壤pH、細(xì)菌數(shù)量和有機(jī)質(zhì)含量均負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)(r)分別為-0.25、-0.745**和-0.577**;與有效態(tài)Cd含量正相關(guān)(r=0.855**)。除pH值外,其他3項(xiàng)相關(guān)系數(shù)都達(dá)到極顯著水平,說(shuō)明生菜根際土壤細(xì)菌數(shù)量增加,有機(jī)質(zhì)含量增加,有效態(tài)Cd含量降低,能夠促使生菜地上部Cd含量降低。

3 討論

蔬菜安全生產(chǎn)是重金屬污染土壤修復(fù)的一個(gè)重要目標(biāo)。Xiong等[21]利用惡臭假單胞菌X4/pIME與生物炭、稻草灰、石灰等復(fù)合處理,發(fā)現(xiàn)其最佳處理組合生菜地上部Cd含量降低至0.14 mg·kg-1。本研究比較不同鈍化劑對(duì)生菜吸收Cd的影響,發(fā)現(xiàn)生物炭與菌株G20制備的固體菌劑(菌劑B)降低生菜地上部Cd含量的效果最佳,能夠使生菜地上部Cd含量降至0.15 mg·kg-1,低于國(guó)家蔬菜安全生產(chǎn)限量標(biāo)準(zhǔn),為生菜安全生產(chǎn)提供了良好的技術(shù)材料。

本研究中,處理都能夠提高生菜地上部維生素C含量,且G20以及G20固體菌劑能夠顯著降低生菜亞硝酸鹽含量,而生物炭或鉀長(zhǎng)石的單一處理、滅菌處理對(duì)亞硝酸鹽含量都沒(méi)有顯著影響。賀卓等[15]也發(fā)現(xiàn)PGPR菌株P(guān)34和海泡石的復(fù)合處理能顯著提升辣椒和茄子的可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C含量。Wang等[22]發(fā)現(xiàn)利用巨大芽胞桿菌H3可以增加小白菜和上海青維生素C含量和可溶性蛋白含量,提高蔬菜品質(zhì)?？妱P[23]發(fā)現(xiàn)玉米秸稈和反硝化細(xì)菌聯(lián)合使用,能夠降低小白菜和甘藍(lán)地上部硝酸鹽含量,進(jìn)而降低亞硝酸鹽含量。蔬菜地上部亞硝酸鹽含量的改變可能與功能菌株在蔬菜根部的有效定殖有關(guān),同時(shí)蔬菜品質(zhì)提升也反映蔬菜受Cd脅迫的緩解。

土壤中有效態(tài)Cd是易于被植物吸收利用的。Suksabye等[24]發(fā)現(xiàn)接種枯草芽胞桿菌(B.subtilis)能顯著降低Cd污染土壤中水稻Cd積累,減少水稻根際土壤有效態(tài)Cd含量。接種芽胞桿菌菌株ZAN-044也顯著減少土壤中植物可利用Cd含量[25]。本研究中,不同處理生菜根際土壤酸可提取態(tài)Cd含量顯著減少,而生物炭固體菌劑處理的土壤可氧化態(tài)和可還原態(tài)Cd含量顯著增加,說(shuō)明土壤Cd形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變,植物可利用態(tài)大幅降低。下一步將通過(guò)物理、化學(xué)分析方法探究生物炭固體菌劑處理下土壤Cd形態(tài)的轉(zhuǎn)變規(guī)律。

土壤pH值是影響重金屬有效性的一個(gè)重要因素,一般與酸可提取態(tài)重金屬含量呈負(fù)相關(guān),而與可氧化態(tài)和可還原態(tài)重金屬呈正相關(guān)?？裳趸瘧B(tài)重金屬在土壤中主要表現(xiàn)為有機(jī)結(jié)合態(tài),可還原態(tài)重金屬在土壤中主要表現(xiàn)為鐵錳氧化態(tài)。隨土壤pH值的升高,土壤中氧化物、礦物等物質(zhì)表面的負(fù)電荷數(shù)量會(huì)增加,增大對(duì)可交換態(tài)重金屬的吸附,土壤中存在的有機(jī)物重金屬絡(luò)合物會(huì)逐漸穩(wěn)定,有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬含量增多,同時(shí)pH值的升高還會(huì)促使鐵錳等陽(yáng)離子與氫氧根形成沉淀,進(jìn)而使鐵錳氧化態(tài)增多[26]。

土壤有機(jī)質(zhì)含量也是影響土壤重金屬有效性的重要因素,有機(jī)質(zhì)對(duì)于某些不溶性鹽類(lèi)、金屬離子和礦物顆粒有延緩沉淀的作用,腐殖質(zhì)對(duì)金屬離子具有強(qiáng)烈的表面吸附與離子交換吸附以及螯合作用[27]。細(xì)菌胞外分泌物(如EPS等)也能與土壤中重金屬發(fā)生螯合作用,降低重金屬有效性。周涵君等[28]發(fā)現(xiàn)使用煙稈制成的生物炭能使土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量均呈升高的趨勢(shì)。同時(shí),隨生物炭施用量的增加,土壤有效態(tài)Cd和可交換態(tài)Cd含量顯著降低,土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd、有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd顯著上升。Liu等[29]發(fā)現(xiàn)在稻田中施加生物炭能夠提高土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量,并減少水稻對(duì)Cd的吸收。本研究中,G20L+B處理能夠顯著增加根際土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量,生物炭提升pH值和有機(jī)質(zhì),菌株G20細(xì)胞富含有機(jī)質(zhì)和各種胞外分泌物,共同導(dǎo)致Cd向低有效性的形態(tài)轉(zhuǎn)變,這可能是該生物炭固體菌劑能夠有效降低土壤Cd有效性、減少生菜Cd積累的原因。鉀長(zhǎng)石雖然具有一定的孔隙和離子交換能力,但對(duì)根際土壤pH值和有機(jī)質(zhì)的影響有限,總體效果遠(yuǎn)不如生物炭;滅菌液及其復(fù)合處理中,雖然死亡菌體也能提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),但數(shù)量有限,無(wú)法像活菌體一樣生長(zhǎng)代謝,所以滅菌液及其固體菌劑處理效果均不佳。

綜上所述:在中度Cd污染的土壤中,B.halotoleransG20與生物炭制備的固體菌劑(菌劑B)能夠顯著降低生菜地上部Cd含量和根際土壤有效態(tài)Cd含量,提高土壤pH值及有機(jī)質(zhì)含量,降低土壤酸可提取態(tài)Cd含量,提高可氧化態(tài)Cd和可還原態(tài)Cd含量,增加生菜地上部維生素C含量,降低亞硝酸鹽含量,在保障Cd污染環(huán)境下蔬菜安全生產(chǎn)中具有良好潛力。