摘要 將2株具有植物促生長潛力的錳氧化細(xì)菌(manganese oxidizing bacteria,MOB)——微小桿菌屬(Exiguobacterium)OS和松鼠葡萄球菌(Staphylococcus sciuri)WLS01分別定殖到漂浮植物大薸根部,通過觀察和測定水培14 d前后植物的生長和生理響應(yīng)、水中錳和氨氮含量、植物對錳的轉(zhuǎn)運(yùn)的變化來研究MOB定殖對植物的影響。結(jié)果表明:定殖OS和WLS01后大薸生物量增長比例分別達(dá)到31.29%和25.81%,遠(yuǎn)高于未定殖組,同時(shí)增強(qiáng)了其光合作用。但定殖MOB后的大薸根部出現(xiàn)損傷。
關(guān)鍵詞 錳氧化細(xì)菌;植物促生長潛力;漂浮植物;大薸;錳污染;氨氮;微生物-植物修復(fù)
中圖分類號 X 53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A
文章編號 0517-6611(2024)20-0059-06
doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2024.20.014
開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID):
Effect of Colonization of Manganese Oxidizing Bacteria on the Removal of Manganese and Ammonia Nitrogen from Water by Floating Plant Pistia stratiotes
CHEN Xue-min,TANG Yan-kui,YIN Juan-juan et al
(School of Resources,Environment and Materials,Guangxi University,Nanning,Guangxi 530004)
Abstract Exiguobacterium sp.(OS) and Staphylococcus sciuri (WLS01),which were two strains of manganese oxidizing bacteria (MOB) with plant growth promoting potential,were inoculated in the roots of the floating plant Pistia stratiotes,respectively,the effects of MOB colonization on plants were studied by observing and measuring the growth and physiological response of plants before and after 14 days of water cultivation,changes in manganese and ammonia nitrogen content in water,and changes in manganese transport by plants.The results showed that colonization of OS and WLS01 led to an increase in P.stratiotes biomass by 31.29% and 25.81%,respectively compared to the uncolonized group,and the colonization also improved the plant photosynthesis.But after colonization MOB,damage appeared in the roots of P.stratiotes.
Key words Manganese oxidizing bacteria;Plant growth-promoting potential;Floating plant;Pistia stratiotes;Manganese pollution;Ammonia nitrogen;Microbial plant remediation
錳是國民經(jīng)濟(jì)不可或缺的金屬材料,但在錳冶煉過程會(huì)產(chǎn)生電解錳渣,若處置不當(dāng),進(jìn)入環(huán)境的錳和氨氮會(huì)對水體造成污染。水生植物具有良好的污染物去除能力且生態(tài)友好、成本低廉,已廣泛應(yīng)用于水環(huán)境生態(tài)修復(fù)中[1-5]。已有報(bào)道漂浮植物大薸可以有效去除水中包括錳在內(nèi)的重金屬[5],且植物易于收獲[6],但高濃度錳暴露會(huì)對植物生長產(chǎn)生不利影響[7]。近年來,錳氧化細(xì)菌 (manganese oxidizing bacteria,MOB) 具有固定水中游離錳的能力不斷被報(bào)道[8-9],不少學(xué)者已經(jīng)在嘗試?yán)盟参锇l(fā)達(dá)的根系為微生物提供的良好棲息場所(根際泌氧),將具有植物促生長能力的MOB定殖到錳富集植物組織如沉水植物狐尾藻[10]中,不僅解決了高濃度錳的存在影響植物生長(降低生物量),進(jìn)而降低植物修復(fù)效率的問題,實(shí)現(xiàn)更高效的細(xì)菌-植物聯(lián)合修復(fù)。植物促生菌(Plant growth-promoting bacteria,PGPB)是指生存在植物根際范圍內(nèi),對植物生長有促進(jìn)或?qū)Σ≡修卓棺饔玫挠幸娴募?xì)菌統(tǒng)稱。與植物伴生的PGPB可以通過產(chǎn)生一系列的化感物質(zhì),如抗生素、氰化氫、裂解酶和鐵載體等來促進(jìn)植物生長[11],PGPB還通過合成抗生素,如硝基吡咯、非那嗪、間苯三酚、環(huán)脂肽和脂肽等物質(zhì)來防止植物被其他細(xì)菌和真菌侵染[12]。通過人為定殖同時(shí)兼具錳氧化能力和植物促生長潛力的菌株來促進(jìn)漂浮植物生長并提高其錳富集能力以實(shí)現(xiàn)更高效的植物修復(fù)效率,是一個(gè)值得探索的研究領(lǐng)域。該研究將具有錳氧化和植物促生長能力的菌株OS(革蘭氏染色陰性) 和 WLS01(革蘭氏染色陽性)定殖到大薸根系,考察菌株對大薸生長生理響應(yīng)以及氨氮去除和錳富集能力的影響。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
從廣西大新縣某錳礦區(qū)受錳污染溪流不同基質(zhì)中篩選到2株錳氧化細(xì)菌(MOB),分別為松鼠葡萄球菌(Staphylococcus sciuri)WLS01菌株、微小桿菌屬(Exiguobacterium)OS菌株,其來源和促生長能力見表1。大薸(Pistia stratiotes)為廣西本土生長。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 微生物的擴(kuò)培。
取出于-80 ℃甘油管中保存的菌株OS和WLS0 分別劃線定殖至LB固體培養(yǎng)基,于35 ℃無菌培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12 h。挑取固體培養(yǎng)基上生長的單菌落,定殖于LB液體培養(yǎng)基中過夜培養(yǎng),使用無菌生理鹽水調(diào)節(jié)菌懸液在600 nm下的光密度(OD)為1.000 ± 0.00 待用。
1.2.2 植物的培養(yǎng)。
采集長勢良好的大薸植株,用自來水多次沖洗,去除植物表面的泥沙等雜質(zhì),并使用10% Hoagland營養(yǎng)液在光照培養(yǎng)箱(晝/夜溫度25 ℃∶22 ℃,光/暗比12 h∶12 h,光照強(qiáng)度為15 000 lx)中浮水預(yù)培養(yǎng)10 d,從中挑選長勢一致的植物,去除腐葉并使用超純水沖洗表面后,稱取約50 g鮮重的植物,測定其初始生長指標(biāo)(重量、根長),并觀察其初始生長情況。
1.2.3 細(xì)菌定殖。
將植物根部浸泡于1∶100(V/V)菌液中30 s,連同菌液一起放入含有Mn2+(30 mg/L)和氨氮(20 mg/L)的Hoagland營養(yǎng)液的水中培養(yǎng)(MnCl2和NH4NO3作為錳及氨氮來源),以未定殖菌液的植物作為對照組。期間以陳放8 h以上的自來水補(bǔ)充以維持水量不變。培養(yǎng)14 d后,取出植物,測定生長指標(biāo),記錄生長情況變化后,用吸水紙吸干表面水分,將植物組織殺青(105 ℃至恒重)、研磨粉碎,得到植物組織干樣品,保存待測。
1.3 分析方法
1.3.1 水質(zhì)參數(shù)。采用精密pHS-3C型pH計(jì)、DDS-307型電導(dǎo)率儀和水質(zhì)分析儀分別測定培養(yǎng)前后培養(yǎng)液的pH、電導(dǎo)率、溶解氧。采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)測定氨氮含量。
1.3.2 錳含量。水中:采用火焰原子吸收分光光度法測定錳含量。植物組織:用陶瓷剪刀分別剪下培養(yǎng)桶中每一株植物的根和葉,用吸水紙吸干表面水分,剪碎,105 ℃烘干至恒重。稱取0.1 g樣品置于PTFE管中,加入9 mL HNO3、3 mL HCl和1 mL HF,在170 ℃下消解至溶液澄清透明,無可見固體。將消解液定容至50 mL,接著用0.45 μm水系針式濾膜進(jìn)行過濾,使用火焰原子吸收分光光度法測定錳含量,每個(gè)樣品測定3次。
1.3.3 植物生長指標(biāo)。
1.3.3.1 根長。植物培養(yǎng)前以及植物培養(yǎng)結(jié)束后,進(jìn)行稱重及清洗,用吸水紙吸干表面水分后,用直尺(精度 0.1 cm)測量植物的根長,取最大值。
1.3.3.2 生物量。用吸水紙吸干收獲的大薸表面水分后,立刻稱重測定生物量。
1.3.4 植物生理指標(biāo)的測定。
1.3.4.1 光合色素。
取0.5 g大薸葉片,剪碎后加入95%以上的乙醇,避光提取12 h,離心后取上清液,使用分光光度計(jì)分別于665、649和470 nm波長下測定樣品的吸光度,計(jì)算葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素的含量[15]。
1.3.4.2 丙二醛(MDA)含量。
稱取0.5 g新鮮根部組織,加入5 mL預(yù)冷PBS緩沖液(pH=7.5)與適量100目石英砂,冰浴研磨成勻漿,將勻漿在8 000 r/min離心15 min,上清液即為提取液,使用南京建成生物工程研究所的MDA測定試劑盒(A003-1-1)測定MDA含量。
1.3.5 生物富集系數(shù)和生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。生物富集系數(shù)(BCF)反映植物對環(huán)境中重金屬的蓄積能力,生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)反映重金屬從植物根部向葉部轉(zhuǎn)移的能力,計(jì)算公式如下[16]:
BCF=CP/CS(1)
TF=CSL/CR(2)
式中:CP為整株植物重金屬含量(mg/kg);CS為水中重金屬含量(mg/L);CSL為植物莖葉中重金屬含量(mg/kg);CR為植物根部重金屬含量(mg/kg)。
1.4 數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量保證
為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,試驗(yàn)結(jié)果用3個(gè)平行的均值表示。使用IBM SPSS Statistics 27對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析和Pearson相關(guān)性分析;使用Excel 2019和Origin 2022對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。試驗(yàn)過程所用試劑與藥品均為分析純或優(yōu)于分析純,試驗(yàn)過程中用水根據(jù)需要使用去離子水或超純水。試驗(yàn)前所有玻璃儀器均經(jīng)稀硝酸浸泡,并依次用清水和超純水清洗、烘干待用。
2 結(jié)果與分析
2.1 生長指標(biāo)變化
2.1.1
植物生物量。從圖1a可以看出,在模擬廢水中培養(yǎng)14 d后,大薸生物量均明顯增加。在未定殖MOB組(PS)、定殖OS組(PS-OS)、定殖WLS01組(PS-WLS01)中,大薸生物量增長量分別為13.74%、31.29%和25.81%,與未定殖MOB的試驗(yàn)組相比,定殖組的生物量增長比例提升了1倍,由此推斷定殖OS和 WLS01均可促進(jìn)大薸生長。
2.1.2 植物根長。
從圖1b可以看出,在培養(yǎng)14 d后,雖然PS-OS 組、PS-WLS01組根長有所增加(分別由7.1和8.1 cm生長至12.2和13.5 cm),但PS組根伸長比(62.9%)大于PS-OS組(50.9%)和PS-WLS01組(53.9%),且在PS-OS組和PS-WLS01組沉積物中可觀察到一些脫落的根部組織,說明定殖OS和 WLS01可能使大薸根部小部分產(chǎn)生解離。
2.2 生理指標(biāo)變化
2.2.1 光合色素。
從圖2可以看出,在同一時(shí)間受相同程度的錳脅迫下,定殖OS和WLS01菌株能夠顯著提高葉綠素含量,葉綠素a含量分別增加了18.7%和26.4%,葉綠素b含量分別增加了16.9%和27.8%,類胡蘿卜素含量分別增加了7.5%和26.5%,說明定殖OS和WLS01菌株能夠促進(jìn)大薸的光合作用。
2.2.2 MDA含量。
從圖3可以看出,未定殖錳氧化菌組(PS組)根部MDA含量為13.09 nmol/g,而定殖MOB的PS-OS組和 PS-WLS01組的MDA含量分別為14.33和14.28 nmol/g,略高于PS組。MDA是脂質(zhì)過氧化的最終產(chǎn)物,對植物體有害,是衡量細(xì)胞膜受損程度的重要指標(biāo)。由此可見2株MOB雖有促植物生長能力,但未能緩解高濃度錳對大薸根部的脅迫。
2.3 細(xì)菌定殖對漂浮植物去除錳和氨氮的影響
2.3.1 對錳去除的影響。
2.3.1.1 對水中錳含量的影響。
由圖4可知,在初始錳含量為30 mg/L條件下,前3 d內(nèi)水中錳含量在所有試驗(yàn)組中呈現(xiàn)相似趨勢,但4 d后,定殖OS(PS-OS組)減弱了大薸對水中錳的去除,而PS-WLS01組水中錳含量開始加速下降,直到 7 d 時(shí)定殖MOB組水中錳含量均升高,并在培養(yǎng)桶底部觀察到一些沉積的大薸根部,推測大薸在高濃度的錳脅迫下一部分吸收的錳隨著根部的脫落再次釋放到水中,在6~14 d,PS-OS組和PS-WLS01組培養(yǎng)桶底部均發(fā)現(xiàn)脫落的根部和凋落的葉片,但是PS-OS組和PS-WLS01組大薸葉片生長狀況仍好于PS組。最終(14 d時(shí))PS-OS組、PS-WLS01組和PS組水中錳含量分別為19.03、9.96和6.68 mg/L。
2.3.1.2 對植物葉和莖組織內(nèi)錳富集的影響。
對各組大薸的根和葉中錳含量進(jìn)行測定,結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖5),即使是在清水中培養(yǎng)的植株(CK)根和葉中也含有少量的錳(預(yù)培養(yǎng)營養(yǎng)液中錳作為微量元素之一),分別為128.31和10.09 mg/kg,經(jīng)過14 d在錳脅迫環(huán)境下培養(yǎng),大薸各器官中的錳含量顯著增加,其中,相較于未定殖MOB的試驗(yàn)組(PS組),PS-OS組和PS-WLS01組大薸的葉中錳含量分別顯著增加了34.87%和31.93%,根中的錳含量變化則有所不同,定殖OS后的大薸根中錳含量低于未定殖的PS組,而定殖WLS01的試驗(yàn)組則與未定殖的結(jié)果相似。
各試驗(yàn)組中大薸在錳脅迫條件下培養(yǎng)14 d后的錳富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)如表2所示。所有試驗(yàn)組的富集系數(shù)都大于 說明大薸有較好的錳富集能力;TF小于 說明被富集的錳主要集中在根部。值得注意的是PS-OS組和PS-WLS01組TF分別為0.25和0.22,相較于PS組均有所提高,并不說明定殖OS和WLS01促進(jìn)了大薸根部的錳向葉片的轉(zhuǎn)運(yùn),而是因主要根部組織腐解導(dǎo)致被富集的錳向水中釋放。
2.3.2 對氨氮去除的影響。
從圖6可以看出,各試驗(yàn)組中氨氮經(jīng)過大薸的吸收后濃度均大幅下降,7 d后定殖MOB的試驗(yàn)組氨氮濃度開始加速下降,最終PS-OS組和PS-WLS01組氨氮濃度分別降低了15和12 mg/L,去除率分別高達(dá)100%和78.15%,遠(yuǎn)高于PS組(53.60%),表明定殖OS和WLS01增強(qiáng)了大薸對氨氮的去除能力。
2.3.3 水體理化因子變化。
在錳脅迫下,對水中各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測定,結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖7),14 d時(shí),PS-OS組和PS-WLS01組的pH分別降為5.659和6.704,低于PS組(7.197),而電導(dǎo)率分別達(dá)到2050和2010 μS/cm,均高于PS組,其原因一方面可能是OS和WLS01釋放了某種酸性物質(zhì)直接導(dǎo)致pH下降,另一方面或許是由于定殖2株MOB使大薸根部微生物群落釋放酸性物質(zhì)間接導(dǎo)致pH下降。
3 討論
目前水體重金屬污染受到社會(huì)的普遍關(guān)注,生物修復(fù)技術(shù)相比于物理化學(xué)修復(fù),具有成本低、環(huán)境友好等特點(diǎn),利用植物-微生物聯(lián)合修復(fù)重金屬污染成為一種新途徑[17]。定殖PGPB可以通過多種機(jī)制促進(jìn)植物生長并增強(qiáng)植物修復(fù)能力[18]。PGPB分為革蘭氏陽性菌和陰性菌,可以通過細(xì)胞壁上肽聚糖的薄厚區(qū)分。其中,許多陽性菌在與植物的相互作用中,可以分泌抗生素、植物激素和酶以促進(jìn)植物生長,增強(qiáng)植物在逆境下的抗性和養(yǎng)分吸收能力;如Emmert等[19]研究發(fā)現(xiàn)蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus)和鏈霉菌(Streptomyces albus)產(chǎn)生的抗生素可作為生物農(nóng)藥以防治植物疾病;Luo等[20]將能夠產(chǎn)生IAA、鐵載體和ACC脫氨酶的革蘭氏陽性菌SLS18定殖到甜高粱上,提高其生物量和對鎘的吸收;Karlidag等[21]從印度勒克瑙的堿性土壤中分離出的芽孢桿菌(Bacillunbh31O0yKUV/zlpcjKmxsPN8VKtoXJK3BBIsp1LaRzY=s)菌株NBRI-SN13表現(xiàn)出幾種植物促生特性,定殖后能更有效地誘導(dǎo)磷酸三鈣的溶解。雖然已被商業(yè)化使用的PGPB大多為陽性細(xì)菌,許多陰性菌也同樣具有促進(jìn)植物修復(fù)的潛力,包括銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和慢性球菌(Azotobacter chroococcum)等[22],但是定殖后對植物影響的穩(wěn)定性還有待深入研究,由于在植物-微生物系統(tǒng)中用于疾病控制/植物生長促進(jìn)和化學(xué)吸收的整合取決于菌株的有效選擇[23],因此這些陰性菌不像根瘤菌屬(Rhizobium Frank)和慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium Jordan)等的一些革蘭氏陰性菌因其穩(wěn)定及高效的固氮能力而被熟知[24]。
在該研究中,定殖OS(陰性)和WLS01(陽性)均促進(jìn)了大薸的生長,生物量明顯提高,其中定殖OS的大薸生物量增幅超過未定殖組的1倍,這可能與其能額外產(chǎn)生ACC脫氨酶的特性有關(guān)。周益帆等[25]研究表明從植物根系滲出的ACC可被產(chǎn)ACC脫氨酶細(xì)菌分解為碳源、氮源、α-丁酮酸,并減少ACC的積累,促進(jìn)植物的生長。該研究表明PS-OS組和PS-WLS01組大薸的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均高于PS組,前人的研究也有類似的結(jié)果,例如Castanheira等[26]研究發(fā)現(xiàn)定殖的革蘭氏陰性菌Pseudomonas sp.G1DC10 和Sphingomonas azotifigens DSMZ 18530 提高了黑麥草葉綠素含量。Essalimi等[27]從歐洲李根際分離的PGPB能夠顯著促進(jìn)番茄生長,提高葉綠素含量。劉婕等[28]研究發(fā)現(xiàn)定殖了產(chǎn)ACC脫氨酶的促生菌可以提高重瓣百合的葉綠素含量,還可以增加其花苞數(shù),提前開花期。在該研究中,葉綠素的增加或許還與類胡蘿卜素含量增加有關(guān),其作為單線氧猝滅劑對保護(hù)葉綠素的合成起到了一定作用[15]。PS-OS組和PS-WLS01組的大薸在高濃度錳脅迫下葉綠素還能穩(wěn)定合成并多于PS組,這可能與其重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)能力改變有關(guān)。錳是光合作用中必不可少的元素[29],Ijaz等[30]從玉米根際分離出的芽孢桿菌(陽性)可以增強(qiáng)錳的遷移能力,使錳更容易被植物吸收,這種能力不僅提高了植物對錳的吸收,也可能有助于維持植物所需的錳水平以支持光合作用過程,定殖OS和WLS01提高了大薸將錳由根向葉轉(zhuǎn)運(yùn)的含量,這可能與其葉綠素含量升高相關(guān)。
定殖OS和WLS01均對大薸根部產(chǎn)生損傷,一方面可能是由于培養(yǎng)液中缺少有機(jī)碳,而植物根系的分泌物如糖類和氨基酸是根際微生物生長和活動(dòng)的重要有機(jī)碳來源[31],高濃度錳脅迫減弱了大薸根系分泌物的釋放。微生物利用損傷的根部進(jìn)行碳源補(bǔ)充,改變根部細(xì)胞壁的滲透壓,導(dǎo)致部分根毛腐解脫落,將富集的錳重新釋放到水中。但是,相較于PS組,即便根系受到更大損傷,在2株MOB的促生長下大薸仍然長勢良好,氨氮作為可直接吸收利用的氮素[32]被大薸快速吸收,水中氨氮含量也順勢降低。另一方面,還有可能是定殖MOB后改變了大薸根系水體環(huán)境,金屬耐受微生物可以通過改變pH、釋放螯合劑(如有機(jī)酸、鐵載體)、氧化/還原反應(yīng)來改變金屬的生物利用度[33],定殖組的pH和電導(dǎo)率發(fā)生了較大變化可能加重了錳脅迫下的根部損傷甚至導(dǎo)致根部脫落。
觀察到的根系損傷和脫落是較少報(bào)道的植物促生菌(PGPB)效應(yīng),雖然 PGPB 通常被認(rèn)為是有益的,但它們與植物根系的相互作用會(huì)因細(xì)菌菌株、植物種類、環(huán)境條件和細(xì)菌接種物濃度的不同而變化[34]。該研究結(jié)果表明,雖然定殖OS和WLS01促進(jìn)了大薸生長,但它們也可能誘發(fā)了根系的應(yīng)激反應(yīng),其中也許涉及乙烯的信號傳遞失衡[35],而乙烯是已知的植物應(yīng)激反應(yīng)介導(dǎo)因子[36-37]。根系受損也有可能是由于細(xì)菌(即使是有益細(xì)菌)的存在引發(fā)了過度活躍的免疫反應(yīng),Ji等[38]研究發(fā)現(xiàn)植物根系有時(shí)會(huì)將有益微生物的相互作用誤解為病原體的攻擊,從而激活防御機(jī)制,進(jìn)而造成根系損傷。
4 結(jié)論與展望
該研究結(jié)果表明,在錳脅迫下,定殖陰性菌OS可以明顯增加大薸的生物量和氨氮去除率,定殖陽性菌WLS01在前7 d 內(nèi)可以促進(jìn)大薸對水中錳的吸收,2株菌都促進(jìn)了大薸對氨氮的吸收,提高了大薸的生物量和光合色素含量,但是定殖陰性菌OS后大薸的根部產(chǎn)生了更嚴(yán)重的損傷。未來的研究可從如何減輕微生物對根部的損傷入手,如補(bǔ)充外加碳源、細(xì)菌固定化(避免直接與植物根部接觸)等手段,既保證了細(xì)菌對水中錳的固定,同時(shí)實(shí)現(xiàn)植物促生長。該研究為將兼具植物促生長和錳氧化能力的細(xì)菌應(yīng)用于錳污染水環(huán)境的植物修復(fù)提供了參考。
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