EDTA对铅胁迫下狗牙根根际土壤质量及微生物的影响_姜冉冉.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2022，41（12）:2722-27322022年12月姜冉冉，江润海，朱城强，等.EDTA对铅胁迫下狗牙根根际土壤质量及微生物的影响J.农业环境科学学报,2022,41（12）：2722-2732.JIANG R R,JIANG R H,ZHU C Q,et al.Effects of EDTA on soil quality and microorganisms in rhizosphere of Cynodon dactylon underlead stressJ.Journal of Agro-Environment Science,2022,41（12）：2722-2732.开放科学OSIDEDTA对铅胁迫下狗牙根根际土壤质量及微生物的影响姜冉冉，江润海，朱城强，侯秀丽*（昆明学院农学与生命科学学院，昆明 650214）Effects of EDTA on soil quality and microorganisms in rhizosphere of Cynodon dactylon under lead stressJIANG Ranran,JIANG Runhai,ZHU Chengqiang,HOU Xiuli*（School of Agriculture and Life Sciences,Kunming University,Kunming 650214,China）Abstract：To study the effects of the chelating agent ethylenediamine tetraacetic acid（EDTA）on the physicochemical properties,soilenzymes,and microbial community structure in rhizosphere soil of Cynodon dactylon,different concentrations of EDTA0（CK）,2.5,5.0,收稿日期：2022-11-07录用日期：2022-12-01作者简介：姜冉冉（1995），女，山东济南人，硕士研究生，从事资源利用与植物保护研究。E-mail：*通信作者：侯秀丽E-mail：基金项目：国家自然科学基金地区基金项目（42167009）；云南省高校联合基金项目（2018FH001-004）；昆明学院农业资源利用科技创新团队项目Project supported：The National Natural Science Foundation of China（42167009）；Special Project of Basic Research in Yunnan Local Colleges andUniversity（2018FH001-004）；Scientific and Technological Innovation Team Project of Agricultural Resources Utilization of Kunming University摘要：为研究螯合剂乙二胺四乙酸（EDTA）对狗牙根根际土壤理化性质、土壤酶及微生物群落结构的影响，本研究以耐性植物狗牙根（Cynodon dactylon）为研究对象，在铅污染土壤中施加不同浓度的EDTA0（对照）、2.5、5.0、7.5、10.0 mmolL1进行盆栽实验。结果表明：施加2.5 mmolL1EDTA时，狗牙根根际土壤pH最低，为6.80，土壤有效磷含量、土壤酸性磷酸酶活性、蔗糖酶活性最高，分别是对照组的2.24、1.57、1.41倍；施加7.5mmolL1EDTA时，根际土壤有效钾、铵态氮、硝态氮含量最高，分别为 96.22、262.00、15.90 mgkg1，分别是对照组的 1.09、1.30、6.41倍。施加7.5 mmolL1EDTA时，狗牙根根际土壤微生物多样性以及OTU数量最高，且绿弯菌门（Chloroflexi）、嗜酸杆菌 属（Acidibacter）、土 微 菌 属（Pedomicrobium）、曲 霉 属（Aspergillus）相对丰度较对照组分别增加了 7、3、10、8 个百分点。施加EDTA后，狗牙根根际土壤中芽孢杆菌属（Bacillus）最高相对丰度较对照组增加了9个百分点，枝孢属（Cladosporium）最高相对丰度是对照组的4.05倍。土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性和有效磷含量均与曲霉属、Gibellulopsis呈正相关，同时土壤脲酶活性与耐重金属污染的菌群芽孢杆菌属、毛壳菌属（Chaetomium）呈正相关，表明耐重金属铅污染的微生物有助于提高土壤有效氮和有效磷含量。研究表明，在铅污染土壤中，施加适量浓度的EDTA有助于提高植物根际土壤中酸性磷酸酶和蔗糖酶活性，提高微生物多样性及丰富度，改善根际土壤微生态环境，提高耐性植物对重金属的修复效果。关键词：狗牙根；乙二胺四乙酸（EDTA）；铅；高通量测序中图分类号：S154.3；X53；X172文献标志码：A文章编号：1672-2043（2022）12-2722-11doi:10.11654/jaes.2022-1123PbEDTA姜冉冉，等：EDTA对铅胁迫下狗牙根根际土壤质量及微生物的影响2022年12月土壤重金属污染已成为全球关注的生态环境问题之一，云南土壤重金属背景值较高，其中怒江傈僳族自治州兰坪县铅锌矿矿产资源储量丰富，开采时间久，土壤重金属污染严重。重金属铅在土壤中不易降解，具有持久性的特点1-3，因此对生物圈构成严重威胁，且修复难度大。目前，修复重金属污染土壤的方法主要包括植物提取、植物固定、植物挥发和根际过滤4-5，使用螯合剂改善植物根际的微生态环境是增强植物修复的关键。常用的螯合剂有乙二胺二琥珀酸（EDDS）、乙二胺四乙酸（EDTA）和亚硝三乙酸（NTA）6-8。螯合剂作为弱酸加入土壤中，一方面可降低土壤pH、活化重金属、增加重金属的活动性，进而增加植物对重金属离子的络合作用；另一方面，螯合剂激活植物细胞质膜上的ATP酶，引起重金属转运的离子通道发生变化，从而促进根系吸收，增加重金属在植物地上部的积累9。例如，EDTA与铜、镍、铅、锌和镉的络合常数（lg k）分别为18.8、18.5、18.0、16.4和16.410，EDTA可显著提高土壤中生物有效态重金属的含量。EDTA通过解吸作用增加有效态重金属含量，从而使重金属向根部扩散11。另外，金属-EDTA络合物带有中性电荷，不会被植物根皮细胞表面的多糖或羧基附着或阻断。EDTA的解吸作用或者EDTA与金属形成的络合物，均可促使金属直接进入植物根部，所以EDTA被认为是最有效的有机配体，其可与金属形成高度稳定和可溶的金属-EDTA络合物，进而增加植物对有效态重金属的转运与吸收12。有研究表明施加EDTA显著增加了土壤中水溶性镉和铅的浓度，从而增加了油菜、玉米和小麦对铅、锌和镉的吸收13，并使金属更容易转移到植物的芽中14-15。EDTA的施用可使印度芥菜茎中的铜和铅含量增加12倍16。但EDTA不易降解，施用量过高会存在一定的环境风险。一些研究表明当EDTA的施用量低于安全浓度时，土壤表面无明显残留，深层残留量为添加量的2.6%17，因此EDTA施用量控制在一定浓度内能有效规避环境风险。狗牙根（Cynodon dactylon）为禾本科狗牙根属植物，生长速度快、根系发达，在矿区分布广泛，对重金属有很强的耐性，是在铅锌矿区护坡及矿区修复的覆被过程中的优选植物物种之一。目前，大多数的研究主要集中在狗牙根受环境胁迫下根系生长、植物生理、植物提取及其对土壤重金属形态变化的影响等方面18-20。例如，张云等21的研究表明狗牙根对土壤中锌、铅、铜、镉、铬的吸收均以弱酸提取态、可还原态和可氧化态为主。狗牙根的修复效应及其根际土壤酶活性与微生物群落变化密不可分，根际土壤微生物与土壤酶协同作用可以调节土壤理化性质，进而提高植物修复效率，这已成为生态系统研究的热点之一22-23。一方面，植物根系分泌物的产生和根系对金属离子、营养元素选择性吸收等的生态过程对土壤基质产生影响，进而改变土壤微生物的正常代谢活动24。另一方面，植物通过根系释放的酶、土壤中动植物细胞破裂渗出的酶及土壤微生物代谢分泌的酶7.5,10.0 mmolL1 were applied on lead-contaminated soil,in which the tolerant plant Cynodon dactylon was planted in a pot experiment.The results were as follows：When 2.5 mmolL1EDTA was applied to the rhizosphere soil of Cynodon dactylon,the lowest soil pH was6.80,and the activities of soil available phosphorus（AP）,soil acid phosphatase,and invertase were the highest,and they were 2.24,1.57times,and 1.41 times that of those of the CK,respectively;When 7.5 mmolL1EDTA was applied,the content of available potassium（AK）,ammonium nitrogen,and nitrate nitrogen in rhizosphere soil was the highest,and their values（96.22,262.00 mgkg1,and 15.90 mgkg1）were 1.09,1.30 times,and 6.41 times that of those of the CK,respectively.The diversity of soil microorganisms in the rhizosphere soil ofCynodon dactylon and the number of OTU in the EDTA concentration of 7.5 mmol L1were the highest.Chloroflexi,Acidibacter,Pedomicrobium,and Aspergillus,with the highest relative abundance,increased by 7,3,10,8 percentage points over the CK,respectively.After applying EDTA,the highest relative abundance of Bacillus in the rhizosphere soil of Cynodon dactylon increased by 9 percentagepoints over the CK;The highest relative abundance of Cladosporium was 4.05 times that of the CK.The activities of soil acid phosphatase,urease,sucrase,and AP positively correlated with Aspergillus and Gibellulopsis,whereas soil urease positively correlated with heavy metal-resistant bacteria（Bacillus and Chaetomium）,indic