金盞菊根際圈黃土溶解性有機質對Pb/Cd賦存形態原位調控機制的光譜學證據

范春輝，徐慧薈，張穎超

1.陜西科技大學環境科學與工程學院，陜西 西安 710021 2.清華大學環境學院，北京 100084

金盞菊根際圈黃土溶解性有機質對Pb/Cd賦存形態原位調控機制的光譜學證據

范春輝1，徐慧薈1，張穎超2

1.陜西科技大學環境科學與工程學院，陜西 西安 710021 2.清華大學環境學院，北京 100084

溶解性有機質；根際圈；黃土；Pb/Cd脅迫；金盞菊

引 言

溶解性有機質(dissolved organic matter, DOM)是生態系統中的活性化學組分，對于環境體系的組分循環和污染物遷移轉化具有調控作用。土壤DOM主要來源于生物質腐殖化、微生物代謝產物和植物根系分泌物三方面，其中植物根系分泌物在土壤DOM中占有重要位置，日益成為學者們關注的焦點。植物根系分泌物是保持根際圈(rhizosphere)微生態功能的重要因子，其產生過程和產物性質具有天然可變性，能夠有效暗示植物根系養分吸收和組分釋放的動態行為。Edwards[1]指出，植物根系活動較為旺盛，代謝過程的根系分泌物將直接導致較高的根際C容量和微生物活性；Baetz[2]也認為作為屏障存在的植物根系分泌物可以降低土壤污染對植物的脅迫干擾。在污染土壤植物修復過程中，植物根系通過建立體外抗性作用保障植物的正常生理功能，這種主動防御過程通常更加積極有效。

植物根系(可溶性)分泌物包括可溶性糖(葡萄糖、果糖、麥芽糖等)、可溶性有機酸(草酸、檸檬酸、酒石酸等)和其他組分(膽堿、硫胺素、煙酸等)。這些組分的種類和含量變化代表了植物根系活動和生長發育的微觀特性，也預示著根際圈土壤污染物的遷移轉化和有效性差異。在重金屬脅迫條件下，植物根系分泌物的特異性將更加明顯，這種DOM特性的動態變化又會深度調控污染物的遷移轉化過程，形成“修復植物-根際圈土壤-環境污染物”體系的反饋調節機制?，F階段，國內外學者對于土壤DOM的提取方法、來源解析、“質”“量”差別、環境效應等方面研究較多[3]；而以光譜技術為切入點，研究復合重金屬重度脅迫對植物幼苗根際圈土壤DOM性質的影響涉及很少。這也成為本研究的重要立足點和關鍵目標。

在前期研究中，筆者揭示了秸稈腐殖化對黃土DOM的影響、秸稈腐殖化DOM的性質等內容。本工作以金盞菊 (觀賞花卉) 為修復植物，初步分析Pb/Cd重度復合脅迫條件下，金盞菊幼苗根際圈黃土Pb/Cd賦存形態變化，以及根際圈黃土DOM的光譜性質差異，力圖為后續研究提供參考和借鑒。

1 實驗部分

1.1 供試土樣

黃土樣品的采集、預處理方法參見文獻[4]，此處不再贅述。向黃土中均勻噴灑Pb(NO3)2和CdCl2溶液，充分攪拌使黃土潤濕并混合均勻，人為配制Pb/Cd污染黃土。其中：黃土老化時間為15 d，Pb/Cd濃度分別為1 000 mg·kg-1黃土和30 mg·kg-1黃土。實驗用水為桶裝純凈水，化學試劑為光譜純和分析純。

1.2 盆缽實驗

盆栽容器為44 cm×20 cm×14 cm的矩形塑料盆，每盆裝有污染黃土(5.0±0.1)kg，金盞菊種子購于西安三色園藝有限責任公司。為了獲得合適的金盞菊幼苗，采用盆栽土培實驗培養：每盆均勻播種100粒，置于室外天然光照條件下培養并定期澆灌，使黃土含水量達到田間持水量的70%。從播種之日起，經過60 d的培養后衡量金盞菊生長情況；同時提取金盞菊根際圈黃土DOM組分，以供相關分析檢測用。

1.3 根際圈黃土及DOM提取

根際圈黃土的提取采用抖落法[5-6]，這種方法是被美國土壤學會(SSSA)接受的方法。其操作流程為：在金盞菊幼苗完成既定生長周期后，隨機選取盆缽中若干株長勢一致的健壯金盞菊樣本連根提起；期間注意拔起力度，以避免破壞或改變金盞菊微根系環境。之后小心剪下帶土的根，輕輕抖動，落下的土壤為非根際圈黃土，仍然粘附和殘留于根系上的為根際圈黃土；用毛刷將根際圈黃土收集后裝入帶封口的聚四氟乙烯樣品袋，標記后保存備用。

將根際圈黃土初步研磨后過篩(100目)，土樣與純凈水按1∶5的土水比(m∶V, g·mL-1) 混合后振蕩 (24 h, 150 r·min-1, 25 ℃)、離心 (5 000 r·min-1, 5 min)、上清液過濾 (0.45 μm濾膜) 后，即得根際圈黃土DOM樣品。

1.4 分析方法

為了考察金盞菊根際圈黃土Pb/Cd賦存形態的變化規律，設置CK (Pb/Cd污染黃土)、Lead(Pb污染黃土+金盞菊)、Cadmium(Cd污染黃土+金盞菊)和Lead/Cadmium(Pb/Cd污染黃土+金盞菊)四種處理；其中Pb/Cd總量采用混合酸消化法(HCl-HNO3-HF-HClO4)測定，Pb/Cd形態采用Tessier連續提取-石墨爐原子吸收(Z-2000, HITACHI) 法檢測，具體分析步驟見表1。

表1 金盞菊根際圈黃土Pb/Cd賦存形態的Tessier連續提取法

實驗中每個樣品均做3次平行，黃土理化性質的測定以文獻[7]為依據。SEM(TM-1000, HITACHI) 放大倍數分別為×500和×1 000；UV光譜(UV2300, 上海天美)掃描波長為200～700 nm；凍干后DOM樣品的FTIR光譜(VECTOR-22, BRUKER)測試采用KBr壓片法，掃描范圍4 000～400 cm-1；熒光光譜(F-4600, HITACHI)的激發光源為150 W氙燈，PMT電壓700 V。所得數據采用Origin軟件處理和繪圖。

2 結果與討論

2.1 Pb/Cd賦存形態

金盞菊根際圈黃土Pb/Cd賦存形態分布規律如表2所示。根際圈黃土Pb/Cd均以殘渣態和可交換態為主，兩者合計占到Pb/Cd全量的65%以上，其余三種形態Pb/Cd含量較低。這種不同處理組可交換態Pb/Cd含量較高的情況，源于污染黃土老化時間較短；相比之下，Cd賦存形態的變化尺度更為明顯，這可能與元素性質及其穩定性有關。相對于CK體系，金盞菊根際圈黃土有效態Pb/Cd含量有所增加，其中可能涉及根系分泌物、微生物活動以及根際圈黃土環境條件 (pH，Eh，DOM性質等) 的影響，因為有諸多學者發現植物根系可以通過泌氧作用、化感作用等“生物反饋”途徑調控污染物形態，進而形成“隔離屏障”保障自身生長發育[8-9]。當然，具體原因還有待深入探究。

2.2 金盞菊生長狀況

重金屬脅迫對金盞菊幼苗生長發育的影響見表3。與CK(無脅迫)相比，重金屬單一/復合脅迫對金盞菊株高和出苗率都具有抑制作用，源于重金屬直接作用于植物細胞系統，導致自身代謝功能受損。在Pb/Cd高度脅迫條件下，金盞菊出苗率仍維持在45%以上，暗示了其對重金屬脅迫的忍耐性和污染場地修復的內在潛力。黃土Pb/Cd對金盞菊生物量(根干重和植株干重)的影響不大，但脅迫后的根長略有增加。通常認為，重金屬脅迫能降低植物根細胞有絲分裂速度，進而導致植物根長變短。但Ricken[10]指出重金屬也可能通過調控作用間接促進植物根系生長，不排除根系對重金屬脅迫產生的“回避機制”，這種微型“生態修復單元”可能有利于減緩重金屬對植物根系的毒害作用。

表2 金盞菊根際圈黃土Pb/Cd賦存形態分布

表3 Pb/Cd脅迫對黃土區金盞菊幼苗生長的影響

2.3 黃土理化性質

與黃土原樣相比，無論是否存在Pb/Cd脅迫作用，金盞菊的生長過程都能一定程度上影響黃土體系理化性質 (表4)。幼苗期金盞菊能夠降低黃土容重，說明修復過程黃土的團粒結構和孔隙特性有所變化，這有助于黃土體系水、熱、氣、肥的循環流通。金盞菊幼苗可以降低黃土pH值，推測其中可能存在金盞菊根系代謝分泌物 (有機酸、糖類等) 的貢獻，也可能是金盞菊根系對黃土離子組分選擇性吸收的結果。黃土CEC的降低可能與pH值的減小有內在關聯，而有機質含量和電導率的升高則反映了植物/微生物的協同作用[11]?？傮w來看，在Pb/Cd植物修復過程中，金盞菊幼苗對黃土理化性質的影響是積極的，預期可以達到污染生態修復和黃土性質改良的雙重目標。

表4 Pb/Cd脅迫金盞菊幼苗生長對黃土性質的影響

圖1 黃土區Pb/Cd脅迫金盞菊幼苗根系表觀形態

2.4 掃描電鏡

Pb/Cd復合脅迫對金盞菊根部表觀形貌的影響見圖1。正常條件下[圖1(a)]的金盞菊根部直徑較大，根毛濃密，側根較多，根部微形態清晰可辨；而Pb/Cd脅迫[圖1(b)]對金盞菊根部形態影響較大，根部整體呈現細長、彎曲且萎縮的狀態，略有分叉和突起現象，根毛數量顯著減少，但剖面組織較為光潔，基本無多余物質出現。這種根部表面形態差異可能暗示了根系表皮組織能夠對Pb/Cd脅迫做出有效響應，進而(盡量)保障養分的吸收運輸和新陳代謝的正常進行[12]。

2.5 紫外可見光譜

金盞菊根際圈黃土DOM的紫外可見吸收光譜如圖2所示。隨著紫外吸收波長的增加，吸光度呈現總體下降趨勢。兩種根際圈黃土DOM紫外光譜的最大吸收區間都出現在200～240 nm范圍，但Pb/Cd脅迫對紫外光譜的波形和波峰影響較大。譜線a中主要吸收帶位于213和226 nm附近；而譜線b中波峰更加尖銳，峰強更大，比如在209，215，222 nm等處。這種現象可能源于金屬離子與配體絡合后的電荷轉移躍遷，也有可能疊加了某些陰離子(含氧酸根、過渡金屬水合離子等)在低波段的強紫外吸收[13-14]。譜線a在240～360 nm區段出現若干雜峰，吸光度下降幅度平緩；而譜線b則沒有出現雜峰，且吸光度急劇降低，至350 nm波長后紫外吸收強度趨于不變。一般認為，270～350 nm內的弱吸收峰代表化合物含有帶n電子的未共軛發色團，主要是由n→π*躍遷引起。而譜線b中的弱峰消失，可能暗示金屬離子的存在已導致發色團體系化學環境發生變化[15]。

圖2 Pb/Cd脅迫金盞菊幼苗根際圈黃土DOM的紫外可見吸收光譜

Fig.2 UV absorption spectra of DOM fromCalendulaofficinalisseedling’s Rhizosphere loess under lead/cadmium stress

2.6 紅外光譜

圖3 Pb/Cd脅迫金盞菊幼苗根際圈黃土DOM的紅外光譜

Fig.3 FTIR spectra of DOM fromCalendulaofficinalisseedling’s rhizosphere loess under lead/cadmium stress

2.7 三維熒光光譜

金盞菊幼苗根際圈黃土DOM的三維熒光光譜見圖4?？傮w上看，Pb/Cd脅迫主要影響DOM的熒光峰強，而對熒光峰位干擾很小，不會造成新熒光峰產生或已有熒光峰消失。無脅迫金盞菊根際圈黃土DOM[圖4(a)]熒光峰集中出現在λex/em=240/430附近，歸屬為紫外區類富里酸熒光峰，其熒光強度為2 253(無量綱, 下同)；而Pb/Cd復合脅迫條件下DOM[圖4(b)]熒光峰強降為1 561。兩種體系熒光強度差異的原因在于：金屬離子是典型的熒光猝滅劑，對于DOM的電荷濃度和共軛主鏈結構影響較大，極易導致配位作用和熒光猝滅現象發生[17]。此外，DOM熒光圖譜沒有出現類蛋白、類腐殖酸等其他特征熒光峰。這說明實驗條件下，根際圈黃土微生物活性不強，使得微生物源的類蛋白熒光峰沒有顯現；而DOM分子間的聚合作用或較低的類腐殖酸含量也可能導致對應熒光信號的掩蔽[18]。當然，本熒光光譜結果可能涉及黃土理化性質(pH、共存離子強度等)、熒光自吸等外界干擾因子，對此可以嘗試多種儀器分析方法的協同驗證。

圖4 Pb/Cd脅迫金盞菊幼苗根際圈黃土DOM的三維熒光光譜

Fig.4 Three-dimensional fluorescence spectrum of DOM fromCalendulaofficinalisseedling’s rhizosphere loess under lead/cadmium stress

近些年，植物根系分泌物相關研究變得異?；钴S。這一方面源于其定性定量分析的不確定性，另一方面也因為其獨特的生態調控效應(化感作用、金屬抗性等)[19]。根系分泌物能有效反映植物生境的異質性，對于根際圈微生態群落的演替進化具有指示作用。本工作初步揭示了Pb/Cd脅迫對金盞菊根際圈黃土DOM影響的光譜學性質，但從現有資料看，尚有諸多問題還沒有得到根本解決[20]，比如根系分泌物的時空差異、信息傳遞機制和環境生態效應等。這要求今后不斷加強實驗深度和廣度，要將宏觀研究(盆栽實驗、場地修復等)和微觀證據(儀器技術、基因技術等)相結合，進而全面揭示并形成相關理論體系。

3 結 論

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(Received Oct.7, 2015; accepted Jan.30, 2016)

Spectral Evidence ofIn-SituRegulatory Mechanisms on Chemical Speciation of Lead/Cadmium Affected by Dissolved Organic Matter Extracted from Rhizosphere Loess ofCalendulaOfficinalisSeedling

FAN Chun-hui1, XU Hui-hui1, ZHANG Ying-chao2

1.School of Environmental Science & Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China 2.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Dissolved organic matter; Rhizosphere; Loess; Lead/cadmium stress;Calendulaofficinalis

2015-10-07，

2016-01-30

國家自然科學基金項目(21407103), 中國博士后科學基金項目(2012M511968)和陜西科技大學科研基金項目(2014xhbz-06)資助

范春輝, 1982年生, 陜西科技大學環境科學與工程學院講師 e-mail: frank_van391@163.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2852-06