鎘污染水平對土壤-植物中氮素轉(zhuǎn)化的影響及其微生物學機制研究.pdf

1、近年來，土壤普遍存在“鎘污染、氮富集”等問題，有關(guān)鎘對氮循環(huán)的影響，以鎘對植物氮素的吸收和代謝的研究較多，而鎘對土壤氮循環(huán)相關(guān)酶和微生物的影響研究相對較少，未能闡明土壤鎘影響氮循環(huán)的微生物學機制，也不能解釋“鎘污染”與“氮富集”之間的聯(lián)系。因此，以本實驗室篩選出的硝酸鹽低、高積累小白菜[Brassica campestrisL.ssp.Chinensis(L.)]（品種L和品種H）為實驗材料，采用盆栽和根箱培養(yǎng)的方法，運用穩(wěn)定同位素示蹤

2、技術(shù)，探究不同水平土壤鎘污染對兩個品種小白菜的生長、氮素吸收與利用，以及土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響;采用現(xiàn)代分子技術(shù)qPCR和高通量測序技術(shù)(Illumina Miseq)，研究土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中（硝化作用和反硝化作用）相關(guān)微生物數(shù)量與功能基因多樣性，對比不同水平土壤鎘污染條件下，根際土與非根際土之間、不同小白菜品種之間的差異，揭示鎘污染水平影響植物-土壤系統(tǒng)中氮素吸收、利用與轉(zhuǎn)化的微生物學機制，探究土壤鎘污染與氮富集之間的聯(lián)系，明確何等鎘水平

3、可導致菜地氮循環(huán)“鏈斷裂”和“氮滯留”，為保障重金屬污染土壤安全利用與生態(tài)安全提供理論依據(jù)。獲得主要結(jié)果如下:
　　(1)鎘污染水平對植物生長和氮素利用率的影響
　　研究表明，小白菜的生長對低濃度鎘（0～0.5mg/kg）具有一定耐受性，當施加鎘濃度為10mg/kg時，小白菜的生物量顯著降低，品種H降幅較大;影響硝酸鹽低、高積累品種小白菜（L和H）干重的土壤臨界鎘濃度分別為4.22和1.00mg/kg;通過分析小白菜根系的生

4、長發(fā)現(xiàn)，鎘污染抑制了小白菜的主根長，顯著降低了品種L小白菜的根系總長、總表面積、總體積和根尖數(shù);兩個品種小白菜對不同濃度鎘脅迫表現(xiàn)出一定的差異，品種L的根系形態(tài)指標顯著高于品種H，對鎘的吸收積累能力較強，而受高濃度鎘的抑制程度較低。
　　植物氮素積累和利用對較低濃度鎘污染具有一定耐性，在0～1.0mg/kg土壤鎘處理下，保持較穩(wěn)定的水平，且在0.5mg/kg鎘處理時有略微增加。隨著土壤鎘污染水平的升高，兩個品種小白菜對氮素的積累和

5、利用均出現(xiàn)顯著下降，硝酸鹽高積累品種小白菜H降低幅度更大。在氮素含量較高的土壤中，影響硝酸鹽低、高積累品種小白菜(L和H)氮素利用率的臨界鎘濃度分別為6.64和5.02mg/kg。硝酸鹽低積累品種L對氮素的吸收利用能力顯著高于品種H，品種H受鎘影響的變幅較大，鎘閾值較低，表明其對鎘脅迫更為敏感。
　　(2)鎘污染水平對植物吸收來自土壤和肥料氮素總量以及土壤氮素殘留的影響
　　在氮素含量較高的土壤中，隨著土壤鎘污染水平的升高，

6、硝酸鹽低積累品種小白菜L吸收來自土壤中氮素的總量(Nfs)逐漸降低，硝酸鹽高積累品種小白菜H則表現(xiàn)為先升高后降低，影響品種L和品種H小白菜Nfs的土壤鎘臨界濃度分別為5.07和5.27mg/kg;與Nfs變化趨勢一致，隨著土壤鎘污染水平的升高，品種L吸收來自肥料中氮素總量(Nff)逐漸降低，品種H則先升高后降低，影響品種L和品種H小白菜Nff的臨界鎘濃度分別為5.83和6.03mg/kg。硝酸鹽低積累品種L吸收來自土壤和肥料中的氮素量均

7、高于硝酸鹽高積累品種H，這與其地上部氮素利用率較高的結(jié)果一致;隨著土壤鎘污染水平的增加，來自肥料中的氮素在土壤中的殘留量逐漸增加，擬合結(jié)果表明，兩個品種根際土的氮素殘留量與鎘濃度呈線性正相關(guān)關(guān)系，非根際土氮素殘留量呈先增加后略有降低的趨勢。
　　(3)鎘污染水平對土壤特性及氮組分的影響
　　不同水平鎘污染條件下，兩個品種的土壤pH、有機質(zhì)和全氮含量均無顯著差異;根際土壤微生物氮無顯著變化，而非根際土壤微生物氮隨著鎘污染水平的

8、升高呈直線下降的趨勢;土壤硝態(tài)氮含量隨著鎘濃度的升高逐漸增加，增加幅度逐漸減小，而銨態(tài)氮則隨著鎘濃度的升高逐漸降低，銨態(tài)氮所占比例較小，約為無機氮總量的14％，土壤無機氮總量隨著鎘污染水平的升高先增加后保持穩(wěn)定，硝酸鹽低、高積累品種小白菜L和H分別在鎘濃度為7.11和7.13mg/kg時，土壤無機氮總量達最大值。表明土壤鎘污染條件下，氮素主要以硝態(tài)氮的形態(tài)殘留在土壤中，使得土壤氮素富集和淋失風險增加。
　　(4)鎘污染水平對土壤氮

9、素轉(zhuǎn)化的影響
　　隨著鎘污染水平的提高，土壤硝化微生物（AOB和AOA）豐度有所增加，促使了土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，提高了土壤硝化酶活性，但其變化趨勢與鎘濃度之間沒有相關(guān)性;本研究中，AOB對土壤硝化作用的貢獻較大，AOA的貢獻相對較小;鎘脅迫降低了土壤反硝化微生物(narG、nirS、nosZ)的豐度，進而抑制了土壤反硝化酶活性，種植小白菜品種H的土壤中反硝化微生物豐度受鎘抑制程度較大，根際土與非根際土之間無顯著差異。因此，土

10、壤鎘污染通過促進硝化作用，抑制反硝化作用，從而使土壤硝態(tài)氮含量升高，增加土壤氮富集風險。
　　(5)土壤鎘污染水平對土壤AOB群落組成多樣性的影響
　　土壤中AOB群落包含三類門水平:變形菌門Proteobacteria(71.9％)、Environmental_sample_k_norank(16.6％)和少量屬于其他門類others(11.5％)。土壤鎘污染并未改變土壤AOB優(yōu)勢種群，但較低濃度鎘（1.0mg/kg）對其

11、群落組成多樣性有一定程度的促進作用，并且改變了土壤中AOB群落組成的相對豐度，主要表現(xiàn)為，促進群落Environmental_samples_k＿norank和Unclassified_k＿norank_d＿Bacteria生長，抑制群落Proteobacteria的生長，其中非根際土受影響程度較大，且達到顯著水平。表明土壤鎘污染一定程度上會改變AOB群落結(jié)構(gòu)組成，進而影響其在硝化作用中的功能運用。
　　(6)土壤鎘污染水平對土壤

12、nirS和nosZ群落組成多樣性的影響
　　土壤中nirS門水平的主要群落為(Unclassified_k_norank_d_Bacteria)(62.6％)，Environmental_sample_k_norank(25.3％)和變形菌門（Proteobacteria）(12.0％)，鎘對根際土壤nirS微生物群落組成Alpha多樣性指數(shù)和主要組成群落種類均沒有顯著影響，但Cd15降低兩個品種根際土中特有OTU數(shù)，增加了非根際

13、土壤中特有OTU數(shù);Cd0和Cd1水平下，品種間、根際土與非根際土間Alpha多樣性指數(shù)無顯著差異，而Cd15水平下，非根際土多樣性指數(shù)顯著高于分根際土，品種H顯著高于品種L。表明土壤鎘污染對土壤nirS群落結(jié)構(gòu)多樣性無顯著影響。
　　土壤中nosZ在門水平上群落組成以變形菌門（Proteobacteria）占絕對優(yōu)勢，平均序列數(shù)占總序列的55.9％，其次是Unclassified_k_norank_d_Bacteria，占總序列

14、的39.4％。土壤鎘污染并未改變門水平種群種類，但是改變了其相對豐度，促進了群落Unclassified_k＿norank_d＿Bacteria的組成，而抑制Proteobacteria的組成。此外，Cd顯著增加根際土中nosZ群落組成豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)，提高了根際土中OTU多樣性，高濃度鎘促進作用較大;同時顯著降低非根際土中豐富度指數(shù)，降低了非根際土中OTU多樣性，低濃度鎘處理抑制作用較大。種植小白菜品種H的土壤受鎘污染影響程度較