微生物接种和改良对提高有机和无机污染物共同污染的工业土壤中作物安全的综合作用

  随着工业的快速发展，土壤中多环芳烃(PAHs)和潜在有毒金属的污染已成为全球关注的问题。 PAHs是一大类环境污染物，主要在生物过程和有机物质的不完全燃烧过程中产生。它们因其多样的毒性、广泛存在以及在环境中的持久性而备受关注。镉、铅和锌等潜在有毒金属具有毒性，并具有生物蓄积性和持久性。这些金属和PAHs污染的综合影响对生态环境和人类健康构成了相当大的威胁。 PAH(分布在 55 至 84 之间)、Cd(第 118 名)、Pb(第 122 名)和 Zn(第 128 名)被美国环境保护署 (USEPA) 列为优先污染物。

  此外，PAH 和潜在有毒金属通常通过类似的工业过程排放，这增加了它们在土壤中的共存。 PAHs与有毒金属的共同污染不仅影响土壤质量和作物生长，还对动植物和人类健康构成威胁。在多环芳烃和土壤潜在有毒金属污染的双重胁迫下，植物通常会遭受严重的植物毒性，从而抑制其生长、代谢和生存。因此，研究人员探索了减轻污染土壤中的植物毒性的策略。微生物辅助方法因其成本效益和高效率而引起了相当大的关注。

  微生物因其对环境的敏感性和对非生物胁迫的快速响应而在土壤生化功能中发挥着重要作用。微生物制剂可以降解有机污染物并改变潜在有毒金属的流动性和生物利用度，从而影响植物的吸收和积累。因此，利用微生物是克服有机污染物和潜在有毒金属对植物生长的毒性影响的有效策略。尽管据报道微生物或改良剂有利于多环芳烃和潜在有毒金属共同污染的土壤中的植物生长，但关于微生物和改良剂对提高植物耐受性和作物安全的综合作用的研究还不够。

  济南钢铁集团始建于1958年，是中国十大钢铁企业之一。在焦化、烧结、炼铁、铸造和炼钢过程中，多环芳烃和潜在有毒金属会释放到周围土壤中。以往使用模型推导的研究表明，工业场地，特别是焦化厂和炼铁厂周围的土壤，具有较高的致癌和生态风险，导致当地环境和作物安全的长期损害。因此，迫切需要研究有效的方法来减轻多环芳烃和潜在有毒金属对作物的毒性。在这项研究中，中国北方的两种主要作物玉米和大豆被用作试验植物。

  本文的研究目的是研究微生物接种剂和改良剂在减轻多环芳烃和潜在有毒金属共同污染对作物的毒性方面的适用性，重点关注多环芳烃消散、金属形态变化、植物解毒、土壤质量改善以及土壤微生物活性和群落结构的变化。

  实验设计

  1) 处理分为十组，包括高污染土壤(HCK)和低污染土壤(LCK)的对照(不种植作物);在高度污染的土壤中种植的玉米和大豆，不含添加剂(分别为 HMZ 和 HSB);在不含添加剂的低污染土壤中种植的玉米和大豆(分别为 LMZ 和 LSB);在高度污染的土壤中种植的玉米或大豆，添加了改良剂和微生物接种剂(分别为 HMZE 和 HSBE);在低污染土壤中种植的玉米或大豆，添加改良剂和微生物接种剂(分别为 LMZE 和LSBE)。

  2) 改良剂及微生物菌剂成分方面，土壤改良剂采用β环糊精(β-CD)、稻壳、生物炭、钙镁磷肥、有机肥(0.1:0.9:1:1:2)作为土壤改良剂。使用中国山东省科学院生物研究所提供的市售微生物接种剂OBT(购自Bio-Form, LLC的“细菌和酶”微生物产品)以及固体枯草芽孢杆菌和多食鞘氨醇杆菌微生物制剂的混合物。将幼苗移植到添加或不添加不同处理的污染土壤中，并在与无菌种子相同的条件下在室中培养。所有实验均一式三份进行。

  3) 30、60和90天后，收集土壤样品，风干并储存在4℃下以供进一步评估。在第90天收获植物并彻底清洗。然后收集新鲜叶子并储存在液氮中，然后进行进一步分析。

  实验结果

  本研究对微生物制剂(枯草芽孢杆菌、多食鞘氨醇杆菌和名为 OBT 的商业微生物产品的混合物)和土壤改良剂(β-环糊精、稻壳、生物炭、钙镁磷肥和有机肥)进行了评估，以确定其适用性减轻多环芳烃 (PAH) 和潜在有毒金属共同污染的土壤对作物(玉米和大豆)的毒性。结果表明，与单一植物处理相比，在重度或轻度污染土壤中生长的玉米或大豆的过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性水平在改良剂和微生物制剂的综合作用下显着提高。严重污染土壤中Zn、Pb和Cd的去除率分别为49%、47%和51%，大豆和玉米的去除率分别为46%、45%和48%。施用微生物菌剂后，土壤中Cd、Pb、Zn、PAHs总含量在第90天有所下降，土壤有机质含量、营养元素含量和酶活性(过氧化氢酶、脲酶、脱氢酶)有所提高。此外，改良剂和微生物制剂还增加了土壤中细菌种类的多样性和分布。这些结果表明，改良剂和微生物制剂有利于污染物净化、改善土壤环境、增强植物对污染物的抵抗力和植物的免疫系统。

  总结

  在这项研究中，确定了多环芳烃消散、金属形态变化、植物解毒、土壤质量改善以及土壤微生物活性和群落结构的变化，以评估微生物接种剂和土壤改良剂在减轻多环芳烃共同污染的土壤中作物毒性的适用性。多环芳烃和潜在有毒金属。在严重污染的土壤中，改良剂和微生物制剂的综合作用显着增强了玉米和大豆植物的解毒过程和耐受性。总金属和多环芳烃含量下降，土壤中金属更加稳定，减轻了作物的毒害胁迫。此外，土壤有机质含量和营养元素含量提高，土壤酶活性增强，土壤细菌群落丰富，细菌结构发生变化。这些改善表明土壤改良剂和微生物菌剂有利于土壤肥力，可以为作物生长提供丰富的营养，提高作物生产力。它们除了增强土壤的污染物净化能力外，还有利于土壤细菌群落和土壤环境，提高植物的抵抗力和免疫系统。该研究解决了有机、无机污染物污染土壤利用风险高、远期效果弱、回用质量低的问题。

  文章亮点

  1) 通过改良剂和微生物制剂的合作增强了植物解毒作用。

  2) 种植玉米和大豆后，通过改良-微生物-添加减少了共污染。

  3) 改良剂和微生物有利于土壤肥力和土壤细菌群落。

  4) 通过添加改良微生物，植物抗性和作物安全性显着提高。

  原文出处：http:// dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162202