有机肥生物炭添加对铬污染土壤植物根际酶活性影响机制

来源：农环视界

原标题：Environment International：有机肥生物炭添加对铬污染土壤植物根际酶活性影响机制

铬（Cr）污染可抑制植物生长与发育，改变土壤微生物群落结构等，近些年引起全球范围内的广泛关注。由于植物根区含有根部释放的多种分泌物可直接刺激微生物活动及酶的产生，Cr污染造成的负面影响在根际表现地更加强烈。许多方法已经被用于修复Cr污染的土壤并降低其生物有效性，其中有机肥料及其热解产生的生物炭常用于修复重金属污染土壤并降低重金属的生物有效性。但这两种生物质材料对根区微生物活性以及植物的生长发育状况的影响机制目前尚不完全清楚。

成都理工大学生态环境学院蒲生彦教授团队基于室内植物培养试验对上述机理进行了深入探讨，研究成果为生物质修复铬污染土壤提供了新的理论支持，同时该研究所采用的植物根际酶活性可视化酶谱方法为快速表征土壤重金属污染提供了新思路。

本研究利用原位酶谱技术（in situ Zymography，下图），通过向Cr污染土壤中分别添加有机肥料及其生物炭材料，探讨了这些材料对玉米根区β-葡萄糖苷酶、磷酸单酯酶和几丁质酶的活性及扩展范围的影响，分析了不同处理中植物的生长状况，考察了不同化学形态Cr的浓度对植物根际酶活性的影响。

▲ (A)酶谱装置; (B) 根区酶活性影响范围分析; (C) 酶谱数据转换过程

研究发现，有机肥料及其生物炭的施用显著提高了土壤的pH值（下图），且生物炭的施用相对于有机肥料而言对pH的影响更大一些。这很大程度上是由生物炭本身较高的pH，灰分含量和BET比表面积决定的。在45天的生长期内，土壤pH呈显著下降趋势（下图A），导致了酸可溶态Cr（可利用态Cr）的含量的上升。

同时发现β-葡萄糖苷酶与几丁质酶的活性降低，而且二者的根区酶活性范围减小（下两图）。这说明上述增加的可利用态Cr抑制了微生物活性。

▲  β-葡萄糖苷酶的活性空间分布图

另外，生物炭的添加导致植物地上生物量与地下生物量的比值上升，说明相对于添加有机肥料的处理和空白组，生物炭的添加促进了植物的生长。相对而言，有机肥料的施用导致地上生物量与地下生物量的比值下降，且使β-葡萄糖苷酶和磷酸单酯酶的根区影响范围最窄（下图），这可能是由于有机肥料中含有大量不稳定有机化合物及营养元素引起的，植物与微生物之间可能为争夺这些资源而展开激烈竞争，从而抑制植物地上部分的生长。同时，下图结果也表明β-葡萄糖苷酶和磷酸单酯酶的根区酶活性扩展范围比土壤热点的酶活性扩展范围宽。这主要是因为植物根部不仅释放不同种类的有机化合物，而且还向根区分泌酶来降解有机物。根际沉积物的存在也导致根区微生物活性的增强。

▲  β-葡萄糖苷酶(A)和磷酸单酯酶(B)活性的根区扩展范围; β-葡萄糖苷酶(C)和磷酸单酯酶(D)活性的非根区土壤热点扩展范围

本研究表明土壤pH状况对Cr的生物可利用性及酶活性的影响很大，而且证明相对有机肥料而言，生物炭的施用对Cr污染土壤的修复效果更好一些（下图）。本研究成果对深入理解有机肥料及其生物炭材料对重金属污染土壤的修复机理有一定的意义，且通过将原位酶谱法应用于重金属污染土壤的研究，为快速识别土壤污染提供了一种新的思路。

参考文献

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