一种降低种植在镉污染土壤中的蔬菜体内镉含量的方法

技术领域

本发明涉及重金属污染土壤处理技术领域，具体涉及一种利用巴西固 氮螺菌降低种植在镉污染土壤中的蔬菜体内镉含量的方法。

背景技术

自20世纪初发现Cd以来，Cd被广泛应用于电镀工业、化工业、电 子业和核工业等领域，相当数量的Cd通过废气、废水和废渣排入环境。 2014年环保部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显 示我国耕地Cd污染物点位超标率已达7.0％。我国大多数城市近郊土壤都 受到了一定程度的Cd污染，这些被Cd污染的土壤常用于种植瓜果蔬菜 等作物。由于Cd具有隐蔽性、较高的生物迁移性和利用性，可迅速被植 物根系吸收并积累，导致许多地方的粮食、果蔬等作物生长变差，Cd含 量严重超标，对人类的健康造成严重威胁。同时，Cd污染也极大的限制 了我国农副产品的出口量，严重削弱了我国出口企业的国际市场竞争力。 因此，如何有效缓解土壤Cd污染对作物的毒害，尤其是降低农产品中Cd 的含量已经成为人类共同关注的问题。

目前，国内外用来缓解污染土壤中Cd污染对作物的生长抑制及降低 作物体内Cd积累的方法与途径主要为：1、工程措施，如客土、换土、去 表土等方法。该方法虽然可降低土壤表层Cd污染及蔬菜体内Cd含量， 但实施工程量大、投资费用高，破坏土体结构，引起土壤肥力下降。2、 化学修复，向土壤投入改良剂(如石灰、沸石、碳酸钙)，通过对Cd的吸 附、氧化还原、拮抗或沉淀作用，以降Cd的生物有效性，但它只改变了 Cd在土壤中存在的形态，Cd仍保留在土壤中，容易再度活化危害植物。 3、生物修复，利用生物削减、净化土壤中的Cd或降低Cd毒性。其中， 常利用一些超积累植物在Cd污染农田上种植，通过Cd在根部的积累、 沉淀或根表吸收来加强土壤中Cd的固化，以去除土壤中的Cd。该方法虽 然无二次污染，但见效慢，周期长。

此外，利用微生物的方式修复土壤镉污染，降低作物Cd含量的方法 近年来被广泛研究。其主要作用原理是：(1)微生物可以降低土壤中Cd 的有效性。如王玲等(丛枝菌根对镉污染土壤的修复研究进展.广东农业 科学.2012.2:51–53.)报道丛枝菌根真菌(AM)细胞壁含有较多的几丁 质，上面有大量的重金属结合位点(如羟基、羧基、氨基等)，且AM分 泌的粘液和真菌组织中聚磷酸、有机酸可与Cd结合，以多聚磷酸盐的形 式沉积在真菌中，以减少Cd向地上部运输；(2)微生物可以吸附并积累 土壤中的Cd。如白红娟等(球形红细菌转化去除重金属镉及其机理研究. 环境科学学报.2006.26(11):1809–1814.)报道一种球形红细菌可通过表面 吸附作用降低Cd浓度。因而这些方法仍然是以改变土壤中Cd的有效性 及含量为目标的。考虑到微生物分泌螯合剂等物质或本身的吸附作用是有 限的，微生物经由上述途径对土壤Cd含量和有效性的改变也是有限的。

发明内容

本发明提供一种降低种植在镉污染土壤中的蔬菜体内镉含量的方法， 处理方法简单，处理效果好且成本低。

一种降低种植在镉污染土壤中的蔬菜体内镉含量的方法，包括如下步 骤：

在镉污染土壤的表面平铺一层基质，种植蔬菜，保持土壤持水量为 60-70％；将保藏号为CGMCC1.10379的巴西固氮螺菌(Azospirillum brasilense)菌液喷施在蔬菜根际土壤。

我国土壤环境质量标准的二级土壤Cd含量范围是0.25-1.0mg/kg；城 郊农田中Cd含量在1-5mg/kg比较常见。本发明的镉污染土壤中Cd含量 为1mg/kg～5mg/kg。

本发明研究发现植物性激素脱落酸可降低农作物中的Cd含量并改善 农作物生长，但于脱落酸分子结构中环己烯酮环易被羟基化，且羧基易被 糖基化，因此具有生物活性的脱落酸很不稳定。在实际生产中，为了降低 作物对Cd的吸收，直接将脱落酸施入被Cd污染的土壤中，并不能取得 理想的效果。

微生物巴西固氮螺菌(Azospirillumbrasilense)可以合成脱落酸，可 极大提高定殖作物的脱落酸含量。因此，本发明在Cd污染的土壤上，施 用产脱落酸的微生物菌肥获得根际微生物脱落酸的原位合成来减少植物 对Cd的吸收和积累，从而降低植物体内Cd的含量。

本发明通过研究证实：虽然该菌具有一定的固氮作用，但本发明条件 下，在无Cd污染的氮素营养充足的土壤中种植农作物时，本发明方法并 不会明显提高作物产量；相反，在Cd污染条件下，通过本发明方法却能 体现出极大的有益作用，降低作物Cd含量，并提高作物产量。因此，在 Cd污染土壤中本菌剂基于分泌脱落酸，被认为可降低土壤Cd污染中蔬菜 体内的Cd含量并有效改善作物的生长。

本发明研究发现在镉污染土壤的表层平铺一层特殊的基质，基质会进 一步促进喷施在蔬菜根部的菌剂产生脱落酸，对菌剂基于产生脱落酸以降 低蔬菜体内镉含量的效果具有协同促进作用，镉污染土壤表层铺设基质 后，经过菌液处理后的蔬菜体内镉含量得到进一步降低。

优选地，所述基质按质量比组成为：腐殖质土：蛭石：珍珠岩：锯末 土：鸡粪：草木灰＝5.5～6.5:2.5～3.5:0.5～1.5:1.5～2.5:3.5～4.5:1；最优选为： 腐殖质土：蛭石：珍珠岩：锯末土：鸡粪：草木灰＝6:3:1:2:4:1。

腐殖质土、蛭石、珍珠岩、锯末土、鸡粪及草木灰均为本领域常规原 料。鸡粪和草木灰经过充分腐熟后效果更好，即本发明优选所用为充分腐 熟后的鸡粪及草木灰。由于小白菜适宜在土层深厚、保水、排水良好，土 壤肥沃、松软，有机质含量高的土壤中生存，土壤的酸碱度(pH值)在6.5-7.0 之间最好。因此，若过酸，可用石灰调整；若过碱，可用稀盐酸中和。土 质过于疏松的，可增加鸡粪；土质过于黏重或有机质含量极低(不足1.5％) 时，应掺入锯末土等。

优选地，所述基质在蔬菜根系9-12cm范围内的镉污染土壤上平铺， 其厚度为1.5～5.5cm。最优选为3cm。此厚度既适合实际操作又能使菌剂 在基质中最大量的产生脱落酸。

优选地，每颗蔬菜每次的菌液喷施量为4～6mL，菌液中细胞浓度约 为5×10⁷～1×10⁸CFU/ml，每周喷施1～2次，共喷施4-6次。

巴西固氮螺菌可购自于中国普通微生物菌种保藏管理中心菌种库，保 藏号为CGMCC1.10379。

菌剂的培养与处理方法：①将购买到的菌种按常规的牛肉膏蛋白胨 培养基配方(牛肉膏5g、蛋白胨10g、氯化钠5g、葡萄糖5g，蒸馏水定 容至1L，调节pH7.0，121℃灭菌20min)活化摇菌一周(活化摇菌的工 艺条件为将接种后的菌种瓶放置于震荡箱内摇菌，速度为150-200转/分， 温度为30℃)；②取菌液1000mL，4000r/min离心10min，弃上清液， 将菌体悬浮于磷酸缓冲液中，离心。如此洗涤两次，加蒸馏水摇匀后细胞 浓度约为1×10⁸CFU/ml。

优选地，所述蔬菜为小白菜、菠菜、萝卜、生菜和芹菜中的至少一种。

本发明具有如下有益效果：

1)、当使用本方法时，可使Cd污染农田的蔬菜作物的产量增加 47-150％，提高生产经济效益。

2)、当使用本方法时，可使Cd污染农田的蔬菜作物体内Cd含量降 低36-55％，从而提高农产品的安全性，有益于人类健康。

3)、当使用本方法时，可使Cd污染农田的蔬菜作物Cd耐受系数提 高45-149％，增强植株抗Cd生长胁迫的能力。

综上所述，发明人经大量研究发现本方法可减少作物对Cd的吸收， 从而具有降低作物Cd含量，并缓解土壤Cd污染对作物的毒害作用，有 望为今后Cd污染农田中作物的种植提供新的技术指导。

具体实施方式

实施例1

本实施例的研究对象为含3mg/kgCd的土壤。每个试验区为1m²， 共设定7个试验区；各自混入一种复合肥(N:P₂O₅:K₂O＝17:17:17，总养 分>51％)，混入量为每顷含240kgN(氮)的氮肥、105kgP(磷)的磷 肥及199kgK(钾)的钾肥(相当于1m²氮肥的用量为含有24gN(氮) 的氮肥、10.5gP(磷)的磷肥及19.9gK(钾)的钾肥，耕作层土壤含氮 量为400mgN/kg土、含磷量为175mgP/kg土、含钾量为332mgK/kg 土)。

供试蔬菜为小白菜(品种为东妃)，播种覆土约种子直径2倍，约3-5 天出苗。发芽适温：15-25℃。发芽时间：7-10天。

每个试验区均分别进行如下操作：

(1)按照常规方式将肥料与田园土充分混匀(即，进行施肥)；

(2)基质按照腐殖质土：蛭石：珍珠岩：锯末土：鸡粪：草木灰 ＝6:3:1:2:4:1的比例进行配制后平铺厚度为3cm在田园土上(作用为促进 菌剂合成脱落酸)；

(3)移栽3-4片真叶的小白菜幼苗6株于土壤中；

(4)浇水至田间持水量的60-70％，每隔3d补水一次(即，补水至 田间持水量的60-70％)；

(5)接入菌剂。巴西固氮螺菌可购自于中国普通微生物菌种保藏管 理中心等菌种库，保藏号为CGMCC1.10379。菌剂的培养与处理方法： ①将购买到的上述菌种按常规的牛肉膏蛋白胨培养基配方(牛肉膏5g、 蛋白胨10g、氯化钠5g、葡萄糖5g，蒸馏水定容至1L，调节pH7.0，121℃ 灭菌20min)活化摇菌一周(活化摇菌的工艺条件为将接种后的菌种瓶放 置于震荡箱内摇菌，速度为150-200转/分，温度为30℃)；②取菌液1000 mL，4000r/min离心10min，弃上清液，将菌体悬浮于磷酸缓冲液中，离 心。如此洗涤两次，加蒸馏水摇匀后细胞浓度约为1×10⁸CFU/ml。在每株 小白菜根部喷施上述菌剂5ml。每周配施一次。

(6)小白菜于敞棚温室内种植1-2个月(低温(8-15℃)下可种植2 个月，气温为15-30℃则仅栽培1个月即可)后收获，测定鲜重，浓硝酸 消解后用原子吸收法测定并分析小白菜体内的Cd含量。

Cd耐受指数(TI_Cd)按Gill(2011)发表文章(GillSS,KhanNA,Tuteja N.DifferentialcadmiumstresstoleranceinfiveIndianmustard(Brassica junceaL.)cultivars:anevaluationoftheroleofantioxidantmachinery[J]. PlantSignalingandBehavior,2011,6(2):293-300.)的方法计算：TI_Cd(％) ＝3mgkg^-1Cd污染土壤中植物组织平均干重/0mgkg^-1Cd土壤中植物组 织平均干重×100。

地上部鲜重、叶片Cd含量(按干重计，下同)、Cd耐受指数(TI_Cd) 的结果如表1：

表1土壤Cd处理浓度为3mg/kg时小白菜的指标对比

实施例2

将实施例1中的“含Cd3mg/kg的土壤”改成“含Cd5mg/kg的土壤”， 其余同实施例1。所得结果如表2：

表2土壤Cd处理浓度为5mg/kg时小白菜的指标对比

实施例3

将实施例1中的“含Cd3mg/kg的土壤”改成“含Cd1mg/kg的土壤”， 其余同实施例1。所得结果如表3：

对比例1

选择在同实施例1Cd污染程度(含Cd3.0mg/kg的土壤)的土地上 进行，但试验区的土壤上不添加基质(包括腐殖质土、蛭石、珍珠岩、锯 末土、鸡粪、草木灰)。所得结果如表4：

表4土壤(无基质)Cd处理浓度为3mg/kg时小白菜的指标

对比例2

选择在同实施例1Cd污染程度(含Cd3.0mg/kg的土壤)的土地上 进行，但试验区的土壤上添加基质的质量比组成为：腐殖质土：蛭石：珍 珠岩：锯末土：鸡粪：草木灰＝6.5：2.5：0.5：1.5：4.5：1。所得结果如 表5：

表5土壤Cd处理浓度为3mg/kg时小白菜的指标

对比例3

选择在同实施例1Cd污染程度(含Cd3.0mg/kg的土壤)的土地上 进行，但试验区的土壤上添加基质的质量比组成为：腐殖质土：蛭石：珍 珠岩：锯末土：鸡粪：草木灰＝5.5：3.5：1.5：2.5：4.5：1。所得结果如 表6：

表6土壤Cd处理浓度为3mg/kg时小白菜的指标

由表1～表3及表5和表6的结果可知，在Cd污染农田蔬菜栽培过程 中，采用本发明能显著减缓Cd毒的危害，并降低作物体内的Cd含量。 可使Cd污染农田的蔬菜作物小白菜产量显著增加47-150％，Cd含量明显 降低36-55％，Cd耐受系数提高45-149％。

由表1～表3期表5和表6与表4的对比可知，本发明中基质的添加 对菌剂的处理效果具有协同促进作用，相比不添加基质，Cd污染农田的 蔬菜作物小白菜产量进一步增加，Cd含量进一步降低，Cd耐受系数进一 步提高；由表1～表3与表4和表5的对比可知，试验区土壤上添加基质 的质量比在腐殖质土：蛭石：珍珠岩：锯末土：鸡粪：草木灰＝ 5.5～6.5:2.5～3.5:0.5～1.5:1.5～2.5:3.5～4.5:1的范围内时效果明显；最优选为： 腐殖质土：蛭石：珍珠岩：锯末土：鸡粪：草木灰＝6:3:1:2:4:1。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。 显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术 人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本 发明的保护范围。