柳晓光 张亮 刘畅 王雨晨 杨红霞 宗宝超

中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750

废弃矿山的生态修复是我国近年来生态环境保护工作的重点之一，开展矿山生态修复也是近年来的热点工作之一。废弃矿山通常存在比较严重的土壤污染，尤其是重金属污染，以石墨矿为例，由于淋滤、渗透作用，尾矿堆及周边普遍存在明显的重金属污染，对植物的生长产生不利影响，并通过食物链进入人体危害健康。Cd 是石墨尾矿库的主要重金属污染元素[1]，是重金属元素中生物毒性最大的元素之一，对人的肾脏、肺、肝、大脑、骨骼和血液等各系统产生毒性，具有致癌、致畸、致突变的严重危害[2]。

在对土壤重金属污染治理的诸多方法中，使用超富集植物对重金属进行吸收是一种经济、环保的方法，适合大面积的土地修复，但存在修复效率较低的缺陷[3]。土壤中只有一部分活化的离子态Cd 可以被植物吸收、利用，固化的络合态的Cd 不能被直接吸收活化态的Cd 称为有效Cd，有效Cd 在污染土壤Cd 中所占的比例通常是稳定的，但近年来的研究发现以芽孢杆菌为代表的微生物可以一定程度的提高有效Cd 的比例，提高植物的修复效率，形成微生物-植物联合修复技术。

龙葵（Solanum nigrum L.）是Cd 的超富集植物，具有生物量大、适应能力强等优点，在修复Cd 污染中具有较大的潜力，但吸收效率较低[4]。龙葵对重金属Cd 的积累随着土壤中该重金属浓度的增加而增加，提高土壤中有效Cd 的浓度，可有效提高修复效率[5]。

胶质芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus)又称硅酸盐细菌，广泛存在于自然界中，无毒无害，对环境比较友好，抗逆性强，可以提高土壤中有效态Cd 的含量，从而有利于植物对Cd 的吸收[6]。同时，胶质芽孢杆菌可以将土壤中的K、P 转换成可溶态供植物吸收，促进植物生长，进一步提升超富集植物吸收重金属的效率[7]。本次通过盆栽试验研究龙葵+胶质芽孢杆菌的植物-微生物组合在修复石墨尾矿砂Cd 污染中的效率。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤：采自山东平度兴强石墨矿尾矿库，取样深度为表层30～50cm，对试验用尾矿砂进行3mm 过筛处理，筛去大颗粒的石渣、杂草等，分散风干，保持干燥，静置后检测备用。供试土壤中Cd 含量为0.75mg/kg，有效Cd 的含量为0.065mg/kg，PH 值为7.44。

供试植物：龙葵种子由河北农林科学院旱作农业研究所提供。

供试菌剂：胶质芽孢杆菌由天津环微生物技术有限公司提供，有效菌种数量为1×109cfu/g。

1.2 试验设计

盆栽试验在无菌温室环境下进行，室内环境温度控制在25℃左右，湿度保持在50%～60%。每个试验盆装试验土壤4kg。

试验分为2 组，分别为接种胶质芽孢杆菌的实验组和不接种胶质芽孢杆菌的对照组，每组包括3 个试验盆栽。

试验组将胶质芽孢杆菌干剂添加到海藻有机肥中，微生物浓度为5×107cfu/g，菌剂与有机肥充分混合后在20～30℃的环境下发酵48h，制备微生物有机肥，经检测海藻有机肥中的重金属含量在检出限以下，对试验结果不产生影响。在每盆实验土壤中添加50g 制备好的微生物有机肥，作为底肥混拌均匀。对照组添加同等质量未接种胶质芽孢杆菌的海藻有机肥。

选取龙葵种子经消毒处理后，在30℃恒温培养箱内催芽，发芽后移至育苗盘，置于温度25℃左右、湿度50%～60%的环境下培养。

龙葵育苗、移栽完成后，将胶质芽孢杆菌菌剂以1∶500 的比例进行稀释，用专用喷壶均匀的喷洒在植物根部，每个试验盆喷洒30ml。共进行2 次微生物的根灌接种，第1 次接种在幼苗移栽成活后的第2 天，第2 次接种在第一次接种的45天之后。

试验第一周行移栽龙葵幼苗定株，保持各试验盆中幼苗数量3 株，存活数量未达到3 株的进行补种。为保障植物生长状态良好，需每隔2 日对龙葵进行灌溉，保持土壤湿润，并及时调整绿植对光角度。第六周龙葵由开始的两片细叶长出分叶，并且茎部维度增长较快，植物稳定性较好。第八周试验组与对照组龙葵生长状态出现差异，接种芽孢杆菌的龙葵生长状态更好，叶片由细长变为椭圆形。龙葵经过15 周生长，完成了一个完整的生长周期，然后开展一系列样品采集、样品测试、结果分析。

2 样品采集及分析

2.1 样品采集及分析方法

15 周以后对龙葵植物进行采样。剪摘地上部分烘干称重后装袋。土壤样品在试验盆栽内分点采集，点位均匀布置，单个土壤样品重量不小于200g。土壤中有效Cd 采用DTPA 浸提，植物及土壤中的Cd 采用电感耦合等离子体质谱ICP-MS法测定。

2.2 分析结果

本次试验对试验前供试土壤、龙葵+胶质芽孢杆菌试验组、龙葵对照组进行测试分析，分析项目包括土壤中Cd 含量、土壤中有效Cd 含量、土壤PH 值、植物吸收的Cd 含量（表1）。

表1 样品分析结果表 Table 1 Analysis result of the samples

3 讨论

3.1 龙葵+胶质芽孢杆菌对试验土壤中PH的影响

pH 是影响土壤中重金属生物有效性的重要因素之一[8]，土壤pH 值对植物生长也具有重要影响[9]。植物的生长过程中，根部会产生一系列分泌物，从而改变土壤的理化性质。试验前土壤为弱碱性，PH 值为7.44；对照组种植龙葵后土壤样品的PH 值7.43，二者没有明显的变化，龙葵在生长过程中的分泌物对土壤PH 值的影响较小；龙葵+胶质芽孢杆菌的试验组土壤的pH 值为7.25，有一定程度的降低。试验结果显示，胶质芽孢杆菌可以通过新陈代谢产生草酸、柠檬酸等有机酸，从而降低PH 值，使偏碱性的尾矿砂趋向酸碱适宜，促进植物生长，提高土壤中重金属的活性。

3.2 胶质芽孢杆菌对土壤中Cd 的生物活性及龙葵吸收Cd 浓度的影响

污染土壤中Cd 离子与土壤粒子之间的结合十分紧密，形成状态稳定的络合物，不容易被超富集植物提取和吸收。胶质芽孢杆菌在繁殖、生长的过程中会产生一系列代谢产物，杨卓等[10]利用反向高效液相色谱测定胶质芽孢杆菌发酵液中的成分，发现这些代谢产物包括柠草酸、檬酸、苹果酸等有机酸，而这些有机酸能改变土壤Cd存在形态，将更多固化络合物状态的Cd 转变为有效Cd，提高重金属的生物活性，促进植物对于重金属的提取和吸收[11]。

有效Cd 的含量决定了植物对Cd 吸收的效率，试验前土壤中的有效Cd 含量为0.065mg/kg，单一种植龙葵的对照组有效Cd 含量0.063mg/kg，单一种植龙葵对土壤中有效Cd 含量的影响极小。龙葵+胶质芽孢杆菌的实验组土壤中有效Cd 含量为0.092mg/kg，与单一种植龙葵的对照组相比有效Cd 的含量提高了46.03%。

胶质芽孢杆菌提高了土壤中有效Cd 的含量，可以大幅促进龙葵对Cd 的吸收，从而提升龙葵修复土壤Cd 污染的效率。试验组龙葵在接种胶质芽孢杆菌后，龙葵中Cd 的浓度达到0.84mg/kg，与单一种植龙葵的对照组0.68mg/kg的Cd 浓度相比，接种胶质芽孢杆菌将龙葵吸收Cd 的浓度提高了23.53%，富集系数提高至1.31。

3.3 胶质芽孢杆菌对龙葵生物量的影响

龙葵在Cd 的胁迫下生物量有明显的降低，提高龙葵生物量，尤其是地上可收割部分的生物量，是提高龙葵修复效率的重要途径[12]。胶质芽孢杆菌具有解磷、解钾的作用[13]。试验结果显示，接种芽孢杆菌的龙葵单株平均干重量是对照组的112%，芽孢杆菌可以一定程度促进龙葵生长，提高龙葵的生物量，进一步提高龙葵对Cd 的吸收效率。

3.4 龙葵+胶质芽孢杆菌对土壤的净化能力

龙葵中的Cd 累积量是该种植物体内所累积的某种重金属浓度与其生物量的乘积[14]。胶质芽孢杆菌对龙葵吸收Cd 的效率的提升主要体现在两个方面：一是通过解磷、解钾促进龙葵生长，提高生物量；二是通过提高土壤中Cd 的生物活性，促进龙葵对Cd 的吸收。试验前土壤中Cd 的含量为0.75mg/kg，通过对比试验前、后土壤中Cd 元素的含量，试验组和对照组在种植龙葵后土壤中Cd 含量都有一定程度的降低。在单一生长周期内，仅种植龙葵的对照组的净化率为8%，接种胶质芽孢杆菌的试验组净化率达到了14.7%，有显著提高（表2）。使用龙葵+胶质芽孢杆菌的植物-微生物组合可有效降低石墨尾矿砂中Cd 的含量，对修复石墨尾矿砂中重金属污染有良好的效果，较单独种植龙葵效率更高。

表2 试验组合的富集系数及净化率 Table 2 Enrichment coefficient and purification rate of the test combination

4 石墨尾矿砂的龙葵种植技术

本次试验以石墨尾矿砂作为供试土壤，石墨尾矿砂质地松散、保水性差、几乎不含任何营养成分和有机物，堆积多年都是寸草不生，使用龙葵-胶质芽孢杆菌的植物-微生物组合来治理尾矿砂的污染存在实际工程应用难题。

笔者所在研究团队经过多次失败和方法改进后，终于在盆栽试验中实现了在石墨尾矿砂中种植龙葵，除了施肥、灌溉、保温，保证足够的养分、水分、空气以及适宜的温度外，总结出几个关键的技术要点：

（1）育苗移栽

选择在培养盒内育苗，待幼苗根系生长到一定程度后再移栽的方法。

（2）加盖遮阳布

幼苗根系十分脆弱，为保证成活率，除了保证足够水分和适宜温度外，还要对新移栽的幼苗做避阴处理，因此加盖了遮阳布，之后枯萎现象逐渐得到恢复，大面积种植时也可以用薄膜遮阳。

（3）有机肥粉碎、旁施

由于石墨尾矿砂比较贫瘠，试验前需加入较多的有机肥，幼苗根系生长钻进这些有机肥颗粒，容易被过量的营养成分烧死。于是对表层的试验土壤进行过筛，将大颗粒的有机肥进行粉碎后，重新加入到试验土壤中，施肥的地点避开幼苗一段距离，幼苗成活率超过80%。

5 结论

（1）龙葵具有生物量大、适应性强等特点，是理想的修复Cd污染的超富集植物，采取合理的技术措施可以实现在石墨尾矿砂中种植。

（2）胶质芽孢杆菌通过分泌有机酸可以有效降低土壤中的PH值，提升土壤中有效Cd的含量，从而促进龙葵对Cd的吸收。

（3）胶质芽孢杆菌可以通过解磷、解钾促进龙葵生长，提高龙葵的生物量，进一步提高龙葵吸收Cd的效率。

（4）试验表明，使用龙葵+胶质芽孢杆菌的植物-微生物组合比单独种植龙葵在降低石墨尾矿砂中的Cd污染中有更高的效率。

综上所述，龙葵+胶质芽孢杆菌在治理石墨尾矿重金属污染中有较大的潜力。