籽粒苋在修复镍污染土壤中的应用和方法

1.本发明是籽粒苋在修复镍污染土壤中的应用和方法，具体涉及籽粒苋在修复镍污染土壤中的应用以及使用籽粒苋修复镍污染土壤中的方法，属于土壤修复技术领域。


背景技术：

2.据全国土壤污染调查公报，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。工矿业、农业等人为活动以及土壤环境背景值高是造成土壤污染或超标的主要原因。我国土壤总超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。
3.在土壤污染金属中，镍（ni）的点位超标率为4.8％，仅次于镉（7％），污染状况十分严重。在中国著名的“镍城”金昌采集的10个污染土壤样品中，土壤镍含量为139-1099mg /kg，平均值为300mg/kg，远远超过了中国土壤环境质量ⅱ级土壤标准中ni含量(gbl5168-1995)。通过对东莞市118处农业表层土壤取样调查表明东莞市农业土壤ni含量为2-58mg/kg，平均值为21mg/kg，也远高于广东省土壤中ni的背景值。由于镍在不锈钢合金生产、化工、电池生产以及电镀表面处理等方面广泛应用，在生产过程中处理不当产生的废水和废弃物排放，已导致我国相当一部分土地被镍污染。
4.镍在土壤中的存在形态主要有无机结合态、沉淀态、络合或吸附在有机阳离子表面、交换态、水溶态、自由离子或螯合态。虽然是生物体所需的微量元素，但同时它也具有潜在的毒性。当生物体内积累过量的镍时，导致细胞的结构和生理过程发生改变，阻滞生长发育。镍对植物的毒害作用主要表现在：抑制叶绿素合成，破坏蛋白质合成，造成金属元素缺乏，导致生物量减少。镍对植物的毒性会在酸性土壤介质、缺乏营养的生态系统和植物稀少的条件下加剧。镍过多的镍通过呼吸道进入人体吸收会伤害肺，引起肺水肿、急性肺部炎症及癌症，如喉癌、肺癌、前列腺癌和鼻癌等。因此，土壤ni污染已对土地资源可持续利用与农产品安全生产构成威胁，而能高效修复镍污染土壤的方法仍然缺乏。
5.土壤重金属污染的生物修复技术主要利用植物、微生物等生物有机体将重金属进行吸附、沉淀、提取或转化来去除，具有快速、安全、高效和费用低的优点。其中，植物修复是通过植物的根系直接吸收土壤中的重金属元素，并通过收获植物地上部分来修复被污染的土壤，包括：植物吸取、植物稳定、植物挥发。
6.植物根际促生菌（pgpr）是指依附在植物根际表面，通过产生植物生长激素如吲哚乙酸、赤霉素、脱落酸或细胞分裂素等，分泌1-氨基环丙烷-1-羧酸 (acc)脱氨酶 、生物固氮 、溶解无机磷酸盐 、拮抗植物病源菌入侵等方式缓解重金属等环境因子胁迫，促进植物生长发育。植物根际促生菌还可分泌生物表面活性剂、有机酸、氨基酸等对土壤进行酸化以提高土壤中重金属的有效态，从而促进植物对土壤中重金属的吸收。同时，植物促生菌还可以使植物免受重金属的毒害作用，植物也提高了对逆境的忍耐能力，从而促进植物修复效率的提高。因此，将微生物和植物联合起来共同修复镍污染土壤是一种高效且应用潜力巨大的联合生物修复技术。例如公开号为cn109570225a的发明专利公开的一种提高镍污染土
壤植物修复效率的方法，可选择拟南芥、东南景天、蜈蚣草、印度荠菜、海洲香薷、龙葵、向日葵或李氏禾作为修复植物，种植于待修复镍污染土壤中，在修复植物的生长周期中，定期向修复植物的根部的土壤中接种保藏号为cgmcc 4.1290的云南原小单孢菌(promicromonospora yunnanensis)菌液，可以促进植物吸收土壤中的ni，达到提高植物修复土壤ni污染效率的效果。
7.籽粒苋（amaranthus hybridus l.），又称绿穗苋，是苋科、苋属草本植物。现有技术中常被作为富集土壤中重金属元素镉的修复植物，例如公开号为cn109047307a的发明专利公开的籽粒苋在修复土壤重金属镉污染中的应用，以及为促进籽粒苋对土壤中镉污染的修复，公开号为cn111360063a的发明专利还公开了一种强化籽粒苋修复镉污染耕地的方法，通过向镉污染耕地土壤中移栽籽粒苋，同时向镉污染耕地土壤中施用可降解螯合剂nta，可以提升籽粒苋对耕地土壤中镉的富集能力。
8.目前未见籽粒苋在镍污染土壤修复中的应用和研究。因此，为促进镍污染土壤修复技术的发展，找到和开发一种可应用于镍污染土壤修复的修复植物和方法是关键。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供籽粒苋在修复镍污染土壤中的应用，是一种高效、环保、安全的通过植物来实现的镍污染土壤修复。
10.本发明的另一目的在于提供一种使用籽粒苋修复镍污染土壤的方法，利用籽粒苋发达的根系、生长速度快、生物量大来吸收提取土壤中的镍，促进镍污染土壤修复。
11.本发明通过下述技术方案实现：籽粒苋在修复镍污染土壤中的应用。
12.在待修复镍污染土壤中种植籽粒苋种子或移栽籽粒苋幼苗，同时配合使用植物根际促生菌。
13.所述配合的方式包括以下方式中的一种或多种：（1）将含有植物根际促生菌的菌剂作为拌种剂与籽粒苋种子拌种；（2）将含有植物根际促生菌的菌剂稀释后灌溉籽粒苋幼苗；（3）将含有植物根际促生菌的肥料作为底肥施用。
14.所述植物根际促生菌包括芽胞杆菌wdgj11和苍白杆菌mgj11。
15.一种使用籽粒苋修复镍污染土壤的方法，在待修复镍污染土壤中种植籽粒苋种子或移栽籽粒苋幼苗。
16.还包括使用植物根际促生菌，使用方式包括以下方式中的一种或多种：（1）将含有植物根际促生菌的菌剂作为拌种剂与籽粒苋种子拌种；（2）将含有植物根际促生菌的菌剂稀释后灌溉籽粒苋幼苗；（3）将含有植物根际促生菌的肥料作为底肥施用。
17.所述植物根际促生菌包括芽胞杆菌wdgj11和苍白杆菌mgj11。
18.所述灌溉时菌剂的用量是使土壤中植物根际促生菌的菌数量为0.01-0.1亿个菌细胞/g土壤；所述底肥满足0.2亿个菌细胞/g生物有机肥，其用量为0.5-1kg生物有机肥/株籽粒苋。
19.上述芽胞杆菌wdgj11首次记载于现有专利文献cn105779334a中，已于2016年1月27日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心（简称cgmcc,地址:北京市朝
阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，邮政编码：100101），保藏编号为cgmcc no .12111。上述苍白杆菌mgj11首次记载于现有专利文献cn105670955a中，已于2015年9月16日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称cgmcc，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，邮政编码：100101)，保藏编号为cgmcc no .11385。可发酵培养成菌剂或加工成菌肥后施用。
20.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：（1）本发明通过实验证实籽粒苋对镍污染土壤具有良好的修复效果。当土壤ni含量达到1000 mg/kg时依旧存活，表明籽粒苋对高浓度的ni具有很强耐受性，满足于植物修复重金属污染的基本特性，籽粒苋富集土壤ni在植物体内分布为根》叶》茎。
21.（2）本发明确认了籽粒苋和植物根际促生菌（pgpr）可以建立良好的联合修复体系，pgpr在不同程度镍污染土壤中能显著促进籽粒苋的生长，提高植株的根长、株高、生物量及营养元素的积累量，提升籽粒苋对镍的抗逆性及富集量，其中在土壤ni含量1000 mg/kg时富集系数提升效果最佳。
22.综上所述，本发明基于籽粒苋对镍污染土壤的修复能力，并进一步使用植物根际促生菌（pgpr），用籽粒苋发达的根系、生长速度快、生物量大来吸收提取土壤中的镍，再结合植物根际促生菌的促生作用来促进籽粒苋植株的生长及提高籽粒苋对土壤中镍的抗逆性和修复效率。
附图说明
23.图1为为实施例1的不同处理的籽粒苋生长状况。
24.图2 为不同处理的籽粒苋镍富集系数。
具体实施方式
25.以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。
26.在本发明中，如无特殊说明，用于解释浓度的“%”均为重量百分比，“：”均为重量比，“份”均为重量份。
27.在以下实施例中，实验土壤的成分为：将蛭石和泥炭土以体积比为1：2的比例混匀作为盆栽土（理化性质为：ph=7.4，全氮含量0.74%，全磷含量17.23%，全钾含量1.15%，水解氮含量456.75 mg/kg，有效磷含量 34.07 mg/kg，速效钾含量770.00 mg/kg，有机质含量16.21 g/kg，ni含量为0），分装到熟料的盆栽盆中待用，分装量为5公斤/盆。
28.用niso4·
6h2o溶液浇灌，人工模拟的不同浓度的镍污染土壤作为待修复土壤，即：根据盆栽土壤的干重计算需要加入的niso4·
6h2o的量，用配置到的好niso4·
6h2o溶液将放干的盆栽土浇透，获得ni
2+
含量为200mg/kg、400mg/kg、600mg/kg、800mg/kg、1000mg/kg、1200mg/kg的镍污染盆栽土壤，稳定40天后进行修复实验。
29.以下实施例中采用市售的植物根际促生菌（pgpr），该产品是具有吲哚乙酸iaa、溶磷、解钾的芽孢杆菌，是用牛肉膏蛋白胨液体培养基进行摇瓶培养24小时，获得约10亿细胞/ml的菌悬液。
30.实施例1：取长势一致苗高约为10cm的籽粒苋幼苗移栽到人工模拟的镍污染土壤中，苗间距
保持20-30cm，待幼苗返青后，将10亿细胞/ml的菌悬液稀释40倍浇灌盆栽籽粒苋苗，使得土壤中pgpr菌细胞数量约为0.05亿细胞/g土壤。
31.将盆栽籽粒苋放在室外培养，后期进行浇水、除草等常规管理，培养3个月后采集籽粒苋植株与土壤的样品进行相关指标测定。
32.重复5次，并以不含ni的土壤（即不浇灌niso4·
6h2o溶液）和不浇灌植物根际促生菌（pgpr）作为ni污染土壤的对照和植物根际促生菌的效果对照，结果如图1所示。
33.从结果可见，在镍污染土壤环境中，籽粒苋均存活，表明籽粒苋土壤ni具有较强的耐受性。
34.在籽粒苋幼苗返青后用pgpr稀释液浇灌的籽粒苋长势优于对照组，随着土壤ni含量的增加，籽粒苋的株高和根长均呈现下降的趋势。对照组的籽粒苋根长在土壤ni含量400 mg/kg时生长受到明显抑制而下降，加入pgpr混合菌剂的籽粒苋根长在土壤ni含量1000 mg/kg时生长才受到明显的抑制；土壤ni含量0-800 mg/kg范围内，加pgpr混合菌剂籽粒苋株高显著（p《0.05）高于ck组，在土壤ni含量达到1000 mg/kg时，两组处理的籽粒苋株高较之前均出现明显的下降。表明在土壤高含量ni的胁迫下，pgpr混合菌剂可以提高促进植物的生长，提高籽粒苋对ni的抗逆性。
35.实施例2：通过靛酚蓝比色法、钒钼黄比色法、火焰光度法法分别测定实施例1的籽粒苋根、茎、叶的氮、磷、钾含量，如表1、2、3所示。
36.可以看出，各处理中籽粒苋各部分的氮、磷、钾含量表现为叶部＞茎部＞根部，表明镍污染土壤对于籽粒苋具有明显的抑制性。
37.其中，表1可见籽粒苋各部位氮含量总体上随土壤ni含量的增加呈现下降的趋势，且施加pgpr混合菌剂的籽粒苋在土壤ni含量0-1000 mg/kg范围内各部位n含量显著高于ck组，表明pgpr混合菌剂的加入能增强籽粒苋的固氮能力。
38.表2中，施加pgpr混合菌剂处理的籽粒苋根、茎、叶磷含量均高于ck组，分别增加了11.46%-61.87%、19.44%-121.46%、2.66%-85.67%。茎部磷含量增加最多，平均增加了42.65%，表明pgpr能够提高籽粒苋对镍污染土地的抗逆性。
39.表3中籽粒苋的钾含量随土壤ni含量的增加出现先增加后减少的趋势，且增加或降低的幅度均不大，但施加pgpr菌剂的籽粒苋钾含量在土壤浓度0-1000 mg/kg范围内各部位均显著（p《0.05）高于ck组。籽粒苋的营养元素含量特征变化进一步证明了pgpr混合菌剂的加入促进植物的生长。
40.表1 不同处理的籽粒苋氮含量表2 不同处理的籽粒苋磷含量
表3 不同处理的籽粒苋钾含量进一步利用hno
3-hclo4消解后用icp-ms测定籽粒苋各部分对土壤中重金属ni的富集后的镍含量，结果为根》叶》茎（表4），且添加pgpr混合菌剂的籽粒苋各部位ni含量都高于ck组，根部增加量最多，平均增加了18.57 mg/kg，叶部和茎部分别平均增加了10.06%和4.62%，表明pgpr混合菌剂的加入提高了籽粒苋对土壤ni的富集能力。
41.在土壤ni含量0-1000 mg/kg范围内，籽粒苋各部位的ni含量随土壤ni浓度的增加而增加，在土壤ni含量增加到1200 mg/kg时，籽粒苋富集的ni出现了明显的下降，表明在土壤ni含量1200 mg/kg时籽粒苋对ni的富集受到了明显的抑制。
42.进一步计算籽粒苋对土壤ni的富集系数，评估籽粒苋富集ni的能力，计算公式如下：ni富集系数=。
43.如图2所示，加入pgpr混合菌剂处理的籽粒苋对土壤ni的富集系数高于ck组，表明pgpr菌剂可以提高籽粒苋对土壤ni的富集能力。ck组籽粒苋的富集系数差异不大，pgpr组在土壤ni含量200-600 mg/kg范围内呈现下降趋势，在600-1000 mg/kg呈现上升趋势，在土壤ni含量1000 mg/kg时达到最高，为15.79%，比ck组提高了8.89%，表明pgpr菌剂对籽粒苋富集ni能力的提高在土壤ni含量为1000 mg/kg时达到最佳。
44.表4 不同处理的籽粒苋镍富集量
本发明通过实验证实籽粒苋对镍污染土壤具有良好的修复效果。当土壤ni含量达到1000 mg/kg时依旧存活，表明籽粒苋对高浓度的ni具有很强耐受性，满足于植物修复重金属污染的基本特性，籽粒苋富集土壤ni在植物体内分布为根》叶》茎。
45.进一步地，本发明确认了籽粒苋和pgpr可以建立良好的联合修复体系，pgpr在不同程度镍污染土壤中能显著促进籽粒苋的生长，提高植株的根长、株高、生物量及营养元素的积累量，提升籽粒苋对镍的抗逆性及富集量，其中在土壤ni含量1000mg/kg时富集系数提升效果最佳。
46.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。