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根瘤菌与土壤胶体


第 17 卷 第 1 期 1998 年   月 2

华              中 农 业 大 学 学 报 Journal of Huazhong Agricultural University

Vol. 17   1 No. Feb.    1998

mg/ kg [ 1 ] 。适量铜是植物生长所必需的 , 但过多的铜不利于植物生长 , 还会污染土壤 , 通过食

物链 ,经生物浓缩进入人体而危害人类健康 。铜进入土壤后 ,可被土壤各种组分和或微生物吸 附、 固定 ,并决定着土壤铜的存在状态 、 迁移和转化 。土壤固相的表面性质是影响铜在土壤中 吸附的最重要的因素 [ 2~5 ] 。有关农药 [ 6 ] 、 氨基酸 [ 7 ] 等有机物对矿物表面吸附铜影响的研究涉 及到微生物的很少 。土壤微生物是土壤中活的有机胶体 。数量庞大 、 表面活性强的细菌与土 壤矿物 、 胶体的相互作用可以显著改变土壤重金属的形态和活性[ 8~10 ] 。因此 ,研究细菌等微 生物对土壤组分吸附铜的影响 ,对了解土壤铜的存在状态和去向 ,减轻土壤铜污染 ,保护土壤 环境质量 ,提高作物产量和品质等有重要的理论和实际意义 。本研究旨在探讨根瘤菌对两种 酸性土壤的胶体及氧化铁吸附 Cu 的影响 。

1  材料和方法
1. 1   材料

线衍射分析鉴定 。用乙二醇乙醚法测定出它们的比表面分别为 83m2 / g 和 597m2 / g 。 2) 土壤胶体 : 采自湖北省咸宁市温泉的红壤 ( RS) 和孝感市的黄棕壤 ( YBS) , 经超声波分 μ 散 ,沉降法分离 < 2 m 的土壤胶体 , 制成 Ca2 + 饱和胶体 。黄棕壤胶体的主要粘土矿物为1. 4 nm 矿物 、 水云母 、 高岭石 , 晶形氧化铁含量 362g/ kg , 非晶形氧化铁 48g/ kg , 有机质 20. 9g/
kg ,比表面 245m2 / g 。红壤胶体主要为高岭石 、 水云母和 1. 4nm 矿物 , 晶形氧化铁含量 338g/ kg 和非晶形氧化铁 56g/ kg , 有机质 18. 7g/ kg ,比表面 187m2 / g 。 3) 供试根瘤菌为快生型大豆根瘤菌 ( R hiz obi u m f redii ) C6 ,分离自湖北省洪湖市潮土 。
收稿日期 :1997209217

黄巧云 ,男 ,1964 年生 ,博士 ,副教授 . 工作单位 : 华中农业大学资源环境与农业化学系 ,武汉 430070

3 国家自然科学基金 (49601011) 和国际科学基金 (c/ 252721) 资助课题

根瘤菌与土壤胶体 、 氧化铁对重金属的吸附 : Ⅰ 铜的吸附 3 .
黄巧云1)   吴剑媚1)   付永清1)   陈雯莉2)
( 华中农业大学资源环境与农业化学系 , 武汉 430070 ;
1) 2)

农业部华中农业大学农业微生物重点开放实验室 ,武汉 430070)

摘要   研究了快生型大豆根瘤菌 ( R hizobi u m f redii ) C6 对红壤与黄棕壤的胶体 、 针铁矿 、 非晶

形氧化铁等吸附 Cu 的影响 。结果表明 : ① 土壤胶体 、 矿物与根瘤菌共存体系对 Cu 的吸附仍符合 附量较无菌时增加 ,尤其是比表面小的针铁矿吸铜量增加较多 , 比表面大的非晶形氧化铁的吸铜 着体系中根瘤菌量的增加 ,红壤与黄棕壤的胶体和针铁矿的吸铜量增加 ,非晶形氧化铁则略降 。 关键词   根瘤菌 ; 土壤胶体 ; 氧化铁 ; 铜 ; 吸附 中图法分类号  S 154. 381

Langmuir 方程 ,相关系数达 0. 99 以上 。 ② 根瘤菌存在下 ,红壤与黄棕壤的胶体和针铁矿对铜的吸

量降低 。根瘤菌的参与改变了供试土壤胶体 、 氧化铁对铜吸附量的顺序 。 ③ 在一定菌量范围 , 随

铜 ( Cu ) 是土壤中常见的重金属元素 , 其背景值大约在 10 ~ 40mg/ kg 之间 , 平均为 22

1) 针铁矿 ( G) 和非晶形氧化铁 ( N - Fe) 按 At kinson 等 ( 1967 ) 的方法合成 [ 11 ] , 并经 X - 射

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华中农业大学学报

第 17 卷  

p H 至 6. 8~7. 2 。 2) 菌体的收集 。根瘤菌在斜面培养基上培养 , 并从中取菌体 , 每 50ml YMA 培养基接种

一勺于 28 ℃ 下振荡培养 24h , 将培养好的菌液离心 ,倾去上清液 ,加无菌水洗 2 次 ,再离心 ,倾 去上清液 。 3) 吸附实验 。 ①向 10ml 菌悬液离心洗涤后得到的菌体 ( 3. 0 × 8 个/ ml ) 中分别加入红 10 壤、 黄棕壤胶体 、 针铁矿和非晶形氧化铁各 50mg , 再分别加入浓度 ( mmol/ L ) 0. 2 、 4 、 6 、 0. 0. 0.
8 、 0 、 4 、 8 、 0 的 CuCl2 溶液 5ml ,以 1mmol/ L 的无菌 KNO3 溶液作支持电解质 ,土液比 1. 1. 1. 2.

为1/ 100 。体系 p H 值控制在 5. 5 左右 。在 28 ℃ 下摇动 19h ,静置平衡 5h ,离心 ,收集上清液 , 2+ 用原子吸收光谱法测定上清液中 Cu 离子浓度 。根据加入 CuCl2 的量与平衡液中 Cu 的浓度

计算土壤及氧化铁的吸铜量和加入细菌后体系的吸铜量 。 同时分别做纯细菌和供试土壤胶体 ( 矿物) 吸附 Cu 的对照实验 。 ② 用培养皿稀释计数法测定吸附实验后各种体系中细菌的存活 数。③ 取不同量菌悬液 ( 2ml 、 ) 的根瘤菌 ,分别稀释至 10ml ,按 ① 5ml 的实验方法比较菌量对氧 化铁矿物和土壤胶体吸附 Cu 的影响 。

2  结果与讨论

1. 2   方法 1) YMA 培养基的配制 。称取甘露醇 10. 0g ,酵母粉 0. 4g , K2 HPO4 0. 5g ,NaCl 0. 1g ,Mg2 SO4 ? H2 O 0. 2g ,CaCl2 ? H2 O 0. 1g ,加 Rh 微量元素液 4ml ,用去离子水将其定容至 1000ml , 调 7 6 2. 1   供试氧化铁矿物和土壤胶体对 Cu 的吸附
图1  土壤胶体和氧化铁对铜的吸附等温线
Fig. 1   Adsorption isotherm of Cu on soil colloids and Fe oxide s

由图 1 可见 ,随着平衡液铜离子浓度的增加 ,供试土壤胶体和铁氧化物对铜的吸附量迅速

  1期 第

黄巧云等 : 根瘤菌与土壤胶体 、 氧化铁对重金属的吸附 : Ⅰ. 铜的吸附

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上升 ,红壤与黄棕壤的胶体和针铁矿很快达到饱和 ,非晶形氧化铁的铜吸附量增加相对缓慢 。 经拟合 Langmuir 方程计算的供试土壤胶体和氧化铁矿物对铜的最大吸附量的顺序为 : 非晶形 氧化铁 ( 128. 2mmol/ kg) > 黄棕壤 ( 108. 7mmol/ kg) > 针铁矿 ( 95. 2mmol/ kg) > 红壤 ( 72. 5 mmol/ kg) 。非晶形氧化铁对铜的吸附量最大 ,主要与其有巨大的比表面和铜离子在表面的专 性吸附有关 。红壤胶体和针铁矿的比表面较小 , 主要由高岭石 、 、 铁 铝氧化物等组成 , 对 Cu2 + 的吸附主要是专性吸附 [ 2 ] 。黄棕壤胶体主要成分为 1. 4nm 矿物 、 水云母 、 高岭石和少量的铁 铝氧化物 ,其对 Cu 的最大吸附量比针铁矿和红壤胶体的高 ,但比非晶形氧化铁的低 。这与它 对铜离子的吸附可能以静电交换作用为主有关 。 2. 2   同一菌量下土壤胶体和矿物体系对铜的吸附

图2  根瘤菌与土壤胶体 、 矿物体系对铜的吸附等温线
Fig. 2   Adsorption isotherm of Cu on soil colloids and Fe oxide s in the pre sence of R. fredii C6

从图 2 可以看出 ,加入的各种细菌体系对 Cu 的吸附等温线均与 Langmuir 方程呈较好相 关 ,相关系数多在 0. 99 以上 。在 Cu 平衡浓度小于 0. 1mmol/ L 时 ,各处理的吸附量上升很快 , 而在铜的浓度大于 0. 1mmol/ L 之后 ,曲线趋于平缓 ,吸附逐渐达到饱和 。以加入 10ml 菌液的 处理来看 ,红壤胶体 、 非晶形氧化铁 、 针铁矿和黄棕壤胶体的对铜的吸附量 ( mmol/ kg) 分别由 零迅速升至 60 、 、 和 110 。细菌为带负电荷的有机胶体 , 它既能通过其静电作用吸附重 70 100 金属 ,又能通过细胞膜的肽聚糖 、 脂多糖层螯合固定重金属[ 5 ] 。细胞壁所含有机化合物如几 丁质 、 谷氨酸 、 精氨酸等也可吸持重金属[ 11 ] 。但供试根瘤菌体本身吸附固定重金属的能力与 土壤胶体和矿物比较是很小的 。经测定 ,10ml 根瘤菌 C6 的最大吸附量远低于 50mg 供试土 壤胶体或氧化铁矿物对 Cu 的最大吸附量 : C6 ( 7. 5 × - 5 mmol ) < < 红壤 ( 3. 63 × - 3 mmol ) 10 10 - 3 - 3 < 针铁矿 ( 4. 76 × 10 mmol) < 非晶形氧化铁 ( 6. 4 × 10 mmol) 。这说明 ,根瘤菌与土壤胶体 或氧化铁矿物混合体系对 Cu 的吸附容量主要决定于土壤胶体或氧化铁矿物对铜的吸附量 。

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图3  不同菌量时 ,根瘤菌与土壤胶体 、 矿物对铜的吸附等温线
Fig. 3   Adsorption isotherm of Cu on soil colloids and Fe oxide s in the pre sence of different amount of R. fredii C6

红壤 、 黄棕壤胶体和针铁矿对 Cu 的吸附量加根瘤菌后有不同程度的增加 ,但非晶形氧化 铁体系加根瘤菌后对 Cu 的吸附量减小 。根据 Langmuir 方程计算表明 , 根瘤菌 C6 的加入使 红壤与黄棕壤的胶体和针铁矿对 Cu 的最大吸附量 ( mmol/ kg) 分别增加 16. 0 、 3 和 33. 0 , 16. 使非晶形氧化铁对 Cu 的最大吸附量减少 17. 1 mmol/ kg ( 表 1) 。这些结果表明 ,加入 C6 10ml 菌液使红壤胶体 、 黄棕壤胶体体系对铜吸附量的增加相当 ,使针铁矿体系对铜的吸附量增加很 多 , 而使非晶形氧化铁体系的吸附量减少 。这与它们与根瘤菌之间发生相互吸附作用有关 , 细菌表面阴离子基团既可通过静电引力吸附于带正电荷的矿物表面 ,也可通过阳离子桥接作 用结合于粘粒表面带负电荷的点位[ 12 ] , 非晶形氧化铁的比表面较大 , 可能吸附或粘附较多的 细菌 ,较多的表面点位被菌体掩盖 ,对铜的吸附量降低 。比表面较小的红壤胶体和针铁矿体系 中 ,可能有相对多的细菌与粘粒独立存在 ,各自都能吸附铜 ,使得铜吸附量比加细菌前增加较 多 。导致加入 10ml 根瘤菌 C6 后对铜的吸附容量顺序发生变化 : 针铁矿 ( 128. 2mmol/ kg) > 黄棕壤125. 0mmol/ kg) > 非晶形氧化铁 ( 111. 1mmol/ kg) > 红壤 ( 88. 5mmol/ kg) 。这些结果意

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黄巧云等 : 根瘤菌与土壤胶体 、 氧化铁对重金属的吸附 : Ⅰ. 铜的吸附

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味着 ,在自然土壤中 ,虽然一定数量的细菌本身对重金属离子的吸附容量并不很大 ,但由于它 与各种土壤无机 、 有机胶体的胶结作用 ,使它与没有细菌参与的土壤胶体对重金属的吸附能力 明显不同 。
2. 3   菌量对土壤胶体和矿物吸附 Cu 的影响

从加不同菌量后的体系吸附铜的等温线来看 ,不同量根瘤菌的存在 ,除改变体系的吸附量 外 ,对等温线的形状基本无影响 ,且都符合 Langmuir 方程 。从图 3 可以看出 ,在低铜离子浓度 范围 ( < 0. 1mmol/ L ) ,加菌量为 2ml 、 和 10ml 时 , 体系对铜的吸附等温线几乎与未加菌的 5ml 体系的吸附等温线重叠 。说明在 Cu 离子平衡浓度较低时 , 加细菌量的多少对改变土壤胶体 或氧化铁矿物吸附 Cu 的影响不大 。因为低浓度的铜可完全被胶体和矿物表面吸附 , 细菌与 固相表面的交互作用不足以影响体系对 Cu 的吸附量 。随着体系 Cu 离子浓度的加大 ,加菌与 未加菌的体系的吸附等温线逐渐分开 。在较高的铜离子浓度时 ,随着根瘤菌菌量从 2ml/ 管加 大到 5ml/ 管和 10ml/ 管 ,体系的 Cu2 + 吸附量一般呈增加趋势 。如分别加入 2ml 、 和 10ml/ 5ml 管的 C6 处理 ,红壤胶体体系的最大吸附量 ( mmol/ kg) 分别为 75. 19 、 33 和 88. 5 ,比未加菌 76. 处理的最大吸附量 ( mmol/ kg) 分别增加了 2. 73 、 87 和 16. 04 ; 黄棕壤胶体体系对 Cu 的最大 3. 吸附量 ( mmol/ kg) 分别为 121. 95 、 35 和 125. 0 ,较未加菌处理的分别增加了 13. 25 、 76 123. 14. 和 16. 3 ( mmol/ kg) ; 针铁矿对 Cu 的最大吸附量分别为 103. 1 、 26 和 128. 21 ( mmol/ kg) ,比 105. ( mmol/ kg) 。在 3 种菌量下 ,根瘤菌 C6 的存在 未加菌处理的分别增加了 7. 86 、 02 和 32. 97 10. 均使非晶形氧化铁的吸铜量降低 ,菌量增加愈多 ,吸铜量降低愈显著 。
表1  土壤胶体 、 氧化铁矿物与根瘤菌体系吸附 Cu 的拟合 Langmuir 方程的有关参数
Table 1 Some parameters of Cu adsorption in different soil colloid and Fe oxide s systems with and without the pre sence of Rhizobium
Systems RS RS + C6/ 2 RS + C6/ 5 RS + C6/ 10 YBS YBS + C6/ 2 YBS + C6/ 5 YBS + C6/ 10 G G + C6/ 2 G + C6/ 5 G + C6/ 10 N - Fe N - Fe + C6/ 2 N - Fe + C6/ 5 N - Fe + C6/ 10
r X m ( mmol/ kg) K ( kg/ mmol)

△X m
2. 7 15. 7 12. 3 14. 8 16. 3 7. 9 10. 1 33. 0 - 10. 6 - 10. 6 - 17. 1

0. 994 1 1 0. 997 0. 999 0. 999 0. 997 0. 997 1 1 1 0. 998 0. 996 0. 992 0. 997 0. 998

72. 5 72. 8 75. 2 88. 5 108. 7 121. 9 123. 5 125. 0 95. 2 103. 1 105. 3 128. 2 128. 2 117. 6 117. 6 111. 1

11. 5 50. 7 26. 6 14. 3 46. 0 27. 3 16. 2 40. 0 47. 7 48. 5 95. 0 39. 0 7. 8 8. 5 10. 6 22. 5

许多学者认为 ,固相表面的吸附优先发生在活性较强的点位即结合能较高的点位 。由于 本实验体系比较复杂 ,细菌既有单独存在的 ,也有与矿物胶结在一起的 。因此 ,从不同菌量的 体系吸附铜的结合能常数 (Langmuir 方程中的 K 值) 看不出明显的规律 ,但是 ,从表 1 可以看

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华中农业大学学报

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出 ,加入根瘤菌后 ,红壤胶体和非晶形氧化铁体系对铜的吸附结合能增加 ,针铁矿体系的 K 值 有增有减 ( 多数增加) ,而黄棕壤胶体的则都减小 。这说明 ,细菌的存在对供试的土壤胶体和氧 化铁矿物吸附铜的强度的影响不同 。 参      考 文 献
1  夏增禄 . 土壤元素化学分析法 . 北京 : 环境科学出版社 ,1992 2  武玫玲 . 土壤对铜离子的专性吸附及其特征的研究 . 土壤学报 , 1989 , 26 : 31~41 3  陆雅海 , 朱祖祥 , 袁可能等 . 针铁矿对重金属离子的竞争吸附研究 . 土壤学报 , 1996 , 33 : 78~84 4  王维君 , 邵宗臣 , 何群 . 红壤粘粒对 Co 、 、 和 Zn 吸附亲和力的研究 . 土壤学报 ,1995 , 32 : 167~177 Cu Pb 5  周代华 , 李学垣 , 徐凤琳 . Cu2 + 在针铁矿表面吸附的红外光谱研究 . 华中农业大学学报 , 1996 , 15 (2) : 153~156 6  王果 , Bourgeois S , Bermond A. 3 种农药对 Cu2 + 在蒙脱石和δ Al2O 3 上吸附的影响 . 土壤学报 , 1996 , 33 : 344~350 ~ 7  周代华 , 李学垣 , 徐凤琳 . 谷氨酸对氧化锰表面 Cu2 + 吸附的影响及其机理 . 华中农业大学学报 , 1995 , 14 (5) :455~457 8  Bert helin J , Munier C , Leyval C. Effect of microorganisms on mobility of heavy metals in soils. In : Huang P M , Bert helin J , Bollag J M , etc , ed. Environmental Impact of Soil Component Interactions (Vol. 1) , Florida : CRC Press , 1995. 3~17 9  Beveridge T J , Koval S F. Binding of metals to cell envelopes of Escherichia Coli K212 . Appl Environ Microbiol , 1981 , 42 : 325~335 viron Microbiol , 1982 , 43 : 1011~1015 face. J Phys Chem , 1967 , 71 : 550~558 P M , Berthelin J , Bollag J M , etc , ed. Environmental Impact of Soil Component Interactions(Vol. 1) . Florida : CRC Press , 1995. 123~143

ABSTRACT   effects of Rhizobium f redii C6 on the adsorption of Cu on the colloids of red soil (RS) The and yellow brown soil ( Y ) , goethite and noncrystalline Fe oxide (N2Fe) were studied. The results showed BS that the adsorption isotherm of Cu on soil colloids and Fe oxides in the presence of Rhizobium fitted Langmuir equation well (r > 0. 99) . There were greater amount of Cu adsorbed in the colloid systems of RS , Y and BS goethite with the presence of Rhizobium than those in the corresponding systems without Rhizobium . The greatest increase of Cu adsorption was found in goethite (with smaller surface area) system. The system of Rhizobium and N - Fe adsorbed less Cu than pure N - Fe ( with larger surface area) system. The sequences of the amount of Cu adsorbed on examined soil colloids and oxides with and without the presence of Rhizobium were very different. With the increase of the number of Rhizobium in each system , the amount of Cu adsorbed on RS , Y and goethite increased whereas decreased on N - Fe. BS KE WOR  Rhizobium , soil colloid , Fe oxide , Cu , adsorption Y DS

10  Kurek E , Czaban J , Bollag J M. Sorption of cadmium by microorganisms in competition wit h ot her soil constituents. Appl En2 11   kinson R J , Posner A M , Quirk J P. Adsorption of potential - determining ions at t he ferric oxide aqueous electrolyte inter2 At 12  Theng B K G, Orchard V A. Interactions of clay with microorganisms and bacterial survival in soil : A physicochemical perspective. In : Huang

ADSORPTION OF HEAVY METALS ON R HI ZOB IU M , SOIL COLLOIDS AND Fe OXID ES : I. ADSORPTION OF Cu
Huang Qiaoyun   J ianmei  Fu Yongqing   Wu Chen Wenli
( Huaz hong A gricult u ral U ni versity , W uhan 430070 , Chi na )


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