重金屬鎘對土壤呼吸和土壤微生物群落的影響研究

陸文龍，徐松巍，李英華*

(1.吉林化工學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，吉林吉林132022;2.中國石油吉林石化公司乙烯廠，吉林吉林132022)

土壤微生物幾乎參與土壤中的一切生物及生物化學(xué)反應(yīng)，在土壤功能及土壤發(fā)育過程中直接或間接地起重要作用，包括對動植物殘體的分解、養(yǎng)分的儲存轉(zhuǎn)化及污染物的降解等隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類的生產(chǎn)和生活活動向土壤中施用了大量的農(nóng)藥和化肥，排放了大量的工業(yè)與生活廢棄物，雖然這可以提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，同時也解決城市垃圾和工業(yè)污水排放的問題，但由于土壤的自凈能力有限，當(dāng)污染物含量超過了土壤容量時，就造成了對生態(tài)環(huán)境和人類健康的影響，甚至威脅著人類生存［1-2］.20世紀(jì)80年代初，我國在全國范圍內(nèi)開展了首次污灌區(qū)灌溉水和土壤質(zhì)量的調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我國污灌區(qū)受重金屬污染以Cd和Hg的污染面積最大，問題最突出.本文通過對重金屬鎘污染土壤的微生物量和土壤呼吸的測定，旨在探索重金屬污染與土壤微生物學(xué)指標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系，為污染土壤的質(zhì)量評價、生物治理及環(huán)境修復(fù)提供理論依據(jù)［3-4］.

1 材料與方法

1.1 樣品采集和前處理

1.1.1 樣品的采集

土壤樣點的設(shè)置是在自然概況和預(yù)實驗土壤樣品初步分析的基礎(chǔ)上，選擇遠(yuǎn)離城市中心的松花湖庫區(qū)人為活動影響較弱的地方，經(jīng)實驗室檢測重金屬鎘含量未檢出，屬于自然無污染土壤.確定的采樣點上，先用小土鏟去掉表層3 cm左右的土壤，5 cm厚層進(jìn)行取樣，樣點的面積為20 cm2.

1.1.2 樣品的前處理

將新鮮濕土樣平鋪于干凈的紙上，弄成碎塊，攤成薄層(厚約2 cm)，放在室內(nèi)陰涼通風(fēng)處自行干燥.去除土壤中較大的石礫、植物根須等物質(zhì).土壤研磨過孔徑為2 mm土壤篩用于外源添加Cd以及測定染毒后的土壤呼吸和土壤微生物量.

1.2 添加外源鎘土壤污染實驗

1.2.1 土壤鎘染毒實驗

用電子天平稱取14 g硫酸鎘(約含5 g鎘)溶于100 mL容量瓶中，稀釋到刻度并搖勻，從中用移液管移取10 mL溶液放入100 mL容量瓶中，稀釋到刻度并搖勻，再從中量取10 mL溶液均勻噴灑到裝有100 g過篩土壤的燒杯中，使其自然風(fēng)干并混勻待測.

1.2.2 樣品濃度設(shè)置

根據(jù)上述方法添加外源鎘，使鎘濃度為0.5、1、3、5、10 mg/kg，染毒土壤供測土壤呼吸、微生物群落.同樣以去離子水作對照處理［5］.

2 測定方法

2.1 土壤呼吸測定方法

本試驗采用直接吸收滴定法(密閉法)測定，即在密閉系統(tǒng)內(nèi)放置土壤及過量的CO2吸收劑(本試驗采用1 mol/LNaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液)，直接吸收土壤產(chǎn)生的CO2，然后測定剩余的吸收劑，以確定CO2釋放量.滴定法操作簡便，花費少，不需要復(fù)雜的設(shè)備，局限性在于測定精度不理想［6］.

稱取50 g供試土壤于1 000 mL密閉土壤培養(yǎng)罐中，使其均勻地平鋪于罐底部.將盛有10 mL 1 mol/L標(biāo)準(zhǔn)NaOH的50 mL小燒杯置于罐中，密封罐口后移至25℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，24 h后取出小燒杯，測定CO2含量分別于試驗開始后第7、14、21、28、35、42 d 測定土壤呼吸強(qiáng)度.每個處理重復(fù)3次.

CO2測定方法:從燒杯內(nèi)準(zhǔn)確吸取5 mLNaOH溶液于50 mL三角瓶中，加3 mL，1.5 mol/LBaCl2，滴入2～3滴酚酞指示劑，立即用1 mol/L標(biāo)準(zhǔn)HCl溶液滴定剩余的NaOH至紅色消失.

2.2 土壤生物量測定方法

微生物量的測定(CFU法):菌落總數(shù)的測定，將被檢樣品制成幾個不同的10倍遞增稀釋液，然后從每個稀釋液中分別取出1 mL置于滅菌平皿中與營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基混合，在一定溫度下，培養(yǎng)48 h后，記錄每個平皿中形成的生物群落數(shù)量，依據(jù)稀釋倍數(shù)，計算出每克原始樣品中所含生物群落總數(shù).

3 結(jié)果與討論

3.1 鎘對土壤呼吸的影響

土壤呼吸強(qiáng)度是土壤微生物活性的體現(xiàn)，可用來衡量微生物生命活動的強(qiáng)度.也是研究土壤重金屬污染的一項重要生物學(xué)參數(shù).

圖1為不同鎘濃度處理條件下土壤呼吸的強(qiáng)度柱狀圖.圖中可見，(1)除重金屬鎘釋放量1 mg/kg濃度組的土壤呼吸表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制外，其他實驗組均表現(xiàn)為抑制作用;(2)隨著重金屬鎘施加濃度的增加，土壤呼吸(CO2釋放量)逐漸減小，表明鎘濃度對其影響較大;(3)隨著重金屬施用時間的增加，促進(jìn)作用逐漸消失，Cd的添加表現(xiàn)為以抑制作用為主，這很可能是由于土壤的生態(tài)環(huán)境，使得重金屬離子的分布更加均勻，增加了與微生物的接觸所致.

圖1 鎘對土壤呼吸作用的影響

3.2 鎘對土壤微生物量的影響研究

實驗結(jié)果表明，見圖2，在同一濃度組中，隨著染毒時間的增加，土壤微生物的數(shù)量呈下降趨勢，總的來說染毒時間越長則數(shù)量越少.在不同濃度組之間，土壤微生物數(shù)量的變化比較明顯.如第14 d對照組的土壤動物總數(shù)為93個，而在同樣的時間段高濃度組總數(shù)為30個，僅為對照組的32.25%，說明了污染濃度對土壤動物的數(shù)量有非常明顯的影響.

圖2 鎘對土壤生物量的影響

Fliebbach等的研究也表明，低濃度的重金屬能刺激微生物的生長，而高濃度則導(dǎo)致土壤微生物量碳的明顯下降.Nosir的研究發(fā)現(xiàn)長期受工業(yè)廢水污染的土壤，微生物量遠(yuǎn)低于正常土壤.本人的實驗結(jié)果與國外研究學(xué)者基本相似.

4 結(jié) 論

實驗室測試結(jié)果，外源Cd的添加對土壤生物活性具有阻抑作用.但是由于環(huán)境因子的復(fù)雜性，土壤微生物作用的多樣性，Cd對不同土壤生物活性不但具有抑制作用，在某些條件下還具有促進(jìn)作用.重金屬Cd污染對不同的土壤生化過程具有不同效應(yīng)，作為表征土壤總體生物活性的重要參數(shù)，低濃度Cd的添加對土壤呼吸強(qiáng)度產(chǎn)生一定刺激作用，高濃度則產(chǎn)生抑制，而且施藥濃度越高，受抑制程度越強(qiáng).在同一濃度組中，隨著染毒時間的增加，土壤微生物的數(shù)量呈下降趨勢，總的來說染毒時間越長則數(shù)量越少.在不同濃度組之間，土壤微生物數(shù)量的變化比較明顯，說明了污染濃度對土壤動物的數(shù)量有非常明顯的影響.根據(jù)重金屬對土壤動物數(shù)量影響的規(guī)律，可以揭示土壤受污染的程度.因此，微生物可以作為土壤重金屬污染的重要評價指標(biāo).

［1］龍健，黃昌勇.礦區(qū)重金屬污染對土壤環(huán)境質(zhì)量微生物學(xué)指標(biāo)的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2003，22(1):60-63.

［2］段學(xué)軍，盛清濤.土壤重金屬污染的微生物學(xué)效應(yīng)［J］.中原工學(xué)院學(xué)報，2005，16(1):1-4.

［3］Giller Ken E，Witter Ernst，Mcgrath Steve.Toxicity of heavy metals to microorganisms and microbial processes in agricultural soils:a review［J］.Soil Biochemistry，1998，30:1389-1414.

［4］Wenderoth D F，Reher H H.Development and comparison of methods to estimate the catabolic versatility of metalaffected soil microbial communities［J］.Soil Biology Biochemistry，1999，31:1793-1799.

［5］段學(xué)軍，閔航.Cd脅迫下稻田土壤生物活性與酶活性綜合研究.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報［J］.2004，23(3):422-427.

［6］HattoriH.Influence of heavy metals on soil microbial activities［J］.Soil Science and Plant Nutrition，1992，38:93-100.