生物炭對土壤中三氯生植物有效性和微生物群落結構的影響

王宇菲，羅力，陳衛(wèi)鋒，魏然，c*，倪進治,c

(福建師范大學 a.地理研究所，b.福建省植物生理生態(tài)重點實驗室，c.地理科學學院，福州 350007)

0 引言

三氯生(Triclosan, TCS)作為一種廣譜抗菌劑，自20世紀90年代被大量應用到藥品和個人護理品中后，已在越來越多的環(huán)境介質中被檢出。TCS通過生活污水進入污水處理廠，一些常規(guī)的污水處理工藝并不能將其完全去除，殘留的TCS會在污泥中累積形成潛在的污染源[1]。由于TCS水溶性低(logKow=4.76)，穩(wěn)定性強，在環(huán)境中持久存在，并能隨環(huán)境介質遷移和積累[2]。污水排放和污泥施用會導致TCS進入土壤，進而隨食物鏈危害人體健康[3]。TCS具有潛在的致癌風險，進入動物和人體后，可能會導致神經(jīng)系統(tǒng)的結構或功能性損傷[4]。有研究表明，孕婦長期暴露于TCS的環(huán)境中可能會導致男嬰出生后一系列行為表達問題，使其患多動癥及軀體化障礙等疾病的概率升高[5]。因此，TCS在土壤中殘留和生物有效性已成為目前研究的熱點問題。

生物炭是生物質高溫熱解下形成的一種材料，其有機碳含量高，孔隙結構豐富，比表面積大，對有機污染物的吸附能力很強，有機污染物能夠穩(wěn)定在生物炭表面及其孔隙結構中，因此生物炭常被用作土壤環(huán)境中有機污染物的吸附劑[6]。生物炭具有降低土壤中污染物生物積累和毒性的潛力，污染物被生物炭吸附和鎖定后，土壤孔隙水中污染物含量減少，植物根系對污染物的可接近性也會下降[7-8]。生物炭還可以提高土壤的陽離子交換量，它富含礦質營養(yǎng)元素，如N、P、K、Ca、Mg和S等[9]，能夠促進作物生長，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。另外，生物炭含有的大量可降解有機質也能夠為土壤微生物提供生長所需的底物，提高微生物活性，改變土壤微生物群落結構，微生物對污染物的降解能力也會增強[10]。

蘿卜作為日常食用的根莖類蔬菜，對土壤中污染物在食物鏈中傳遞暴露的風險性更強[11]。為了探究生物炭的添加對土壤中TCS植物有效性以及土壤微生物生態(tài)的影響，本研究利用盆栽實驗，向污泥施用的土壤中分別添加兩種不同溫度下制備的互花米草生物炭，通過分析盆栽植物蘿卜的生物量和TCS含量以及土壤微生物群落結構的變化，為生物炭的農(nóng)業(yè)利用及其阻控土壤中污染物的遷移轉化提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤采自福州閩侯大學城某水稻田，采樣深度為表面耕層0～20 cm。土樣采回后，除去石子和動植物殘體，風干后過2 mm篩。土壤pH值用哈希pH計(配PHC301玻璃復合電極)測定，水土比為2.5∶1(v∶w)，測得pH值為7.42。土壤有機碳和氮采用元素分析儀(Elementar Vario Max CN Germany)測定，含量分別為7.48和1.12 g·kg-1。土壤粒徑分布采用馬爾文激光粒度儀2000型進行測定，按照美國土壤質地分類制，土壤質地名稱為壤土。實驗所用污泥采自福州市祥坂污水處理廠沉淀池中，新鮮樣品運回后于-20℃冰箱冷凍保存。取出部分污泥樣品冷凍干燥，除去雜質后研磨過60目篩，儲存于干燥器中備用，測得污泥(干重)中TCS含量為5.87 mg·kg-1。

實驗選用互花米草作為供試生物炭原料。將互花米草置于管式爐(江蘇前錦爐業(yè)設備有限公司, O-KTF1200)，持續(xù)通入高純氮氣，恒溫熱解2 h，制備溫度為300℃和600℃。兩種溫度下制備的生物炭分別用BC300和BC600表示。將生物炭研磨后過60目篩，密封存儲于棕色瓶中備用。稱取一定量的生物炭于石英舟中，在馬弗爐中750℃下灼燒6 h，測得灰分重量。利用元素分析儀測定生物炭中C、H、N元素的百分含量，由生物炭總量減去C、H、N元素和灰分的含量后即得到O元素含量。生物炭的比表面積(BET-N2)用NOVA-2000E表面分析儀進行測定。生物炭pH的測定方法為，稱取0.5 g生物炭加入50 mL超純水，充分搖勻后靜置過濾，測定溶液的pH值。生物炭的基本性質見表1。

表1 供試生物炭基本性質Table 1 Properties of the tested biochars

盆栽植物為中蔬紅櫻桃蘿卜(RaphanussativusL.var.radculuspers，又名四季蘿卜)，種子購于北京金土地農(nóng)業(yè)技術研究所。

1.2 盆栽實驗

向一定量土壤中分別添加0%、1%、2%和5%的BC300或BC600生物炭，使其總重量均為450 g，再加入50 g污泥(干重)，全部混合均勻后裝入陶瓷花盆，調(diào)節(jié)土壤含水量為田間含水量的60%，置于溫室平衡穩(wěn)定2周。提前將蘿卜種子撒在去離子水浸潤的濾紙上催芽，待種子發(fā)芽后移栽。播種深度2～3 cm，每盆8株，盆栽時間為90 d，設置種植和未種植蘿卜2種處理，每種處理3個重復。期間用去離子水補充水分。90 d后收獲蘿卜植株，將每一植株分為莖葉和根系兩部分，清洗干凈后放入冷凍干燥機。將凍干的植物樣品稱重后粉碎，過60目篩用于TCS的檢測。將土壤樣品分成兩部分，一部分冷凍干燥后過60目篩，用于TCS的檢測，另一部分新鮮土樣過2 mm篩，-80℃保存用于PLFAs測定。

1.3 土壤與植物中TCS的提取與定量

利用超聲方法對土壤與植物中TCS進行提取，提取劑為丙酮，提取物的凈化采用C18凈化柱，洗脫溶劑為乙腈，詳見姚思睿等[12]的研究。TCS的測定參照羅力等[13]的方法，即采用超高效液相色譜系統(tǒng)(Waters ACQUITY UPLCTM)配紫外檢測器，外標法定量。色譜柱為Waters ACQUITY UPLCTM BEH C18柱(50 mm×2.1 mm，1.7 μm)，流動相為乙腈和超純水，比例為各50%，流速0.3 mL·min-1；檢測波長280 nm，柱溫40℃，進樣量3.0 μL。采用向土壤中添加TCS標準品計算回收率的方法來保證TCS提取和測定過程中的質量保證和控制。當土壤中TCS的添加量為0.1、1.0和10 mg·kg-1時，回收率分別為108.8%±2.6%、101.5%±1.3% 和94.9%±2.5%。

1.4 土壤微生物磷脂脂肪酸分析

稱取8.0 g相當于干土重的鮮土，依次添加磷酸緩沖液、三氯甲烷和甲醇提取，并用硅膠柱凈化分離土壤中的磷脂脂肪酸，再加入甲醇與甲苯混合液(1∶1,v/v)和0.2 mol·L-1氫氧化鉀溶液進行皂化和甲基化形成脂肪酸甲酯。利用氣相色譜儀(Agilent 6890 N)并結合MIDI微生物識別系統(tǒng)(MIDI Inc., Newark, DE)對微生物群落的脂肪酸進行鑒定，土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFAs)的提取與測定具體方法詳見楊美玉等[14]的方法。

2 結果與討論

2.1 生物炭對蘿卜生物量及其TCS含量的影響

植物根系對土壤中的TCS具有一定的富集能力，未添加生物炭的對照處理，蘿卜根系中TCS的平均含量為660 μg·kg-1，但添加生物炭處理下，蘿卜根系中都未檢出TCS(表2)，說明生物炭能夠有效抑制蘿卜吸收土壤中的TCS。可能是生物炭添加后，吸附了土壤中游離的TCS，降低了土壤孔隙水中TCS的濃度以及TCS在土壤中的遷移，使得植物無法吸收富集土壤中的TCS[8]。此外，未添加生物炭處理的蘿卜莖葉中也未檢出TCS，說明TCS很難從根系向莖葉轉移，這可能與TCS水溶性相對較低有關。

表2 不同處理下蘿卜生物量及其體內(nèi)TCS含量Table 2 Biomass and TCS contents of radish under different treatments

2.2 生物炭對土壤中TCS可提取量的影響

由圖1可知，盆栽前以及盆栽90天后未種植和種植蘿卜的土壤中TCS可提量都隨著生物炭添加量的增加而下降，說明生物炭的添加可以明顯降低土壤中TCS的可提取量。與盆栽前相比，未種植蘿卜的對照中，只有添加1%BC300和2%BC600處理的土壤中TCS可提取量有顯著降低(P<0.05)，其他處理的土壤中TCS可提取量都無顯著性變化；而種植蘿卜后，除了添加2%BC300和5%BC300的處理外，其他處理的土壤中TCS可提取量均有顯著降低(P<0.05)，說明了種植蘿卜會促進土壤中TCS的消解。生物炭的熱解溫度及其添加量對土壤中TCS可提取量都有一定的影響。在同種生物炭的不同處理下，生物炭的添加量越多，土壤中TCS可提取量減少的幅度越大。在盆栽前和未種植蘿卜的土壤中，添加相同比例BC600的土壤中TCS可提取量均明顯高于添加BC300；而在種植蘿卜的土壤中，添加相同比例BC600的土壤中TCS可提取量均顯著低于添加BC300(P<0.05)，說明了高溫制備的生物炭BC600具有較大的比表面積(表1)，對TCS吸附能力要強于低溫制備的生物炭BC300，使土壤中的TCS消解量減少；而種植蘿卜后，植物根系分泌物中的有機酸可能會促進生物炭中養(yǎng)分的 釋放[15]。由于BC600的灰分含量高于BC300(表1)，受根系分泌物的影響，其釋放的養(yǎng)分可能也會多于BC300，激發(fā)了土壤中能降解TCS的微生物活性，進而促進TCS的降解[16]。

生物炭對土壤中有機污染物環(huán)境行為的影響是多方面的。生物炭的比表面積越大，孔隙度越豐富，對有機污染物的吸附能力越強，添加到土壤中后會影響有機污染物的生物和化學降解[17]。生物炭也能通過改變土壤pH和釋放養(yǎng)分等途徑來影響土壤微生物對有機物污染物的降解[18]。此外，生物炭中含有的持久性自由基也會促進土壤中有機污染物的化學降解[19]。

2.3 生物炭對土壤中微生物群落結構的影響

土壤中TCS的降解與土壤微生物之間的關系密不可分，為了進一步探究不同生物炭處理下土壤中TCS含量的減少與土壤微生物群落結構之間的關系，對盆栽90 d后土壤中微生物PLFAs進行了提取分析。由圖2可知，土壤微生物群落以細菌(包括革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌)為主，細菌PLFAs占微生物PLFAs總量的72.34%～78.43%，其次為真菌(9.50%～13.93%)，最后是放線菌(5.15%～9.30%)和叢枝菌根真菌(4.09%～5.62%)。

與未添加生物炭的對照相比，添加生物炭明顯增加了土壤中微生物PLFAs總量[20]，增加率范圍為6.85%～224.87%(圖2)。熱解溫度不同的生物炭對土壤微生物PLFAs含量影響很大，在未種植蘿卜的處理中，添加BC300較未添加生物炭的土壤PLFAs總量增加了6.85%～13.62%，而添加BC600較未添加生物炭的土壤PLFAs總量增加了180.72%～224.87%(圖2a)。這可能是由于生物炭加入土壤中，未破壞土壤的酸堿平衡，同時提高了土壤碳氮比，土壤中硝化作用增強[21]，更有利于微生物生存利用，因此提高微生物活性，使微生物量增多[22]。種植蘿卜的處理中，添加BC300和BC600較未添加生物炭的土壤微生物PLFAs總量分別增大了0.24%～5.77% 和69.93%～246.31%(圖2b)。整體上看，未種植蘿卜的土壤中，同種生物炭的不同添加量對土壤微生物PLFAs總量影響較小；種植蘿卜的土壤中，BC300的添加量對土壤微生物PLFAs總量影響甚微，而BC600的添加量越多，土壤微生物PLFAs總量越高。與未種植蘿卜相比，種植蘿卜對添加BC300的土壤中PLFAs總量幾乎沒什么影響，種植蘿卜明顯提高了添加5%BC600的土壤中微生物PLFAs總量，但卻明顯降低了添加1%BC600的土壤中微生物PLFAs總量。以上結果說明了生物炭與蘿卜的共同作用能顯著影響土壤中微生物的數(shù)量[23]，種植蘿卜對土壤中PLFAs含量的影響程度要取決于生物炭的種類以及生物炭的添加水平，也就是說生物炭是影響土壤中PLFAs含量的主要因子。

根據(jù)土壤中檢測出的脂肪酸種類和數(shù)量，對土壤微生物群落結構進行了主成分分析，結果如圖3所示。第一主成分對PLFAs數(shù)據(jù)變異解釋的比例是85.37%，第二主成分對PLFAs數(shù)據(jù)變異解釋的比例為6.82%，總共解釋了微生物群落結構變化的92.19%。在PC1軸上，添加BC300和BC600的不同處理分別聚集在一起，說明生物炭種類對土壤微生物群落結構的影響較大[24]。生物炭的添加改變了土壤的通氣性和持水性，使土壤微生物群落結構發(fā)生變化[25]。BC300不同處理間的離散程度明顯低于BC600，且更靠近未添加生物炭的對照，說明了添加BC600及其不同添加量對土壤微生物群落結構的影響程度要明顯大于BC300。在PC2軸上，添加不同比例生物炭未種植蘿卜的樣本間離散度較大，且BC600不同添加量之間的離散度要遠大于BC300，說明生物炭添加量對土壤微生物群落結構也有一定的影響，且BC600添加量的不同對微生物群落結構的影響要大于BC300。種植蘿卜的樣本在PC2軸上的值都較為集中，說明種植蘿卜能夠在一定程度上降低生物炭添加量對土壤微生物群落結構改變的影響。

3 結論

互花米草制備的兩種生物炭BC300和BC600都具有較高的灰分含量和較大的比表面積，土壤中適量添加(1%或2%)兩種生物炭都可以促進蘿卜的生長，并且都能夠明顯降低土壤中TCS的可提取量，有效抑制蘿卜根系對土壤中TCS的吸收。相比較而言，BC600灰分含量更高、比表面積更大，對蘿卜生長和降低土壤中TCS的生物有效性要優(yōu)于BC300。此外，BC600的添加還能顯著改變土壤微生物群落結構，而種植蘿卜可以在一定程度上降低生物炭對土壤微生物群落結構的影響。本研究中的生物炭來源于互花米草，污染物為TCS，植物為蘿卜，研究結果是否具有可推廣性還不得而知，未來應開展生物炭和污染物的種類以及農(nóng)作物品種等不同組合實驗方面的研究，以期為生物炭應用于污染土壤的農(nóng)業(yè)安全利用提供更多的數(shù)據(jù)支撐。