污灌農(nóng)田土壤中微生物群落碳源代謝及功能多樣性的研究

林立，王涵

（武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建武夷山354300）

污灌農(nóng)田土壤中微生物群落碳源代謝及功能多樣性的研究

林立，王涵

（武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建武夷山354300）

為研究污灌農(nóng)田土壤中微生物代謝和功能多樣性，調(diào)查了冶煉廠附近農(nóng)田土壤營養(yǎng)元素含量、重金屬含量并通過生態(tài)板法（AWCD）和Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)測定其微生物代謝特性和功能多樣性。結(jié)果顯示，農(nóng)田土壤受Cu、Cd、Pb、Zn輕度或中度污染。Cd、Zn和速效P是影響土壤微生物代謝多樣性的主要因素，重金屬刺激微生物代謝，速效P降低生物代謝。Cd可增加土壤微生物群落的功能多樣性；含量過高的營養(yǎng)元素（如速效P）會降低土壤微生物多樣性。

重金屬污染；微生物代謝特性；微生物功能多樣性；農(nóng)田土壤

土壤重金屬污染現(xiàn)象，已經(jīng)成為現(xiàn)代土壤生態(tài)環(huán)境保護的一個突出問題[1]。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大量含有重金屬的廢水、廢渣通過各種途徑污染農(nóng)田。農(nóng)田重金屬污染不僅造成作物產(chǎn)量與品質(zhì)下降，還可通過農(nóng)作物的富集作用影響人類健康，而且重金屬長期污染也可能影響農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)[2]。KANDELER等[3]認為，通過對土壤微生物特性和土壤酶活性的監(jiān)測能夠了解土壤受外界干擾的狀況。而JONER等[4]通過田間添加Al的原位實驗后得出結(jié)論，比較植物根系和土壤化學(xué)性質(zhì)，土壤微生物對污染更為敏感。同時KUPERMAN和CARREIRO在多種重金屬污染的草地生態(tài)系統(tǒng)所做的調(diào)查表明，大多數(shù)污染土壤中微生物量較低，重金屬污染對土壤微生物活性和豐富度存在不利的影響，從而影響到有機物質(zhì)降解與營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)[5]。但土壤微生物群落的變遷受多種因素制約，重金屬因素僅能部分解釋微生物群落變化。趙祥偉等[6]分析了冶煉廠附近Cu、Cd、Pb、Zn復(fù)合污染農(nóng)田微生物的遺傳多樣性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)重金屬與多樣性間不是簡單的負相關(guān)關(guān)系，最大的多樣性指數(shù)出現(xiàn)在中等污染程度的土壤中。Del V等[7]研究了含重金屬污泥的長期污染對菌根真菌的影響，研究發(fā)現(xiàn)大量施用污泥降低了真菌多樣性指數(shù)，然而污泥中等施用量反而增加了真菌豐富度與Shannon-Wiener指數(shù)。因此本研究基于這樣一個背景之下，從農(nóng)田物質(zhì)的生物循環(huán)角度，考察重金屬污染對微生物代謝功能的影響，進而探討重金屬污染對農(nóng)田物質(zhì)循環(huán)的可能影響。

1 材料和方法

1.1 土壤樣品的采集和處理

采樣點位于福建省龍巖市某冶煉廠附近農(nóng)田，農(nóng)田主要種植葉菜類，土壤大部分為粘壤。沿污灌渠，從兩岸農(nóng)田隨機抽取11個表層土壤樣品（≤20cm），運回實驗室。剔除雜物后過2mm篩，迅速進行微生物群落代謝功能分析，以及土壤理化性質(zhì)分析。部分樣品風(fēng)干、研磨后過0.1mm篩，進行重金屬含量分析。

1.2 土壤理化性質(zhì)及重金屬含量分析

采用堿解擴散法測定土壤堿解氮；鉬藍比色法測定速效磷；醋酸銨提取火焰分光光度法測定速效鉀；重鉻酸鉀氧化法測定有機質(zhì)；電位法測定土壤pH值；檸檬酸鹽-連二亞硫酸鈉碳酸氫鈉法測定游離鐵；土壤有效Cu、Cd、Pb、Zn、Ni和Co采用DTPA法提取測定[8]。

1.3 土壤微生物碳源代謝和功能多樣性分析

采用Biolog生態(tài)板分析微生物碳源代謝特性。按照說明書中的步驟進行土壤預(yù)處理并接種于生態(tài)板，28℃培養(yǎng)。分別在0、24、48、72、96、120、144和168h，使用酶標儀（TECAN-F50）于590 nm讀取平板上每個孔的OD值。

平均顯色（AWCD）計算為：AWCD=Σ（C-R）/n，其中C和R分別是響應(yīng)孔（含某一碳源）和對照孔（無碳源）的OD值，n是響應(yīng)孔的數(shù)目。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H'）計算為：H'=-ΣPiln Pi，其中Pi是第i孔OD值變化和所有孔OD值變化和的比值，即Pi=（C-R）/Σ（C-R）。Shannon even（E）計算為：E=H'/ln S，其中S是在孵育時間內(nèi)OD值變化的孔的數(shù)目。Simpson多樣性指數(shù)計算為：D=N（N-1）/Σ[ni（ni-1）]，其中ni是第i孔的OD值，N是生態(tài)板所有孔OD值總和。上述3項多樣性指數(shù)均采用96h的OD值計算。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有實驗數(shù)據(jù)均由Excel和SPSS的統(tǒng)計軟件處理，采用單因素方差分析檢驗5％最小顯著性差異（LSD）。

2 結(jié)果

2.1 農(nóng)田營養(yǎng)元素及重金屬含量狀況

分析結(jié)果見表1，11個樣品中有效態(tài)Cu濃度從7.16mg/kg到82.63mg/kg，平均值為20.94mg/kg。有效態(tài)Cd濃度在0.10mg/kg和1.47mg/kg之間變化，平均值為0.73mg/kg。有效態(tài)Pb濃度在8.23mg/kg和220.92mg/kg之間，平均值為71.29mg/kg。有效態(tài)Zn濃度在11.89mg/k與155.13mg/k之間,平均值為66.69mg/kg。有效態(tài)Ni濃度從0.13mg/kg變?yōu)?.65mg/kg，平均值為0.35mg/kg。有效態(tài)Co濃度在0.02mg/kg與0.33mg/kg之間，平均值為0.08mg/kg。這些數(shù)據(jù)表明，本研究所選樣地的土壤均遭到一定程度的重金屬污染。

土壤中游離態(tài)Fe含量從14.65mg/kg到53.41mg/kg，平均值為29.76mg/kg。有效態(tài)P從33.01mg/kg至162.83mg/kg，平均值為116.92mg/kg。有效態(tài)K從73.18mg/kg至637.98mg/kg，平均值為248.34mg/kg。堿解N含量從96.66mg/kg到222.78mg/kg，平均值為141.28mg/kg。比照《全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準》（可見下表2）可知，除4號樣品的有效態(tài)P含量只達到二級標準外，其余樣品均達到一級標準；2號、4號、5號和11號的有效態(tài)K含量達到四級標準，1號和3號樣品達到三級標準，6號樣品達到二級標準，其余樣品均超過一級標準；1號、2號、4號和5號樣品的堿解N含量達到三級標準，3號、6號和11號樣品達到二級標準，其余樣品均超過一級標準。說明待測土壤養(yǎng)分含量相對較高，土壤較為肥沃。

表1 土壤樣品的營養(yǎng)元素和重金屬含量單位：mg/kgTable 1 Heavymetals and basic properties of soil samples

表2 全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準Table 2 The second national soil grading standards

2.2 微生物代謝強度的變化

碳源代謝特征（AWCD）的變化能很好的反映土壤微生物群落功能的變遷，其顏色變化的速度快慢能反映微生物土壤微生物代謝強度高低。土壤樣品31個碳源AWCD的變化特征總體上隨培育時間增加而增加，具體表現(xiàn)為：從48h到96h間土壤微生物具有很高的代謝活性；隨后放緩，168h后，AWCD達到最大顯色水平。

在分析了AWCD變化特征與有效態(tài)重金屬、速效營養(yǎng)元素的相關(guān)性后（分析結(jié)果可見表3），發(fā)現(xiàn)：Cd具有對微生物群落最大的影響，Zn位居第二位，Pb具有較弱的效果。由于土壤樣品中Cu含量較低，Cu與微生物碳代謝之間的關(guān)系不明確。速效P對微生物活性有顯著的影響，但速效N和速效K的影響較弱。在培育時間上則表現(xiàn)為：96h AWCD與有效態(tài)Cd和Zn顯著正相關(guān)，但與有效態(tài)P顯著負相關(guān)。120h AWCD與有效態(tài)Cd和Zn正相關(guān)，并與速效P負相關(guān)。這結(jié)果表明，Cd和Zn和有速效P是影響土壤微生物代謝多樣性的兩個主要因素：Cd和Zn刺激微生物代謝，速效P降低生物代謝。

2.3 微生物群落功能多樣性的變化

土壤樣品的微生物功能多樣性指數(shù)及相關(guān)性分析如表4和表5所示。通過相關(guān)性分析可知Shannonwiener指數(shù)和Simpson指數(shù)在96h時與所有31個碳源中的23個碳源的AWCD顯著正相關(guān)，與有效態(tài)Cd正相關(guān)，但與速效P負相關(guān)。該結(jié)果說明有效態(tài)Cd可增加生物群落的功能多樣性，速效P降低農(nóng)田中微生物群落的功能多樣性。

表3 6種碳源的相關(guān)系數(shù)Table3 Correlation coefficientsin 6 typesofcarbon sources

表4 在96h時土壤微生物碳源代謝的多樣性Table 4 Diversities of soilmicrobial carbon sourcesmetabolizing at 96h

3 討論

重金屬污染對土壤微生物群落的影響極大。其影響效應(yīng)包括微生物數(shù)量和多樣性的下降，微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝功能的改變[9]。本研究表明有效態(tài)重金屬（Cd和Zn）和有效態(tài)養(yǎng)分（速效P）是影響土壤微生物代謝多樣性的主要因素。重金屬（Cd和Zn）刺激微生物代謝，速效P降低微生物代謝。Cd可增加土壤微生物群落的功能多樣性；含量過高的營養(yǎng)元素（如速效P）會降低土壤微生物多樣性。

相比于其他生物指標，AWCD更適合反映研究中微生物群落的變化。前人的研究表明碳源利用和微生物群落的代謝功能多樣性受到高濃度重金屬的顯著抑制[5]。但本研究發(fā)現(xiàn)，Cd和Zn明顯刺激土壤微生物的代謝活動。產(chǎn)生這個結(jié)論的原因可能有兩個：一方面本研究所選的受重金屬污染的農(nóng)田土壤，其重金屬濃度相對低于KUPERMAN等人[5]的研究樣品；另一方面，所選用樣品的營養(yǎng)元素和有機物含量較KUPERMAN等人[5]研究的土壤樣品更高（見表1）。在高肥力土壤中可能存在更多品種和數(shù)量的微生物，這可能為微生物群落提供更強的抗干擾的能力[11]。在長期污水灌溉農(nóng)田中進行的一項研究也表明，Cr和Zn濃度與AWCD值和微生物多樣性呈正相關(guān)[12]。

重金屬污染對農(nóng)田土壤微生物的代謝特性和功能多樣性的影響較為復(fù)雜，但從本研究結(jié)果來看中度重金屬污染和較為肥沃的土壤中Cd和Zn明顯刺激土壤微生物的代謝活動，增加功能多樣性，同時，含量過高的營養(yǎng)元素（如速效P）會降低土壤微生物代謝活動和多樣性。這一結(jié)論可為后續(xù)的研究提供一定的參考價值，同時，在田間條件下，多種環(huán)境因素同時作用于微生物群落，重金屬、營養(yǎng)元素對土壤微生物的代謝特性和功能多樣性的影響與其他因子之間的關(guān)系仍需進一步研究。

[1]BIAN Z F，INYANG H I，DANIELS J L，et al．Environmentalissues from coalmining and their solutions[J]．Mining Science and Technology，2010(20)，215-223.

[2]王廣林,王立龍,王育鵬,等.冶煉廠污灌區(qū)土壤銅和鋅污染與土壤酶活性[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2005,16(2)∶328-332.

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[4]JONER E J,EIDHUSET T D,LANGEL H,et al.Changes in the microbial community in a forest soil amended with aluminium in situ[J].Plant and Soil,2005(275):295-304.

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[6]趙祥偉,駱永明,滕應(yīng),等.重金屬復(fù)合污染農(nóng)田土壤的微生物群落遺傳多樣性研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2005,25(2):186-191.

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terial diversity promotes community stability and functional resilience after perturbation[J].Environmental Microbiology,2005(7):301-313.

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（責(zé)任編輯：華偉平）

Study on Carbon M etabolism and Functional Diversity of M icrobial Community in SewageW ater Irrigated Farm land Soil

LIN Li，WANG Han
（College Of Ecology and Resource Engineering,Wuyi University,Wuyishan,Fujian 354300）

For the study of themicrobialmetabolism and functional diversity in sewage water irrigated farmland soil,nutrient content and heavy metal content are investigated in the farm land near the smelting plant,the diversity ofmicrobialmetabolic characteristics and functions aremeasured by Average Well Color Development(AWCD),Shannon-wiener index and Simpson index.The result showes that the farm land soilwasmildly ormoderately polluted by Cu,Cd,Pb and Zn.Cd,Zn and available P are themajor factors affecting the diversity of soilmicrobialmetabolism,heavy metal stimulates the microbialmetabolism,available P reduces the biologicalmetabolism.Cd could increase the functional diversity of soilmicroflora,while high content of nutrient elements(such as available P)will reduce the soil microbial diversity.

heavymetal pollution;microbialmetabolic characteristics;microbial functional diversity;farmland soil

Q89

：A

：1674－2109(2017)06－0039－05

2017-02-27

高效脫氮菌的篩選及其復(fù)合菌的構(gòu)建（JA15528）。

林立（1987-），男，漢族，助教，主要從事景觀生態(tài)學(xué)、土壤生態(tài)學(xué)等方面研究。

王涵（1970-），男，漢族，講師，主要從事環(huán)境微生物方面研究。