胡敏酸和富里酸對土壤中DnBP降解及微生物數(shù)量的影響規(guī)律

李玉雙, 劉厶瑤, 趙曉旭, 宋雪英, 侯永俠, 魏建兵, 徐 碩

(1. 沈陽大學 環(huán)境學院, 遼寧 沈陽 110044;2. 莆田學院 環(huán)境與生物工程學院, 福建 莆田 351100)

鄰苯二甲酸酯(phthalic acid esters, PAEs)是一類重要的環(huán)境激素類有機污染物,是近年來備受國內(nèi)外學者和公眾關注的一類全球性環(huán)境污染物.土壤中的PAEs主要來自于塑料薄膜(包括地膜和棚膜)、城市污泥農(nóng)用、施用肥料和污水灌溉等[1].據(jù)統(tǒng)計,我國每年塑料地膜的使用面積約為1 500萬hm2,地膜殘留量高達12.10萬t[2],殘留在土壤中的地膜會釋放出PAEs,經(jīng)過淋溶、揮發(fā)和沉降等過程,最終在土壤中形成累積.調(diào)查研究表明我國農(nóng)田土壤普遍遭受了PAEs污染[3-6],其中尤以鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯(di-(2-ethylhexyl) phthalate, DEHP)和鄰苯二甲酸正二丁酯(di-n-butyl phtalate, DnBP)的檢出率和污染水平較高[7-8],部分地區(qū)土壤中這2種污染物質(zhì)量分數(shù)之和高達總PAEs污染物的90%[9-10].

土壤腐殖質(zhì)可以吸附大部分存在于土壤中的 PAEs,不同組分對有機污染物的吸附能力及穩(wěn)定性有很大差異[11-12].胡敏酸(humic acid,HA)和富里酸(fulvic acid, FA)是土壤中重要的溶解性腐殖質(zhì)組分,二者分子結(jié)構(gòu)中含有大量羧基、羥基等活性基團[13],易結(jié)合土壤中有機污染物,并影響土壤有機污染物的環(huán)境歸宿,因此引起了環(huán)境科學及其相關領域?qū)W者的廣泛關注[14].

土壤微生物是土壤中各物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的動力,對有機質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成過程都有重要作用[15-17].在自然環(huán)境中,土壤中PAEs的主要降解途徑是微生物降解,微生物降解包括好氧生物降解和厭氧生物降解2種方式.土壤微生物群落結(jié)構(gòu)作為土壤微生物的活性指標在一定程度上反映了PAEs污染條件下土壤微生物活性及其對有機物降解過程的變化.

本文以腐殖質(zhì)的重要組分HA和FA為研究對象,以DnBP為目標污染物,通過土壤培養(yǎng)實驗,研究外源HA和FA對土壤中DnBP降解的影響規(guī)律及其與土壤微生物數(shù)量變化的關系,以期為深入理解PAEs在土壤中的降解行為及其污染土壤生物修復提供理論基礎和數(shù)據(jù)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤采自遼寧省沈陽市新民蔬菜基地農(nóng)田,采樣點地理坐標為E41°48′41″,N122°50′47″;采樣深度為0～20 cm.土壤樣品經(jīng)自然風干后,研磨過2 mm篩.土壤類型為潮棕壤,pH值為5.81,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為3.01%,總氮質(zhì)量分數(shù)為0.21%,總磷質(zhì)量分數(shù)為0.024%,土壤中DnBP的初始質(zhì)量分數(shù)為 0.04 mg·kg-1.

供試HA和FA購于南京都萊生物技術有限公司;DnBP標準溶液(1 g·L-1)購于百靈威科技有限公司;所用丙酮、二氯甲烷、正己烷等有機試劑購于康科有限公司,均為色譜純試劑,且經(jīng)色譜檢驗無雜峰;無水硫酸鈉(分析純)購于國藥集團化學試劑有限公司,在馬弗爐中于400 ℃條件下烘干4 h;玻璃器皿均用重鉻酸鉀洗滌液浸泡、洗凈后,于450 ℃烘4 h,備用.

1.2 污染土壤制備及HA和FA添加

將一定量DnBP溶于丙酮中,配成質(zhì)量濃度為2 mg·L-1的DnBP丙酮溶液,然后按1 kg土壤50 mL溶液的比例添加到土壤中,混合均勻,放在通風櫥內(nèi)風干7 d.土壤中DnBP處理質(zhì)量分數(shù)為100 mg·kg-1.向土壤中分別加入HA和FA,使土壤中HA和FA的質(zhì)量分數(shù)為10、20、40、80、160 mg·g-1(分別記作H1～H5和F1～F5),充分混合均勻.同時設不含HA和FA的對照處理組(CK).每個處理對應保留一份50 g左右的空白土壤于紙袋中,用于土壤中DnBP初始質(zhì)量分數(shù)測定.

1.3 土壤培養(yǎng)實驗

準確稱取(15.000±0.002) g上述系列土壤樣品于250 mL三角瓶中,按最大持水量60%加入純水.然后用中央帶透氣孔的鋁箔紙封口,放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱中培養(yǎng),培養(yǎng)條件為:溫度25 ℃,濕度80%,定期補水,維持土壤含水量.分別于實驗第5、10、15、20、25、30、35、40 d采集土壤樣品,室溫風干,過20目篩(孔徑0.85 mm),冰箱冷凍保存,用于土壤中DnBP質(zhì)量分數(shù)分析.取培養(yǎng)第5 d的新鮮土壤樣品進行微生物數(shù)量測定.每個不同HA和FA質(zhì)量分數(shù)的土壤處理設置3個平行樣品.

1.4 樣品分析

土壤中DnBP提取采用超聲波提取法[18], 提取液中DnBP質(zhì)量分數(shù)分析采用氣相色譜法進行[19]. 色譜分析條件參照文獻[7]設定. 以3倍信噪比作為方法檢出限,DnBP的檢出限為0.01 mg·kg-1.DnBP加標回收率為84.33%～94.42%,土壤空白和試劑空白中目標化合物低于檢出限,滿足分析要求.

土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板涂布法進行計數(shù).細菌培養(yǎng)選用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基,28 ℃培養(yǎng)3 d;真菌培養(yǎng)選用孟加拉紅培養(yǎng)基,25 ℃培養(yǎng)5 d.

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0軟件進行ANOVA、Pearson相關分析,采用Original 8.5.1制圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 HA和FA處理對土壤中DnBP降解的影響

HA處理組土壤中DnBP的降解率隨時間的變化如圖1所示,土壤中DnBP的降解率隨著培養(yǎng)時間的延長而增大.在培養(yǎng)的前10 d, DnBP降解率迅速提高,而后降解速率減慢;培養(yǎng)15 d以后,各處理組DnBP質(zhì)量分數(shù)趨于平穩(wěn).在培養(yǎng)第5 d時對照處理組(CK)的DnBP降解率為49.9%,H1～H5各處理組的DnBP降解率為56.6%、59.8%、62.5%、68.6%和66.0%,分別為CK組的1.1、1.2、1.3、1.4和1.3倍;培養(yǎng)第10 d時H1～H5各處理組降解率分別93.6%、93.9%、94.9%、96.1%和95.6%,降解率均達到90%以上.FA處理組土壤中DnBP的降解率隨時間的變化如圖2所示,土壤中DnBP的降解率也隨著培養(yǎng)時間的延長而增大.在培養(yǎng)的前10 d,DnBP降解率迅速提高,而后降解速率減慢;培養(yǎng)15 d以后,各處理組DnBP質(zhì)量分數(shù)趨于平穩(wěn),與HA處理組的變化趨勢相同.在培養(yǎng)第5 d時F1～F5各處理組的DnBP降解率為53.8%、64.5%、74.5%、68.4%和58.7%,分別為CK組的1.1、1.3、1.5、1.4和1.2倍.培養(yǎng)第10 d時F1～F5各處理組的降解率為93.1%、95.0%、97.0%、96.1%和93.4%,降解率均達到90%以上.

圖1 HA處理組土壤中DnBP的降解率隨時間的變化Fig.1 Changes of DnBP degradation rate with HA treatment over time

圖2 FA處理組土壤中DnBP的降解率隨時間的變化Fig.2 Changes of DnBP degradation rate with FA treatment over time

HA和FA各處理組DnBP的降解率均大于對照處理組,HA的最佳添加量為80 mg·g-1,而FA的最佳添加量為40 mg·g-1,FA處理獲得了更高的降解率,這說明HA和FA的添加促進了土壤中DnBP的降解,且FA比HA的促進效果更佳,具有明顯的質(zhì)量分數(shù)效應.分析原因為外源碳的添加使菌群的氧化還原能力增強,促進了微生物的生命活動,而當添加量過高時,對土壤碳氮比影響較大,偏離了土壤微生物的最適生長條件,從而降低了微生物活性,DnBP降解率有所降低.

Cai等[20]研究發(fā)現(xiàn)HA和FA能夠增加有機污染物的生物有效性, 且HA能夠被菌株共代謝, 進一步促進污染物的微生物降解. 韓曉君等[21]研究表明土壤長期配施有機肥能夠顯著提高多環(huán)芳烴(PAHs)降解能力, 降解能力的增強與溶解性有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)變化及其帶來的微生物活性的變化有關; 而且HA的降解效果比FA更顯著. 李麗等[22]試驗證明, 腐殖質(zhì)加速了PAHs的降解, 提高了微生物聚生體的礦化速率. Tao等[23]研究表明, HA的添加縮短了DnBP在黑土中的降解半衰期; 李玉雙等[24]研究表明HA的添加縮短了DnBP在潮棕壤中的半衰期. 這些研究均表明土壤溶解性腐殖質(zhì)的添加能夠促進土壤微生物對有機污染物的降解, 與本文研究結(jié)果一致.

2.2 HA和FA處理對土壤微生物數(shù)量的影響

細菌是土壤微生物中數(shù)量最多的一個微生物類群,主要參與有機質(zhì)的分解和氨化作用等[25-26].表1為HA和FA處理組對土壤細菌和真菌的影響,由表1可知,HA和FA的添加促進了細菌的增殖,各處理組細菌數(shù)量均大于空白對照組.H1～H5各處理組細菌數(shù)量相較于CK組分別增加了41.8%、112.7%、140.0%、121.8%和90.9%,細菌數(shù)量隨HA質(zhì)量分數(shù)的升高呈先增加后減少的趨勢.F1～F5各處理組細菌數(shù)量相較于CK組分別增加了72.7%、96.4%、154.6%、63.6%和56.4%.細菌數(shù)量隨FA質(zhì)量分數(shù)的增加也呈先增加后減少的趨勢,表明適量添加HA和FA對細菌增殖效果較好.

真菌主要參與土壤中有機質(zhì)的分解和腐殖質(zhì)的形成,是土壤中氮、碳循環(huán)不可缺少的動力[27].由表1可知,HA和FA的添加也促進了真菌的增殖,各處理組真菌數(shù)量均高于空白對照組,H1～H5各處理組真菌數(shù)量相較于CK組分別增加了30.8%、84.0%、108.2%、122.76%和33.9%.F1～F5各處理組相較于CK組真菌數(shù)量分別增加了40.44%、74.3%、117.9%、101.7%和63.0%,真菌數(shù)量隨HA和FA質(zhì)量分數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢,表明適量添加HA和FA對真菌增殖效果較好.

表1 HA和FA處理組對土壤細菌和真菌數(shù)量的影響Table 1 Effect of HA and FA treatment on the number of bacteria and fungi

土壤中細菌和真菌的數(shù)量隨HA和FA添加量的增加變化趨勢相似,HA處理組細菌數(shù)量與FA處理組的細菌和真菌數(shù)量均在添加量為40 mg·g-1時出現(xiàn)最大值,而HA處理組真菌的數(shù)量則在添加量為80 mg·g-1時呈現(xiàn)最大值.袁婉潼等[27]研究表明低量、中量和高量腐殖酸的加入都能提高鹽堿地土壤中細菌、真菌數(shù)量,其中中量腐殖酸的促進作用最好,高量腐殖酸效果次之,與本研究結(jié)果相似.

2.3 土壤微生物的數(shù)量與DnBP降解率之間的相關分析

表2為土壤微生物的數(shù)量與DnBP降解率之間的相關系數(shù),由表2可知,HA 和FA處理組細菌數(shù)量均與土壤中DnBP降解率呈顯著相關關系(P<0.05),FA處理組真菌數(shù)量與土壤DnBP降解率之間呈極顯著性相關關系(P<0.01),這說明土壤細菌和真菌數(shù)量的增加提高了土壤DnBP的降解率.

表2 土壤微生物數(shù)量與DnBP降解率之間的相關系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between soil microbial population and DnBP degradation rate

土壤中細菌、真菌作為土壤微生物的重要組成部分, 對土壤中各物質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化、降解等過程有重要影響, 是體現(xiàn)土壤質(zhì)量狀況的重要指標[28]. 本研究結(jié)果表明, HA和FA的添加促進了土壤細菌和真菌的繁殖, 進而促進了土壤微生物對DnBP的降解. 適量添加HA和FA對微生物增殖作用顯著. 但由于腐殖質(zhì)的加入對土壤碳氮比影響較大, 并且HA和FA含有多種可溶性物質(zhì), 質(zhì)量分數(shù)過高會形成較高的滲透壓, 從而對細菌和真菌的生長和繁殖產(chǎn)生一定的抑制作用.

3 結(jié) 論

HA和FA的添加促進了土壤微生物對DnBP的降解,HA和FA添加量與和土壤中DnBP降解率之間具有明顯的量效關系,DnBP的降解率隨HA和FA添加量的增加呈先升高后降低的趨勢.HA和FA的最適添加量分別為80和40 mg·g-1,該用量處理5 d時DnBP的降解率分別達68.6%和74.5%,分別為對照處理組的1.4和1.5倍;10 d時土壤中DnBP的降解率分別達96%和97%.

HA和FA的添加促進了土壤細菌和真菌的增殖,微生物數(shù)量隨HA和FA添加量呈先增加再減少趨勢,HA處理組細菌數(shù)量與FA處理組的細菌和真菌數(shù)量均在添加量為40 mg·g-1時出現(xiàn)最大值,而HA處理組真菌的數(shù)量則在添加量為80 mg·g-1時呈現(xiàn)最大值.相關分析結(jié)果表明HA和FA的添加促進了土壤細菌和真菌的繁殖,進而促進了土壤微生物對DnBP的降解.