土壤微生態(tài)系統(tǒng)中3,6-二氯咔唑?qū)ν寥烂富钚缘挠绊?/h1>

2023-06-20 02:54:02胡官營周彬彬

浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報訂閱 2023年3期 收藏

關(guān)鍵詞：實驗

馬 云,胡官營,周彬彬

(浙江工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,浙江 杭州 310032)

多鹵代咔唑(polyhalogenated carbazoles,PHCZs)作為一種新型的持久性有機(jī)污染物越來越受到人們關(guān)注[1],已被證實存在于土壤、沉積物、空氣和灰塵中[2],它們分布廣,具有類二噁英的毒性[3]、生物蓄積和生物持久性。了解鹵代咔唑的來源對于在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化有著重要作用,Wang等[4]發(fā)現(xiàn)鹵代咔唑來源于靛藍(lán)染料和光電材料的生產(chǎn)。Fromme等[5]發(fā)現(xiàn)在同一樣本中其質(zhì)量濃度高于許多傳統(tǒng)有機(jī)污染物,如多環(huán)芳烴和多溴聯(lián)苯醚,因此它們在土壤中的行為值得我們關(guān)注。PHCZs在土壤中以高濃度的形式存在且相對穩(wěn)定,目前,針對PHCZs對土壤酶性質(zhì)的影響的研究較匱乏。土壤中微生物可快速響應(yīng)環(huán)境壓力,并對污染物敏感[7],已被廣泛用于土壤健康和質(zhì)量研究中[8]。筆者選擇3,6-二氯咔唑作為代表PHCZs(因其高檢出率和濃度),探究蚯蚓和大豆存在的土壤微生態(tài)系統(tǒng)中對土壤脫氫酶、蔗糖酶和脲酶活性的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗土壤采自江蘇省淮安市農(nóng)田田園種植土,土樣風(fēng)干后,過20目篩備用,未檢測到土壤中存在3,6-CCZ。

選用赤子愛勝蚓(Eiseniafetida)作為土壤模式動物,購于浙江省杭州市鳳起花鳥市場。正式實驗前,選取個體生長情況類似、環(huán)帶明顯的健康的蚯蚓置于干凈的培養(yǎng)皿中,用保鮮膜封口,并用針在保鮮膜上扎數(shù)個小孔防止逃逸,然后放置于人工氣候箱中清腸24 h。清腸結(jié)束后,用超純水沖洗表面的排泄物,并挑選具有活力的個體備用。

選用大豆作為土壤模式植物,該大豆適合種植于黃淮平原、長江三角洲和江漢平原,春播生育期90～100 d,種子放于室溫中并干燥避光保存?zhèn)溆?待實驗開始時采用點播的方式種植。

1.2 實驗方法與設(shè)計

土壤酶活性測定實驗總共設(shè)置4個實驗組(C,E,P,EP),每個實驗組設(shè)置3個3,6-CCZ質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0,0.1,1 μg/g,每組設(shè)置3個平行組。實驗組C為空白對照組,主要研究不同濃度3,6-CCZ對土壤酶活性的影響;實驗組E為只添加蚯蚓組,主要研究蚯蚓的添加對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)3,6-CCZ暴露下土壤酶活性的影響;實驗組P為只種植大豆組,主要研究大豆的種植對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)3,6-CCZ暴露下土壤酶活性的影響;實驗組EP為有蚯蚓有大豆的聯(lián)合組,主要研究在蚯蚓和大豆同時存在對不同濃度3,6-CCZ暴露下土壤酶活性的影響。實驗周期為60 d。種植花盆口徑18 cm,高16 cm,將種植土置于人工氣候箱中,溫度設(shè)置(25±1)℃,濕度為(75±5)%,光照比16 h/8 h,需保持通風(fēng),每日需要添加適量的去離子水來保持土壤的濕度,將其土壤濕度控制在30%。

具體操作如下:準(zhǔn)確稱取0.0150 g的3,6-CCZ粉末,用30 mL丙酮定容至棕色容量瓶中,制成質(zhì)量濃度為500 mg/L的母液,于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?。將風(fēng)干的種植土進(jìn)行過篩,稱取2 kg,往里加3,6-CCZ溶液,使其土壤里的3,6-CCZ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0,0.1,1 μg/g,用移液槍分別吸取上述配置好的母液4 mL和0.4 mL于稱好的2 kg土壤中用機(jī)械攪拌器攪拌30 min。在0.1 μg/g實驗組中,加入3.6 mL的丙酮,以保證實驗組所加的體積相同。加入適量超純水,繼續(xù)攪拌,以確保3,6-CCZ與土壤有效混合,土壤濕度保持在30%。實驗組C僅添加相同體積的丙酮;實驗組E和EP分別加入上述處理好的40條蚯蚓;實驗組P和EP每組中放入5顆飽滿均勻的大豆種子,以0.3% H2O2消毒后,用超純水再沖洗3次,以去除表面殘留的H2O2,后以點播的方式種植大豆。待E組和EP組中蚯蚓完全鉆入土壤后,置于人工氣候箱中,溫度設(shè)置25 ℃,光照比為16 h/8 h,保持通風(fēng)。每日添加適量的去離子水以保持土壤濕度,在此期間要及時觀察大豆種子的發(fā)芽情況,蚯蚓的生長情況,及時去除死亡蚯蚓防止產(chǎn)生霉菌。分別于第7,14,21,28,42,60天收集土壤樣品-20 ℃保存,待測土壤酶活性。

1.3 土壤酶活性測定方法

土壤脫氫酶、蔗糖酶和脲酶活性測定采用比色法,使用紫外分光光度計測定。具體步驟參照文獻(xiàn)[9],通常吸光度越大,土壤酶活性越大。

1.4 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計分析使用SPSS(Version 23.0)進(jìn)行處理,經(jīng)過統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)使用Origin2018作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 3,6-CCZ對土壤脫氫酶活性的影響

土壤脫氫酶活性變化趨勢如圖1所示。圖1中:*表示P<0.05;** 表示P<0.01。在第7天時,對照組C中,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組(0.1 μg/g)中土壤脫氫酶與空白實驗(0 μg/g)相比,起到了促進(jìn)作用,土壤酶活性顯著上升了76.5%,而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組(1 μg/g)中土壤脫氫酶活性也起到促進(jìn)作用,酶活性上升了29%,促進(jìn)作用程度低于低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組,相比較,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實驗組削弱了對脫氫酶的活性增強(qiáng)作用。蚯蚓組E中,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組中土壤脫氫酶活性與空白對照組中酶活性趨勢比較類似,在實驗前期第7～21天,酶活性是呈現(xiàn)上升趨勢,在第21天時達(dá)到最大值,隨著實驗的進(jìn)行,土壤脫氫酶活性雖然呈現(xiàn)了下降的趨勢,但是在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組中到28 d酶活性達(dá)到了最大值,蚯蚓的添加和3,6-CCZ的暴露使土壤脫氫酶活性得到了顯著刺激;植物組P和蚯蚓-植物聯(lián)合組EP的土壤酶活性與對照組相比,脫氫酶活性在3,6-CCZ影響下呈下降趨勢;隨著實驗的進(jìn)行,在第60天時,各質(zhì)量分?jǐn)?shù)的處理組C,P,EP組的土壤脫氫酶活性相似,只有E組土壤脫氫酶活性仍顯著高于其他處理組。在3,6-CCZ的暴露下,與空白對照相比,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)組E組有顯著性差異(P<0.05)且第14,21,28天顯著性差異最大(P<0.01),P組在第14,42,60天有顯著性差異(P<0.05)且60 d差異性最大(P<0.01),EP組也呈現(xiàn)了顯著性差異(P<0.05)。綜上,3,6-CCZ的暴露抑制了土壤脫氫酶的活性,隨著實驗進(jìn)行,土壤脫氫酶活性先升高后降低,實驗后期無明顯差異,這與Shi等[10]發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致,這是由于土壤脫氫酶是一種胞內(nèi)酶,僅存在于活細(xì)胞中,與微生物的數(shù)量和代謝活性有關(guān)。蚯蚓的添加在實驗前期極大的促進(jìn)了土壤脫氫酶活性,有效改善3,6-CCZ的暴露對土壤脫氫酶的抑制作用。這可能是由于蚯蚓作為土壤中生物量最大的無脊椎生物,可以通過挖洞行為和自身分泌物來調(diào)節(jié)土壤pH,對土壤的結(jié)構(gòu)和肥力有著重要的作用,有助于土壤微生物的生長,從而有利于土壤脫氫酶活性的上升[11]。大豆的種植雖然并沒有明顯體現(xiàn)出促進(jìn)或抑制作用,但在一定程度上體現(xiàn)出可緩解3,6-CCZ和蚯蚓對土壤脫氫酶的刺激,這是由于在大豆的生長發(fā)育過程中,大豆根系釋放有機(jī)化合物可能對污染土壤進(jìn)行修復(fù)作用,這些有機(jī)化合物可能是土壤微生物生命活動的主要來源,從而使土壤脫氫酶活性相對穩(wěn)定[12]。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)3,6-CCZ對土壤脫氫酶活性的影響

2.2 3,6-CCZ對土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶活性的變化趨勢如圖2所示。圖2中:*表示P<0.05;** 表示P<0.01。在第7 d時,對照組C中,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組(0.1 μg/g)中的土壤脲酶活性與空白實驗(0 μg/g)組相比,起到了促進(jìn)作用,酶活性上升了7.4%,隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組(1 μg/g)中的脲酶活性起到促進(jìn)作用,酶活性上升了39.4%,促進(jìn)作用程度比低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組高。蚯蚓組E中,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組中的土壤脲酶活性與高質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組和空白組實驗組的表現(xiàn)不同,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組呈現(xiàn)了先下降后上升的趨勢,其余兩個實驗組則表現(xiàn)出相反的趨勢,先上升后下降,這表明蚯蚓的加入可能在實驗前期會刺激土壤脲酶活性的變化,然而3,6-CCZ的暴露會抑制這種變化,在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組中比較明顯。植物組P中,空白組與高質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組中土壤脲酶活性趨勢基本依舊相似,實驗前期第7～28天先上升,實驗后期第28～60天表現(xiàn)出下降,且在第28天時土壤脲酶活性達(dá)到最高水平,而低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組與E組中土壤脲酶活性趨勢相似,與對照組表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。聯(lián)合組EP中,兩組實驗組都呈現(xiàn)出了先上升后下降的趨勢,隨著實驗進(jìn)行,實驗結(jié)束時第60天,只有EP組中土壤脲酶活性相似,C,E,P組中土壤脲酶活性大小關(guān)系:低質(zhì)量分?jǐn)?shù)組>高質(zhì)量分?jǐn)?shù)組>空白對照組。隨著3,6-CCZ暴露質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,實驗組與空白組有顯著性差異(P<0.05),在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組中,與對照組相比,E組和P組在第7天差異性最大(P<0.01),而EP組則在第60天時達(dá)到差異性最大(P<0.01);在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組中,與對照組相比,E組差異性最大體現(xiàn)在實驗后期(42～60 d),而P組和EP組在第7天就有顯著性差異且為最大差異(P<0.01)。Li等[13]發(fā)現(xiàn),脲酶是一種胞外酶,雖然可與土壤膠體結(jié)合形成土酶或者腐殖質(zhì)酶復(fù)合物,進(jìn)一步保護(hù)脲酶活性,但是可以發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3,6-CCZ暴露會促進(jìn)土壤脲酶活性。土壤酶活性代表著微生物群落的總體特征[14],蚯蚓的添加和大豆的種植能夠使土壤微生物群落顯著增加。隨著實驗進(jìn)行,蚯蚓的加入可以影響到土壤脲酶活性,這是因為蚯蚓可以通過與土壤微生物的作用對污染的土壤進(jìn)行修復(fù)[15],大豆的種植雖然并未明顯影響土壤脲酶活性,但是在一定程度上降低了3,6-CCZ對土壤脲酶活性的刺激。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)3,6-CCZ對土壤脲酶活性的影響

2.3 3,6-CCZ對土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶活性的變化趨勢如圖3所示。圖3中:*表示P<0.05;** 表示P<0.01。在第7天時,對照組C中,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組(0.1 μg/g)中的土壤蔗糖酶活性與空白實驗(0 μg/g)相比,起到了促進(jìn)作用,酶活性上升了約50%,隨著3,6-CCZ暴露的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組(1 μg/g)中土壤蔗糖酶起到了抑制作用,酶活性下降了2.7%。從整體實驗周期來看,3,6-CCZ暴露的兩組實驗組中的酶活性變化趨勢相似,都是先上升后下降。在空白實驗組中,E組中土壤蔗糖酶活性持續(xù)上升,得到了顯著的刺激,在第28天達(dá)到最高水平,與對照組C相比具有顯著性差異(P<0.05)。在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組中,E組中土壤蔗糖酶活性顯著高于其他處理組,與對照組在第7～28天顯著性就達(dá)到最大(P<0.01),隨后顯著性越來越小,P組在第7天和第14天中,顯著性差異明顯(P<0.05),且土壤蔗糖酶活性與E組變化趨勢相同,到第60天時,與對照組沒有顯著性差異;EP組在第7天凸顯出顯著性差異(P<0.05),且整個實驗過程中,土壤蔗糖酶活性變化不大,實驗結(jié)束時,各個處理組之間酶活性基本一致。在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組中,只有E組表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05),在第28天達(dá)到最高水平,且酶活性變化趨勢與低質(zhì)量分?jǐn)?shù)實驗組相同,而其余處理組均與空白組相似,呈現(xiàn)出上升趨勢。Shen等[16]用菲處理水稻,發(fā)現(xiàn)實驗前期土壤蔗糖酶活性有刺激作用,隨著實驗進(jìn)行又恢復(fù)到控制水平,與筆者研究結(jié)果一致。在Lipinska等[17]的研究中,PAHs對土壤酶活性表現(xiàn)出刺激作用。綜上,蚯蚓的添加可以明顯促進(jìn)土壤蔗糖酶活性的上升,隨著實驗進(jìn)行,蚯蚓對土壤蔗糖酶活性的刺激顯著減弱,可能是蚯蚓已經(jīng)適應(yīng)該土壤環(huán)境。大豆的種植雖然在一定程度上促進(jìn)土壤蔗糖酶活性上升,但是隨著3,6-CCZ暴露質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,大豆的生長并不能促進(jìn)土壤酶活性,這是由于大豆雖然具有固氮作用[18],能有效改善土壤微生物活性,促進(jìn)土壤蔗糖酶的活性,但是3,6-CCZ的暴露明顯會抑制大豆的固氮作用,從而抑制土壤酶活性。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)3,6-CCZ對土壤蔗糖酶活性的影響

3 結(jié) 論

土壤微生態(tài)系統(tǒng)中3,6-CCZ的存在會對土壤酶活性產(chǎn)生一定的影響,其雖然會對土壤酶活性有增強(qiáng)作用,但是隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,會削弱對土壤酶活性的增強(qiáng)作用,這主要是由于3,6-CCZ的暴露對土壤微生物的影響較大。實驗前期,蚯蚓的添加會顯著提高土壤中脫氫酶、脲酶和蔗糖酶的活性。大豆的種植對土壤酶的活性雖然沒有表現(xiàn)出顯著的促進(jìn)或抑制作用,但是在一定程度上降低了3,6-CCZ對土壤脲酶活性的刺激作用。在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下,大豆的生長雖然提高了土壤蔗糖酶的活性,但是隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,則會產(chǎn)生削弱作用。蚯蚓和大豆同時存在雖然不能緩解3,6-CCZ對土壤脫氫酶和脲酶的抑制作用,但是卻能有效削弱蚯蚓和3,6-CCZ對土壤酶活性增強(qiáng)作用,從而維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

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