鎘脅迫對(duì)茶園土壤中養(yǎng)分和微生物區(qū)系及生理群的影響

竇昭敏，丁 芳，李祥祥，程?hào)|華，王世強(qiáng)

（黃山學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，安徽 黃山 245041）

鎘（Cd）是一種稀有分散元素，被視為土壤環(huán)境中的最有害的重金屬元素之一。近年來，全球范圍酸沉降日益嚴(yán)重，加上酸性肥料，農(nóng)藥及農(nóng)用污泥在農(nóng)業(yè)中的大量使用，大大加速了土壤和沉淀物中Cd2+的釋放[1]；同時(shí)Cd2+的釋放又刺激植物根系有機(jī)酸的分泌從而加速土壤的酸化[2]。Cd2+還具有致突變作用，可導(dǎo)致DNA斷裂[3]。土壤中的Cd2+可被土壤微生物所富集或被植物吸收，抑制植物生長(zhǎng)并導(dǎo)致其死亡；研究發(fā)現(xiàn)茶樹對(duì)Cd2+有較強(qiáng)的富集能力[4-6]，且可通過食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人體健康造成威脅。

目前，有關(guān)Cd2+對(duì)土壤中微生物生態(tài)特征變化、種群演變及土壤酶活性影響的研究甚少，試驗(yàn)通過在茶園土壤中添加不同量的Cd2+，探討土壤重金屬Cd2+污染對(duì)土壤養(yǎng)分、微生物種群數(shù)量的影響及其相互關(guān)系，旨在為土壤環(huán)境指標(biāo)的確定和以微生物活性作為茶園土壤重金屬Cd2+污染程度的早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)提供基礎(chǔ)資料，也可為Cd2+污染茶園土壤的生物修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

茶園土壤于2011年7月采自安徽休寧商山鄉(xiāng)，植茶年限約40 a。取樣時(shí)鏟去土表層4~5 cm，采樣深度5~20 cm。土壤裝入黑色無菌大塑料袋中，及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室前處理和測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

1.2 土壤處理

土壤裝在無菌塑料袋中，經(jīng)反復(fù)搓揉粉碎、混合；測(cè)得混合土壤pH值為4；除一部分留作土壤背景化學(xué)性質(zhì)測(cè)定用外，其余土壤在無菌室中分裝入12個(gè)帶蓋的無菌塑料桶中，每桶裝2 kg。12個(gè)桶平均分為兩組，一組將土壤pH值調(diào)節(jié)到5，另一組pH值不變，然后以噴霧方式加入不同添加量的Cd2+，攪拌均勻后，于25℃室溫下培養(yǎng)10 d分別取樣，測(cè)其pH值、養(yǎng)分含量、微生物各生理群數(shù)量。以不添加Cd2+的土壤為對(duì)照。

1.3 土壤化學(xué)性質(zhì)分析

將土樣風(fēng)干后測(cè)定其化學(xué)性質(zhì)，其中pH值用酸度計(jì)法；有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；速效氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷用NH4F-HCl法測(cè)定；速效鉀用醋酸銨浸提—原子吸收法測(cè)定。

1.4 土壤稀釋液的制備

稱取土壤10 g，加入裝有玻璃珠的90 mL無菌水中，振搖20 min，制成10-1g/mL土壤稀釋液，再分別稀釋得到 10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7g/mL 土壤稀釋液，每個(gè)稀釋度設(shè)3個(gè)重復(fù)。所有操作在超凈工作臺(tái)上以無菌操作的方式進(jìn)行。

1.5 土壤微生物區(qū)系及微生物生理類群的測(cè)定

微生物數(shù)量測(cè)定采用稀釋涂布菌落計(jì)數(shù)法，其中細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌采用馬丁氏孟加拉紅培養(yǎng)基；放線菌采用高氏1號(hào)培養(yǎng)基。細(xì)菌在30℃培養(yǎng)3 d計(jì)數(shù)，真菌在28℃培養(yǎng)5 d計(jì)數(shù)，放線菌28℃培養(yǎng)7 d計(jì)數(shù)；亞硝化細(xì)菌采用亞硝酸細(xì)菌分離培養(yǎng)基，反硝化細(xì)菌采用反硝化細(xì)菌分離培養(yǎng)基，這兩類菌的數(shù)量采用液體分離法在30℃下培養(yǎng)14 d后計(jì)數(shù)，結(jié)果以3次重復(fù)數(shù)量指標(biāo)表計(jì)算其數(shù)量[7-8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd2+添加量對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

從表1可知：茶園土壤pH值從4調(diào)節(jié)至5時(shí)，土壤堿解氮、有效磷和速效鉀均降低，而有機(jī)質(zhì)變化不大。隨Cd2+添加量的增加，土壤pH值呈降低趨勢(shì)，在pH值為4的土壤環(huán)境中Cd2+添加量從0增加到1 g/kg，土壤pH值只降低0.11個(gè)單位；在pH值為5的土壤環(huán)境中Cd2+添加量從0增加到1 g/kg，土壤pH值降低0.58個(gè)單位。隨著Cd2+添加量增加，有效磷和速效鉀整體呈下降趨勢(shì)。

2.2 Cd2+添加量對(duì)土壤中微生物數(shù)量的影響

表1 Cd2+添加量對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 Cd2+添加量對(duì)土壤中細(xì)菌數(shù)量的影響 細(xì)菌是土壤中數(shù)量最多的微生物種類，絕大多數(shù)細(xì)菌喜中性偏堿環(huán)境，在茶園酸性土壤環(huán)境下，細(xì)菌的數(shù)量相對(duì)較少。從圖1可見，隨著Cd2+添加量的升高，兩種pH值環(huán)境下的細(xì)菌都呈下降趨勢(shì)，但pH＝5的土壤下降趨勢(shì)比較明顯，說明細(xì)菌對(duì)環(huán)境pH比較敏感[9]。當(dāng)Cd2+添加量升高到0.8 g/kg時(shí)，與對(duì)照組相比，pH＝5的土壤細(xì)菌數(shù)量下降幅度較大，僅為對(duì)照組的細(xì)菌數(shù)量1/10，此后隨Cd2+添加量的繼續(xù)升高細(xì)菌數(shù)量下降趨勢(shì)減緩。說明茶園土壤中絕大數(shù)細(xì)菌對(duì)Cd2+是非常敏感的，但也有一部分耐鎘細(xì)菌的存在。Roane等[10]通過DNA系列分析，分別對(duì)受Cd2+污染及無污染的土壤中的微生物進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Cd2+污染的土壤中分離出抗性微生物（節(jié)桿菌、芽孢桿菌屬和假單孢菌）。在茶園土壤高濃度的Cd2+脅迫下，這些細(xì)菌可能通過自身代謝酶的調(diào)整來耐受較高濃度的Cd2+。

圖1 不同的Cd2+添加量對(duì)土壤中細(xì)菌數(shù)量的影響

2.2.2 Cd2+添加量對(duì)土壤中真菌數(shù)量的影響 茶園土壤中的真菌主要是霉菌，也是土壤中生物量最大的部分，真菌生理上喜歡中性偏酸性環(huán)境。從圖2可以看出：在兩種不同pH條件下，Cd2+添加量從0～0.4 g/kg，真菌數(shù)量呈上升的趨勢(shì)，但pH＝4的土壤上升趨勢(shì)比較明顯；隨Cd2+添加量的繼續(xù)升高，真菌數(shù)量呈下降趨勢(shì)，且此時(shí)數(shù)量只略低于不添加Cd2+的對(duì)照組。說明Cd2+在低濃度對(duì)某些霉菌的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，高濃度下則起抑制作用，但真菌在高濃度下能夠生活，其結(jié)果與Baath[11]等研究結(jié)果相符，Baath等認(rèn)為可能是初級(jí)真核生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力和抗逆性要強(qiáng)于細(xì)菌和放線菌這些原核生物所致。

圖2 不同的Cd2+添加量對(duì)土壤中真菌數(shù)量的影響

2.2.3 Cd2+添加量對(duì)土壤中放線菌數(shù)量的影響土壤中的放線菌有利于某些難分解組分的分解與腐殖質(zhì)的形成，在微生物的拮抗作用和土壤生物群體組成的控制方面起著重要的作用，許多放線菌分泌的抗菌素和激素類物質(zhì)對(duì)各種植物病害有一定的抑制作用。由圖3可見，Cd2+添加量從0～0.4 g/kg，土壤中放線菌的數(shù)量不斷上升，說明Cd2+在低添加量下對(duì)放線菌有促進(jìn)作用；當(dāng)Cd2+添加量繼續(xù)增大時(shí)，放線菌數(shù)量又明顯下降。可見低濃度下Cd2+能夠促進(jìn)土壤放線菌的生長(zhǎng)，而高濃度的Cd2+則抑制放線菌的生長(zhǎng)，這與尹軍霞[12]的研究結(jié)果相符。

圖3 不同的Cd2+添加量對(duì)土壤中放線菌數(shù)量的影響

2.2.4 不同的Cd2+添加量對(duì)土壤中亞硝化菌數(shù)量的影響 土壤中的硝化作用是由亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌共同完成的，土壤中亞硝化細(xì)菌的數(shù)量直接反映了硝化細(xì)菌的數(shù)量。由圖4可見，隨著Cd2+添加量的升高，土壤中的亞硝化細(xì)菌數(shù)量呈急劇下降趨勢(shì)，顯示出Cd2+對(duì)亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖有強(qiáng)烈的抑制作用，該作用使得土壤氮素循環(huán)受阻，導(dǎo)致土壤生物活性降低，土壤生物功能遭破壞，因此亞硝化細(xì)菌可以作為監(jiān)測(cè)土壤Cd2+污染較好的指示生物。在土壤pH＝4環(huán)境下，當(dāng)Cd2+添加量＞0.4 g/kg，亞硝化細(xì)菌幾乎不能成活，而pH＝5環(huán)境下，亞硝化細(xì)菌失活的Cd2+添加量臨界值為0.8 g/kg，該差異可能與不同pH環(huán)境下有效Cd2+添加量差異有關(guān)。

圖4 不同的Cd2+添加量對(duì)土壤中亞硝化細(xì)菌數(shù)量的影響

2.2.5 不同的Cd2+添加量對(duì)土壤中反硝化菌數(shù)量的影響 反硝化細(xì)菌是一類兼性厭氧微生物，與硝化細(xì)菌一樣都是氮素轉(zhuǎn)化的重要菌群，但反硝化細(xì)菌能造成土壤肥力的損失，對(duì)農(nóng)業(yè)不利。由圖5可知：在pH＝5的土壤中，Cd2+添加量 0.2～0.4 g/kg，能刺激反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)；但隨添加Cd2+添加量進(jìn)一步增加，反硝化細(xì)菌數(shù)量呈急劇下降的趨勢(shì)。在pH＝4環(huán)境反硝化細(xì)菌數(shù)量極少，Cd2+脅迫作用不明顯。

圖5 不同的Cd2+添加量對(duì)土壤中反硝化細(xì)菌數(shù)量的影響

3 結(jié)論與討論

（1）隨Cd2+添加量的增加，土壤pH呈降低的趨勢(shì)，有機(jī)質(zhì)含量略有增高，堿解氮變化不明顯，Cd2+添加量從0～1 g/kg，有效磷和速效鉀整體呈下降趨勢(shì)。

（2）茶園土壤中的不同微生物種類對(duì)Cd2+的敏感性不同，Cd2+添加量升至0.4 g/kg時(shí)，放線菌、真菌的數(shù)量有增加的趨勢(shì)，而細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌數(shù)量呈快速下降趨勢(shì)；Cd2+添加量升至0.8 g/kg時(shí)，亞硝化細(xì)菌幾乎不能成活，真菌、放線菌的數(shù)量略低于不添加Cd2+的對(duì)照組的數(shù)量。這說明適當(dāng)濃度的Cd2+能刺激放線菌、真菌的生長(zhǎng)；真菌、放線菌能忍耐較高濃度Cd2+的脅迫。

（3）在不同pH環(huán)境添加同等添加量的Cd2+，顯示微生物種群數(shù)量受抑制程度及變化趨勢(shì)的不同，說明了土壤的pH值降低有助于各種化學(xué)形態(tài)Cd向可交換Cd轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致土壤活性Cd濃度的升高，土壤pH值的升高有助于降低Cd的生物毒性[13]。隨著茶園植茶年限的增加，茶樹根系分泌的有機(jī)酸、茶樹落葉、氮肥施入等直接導(dǎo)致茶樹根際土壤的酸化[14]，日積月累，使得茶樹根際微生物數(shù)量向種群變少、數(shù)量變少、活性變?nèi)醯姆较虬l(fā)展。因此，改良茶園土壤酸性環(huán)境是提高茶園土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性，緩解重金屬Cd污染的較好方法。

（4）Cd2+污染引起茶園土壤各微生物區(qū)系和生理類群的變化和其他類型的土壤不同，本研究反映了茶園土壤的重金屬Cd2+污染的生態(tài)特征，可為茶園土壤的Cd2+污染評(píng)價(jià)提供依據(jù)和參考。

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