污泥土地利用對土壤微生物數量的影響

趙華勝， 崔 軍， 王珍麗， 陳向明　(合肥學院生物與環境工程系，安徽合肥 11059)

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污泥土地利用對土壤微生物數量的影響

趙華勝， 崔 軍， 王珍麗， 陳向明(合肥學院生物與環境工程系，安徽合肥 11059)

摘要[目的]研究污泥土地利用對土壤中細菌、放線菌和真菌數量的影響。[方法]以合肥市污水處理廠脫水污泥為試材，加入不同濃度重金屬(污水廠原污泥重金屬濃度擴大1、2、4、6、8倍)，研究不同濃度重金屬對表層和10 cm土層微生物數量的影響。[結果]微生物數量因處理濃度的不同而異，適合細菌生長的最佳濃度為1～6倍(Cu≤572.76 mg/kg，Zn≤1759.08 mg/kg，Pb≤468.54 mg/kg，Cd≤11.76 mg/kg)，適合放線菌生長的最佳濃度為2倍(Cu≤190.92 mg/kg，Zn≤586.36 mg/kg，Pb≤156.18 mg/kg，Cd≤3.92 mg/kg)，適合真菌生長的最佳濃度為4倍(Cu≤381.84 mg/kg，Zn≤1172.72 mg/kg，Pb≤312.36 mg/kg，Cd≤7.84 mg/kg)；除土壤表層放線菌數量比10 cm土層少外，土壤表層的細菌和真菌數量均高于10 cm土層。[結論]不同類群微生物對污泥中重金屬的敏感度由高到低依次為真菌、放線菌、細菌；合肥市污水處理廠的脫水污泥農用對土壤微生物的數量分布具有一定的影響。

關鍵詞污泥；重金屬；土壤微生物；數量分布

Effects of Sewage Sludge for Land Use on Soil Microbial Quantity

ZHAO Hua-sheng, CUI Jun, WANG Zhen-li et al (Department of Biological and Environmental Engineering, Hefei University, Hefei, Anhui 11059)

Key words[Objective] The aim was to study effects of sewage sludge for land use on bacteria, actinomycetes, fungi. [Method] With Hefei municipal wastewater treatment plant sludge as the test material, adding different concentration of heavy metals(the concentration of heavy metals in sewage sludge was enlarged 1,2,4,6,8 times), effects of different concentration of heavy metal on microbial quantity in surface soil and 10 cm soil were studied. [Result] The results showed that microbial populations are varied with different concentrations. The optimum concentration of bacterial growth is the expansion of 1-6 times (Cu≤572.76 mg/kg, Zn≤1759.08 mg/kg, Pb≤468.54 mg/kg, Cd≤11.76 mg/kg). The optimum concentration of actinomycetic growth is the expansion of 2 times (Cu≤190.92 mg/kg, Zn≤586.36 mg/kg, Pb≤156.18 mg/kg, Cd≤3.92 mg/kg). The optimum concentration of fungal growth is the expansion of 4 times (Cu≤381.84 mg/kg, Zn≤1172.72 mg/kg, Pb≤312.36 mg/kg, Cd≤7.84 mg/kg). In addition to the quantitative distribution of actinomycetes above 10cm layer is less than on the surface of soil, the quantitative distribution of bacteria and fungi on the surface of soil are more than above 10cm layer. [Conclusion] The sequence of the sensitivity to the heavy metal in sludge among three kinds of microorganisms is usually: fungi>actinomycetes>bacteria; the agricultural sludge from municipal wastewater treatment plant in Hefei has certain effect on soil microbial quantitative distribution.

Key wordsSludge; Heavy metal; Soil microorganism; Quantitative distribution

污泥中含有豐富的有機物和N、P、K等營養元素以及植物生長必需的各種微量元素Ca、Mg、Zn、Cu、Fe等，施用于農田能夠改良土壤結構、增加土壤肥力、促進作物生長。但污泥中的重金屬超過限定標準進入土壤后，會對生態系統造成危害。李瑞美等[1]研究了不同濃度重金屬對土壤微生物生物量的影響，結果表明只有當重金屬濃度達到歐盟制定的標準土壤重金屬環境容量的2～3倍，才能表現出對微生物生物量的抑制作用。蔡信德等[2]研究表明，當非根區土中添加Ni的質量分數為100 mg/kg 時，對土壤中細菌、真菌和放線菌總數有一定的促進作用，微生物生物量最大；當添加Ni的質量分數大于100 mg/kg 時，對土壤微生物群落造成不利影響。趙祥偉等[3]分析了受Cu、Zn、Pb、Cd 不同程度復合污染的4個農田土壤樣品，發現不同程度的重金屬復合污染明顯改變了農田土壤的微生物群落遺傳多樣性，但與多樣性的改變不是簡單的負相關關系，最大多樣性指數出現在中等污染程度的土壤中。滕應等[4]對重金屬復合污染紅壤的微生物生態效應進行研究，結果表明與單一Cd、Pb 污染處理相比，重金屬復合污染對供試紅壤微生物生物活性及其群落功能多樣性的影響并非僅表現出簡單的加和作用，同時還存在協同作用和拮抗作用；另外，土壤微生物群落功能生理代謝下降，代謝過程緩慢，進而影響了微生物群落結構的演變過程。但合肥市城市污水處理廠污泥是否能夠農業應用，對土壤微生物有無影響的研究目前尚未見報道。筆者以合肥市污水處理廠的脫水污泥為試驗材料，研究不同濃度重金屬對細菌、放線菌、真菌3種微生物的影響，以期為合肥市污水處理廠的污泥農業應用提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料污泥：取自合肥市污水處理廠污泥濃縮脫水機房；土壤：取自合肥學院教學樓前相同體積的花池中。

1.2試驗方法將污水處理廠取回的污泥平鋪自然晾干并粉碎，放在105℃的鼓風干燥箱中滅菌24h，采用原子吸收分光光度法對污泥中的初始重金屬含量進行測定。試驗共設置6組，1個對照和5個處理，6組編號分別為0、1、2、3、4、5。對照組只有園土不添加污泥和重金屬，處理組1～5分別加入0.6 kg的污泥，平鋪于教學樓前容積為60 cm×30 cm×50 cm的花池園土表層，同時加入不同濃度的重金屬溶液，按污水廠原污泥重金屬濃度擴大1、2、4、6、8倍。對照組0(園土)，處理組1(園土+污泥)：(Cu、Zn、Pb、Cd)×1，處理組2(園土+污泥)：(Cu、Zn、Pb、Cd)×2，處理組3(園土+污泥)：(Cu、Zn、Pb、Cd)×4，處理組4(園土+污泥)：(Cu、Zn、Pb、Cd)×6，處理組5(園土+污泥)：(Cu、Zn、Pb、Cd)×8。

以7、14、21 d后為3個試驗周期，分別從0、1、2、3、4、5組的花池中取表層和10 cm土層土樣帶回實驗室進行分析，測定細菌、放線菌和真菌的數量。

1.3測定方法污泥初始重金屬含量測定標準曲線見圖1～4。經測定，合肥市污水處理廠的脫水污泥樣品中，Cu、Zn、Pb和Cd的含量分別為95.46、293.18、78.09和1.96 mg/kg。微生物數量的測定采用稀釋平板法[5]。

圖1　Cu的標準曲線Fig.1　Standard curve of Cu

圖2　Zn的標準曲線Fig.2　Standard curve of Zn

圖3　Pb的標準曲線Fig.3　Standard curve of Pb

圖4　Cd的標準曲線Fig.4　Standard curve of Cd

2結果與分析

2.1土壤細菌數量從圖5和6可以看出，在1～6倍的濃度(Cu≤572.76 mg/kg，Zn≤1759.08 mg/kg，Pb≤468.54 mg/kg，Cd≤11.76 mg/kg )范圍內，細菌數量隨重金屬濃度的增加而逐漸增加，當重金屬濃度增加到6倍時，土壤表層細菌數量最多，為147×105CFU/g。與對照組相比，細菌數量的增加幅度達226.67%。當重金屬濃度再增加時，細菌數量隨重金屬濃度的增加而減少，當重金屬濃度為8倍時，細菌數量為124×105CFU/g，降低幅度為15.65%。10 cm土層細菌數量在對照組0時最小，為26×105CFU/g，最大值比最小值增加了約465.38%。在1～6倍的濃度范圍內，重金屬對微生物的生長起促進作用，使微生物的代謝活動增強，新陳代謝速率增加。隨著重金屬濃度的再增加，重金屬對微生物的生長起抑制作用，可能是由于重金屬污染影響了細胞的代謝及微生物的功能，從而引起微生物的生存力和競爭力發生變化而導致種群大小發生改變， 也可能由于微生物遺傳多樣性的改變使基質利用率降低和能量需求劇增所致。

圖5　土壤表層細菌數量的變化Fig.5　The change of bacteria quantity in soil surface

圖6　10 cm土層細菌數量的變化Fig.6　The change of bacteria quantity in 10 cm soil

隨著時間的推移，細菌數量逐漸增多，由多到少依次為21 d后、14 d后、7 d后，可能是由于細菌對重金屬污染形成抗性，同時細胞上的胞外多糖帶有負電荷，可以作為重金屬的有效生物吸附劑，能有效地阻止重金屬離子進入細胞。土壤表層細菌的數量高于10 cm土層，可能是由于當重金屬的濃度在適合細菌生長的濃度范圍內時，其對土壤表層細菌生長的促進作用大于10 cm土層的促進作用。

2.2土壤放線菌數量從圖7和8可以看出，在1～2倍的濃度(Cu≤190.92 mg/kg，Zn≤586.36 mg/kg，Pb≤156.18 mg/kg，Cd≤3.92 mg/kg)范圍內，放線菌數量隨重金屬濃度的增加而逐漸增多，當重金屬濃度增加到2倍時，放線菌數量最多，為98×104CFU/g。與對照組相比，放線菌數量的增加幅度達96.00%。當重金屬濃度再增加時，放線菌數量隨重金屬濃度的增加而減少。在重金屬濃度增加到8倍時最小，放線菌數量為11×104CFU/g最大值比最小值增加了約790.91%。在1～2倍的濃度范圍內，重金屬對微生物的生長起促進作用，微生物的新陳代謝速率增加。隨著重金屬濃度再增加，重金屬對微生物的生長起抑制作用，可能是由于重金屬污染影響了細胞的代謝及微生物的功能，使微生物的組成結構發生了變化。

圖7　土壤表層放線菌數量的變化Fig.7　The change of actinomycetes quantity in soil surface

圖8　10cm土層放線菌數量的變化Fig.8　The change of actinomycetes quantity in 10 cm soil

放線菌的數量隨著時間的推移未呈現出明顯的規律；土壤表層放線菌的數量低于10cm土層，可能是由于放線菌對重金屬污染形成抗性的過程較漫長，未能及時阻止重金屬離子進入細胞，細胞結構遭到重金屬的破壞，從而影響其代謝和繁殖速率。

2.3土壤真菌數量從圖9和10可以看出，在1～4倍的濃度(Cu≤381.84 mg/kg，Zn≤1172.72 mg/kg，Pb≤312.36 mg/kg，Cd≤7.84 mg/kg)范圍內，真菌數量隨重金屬濃度的增加而逐漸增多，當重金屬濃度增加到4倍時，土壤表層真菌數量最多，為63×103CFU/g。與對照組相比，真菌數量的增加幅度達61.54%。當重金屬濃度再增加時，真菌數量隨重金屬濃度的增加而減少，當重金屬濃度增加到8倍時，真菌數量為52×103CFU/g，降低幅度為17.46%。10 cm土層真菌數量在重金屬濃度增加到8倍時最小，為23×103CFU/g，最大值比最小值增加了約173.91%。在1～4倍的濃度范圍內，重金屬對微生物的生長起促進作用，微生物代謝活動增強，新陳代謝速率增加，同時其體內的有機代謝物如檸檬酸具有絡合金屬離子的能力，能有效地去除重金屬毒性。隨著重金屬濃度再增大，重金屬對微生物的生長起抑制作用，可能是由于重金屬污染影響了細胞的代謝及微生物的功能。

真菌數量隨著時間的推移未呈現出明顯的關系，土壤表層真菌的數量高于10 cm土層，可能是由于真菌細胞能把重金屬離子累積于細胞內的某些特殊細胞器中，因而能在細胞內累積高濃度的金屬。一旦進入細胞，金屬離子還可被轉化成毒性較小的化合物，從而降低重金屬的毒性。

圖9　土壤表層真菌數量的變化Fig.9　The change of fungi number in soil surface

圖10　10 cm土層真菌數量的變化Fig.10　The change of fungi number in 10 cm soil

3結論與討論

(1)在污水廠原污泥重金屬濃度擴大1～8倍的范圍內，微生物數量因處理濃度的不同而異，適合細菌生長的最佳濃度為1～6倍(Cu≤572.76 mg/kg，Zn≤1759.08 mg/kg，Pb≤468.54 mg/kg，Cd≤11.76 mg/kg)，適合放線菌生長的最佳濃度為2倍(Cu≤190.92 mg/kg，Zn≤586.36 mg/kg，Pb≤156.18 mg/kg，Cd≤3.92 mg/kg)，適合真菌生長的最佳濃度為4倍(Cu≤381.84 mg/kg，Zn≤1172.72 mg/kg，Pb≤312.36 mg/kg，Cd≤7.84 mg/kg)。

(2)細菌和真菌數量分布為土壤表層﹥10cm土層，放線菌則反之。不同類群微生物對污泥中重金屬的敏感度由高到低依次為細菌、放線菌、真菌。

(3)該研究采用的污泥取自合肥市污水處理廠污泥濃縮脫水機房，樣本選取具有一定的局限性。該研究僅針對細菌、放線菌和真菌三類微生物對污泥中重金屬的敏感度進行了研究，未對其他微生物種類展開全方面深入研究，另外污泥中其他重金屬元素的影響有待進一步研究。

參考文獻

[1] 李瑞美,何炎森.重金屬污染與微生物研究概況[J].福建熱作科技,2003,28(4): 25-28.

[2] 蔡信德,仇榮亮.鎳污染對土壤微生物的生態效應[J].生態科學,2004,23(3):273-277.

[3] 趙祥偉,駱永明,滕應，等.重金屬復合污染農山土壤的微生物群落遺傳多樣性研究[J].環境科學學報,2005,25(2):186-191.

[4] 滕應,龍健.重金屬污染土壤的微生物生態效應及修復研究進展[J].土壤與環境,2002,11(1):85-89.

[5] SEIDEL H，WENNRICH R，HOFFMANN P,et al. Effect of different types of elemental sulfur on bioleaching of heavy metals from contaminated sediments [J]. Chemosphere, 2006, 62: 1444-1453.

中圖分類號S 154.3

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-123-04

收稿日期2016-01-15

作者簡介趙華勝(1989- )男，江蘇鎮江人，碩士研究生，研究方向：城市固體廢棄物處理處置與資源化利用。