異丙基黃原酸鈉和Pb2+對土壤微生物活性的影響

摘要：通過微量熱技術研究重金屬鉛（Pb2+）和異丙基黃原酸鈉對土壤微生物活性的影響，配制不同濃度的Pb（NO3）2和異丙基黃原酸鈉溶液，并且進行正交組合，設計8個樣品組和一個空白對照。Pb2+濃度越高對土壤微生物的抑制性越強，Pb2+濃度為0.6 g/kg時抑制率I為15.51%，Pb2+濃度為1.2 g/kg時抑制率I為36.21%。反應前期異丙基黃原酸鈉對土壤微生物的抑制率也隨著濃度升高而增加，反應后期異丙基黃原酸鈉對土壤微生物的影響降低。兩種物質同時存在比單一物質的抑制性強，在鉛濃度一定的條件下，高濃度的異丙基黃原酸鈉會促進微生物放出更多的熱量。

關鍵詞：異丙基黃原酸鈉；Pb2+；微生物活性；微量熱技術

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）12-3056-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.12.016

Abstracts： Effects of Pb2+ and sodium isopropyl xanthate on microbial metabolism activity were studied by microcalorimetry， different concentrations of Pb2+ solution and sodium isopropyl xanthate solution were prepared for designing 8 samples and a control. The inhibition rate increased from 15.51% to 36.21% when Pb2+ concentration increased from 0.6 g/kg to 1.2 g/kg. High concentration of sodium isopropyl xanthate had high inhibition rate than low concentration in early stage of reaction， the inhibition to microorganisms reduced in late stage. The existence of two substances had higher inhibition rate than single substance to soil microorganisms，higher concentration of sodium isopropyl xanthate with the same Pb2+ concentration in soil promoted the release of heat.

Key words： sodium isopropyl xanthate； Pb2+； microbial activity； microcalorimetry

由于礦山資源的開采，全世界范圍內越來越多的土壤被重金屬污染[1]。鉛在環境中作為一種常見的重金屬，以其高毒性和對動植物的危害，被列為有毒污染物[2]。礦業發展過程中，除產生的大量重金屬污染物之外，選冶藥劑的用量也在增加，黃藥是常見的捕收劑，淡黃色粉末，有毒且具有刺激性臭味。相關研究表明，低濃度的黃藥對大多數水生生物具有毒性，可以致畸[3]，經黃藥污染的水體呈異臭，并且引起硫污染[4]。進入生態系統中的污染物種類隨時間呈指數增長，環境污染不再是單一污染的理想狀態，而是以各種污染物構成的復合污染為主體[1]。特別是在礦山產業中產生大量含有重金屬和浮選藥劑的廢水和廢渣，通過各種途徑污染周邊農田土壤[5，6]。

土壤是一種復雜的生態系統，大量微生物的存在控制著土壤的生物活動[7]，在物質循環、保持土壤結構、降解有機物質等方面有重要的作用[8]。重金屬對微生物的影響主要是由于重金屬和微生物的相互作用，抑制微生物的基本細胞功能，影響微生物的能量代謝作用[9]。浮選藥劑對浸礦菌種的活性具有抑制作用[10]。現在關于重金屬Pb2+和農藥、持久性有機污染物的研究較多，但是關于重金屬Pb2+和浮選藥劑黃藥對土壤微生物影響的研究較少，本研究通過微量熱技術研究Pb2+和黃藥（異丙基黃原酸鈉）對土壤微生物活性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試土壤為潮褐土，土壤樣品采自河北省邯鄲市曲周農田，該地區屬于溫帶季風氣候，年平均氣溫12 ℃，年降水量550 mm。采集0～20 cm表層土，新鮮土壤去除植物殘體、礫石，過2 mm篩，置于塑料袋內，并放置于4 ℃冰箱內保存備用。土壤基本理化性質見表1。

異丙基黃原酸鈉為化學純試劑，購自薩恩化學技術（上海）有限公司，Pb（NO3）2為分析純試劑，購自北京化學試劑公司，主要儀器為微量熱儀（TAMⅢ）。

1.2 試驗設計

試驗設置兩個Pb2+濃度，分別為600、1 200 mg/kg，兩個異丙基黃原酸鈉濃度50、100 mg/kg。并且以不同濃度的Pb2+和不同濃度的異丙基黃原酸鈉混合增加4個處理，試驗設計見表2。

1.3 微生物代謝活性的測定

TAMⅢ多通道微量熱儀監測土壤系統的微生物代謝活性。首先將土壤樣品在室溫下活化24 h，稱取1 g土壤放入安瓿瓶中，然后加入不同濃度的Pb2+和異丙基黃原酸鈉溶液，并且加入0.2 mL的營養液（含2.5 mg的葡萄糖和2.5 mg的硫酸銨），所有的樣品都需要保持35%的含水率，放置到微量熱儀通道中于28 ℃下測定，微量熱數據將自動保存在電腦上，當熱譜圖回到基線，試驗完成。

熱力學參數包括總熱量Qt，通過功率—時間曲線積分得到，Qt值與碳源的利用量相關；最大熱功率Pm；到達最大熱功率的時間Tm；生長速率常數 k，k通過公式計算：kt=lnPt-lnP0，其中t為時間，P為t時刻的功率，P0為對數生長期開始時的功率。抑制率I通過公式計算：I=，k0是空白對照的生長速率常數，kc是試驗組的生長速率常數，I是抑制率。

1.4 數據處理

微量熱數據應用Origin 8.5作圖并分析，相關性分析采用SPSS軟件分析。

2 結果與討論

2.1 單一異丙基黃原酸鈉和Pb2+對土壤微生物活性的影響

重金屬和有機化合物對土壤微生物代謝活性存在顯著的影響[11]，不同處理條件下土壤微生物熱功率曲線見圖1。不同處理條件會產生不同的熱功率曲線，因為異丙基黃原酸鈉和Pb2+對土壤微生物產生抑制或刺激作用。這說明土壤微生物對不同物質有不同耐受性，可能由于異丙基黃原酸鈉和Pb2+性質不同，影響不同的微生物，或者微生物的不同代謝功能[9]。

在圖1a中，加入不同濃度重金屬鉛，可看出在土壤中添加鉛后出現二次峰現象，而空白土壤沒有出現二次峰。這可能由于土壤中產生了耐重金屬鉛的微生物，在鉛加入到土壤中之后，不適應重金屬鉛的微生物迅速死亡，而耐鉛的微生物存活下來并進行生長代謝[12]。圖1b表明在土壤中添加異丙基黃原酸鈉后，微生物生長被抑制，說明異丙基黃原酸鈉對土壤微生物的生長有抑制作用，加入異丙基黃原酸鈉的土壤產生的Pm比空白高，這可能是由于在反應后期異丙基黃原酸鈉對微生物有促進作用。

由圖1中熱功率曲線可以得到微生物活性特征參數，包括微生物生長速率常數k、總發熱量Qt、最大發熱功率Pm，得到數據見表3。表3空白土壤的微生物生長速率常數k值最大，到達最大發熱功率Pm時間最短，除單一加入異丙基黃原酸鈉外，空白土壤Qt最大。當土壤中加入單一Pb2+，微生物特征參數k、Qt和Pm都會下降，Pb2+會抑制土壤微生物的生長，影響微生物對有機物的利用，而且濃度越高，對微生物抑制能力越強，這和前期研究結果一致[9]。當土壤中加入單一異丙基黃原酸鈉，微生物特征參數k降低，100 mg/kg時的k小于50 mg/kg時的k，異丙基黃原酸鈉對土壤微生物的抑制能力隨濃度增高而增強。在反應的后期Qt和Pm都會變大，而且隨著濃度的升高，其Qt和Pm都會增大。總發熱量Qt是土壤微生物從開始到結束生長代謝有機物放出熱量的總和，反映不同條件下土壤微生物對有機物的利用程度[13]。在土壤中添加異丙基黃原酸鈉，Qt和Pm會升高，這可能由于隨著時間的延長，土壤中產生了耐受并且以異丙基黃原酸鈉為底物，可以降解異丙基黃原酸鈉的微生物[14]，土壤微生物以異丙基黃原酸鈉為碳源并繼續生長。

2.2 復合異丙基黃原酸鈉和Pb2+對土壤微生物活性影響

圖1c和圖1d是不同濃度異丙基黃原酸鈉和Pb2+復合條件下對土壤微生物活性的影響。圖1c表示在土壤中添加Pb2+（1.2 g/kg）和不同濃度（0、50、100 mg/kg）的異丙基黃原酸鈉，在Pb2+濃度一定的條件下，微生物生長速率常數k值[15]（0.007 4、0.006 5、0.004 1）隨異丙基黃原酸鈉濃度的增加而減小，說明同時添加Pb2+和異丙基黃原酸鈉會比單一添加Pb2+對土壤微生物的抑制作用更大。由表3可知，在Pb2+濃度為1.2 g/kg時，添加濃度為100 mg/kg的異丙基黃原酸鈉，產生的總放熱量Qt和最大熱功率Pm比濃度為50 mg/kg時大，添加100 mg/kg異丙基黃原酸鈉的土壤到達最大熱功率的時間Tm少于添加50 mg/kg的土壤，有研究[14]表明異丙基黃原酸鈉可以被微生物分解，能被微生物分解成小分子的酸和醇，而小分子的酸和醇能被微生物作為碳源利用，所以在反應初期兩種物質同時存在的條件下，對土壤微生物的抑制作用最大，隨著時間的延長，土壤中的異丙基黃原酸鈉被微生物分解，并作為碳源被微生物利用。

圖1d表示在土壤中添加Pb2+（0.6 g/kg）和不同濃度的異丙基黃原酸鈉（0、50、100 mg/kg），隨著異丙基黃原酸鈉濃度的增加，微生物生長速率常數k（0.009 8、0.008 0、0.005 9）變小，這與上個研究結果一致，說明Pb2+和異丙基黃原酸鈉復合條件下會抑制土壤微生物的生長。由表3可知，在Pb2+濃度為0.6 g/kg，添加濃度為100 mg/kg的異丙基黃原酸鈉產生的Qt、Pm比濃度為50 mg/kg時大，而Tm則少于添加50 mg/kg的土壤。有研究[14]表明異丙基黃原酸鈉是易分解的物質，能被微生物分解成小分子的酸和醇，而小分子的酸和醇能被微生物作為碳源利用，此結果和以上研究結論一致。

2.3 相關性分析

將Pb2+濃度、異丙基黃原酸鈉濃度和微生物活性特征參數進行相關性分析，見表4。總放熱量Qt和最大放熱功率Pm成正相關（P<0.01），即Pm越大，Qt也越大。微生物生長速率常數k和到達最大功率的時間Tm成負相關（P<0.01），即微生物生長速率越低，其放熱量到達頂峰的時間越長。Pb2+濃度和Pm成負相關（P<0.05），隨著Pb2+濃度的增加，Pm變小，即重金屬會影響微生物的某些代謝行為，從而影響微生物釋放熱量[16]。異丙基黃原酸鈉濃度和k成負相關（P<0.05），隨著異丙基黃原酸鈉濃度的增加， k變小。異丙基黃原酸鈉濃度與Tm成正相關（P<0.05），異丙基黃原酸鈉濃度與抑制率I成正相關（P<0.05），即異丙基黃原酸鈉的加入會抑制土壤微生物的生長。

3 結論

通過分析微生物的總放熱量Qt、微生物的最大放熱功率Pm、微生物生長速率常數k，鉛對土壤微生物的抑制隨著Pb2+濃度升高而增加，抑制率I由15.51%上升為31.21%。

土壤中添加單一異丙基黃原酸鈉，由k的變化可知，在反應前期抑制土壤微生物的生長，而且隨著濃度的增加，其抑制率越大，在反應后期，添加100 mg/kg異丙基黃原酸鈉的土壤Qt和Pm都比50 mg/kg的高，這可能是因為后期異丙基黃原酸鈉被土壤微生物分解所致，反應后期100 mg/kg的異丙基黃原酸鈉比50 mg/kg的更能刺激土壤微生物釋放熱量。

在土壤中同時添加Pb2+和異丙基黃原酸鈉之后，其微生物生長速率常數都迅速降低，且比單一添加Pb2+和異丙基黃原酸鈉的生長速率常數低，說明在反應前期兩種物質同時存在加強對土壤微生物的抑制作用。隨著反應的進行，在鉛濃度一定的條件下，添加100 mg/kg異丙基黃原酸鈉的Qt和Pm比添加50 mg/kg的土壤高，添加濃度高的異丙基黃原酸鈉比濃度低的異丙基黃原酸鈉更能影響土壤微生物，使土壤微生物放出熱量。

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