重金属镉对土壤呼吸和土壤微生物群落的影响研究

陆文龙，徐松巍，李英华*

(1.吉林化工学院环境与生物工程学院，吉林吉林132022;2.中国石油吉林石化公司乙烯厂，吉林吉林132022)

土壤微生物几乎参与土壤中的一切生物及生物化学反应，在土壤功能及土壤发育过程中直接或间接地起重要作用，包括对动植物残体的分解、养分的储存转化及污染物的降解等随着现代经济的高速发展，人类的生产和生活活动向土壤中施用了大量的农药和化肥，排放了大量的工业与生活废弃物，虽然这可以提高农产品产量，同时也解决城市垃圾和工业污水排放的问题，但由于土壤的自净能力有限，当污染物含量超过了土壤容量时，就造成了对生态环境和人类健康的影响，甚至威胁着人类生存［1-2］.20世纪80年代初，我国在全国范围内开展了首次污灌区灌溉水和土壤质量的调查，结果发现，我国污灌区受重金属污染以Cd和Hg的污染面积最大，问题最突出.本文通过对重金属镉污染土壤的微生物量和土壤呼吸的测定，旨在探索重金属污染与土壤微生物学指标的内在联系，为污染土壤的质量评价、生物治理及环境修复提供理论依据［3-4］.

1 材料与方法

1.1 样品采集和前处理

1.1.1 样品的采集

土壤样点的设置是在自然概况和预实验土壤样品初步分析的基础上，选择远离城市中心的松花湖库区人为活动影响较弱的地方，经实验室检测重金属镉含量未检出，属于自然无污染土壤.确定的采样点上，先用小土铲去掉表层3 cm左右的土壤，5 cm厚层进行取样，样点的面积为20 cm2.

1.1.2 样品的前处理

将新鲜湿土样平铺于干净的纸上，弄成碎块，摊成薄层(厚约2 cm)，放在室内阴凉通风处自行干燥.去除土壤中较大的石砾、植物根须等物质.土壤研磨过孔径为2 mm土壤筛用于外源添加Cd以及测定染毒后的土壤呼吸和土壤微生物量.

1.2 添加外源镉土壤污染实验

1.2.1 土壤镉染毒实验

用电子天平称取14 g硫酸镉(约含5 g镉)溶于100 mL容量瓶中，稀释到刻度并摇匀，从中用移液管移取10 mL溶液放入100 mL容量瓶中，稀释到刻度并摇匀，再从中量取10 mL溶液均匀喷洒到装有100 g过筛土壤的烧杯中，使其自然风干并混匀待测.

1.2.2 样品浓度设置

根据上述方法添加外源镉，使镉浓度为0.5、1、3、5、10 mg/kg，染毒土壤供测土壤呼吸、微生物群落.同样以去离子水作对照处理［5］.

2 测定方法

2.1 土壤呼吸测定方法

本试验采用直接吸收滴定法(密闭法)测定，即在密闭系统内放置土壤及过量的CO2吸收剂(本试验采用1 mol/LNaOH标准溶液)，直接吸收土壤产生的CO2，然后测定剩余的吸收剂，以确定CO2释放量.滴定法操作简便，花费少，不需要复杂的设备，局限性在于测定精度不理想［6］.

称取50 g供试土壤于1 000 mL密闭土壤培养罐中，使其均匀地平铺于罐底部.将盛有10 mL 1 mol/L标准NaOH的50 mL小烧杯置于罐中，密封罐口后移至25℃恒温培养箱内培养，24 h后取出小烧杯，测定CO2含量分别于试验开始后第7、14、21、28、35、42 d 测定土壤呼吸强度.每个处理重复3次.

CO2测定方法:从烧杯内准确吸取5 mLNaOH溶液于50 mL三角瓶中，加3 mL，1.5 mol/LBaCl2，滴入2～3滴酚酞指示剂，立即用1 mol/L标准HCl溶液滴定剩余的NaOH至红色消失.

2.2 土壤生物量测定方法

微生物量的测定(CFU法):菌落总数的测定，将被检样品制成几个不同的10倍递增稀释液，然后从每个稀释液中分别取出1 mL置于灭菌平皿中与营养琼脂培养基混合，在一定温度下，培养48 h后，记录每个平皿中形成的生物群落数量，依据稀释倍数，计算出每克原始样品中所含生物群落总数.

3 结果与讨论

3.1 镉对土壤呼吸的影响

土壤呼吸强度是土壤微生物活性的体现，可用来衡量微生物生命活动的强度.也是研究土壤重金属污染的一项重要生物学参数.

图1为不同镉浓度处理条件下土壤呼吸的强度柱状图.图中可见，(1)除重金属镉释放量1 mg/kg浓度组的土壤呼吸表现为先促进后抑制外，其他实验组均表现为抑制作用;(2)随着重金属镉施加浓度的增加，土壤呼吸(CO2释放量)逐渐减小，表明镉浓度对其影响较大;(3)随着重金属施用时间的增加，促进作用逐渐消失，Cd的添加表现为以抑制作用为主，这很可能是由于土壤的生态环境，使得重金属离子的分布更加均匀，增加了与微生物的接触所致.

图1 镉对土壤呼吸作用的影响

3.2 镉对土壤微生物量的影响研究

实验结果表明，见图2，在同一浓度组中，随着染毒时间的增加，土壤微生物的数量呈下降趋势，总的来说染毒时间越长则数量越少.在不同浓度组之间，土壤微生物数量的变化比较明显.如第14 d对照组的土壤动物总数为93个，而在同样的时间段高浓度组总数为30个，仅为对照组的32.25%，说明了污染浓度对土壤动物的数量有非常明显的影响.

图2 镉对土壤生物量的影响

Fliebbach等的研究也表明，低浓度的重金属能刺激微生物的生长，而高浓度则导致土壤微生物量碳的明显下降.Nosir的研究发现长期受工业废水污染的土壤，微生物量远低于正常土壤.本人的实验结果与国外研究学者基本相似.

4 结 论

实验室测试结果，外源Cd的添加对土壤生物活性具有阻抑作用.但是由于环境因子的复杂性，土壤微生物作用的多样性，Cd对不同土壤生物活性不但具有抑制作用，在某些条件下还具有促进作用.重金属Cd污染对不同的土壤生化过程具有不同效应，作为表征土壤总体生物活性的重要参数，低浓度Cd的添加对土壤呼吸强度产生一定刺激作用，高浓度则产生抑制，而且施药浓度越高，受抑制程度越强.在同一浓度组中，随着染毒时间的增加，土壤微生物的数量呈下降趋势，总的来说染毒时间越长则数量越少.在不同浓度组之间，土壤微生物数量的变化比较明显，说明了污染浓度对土壤动物的数量有非常明显的影响.根据重金属对土壤动物数量影响的规律，可以揭示土壤受污染的程度.因此，微生物可以作为土壤重金属污染的重要评价指标.

［1］龙健，黄昌勇.矿区重金属污染对土壤环境质量微生物学指标的影响［J］.农业环境科学学报，2003，22(1):60-63.

［2］段学军，盛清涛.土壤重金属污染的微生物学效应［J］.中原工学院学报，2005，16(1):1-4.

［3］Giller Ken E，Witter Ernst，Mcgrath Steve.Toxicity of heavy metals to microorganisms and microbial processes in agricultural soils:a review［J］.Soil Biochemistry，1998，30:1389-1414.

［4］Wenderoth D F，Reher H H.Development and comparison of methods to estimate the catabolic versatility of metalaffected soil microbial communities［J］.Soil Biology Biochemistry，1999，31:1793-1799.

［5］段学军，闵航.Cd胁迫下稻田土壤生物活性与酶活性综合研究.农业环境科学学报［J］.2004，23(3):422-427.

［6］HattoriH.Influence of heavy metals on soil microbial activities［J］.Soil Science and Plant Nutrition，1992，38:93-100.