PDF《砷及重金属对土壤微 生物的影 响》

第卷第期匀年月环境科学学报加砷及重金属对土壤微生物的影响 杨居荣葛家 清 北京师范大学环境科学研究所 张 美庆 周薇北京市农科院士肥所 摘要砷及 重金属污染土壤中微生物变化的模拟试验证实 土壤受砷及 重金属污染后 细 菌总数降低 随着砷及重金属浓度的递增而 明显减少 本试验条件下 , 土壤 砷浓度为、为了、为、为、外为 时 细菌总数即开始减少 砷及重金属对几种有益土壤微生物影响的纯培养试验表明 , 三价砷为 、 五价 砷为 时 对土壤固氮细菌 花生根瘤菌 、 大豆根瘤菌 、 紫云英根瘤菌 、 含脂 刚螺菌 、 圆褐固氮菌 、 解磷细菌 大芽抱杆菌 、 枯草杆菌 及纤维 分解菌 木霉 均有抑制作用 , 其 中三价砷的抑制作用尤为明显 不同菌种对砷的敏感性不同 , 紫云英根瘤菌和花 生根瘤菌对亚砷酸钠敏感 , 木霉和大芽抱杆菌对砷酸氢二钠敏感 、 、 、 对大芽抱杆菌和枯草杆菌均有明显抑制作用 其中对大芽抱杆菌的 抑制作用更为显著 , 低浓度 对枯草杆菌有刺激作用 土壤受砷污染后 , 土壤呼吸强度降低 , 其 仇的产量与土壤细菌总数呈正相关关系 上壤 微生物是土壤的 重要组 成部 分,它们 和其他 因素一 起决定着土 壤的 本质 属性土壤微生物不仅对土壤肥 力的形 成、土壤营养元 素的转化 起着重要作用 , 而且对 于进 入土 壤中的农药 及其它 有机污染 物的分解与 自净 , 有毒金属 及其化合物在环境中的 变迁 都起着极为重 要的 作用 因此 , 在研究重 金属 对土 壤的污 染时,土壤微生 物系统的变化无 疑是十分重要 的 近年来 , 一些国家在对污 染物 的控 制与治理 中,提出了 环境负荷 ,的概念,并从总 量 的角度对污染物加 以控制因此 , 对土 壤污染的 研究 , 仅着眼于土 壤的 生产机能 是不够 的,还要研究污 染物对整个土 壤生态 系统的环境 保护机能的影 响帕 其中土壤微生物系统的 变化 土壤微生 物相 的贫乏化 及活 性的低下 可直接 影响到土壤生态 系统 的质 量,成为土壤质量优 劣的重要标志之一 金属 与土 壤微生 物的关系可分为 两 个方 面,即金属 对微生 物的 作用 及微生 物对 金属化合物及 其 离子的 作用 本文仅 就前者加 以 研究 、 讨论 关于 重金属 对土壤微生 物的作用 已有一 些报澎 , .

, 但 与重金 属 对农作物的生育 危害、重金属 在土壤 一植物系统中的迁 移、转化规律 以 及重金属在土壤中的 行为等方面的研 究 '

相比 , 仍显得 比较薄弱 国内尚未见 到报道 本文通过重金属 污染土壤 中微 生 物的 调查及重金属对土壤 固氮菌 , 解磷细菌 、 纤 维分解菌的影响试验 , 研究 了砷及重金属 对土壤微 生物的影响 期 杨居荣等 砷及重 金属对土壤微生物的影响 试验材料及方法

一、重金属 污染土 壤 中微 生物变化 的模 拟试 验 上壤 的重金属 污染 , 通 常不 限于一 种金属 元素 , 多为几种金属 元 素复 合存在 为分别 探讨不 同金 属元 素对土壤微生 物的影响 , 我们 采 用人为施加单项污染物的方 式,对污染土 壤 中的微生物进 行调 查 土壤采 自北京市农科院圃场 , 为草甸褐土 、 质地轻壤 称取 适量土样 , 分别 施 加砷及 其它金 属化合物 施加浓度参照对 农作物生育影 响的范围 施加形态及数量 以 金属 离子 鲜土 计,土壤含水量为 男为砷酸氢二 钠'

・、、亚砷酸钠 、 、 氯化汞 , , 氯化镐 、 、 重铬 酸钾 , 、 、 , 硝 酸铅 〔 〕 , 、 、 、 为使各处理 水分状 况一致 , 将施加 的 重金 属 用无 菌水 制 成溶液 , 等量 、 均匀喷洒 于土壤中 , 使土 壤 含水量 保持在 万,在 培养箱 内培养 、 、 日后 , 称取适 量土壤制成 悬浊液 , 采 用稀 释 平板培养法 , 计算细菌总数 培养基为牛 肉膏蛋 白膝 为使所调 查 土壤更接近 实际污染土 壤 并观察较 长 时间砷污染对土壤 微 生物的影响 , 我们还 以不 同浓度砷对小麦 生育影响的 盆 栽试 验土 壤 草甸褐土 为材料 , 调 查了细 菌总数的 变化 样品 采 自孕穗 期小麦 的根 际 培养方 法同 上

二、重金属对 几种 有益 土壤微生 物 的影 响试验 试验微 生物有固氮菌 花生 根瘤菌 从,沉、. 盯创 钻、大豆 根瘤菌从. . 沉.. 叩口耐 叼、紫云 英根瘤 菌脂俪 加勺、圆褐固氮菌 浏即叭即. 翎. 叼、含脂 刚螺菌 月户'

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从 伪纤维分解菌 木霉 少时硫 . 山、功,采用选择性培养基 , 其 中固氮菌为 无氮 培 养基 , 根 瘤菌为根瘤 菌培养 基,含脂 刚螺菌为 比 无氮培 养基 , 大芽 抱杆 菌 和木霉为马铃薯 琼脂 培养 基,枯草杆菌为 肉汁蛋白膝培 养基 将砷及金属 溶液加 入 溶化 了的培养基 中,配成不 同浓度 平板 凝 固后 , 用等量一定稀释 度的菌 悬液涂沫 平板 , 在培养箱 内培养 一日,观察砷及重 金属 对不 同细 菌菌落数的影 响 砷及 重金属化合 物 浓度 以金属 离子计 为 砷酸氢二 钠.、、、、亚砷酸钠 、 、 、 、 、 氯化镐 、 、 、 、 硝酸 铅、、了、、重铬酸钾、、、、硫酸铜 、 、 、

三、土壤呼吸 强度 的测 定 试验土壤为不 同浓度砷污染对小麦生育影响的 盆栽土 称取 适 量土 壤,加葡萄 糖培养液 , 置于培养箱中培养切 小时后 , 利 用气根色谱法 测定 仇产量 、 作为呼 吸强 度指 标・环境科学学报卷结果与讨论

一、砷及重 金属 污染土壤 中的微 生物砷污染土壤 中的 微生物模拟试 验结果 列 于表 襄百砷污染土壤中的细菌总数 . 恤力 感叼、.一里孵竺粤生一扁 一 一一婴塑鲤井一一 一一斗一一斗二竺 牛一竺一 丰二生斗一生 一丰竺'

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,・结果表明,土壤砷污染后 , 细 菌总数 明显减少 在 本试验范围 内,当土壤砷浓度为时,细菌数 已明显下 降,并随 土壤砷浓度的增 加而 递减 从较长时 间的 动态变化看,砷对细菌抑制 一 作用的趋势较为平稳 不 同形态 的砷化物对细 菌的影响效应具有 一定差异 以亚砷酸钠的抑制作用 更明显 随着培养时间的加 长,二者的差距 有逐渐缩 短的趋势砷污染对小麦生育影响的 盆栽土壤中 , 细菌数 的 变化见表 表 砷污染土壤中的细菌数 小麦盆栽土 协豆刀加加,弓亚砷酸钠工序'

臼砚自弓上二心山砷砷酸氢二钠钠细菌数数硫化砷砷菌数一内八血'

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月口一结果 表明 , 砷污染土壤对小麦生育影响的 盆栽试验 中,土壤微生物的 变化与模 拟试 验 结果一 致 三种形态的砷化物均使土壤细菌总数降低 , 并随 土壤砷浓度 的递增而 加剧,三种砷化物相 比,仍以亚 砷酸钠的 抑制 作用最 明显 , 硫化砷的抑制 作用最小 亚砷酸盐 与期杨居荣等 砷及重金属对土壤微生物的影响 砷酸盐相 比,其差 异不如前述 模拟 试验显著 可能 与在 盆栽旱种 栽培 情况下,土壤呈 氧化 状态,所投加 的 砷化 物均宜 于以砷酸盐状 态 存在有关 值得 指 出的 是,一些 研究表 明,当土壤中砷污染物 为溶解 度较低 的 硫化 砷时 , 对农作物的生育危害 比砷酸氢二 钠 和亚 砷酸钠要轻的多 当土壤硫化 砷高达 一时,才开 始对小 麦生 长产 生抑制作用 而本 试验结果 表明,硫化 砷在 时使土壤细 菌总 数降低 由此 推断 , 在 衡量土 壤砷 污染危害时 , 不仅要看 其对农作物生育的 影响,也要 观察土 壤微生 物的 变化 相比起来 , 土壤微生 物的反应 更为敏感 重 金属 污染土 壤 中微 生物 的变化、、、污染土壤中微 生物 变化的 模拟 试 验结果 列于表结果 表明,土壤受、、、等重金属 污 染后 , 细 菌总数 明显 降低 在 本试 验范围 内,当土 壤中为・、为、为、为时细 菌总数开 始下 降,不同金属 元 素对细 菌的影响效应 具有一 定差 异、相比,的影响 程度大于 、 相比,的抑制 作用显著 从细菌总数的 动态 变化 看,随着培养时 间的加 长,、、的抑制作用略 有 降低的趋势 , 而则相反 , 随 着培养时 间的加 长,抑制作用 更 为明显 裹 金属污染土壤中的微生物 人〔 压一金 筹 培黑土卜一一而万舞丹 鱼万 黔月 一一一一下 一 丁下 . . , . . . . , . . ・ … 一一一,,

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…………… 龚环境科学学报卷上述 重 金属 对土 壤微生 物抑制 作用的结果 与杉 山幻、达山〔,、山本 等人的 有关报道 基本一致 由此 推断,在调查和评价土 壤重 金属 污染时 , 土 壤细菌数的变化可作为土壤重 金属污 染程度的标志之一 从表 、 表 结果 看出 , 土 壤中砷及 重金属浓 度 较高时 如、、、仍有细菌存活 这说 明土 壤 中有耐 性细菌存在 , 对于改 良和 治理土壤金属污染具有重 要意义 , 促使人们 利用自然界微 生物 可变异 成具有高 度耐金 属及其化合物能力的 变异 性能 排除 有毒重金属 污染 , 并 利用物理 、 化学诱 变剂大大增加 微生物诱 变的 机率 对此 , 目前 已有人作 了探 索例如场等巳证 明采用假单胞菌属的一 种 抗汞 菌 株处理 全汞含量为 的工矿 废水,可使水 中汞浓度 降 为原浓度的 左右

二、砷及 重金属 对几种土 壤有益 微生 物的影 响土壤中的微生物种类 多、数量大 它 们不 仅 在形态 上有各种 差别,在生理 功能 上具有 多样性 , 而且要求各种不 同的 生 长条件 , 对环境 因子的改 变具有不 同的反 应 和适应能 力 为探讨 重金属 污 染对土 壤供肥能 力的影响 , 我们选择 了对土 壤肥 力因素有影响的具 有固氮功能 、 解磷功能 及纤维 分解功能的 有益微 生物 作为试 验材料 , 进行纯培养 试验,调查了金属污 染 对不 同功能细菌的影 响,并试 图筛选敏 感菌种 表不同浓度砷污染条件下 , 儿种土壤微生物的存活率 肠讯不中化物及浓度 陇生根大豆根紫云英圆褐固含脂刚大芽耐才白 与'

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・ 爷 木霉为泡子萌发数 表 结果 表明砷污 染物对上述 几种 固氮菌 、 解磷细菌及纤维分解菌均有抑制 作用 , 除紫云英根 期 杨居荣等 砷及重 金属对土壤微生物的影 响 瘤菌在低 浓度 砷酸 氢二钠 时,菌落数略有增加 外,均随 砷浓度的递增而 减少在本试 验范围 内,砷酸氢二 钠、亚砷酸钠 时,各种 细 菌数 即开 始减少 花 生根瘤菌 、 紫云 英根瘤 菌、枯草杆 菌在 亚砷酸钠 , 大芽 抱杆菌和木霉在 砷酸氢二 钠,枯草杆菌在 砷酸 氢二 钠时已不能存活 , 菌落数 为零 不 同形 态 砷化 物对 几种土壤有益微 生物 的影响效应不 同 本试 验选 用的 微生物 中,除砷酸 氢二 钠对大芽 抱杆菌及木霉的 抑制 作用 较强外 , 均 以亚砷酸 钠的抑制作用明显目、冷氮扭界不同菌种 对砷化 物 的反应 也不 相同其中木霉 和大芽 抱杆菌 对砷酸氢 二 钠最 为敏感 , 而 大豆 根瘤 菌和含脂刚螺菌 耐性最 高 对亚砷 酸钠 来说 , 花生根瘤菌 、 紫云英 根 瘤菌最 为敏 感,含脂 刚 螺菌的 耐性 最强根据 上述 砷化 物对 几种土 壤 有益微 生物影 响的 试 验结果 , 我们 选取了解磷细菌 、 大芽抱杆 菌 和枯草杆菌为试 验材料,调查了 、 、 、 的影响 效应 结果 如图、图、表明 , 、 、 、 重金 属元素对大芽 抱杆菌 和枯草杆菌均有明显 抑制 作用 , 随金属 浓度 的升高,菌落数 明 显减少 其中在低 浓度 时对 枯 草杆 菌 有刺 激 作用 , 细 菌总 数增加当为,、为,时,・枯草杆 菌不 能存活 枯草杆菌 对不 同金属 化合蕊嗯 寻户,.'

图金属元素对枯草杆菌的影响 心助路乙玄钻 卫旦卫才 . 艺气口,七旦几卫卫泛卫旦生 厉.性.. 护叭.考瓷..舀令燕汪寻图金属元素对大芽抱杆菌的 影响卫扭哪订 姗 姗卿肋 玄 毯仇 物的反应 也不 相同,以对、的反应 最 为敏感

图表明,金属 元 素对大芽 抱杆 菌具有 强烈的 抑制作用 本试 验范 围内,除、、在低浓度 下略有存活外 , 其他处理 几乎全 部不 能存活 两种 细菌相比,大芽 抱杆 菌对 金属 元 素的敏 感 性更 强 关于 金属 元 素对微 生物 抑制作用的机制 , 本试 验未作进 一 步探讨 需指出的是,对于培养基 的 略有影 响,是间 接影 响微 生物 生存的原 因 有关 机制 , 尚待 研究 上述结果 表明 , 选用敏感微 生物 作为土 壤金属 污染的 指示生物 是可 行的 对此 , 国外 已有尝试 如山本叻 等人通 过矿 山周 围污染土 壤中微 生物的调 查 结果 认为 , 以 咖俪 .. 的分布作为指标 , 一 可指示土 壤屯金属 污 染的历史 与现状 '

但在实 际污 染土壤中,由于 土 壤环 境 因子错综 复杂 , 重 金属进 入土 壤后 可呈现不 同状态 , 土 壤微 生物对不同 重金 属元素呈 现不 同污染 效应 , 各种 金属 元 素对土 壤微生物的毒 害机理 也不一 致 因此 , 在应 用土壤微 生物作为指标生物方面 , 尚需作进 一步研究

三、砷对土坡呼吸作用 的影 响 土壤微生物 的 活性可代表土 壤代谢 的 旺盛 程度 土壤微生物的呼吸 作用是衡量 土壤 环境科学学报卷微生物活性的常 用指标之一 影 响土 壤微 生物呼 吸 作用的 因素很 多,其中土 壤微生 物的数量 也是影响 因素之一 土壤砷污染影响 到土壤细 菌总 数,势必表现在 呼吸作用上为探讨砷污染 对土 壤呼吸作用的影响 , 我们 以不 同浓度砷污染 对小麦生育影响的盆栽 试验土壤 为材料 , 在调查对土壤细菌总 数影响的 同时 , 测定 了土 壤呼 吸强度表裹砷污染................