建筑垃圾中重金屬Cd2+對(duì)微生物群落的影響研究*

趙巖順,趙宇俠,殷 琨

(1.吉林大學(xué) 建筑工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130200; 2.淮海工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 連云港 222005)

0 引言

建筑廢棄物主要產(chǎn)生于舊建筑物的拆遷和新建筑物的建造過(guò)程中,大部分都被傾倒到公共堆填區(qū)和土壤區(qū),以填埋為主,占用大量土地。1萬(wàn)t建筑廢棄物占地約0.17 hm2,既影響景觀,又破環(huán)、污染周邊環(huán)境,堵塞道路,污染水源。建筑垃圾一般由混凝土碎塊、粘土磚和瓷磚、砂和灰塵、木屑、塑料和廢紙、廢金屬等組成。而一些化工廠拆解的垃圾中含有的重金屬等危險(xiǎn)物質(zhì)則可能對(duì)填埋區(qū)和臨近的土壤造成一定的生態(tài)危害[1]。

重金屬Cd2+是化工行業(yè)的主要污染物之一,有研究表明其對(duì)旱田土壤生態(tài)以及根際微生物群落存在一定的影響,使其中的生物量下降,影響群落的多樣性[2]。土壤微生物幾乎參與土壤中的一切生物及生物化學(xué)反應(yīng),在土壤功能及土壤發(fā)育過(guò)程中直接或間接地起重要作用,包括對(duì)動(dòng)植物殘?bào)w的分解、養(yǎng)分的儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化及污染物的降解等。含有Cd2+的建筑垃圾的填埋可能對(duì)周邊的土壤造成一些不可預(yù)知的影響,我國(guó)污灌區(qū)曾受重金屬污染,其中以Cd和Hg的污染面積最大[3]。土壤微生物群落的變化值得關(guān)注。本文通過(guò)對(duì)重金屬鎘污染土壤的微生物量和土壤呼吸的測(cè)定,旨在探索重金屬污染與土壤微生物學(xué)指標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系,為污染土壤的質(zhì)量評(píng)價(jià)、生物治理及環(huán)境修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和前處理

建筑廢棄物污染土壤樣品取自長(zhǎng)春市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)某化工廠拆解區(qū),未污染土壤采集自自然土壤,土壤樣品均研磨過(guò)孔徑為2 mm的土壤篩。取部分樣品檢測(cè)其中的重金屬含量,以污染土壤作為外源添加Cd2+依據(jù),以未污染土壤為對(duì)照,等量添加 Cd2+,測(cè)定污染前后的土壤呼吸和土壤微生物量等變化,以考察對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響。

1.2 土壤微生物量檢測(cè)方法

未污染土壤作為空白與外源添加重金屬Cd2+污染的土壤樣本同樣各分成3組培養(yǎng),分別在第7,14,21 d對(duì)3種培養(yǎng)中的微生物用平板稀釋法進(jìn)行測(cè)定。每種數(shù)值取其3組的平均值,記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算出每g土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌菌落的數(shù)量。

細(xì)菌、放線菌和真菌分別采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基37 ℃培養(yǎng)24 h、改良的高氏一號(hào)培養(yǎng)基28 ℃恒溫培養(yǎng)3～5 d和馬鈴薯淀粉培養(yǎng)基28 ℃恒溫培養(yǎng)5～7 d。

1.3 土壤微生物多樣性分析方法

計(jì)算土壤微生物的多樣性指數(shù)[4],分別統(tǒng)計(jì)3類微生物數(shù)量,并對(duì)不同種類的微生物菌株進(jìn)行分離純化。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的分析應(yīng)用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′=-∑PilnPi。Pi=n/N,其中n為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)目,N為所有物種個(gè)體數(shù)的總和。

1.4 土壤呼吸測(cè)定方法

參考文獻(xiàn)[5],采用直接吸收滴定法(密閉法)測(cè)定,即在密閉系統(tǒng)內(nèi)放置土壤及過(guò)量的CO2吸收劑,通過(guò)測(cè)定剩余的吸收劑來(lái)確定CO2釋放量。

具體實(shí)驗(yàn)做法:稱取50 g供試土壤置于1 000 mL密閉土壤培養(yǎng)罐中,使其均勻地平鋪于罐底部。將盛有10 mL 1 mol/L標(biāo)準(zhǔn)NaOH的50 mL小燒杯置于罐中,密封罐口后移至25 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng),24 h后取出小燒杯,測(cè)定CO2含量。分別于試驗(yàn)開(kāi)始后第7,14,21 d測(cè)定土壤呼吸強(qiáng)度。每個(gè)處理重復(fù)3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬污染土壤中微生物量測(cè)定

土壤細(xì)菌、真菌和放線菌是土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物區(qū)系的主要組成成分。在重金屬污染條件下土壤微生物區(qū)系的變化是反映土壤生態(tài)變化的重要生物學(xué)指標(biāo)之一[6]。以前期污染土壤調(diào)查為基礎(chǔ),外源添加Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5,1 mg/kg土壤。菌落計(jì)數(shù)的結(jié)果(如表1所示)表明,未添加Cd2+土壤細(xì)菌數(shù)量最多(樣品1,2,3分別為未添加Cd2+樣品,添加0.5,1 mg/kg Cd2+樣品),其次是放線菌,真菌數(shù)量最少。在添加后第7 d微生物數(shù)量受影響最小甚至有個(gè)別低質(zhì)量分?jǐn)?shù)樣本出現(xiàn)增長(zhǎng)現(xiàn)象,在第14 d表現(xiàn)為整體的抑制。一直到第21 d所有樣本均呈現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和時(shí)間依賴的抑制現(xiàn)象,并且細(xì)菌受影響最大,放線菌次之,真菌影響最小。

表1 供試土樣微生物種群數(shù)量

2.2 土壤微生物結(jié)構(gòu)多樣性分析

多樣性指數(shù)(H′)、均勻度(E)和優(yōu)勢(shì)度(c)都是從不同角度反映群落結(jié)構(gòu)特征的量度值。不同土壤樣品的3類微生物的物種多樣性指數(shù)變化較大,在一定程度上間接說(shuō)明土壤樣品生境條件的差異(如表2所示)。不同生活環(huán)境中微生物賴以生存的土壤環(huán)境,必然影響微生物群落的組成,土壤微生物群落的多樣性指數(shù)也受到很大影響。一般而言,生境條件越適宜,多樣性就越高[7]。本研究結(jié)果表明,重金屬Cd2+污染土壤中,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)或短時(shí)間污染區(qū)土壤樣品(1和2)中細(xì)菌、放線菌和真菌的多樣性指數(shù)高,生境條件相對(duì)較好,土壤質(zhì)量較優(yōu);高質(zhì)量分?jǐn)?shù)或長(zhǎng)時(shí)間暴露組重金屬污染較嚴(yán)重,其多樣性指數(shù)較低,生境條件較差,以21 d和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 mg/kg的土壤樣品多樣性指數(shù)最低。由于Shannon-Wiener指數(shù)的梯度變化可以進(jìn)一步反應(yīng)土壤中不同微生物組成,因此,群落的多樣性指數(shù)可用來(lái)衡量其環(huán)境的優(yōu)劣,從而為土壤質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供一定的理論依據(jù)。

表2 不同時(shí)間培養(yǎng)樣品的多樣性指數(shù)

2.3 鎘對(duì)土壤呼吸的影響

土壤呼吸強(qiáng)度是土壤微生物活性的體現(xiàn),可用來(lái)衡量微生物生命活動(dòng)的強(qiáng)度,也是研究土壤重金屬污染的一項(xiàng)重要生物學(xué)參數(shù)[8-9]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 鎘對(duì)土壤呼吸作用的影響

從圖1可以看出：

(1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 mg/kg的Cd2+對(duì)土壤呼吸作用的影響表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制。第7 d的土壤呼吸量略增加,之后呈顯著抑制狀態(tài)。

(2)隨著Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,土壤呼吸作用(CO2釋放量)逐漸減小。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 mg/kg時(shí)的Cd2+對(duì)土壤的呼吸作用呈明顯抑制作用。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)土壤生物量、多樣性分析以及土壤呼吸的檢測(cè),表明重金屬Cd2+污染的建筑垃圾會(huì)對(duì)污染土壤生態(tài)造成一定的擾動(dòng),對(duì)土壤細(xì)菌的生長(zhǎng)造成抑制,降低土壤微生物作用的多樣性。

(2)研究結(jié)果表明,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)或短時(shí)間暴露對(duì)土壤生物活性和生物量具有促進(jìn)作用,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)則產(chǎn)生抑制作用,而且污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高、作用時(shí)間越長(zhǎng),抑制程度越強(qiáng)。

參考文獻(xiàn):

[1]段學(xué)軍,盛清濤.土壤重金屬污染的微生物學(xué)效應(yīng)[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,16(1):1-4.

[2]陳承利,廖敏,曾路生.污染土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性及功能多樣性測(cè)定方法[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26(10):3404-3409.

[3]郭朝暉,廖柏寒.模擬酸雨下Cd、Cu、Zn復(fù)合污染對(duì)土壤微生物量碳和酶活性的影響[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào),2013,9(4):382-385.

[4]李曄,孫麗娜,楊繼松,等.細(xì)河流域不同重金屬污染土壤微生物種群及微生物量的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(27):11864-11865,11868.

[5]陸文龍,徐松巍,李英華.重金屬鎘對(duì)土壤呼吸和土壤微生物群落的影響研究[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào),2013,30(7):65-67.

[6]韓芳,邵玉琴,趙吉.皇甫川流域不同草地類型土壤中微生物多樣性的初步研究[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2002,33(5):553-557.

[7]侯曉杰,汪景寬,李世朋.不同施肥處理與地膜覆蓋對(duì)土壤微生物群落功能多樣性的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(2):655-661.

[8]WENDEROTH D F， REHER H H.Development and comparison of methods to estimate the catabolic versatility of metal affected soil microbial communities[J]. Soil Biology Biochemistry, 1999, 31: 1793-1799.

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