蔬菜土壤微生物种群数量与土壤重金属含量的关系.doc

杨济龙等：蔬菜土壤微生物种群数量与土壤重金属含量的关系 285蔬菜土壤微生物种群数量与土壤重金属含量的关系杨济龙，祖艳群*，洪常青，李元云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201摘要：对呈贡县蔬菜土壤微生物种群数量和土壤重金属质量分数进行大田调查分析，结果表明，土壤微生物种群数量和微生物多样性指数变化较大，土壤微生物种群数量总体水平较高，但微生物多样性指数偏低，其中以细菌占较大的优势；土壤重金属对土壤微生物数量和微生物多样性均有一定的影响，其中土壤中Pb和Cu的质量分数与土壤微生物种群数量显著相关；土壤重金属综合污染指数与真菌/细菌个数比例、真菌/放线菌个数比例与微生物多样性指数均呈显著的指数相关。随着重金属综合污染指数的增加，微生物多样性指数呈指数式地迅速下降。关键词：微生物；多样性指数；重金属；相关性；中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2003）03-0281-04土壤微生物是土壤中的活性胶体，具有较大的比表面积，代谢活动旺盛1, 2，通过吸附、固定、络合、溶解、氧化还原等3, 4，对重金属在土壤中的活性和生物有效性具有重要的意义。研究土壤微生物与土壤重金属质量分数之间的关系，对于土壤重金属的有效性分析和重金属污染土壤的微生物修复具有重要的意义。目前这方面的研究侧重于室内培养实验，其研究结果与野外实际条件存在很大的差异，而野外实际的结果将更准确地反应土壤重金属与微生物种群数量之间的相互关系，为重金属污染土壤的微生物修复研究提供科学的依据。1 材料与方法土壤样品采自呈贡县不同蔬菜土壤表层（020 cm），样品11个，进行土壤微生物和重金属分析。土壤微生物数量分析采用平板稀释法，采用牛肉膏蛋白胨培养基培养细菌，高氏一号培养基培养放线菌，马丁氏培养基培养真菌5。土壤重金属质量分数采用原子吸收分光光度法6测定。土壤有机质质量分数采用重铬酸钾法7测定。重金属综合评价方法：根据蔬菜土壤的分级标准12，利用单项污染指数法和土壤综合污染指数法进行计算： Pi=Ci/Si, 其中Pi为单项污染指数值，Ci为土壤污染实测值，Si为某污染评价标准。当CiXs时，Pi=Ci/Si （Xs为土壤污染起始值）；当XsCiXm时，Ci/Si=1+(Ci - Xs)/(Xm - Xs) （Xm为土壤中污染起始值）；当XmXh时，Ci/Si=3+(Ci - Xh)/(Xh - Xm)。P综=（P平2 + Pmax2）/2 1/2，其中为P平为单项污染指数值的平均值，Pmax为单项污染指数值中最大的一项值。P综1，未污染；1 P综2，轻污染；23，重污染。微生物辛普森多样性指数：O =1-(Pi)2，其中O为辛普森多样性指数，Pi为群落中物种i的个体占总个体的比例8。2 结果与分析2.1 土壤微生物种群数量和多样性分析从细菌、放线菌、真菌总数来看，土壤的微生物总数差异较大，平均为每克土73.83105个，最大值为306.35105个，而最小值为0.35105个。而分别从不同类型的微生物来看，细菌平均为每克土70.64105个，最高值为296.38105个，最小值为0.16105个，变化最大；放线菌平均为每克土2.83105个，最大值为9.91105个，最小值为0.07105个；土壤真菌平均为每克土0.19105个，彼此间差异稍小（表1）。可见，真菌的数量变化相对较小，比较稳定。种群数量为：细菌放线菌真菌，微生物总数主要受细菌数的影响，它所占的比例最大。真菌/细菌个数比例和真菌/放线菌个数比例变化较大，在土壤中三大类群的微生物对环境变化的反应各不相同，对环境的敏感性通常为真菌细菌放线菌9。而土壤微生物多样性指数也有较大的变化，平均为值0.295，范围值为0.020.634。表1 土壤微生物种群数量及多样性指数序号细菌/(105个g-1)放线菌/(105个g-1)真菌/(105个g-1)微生物总数/(105个g-1)n(真菌)/n(细菌)n(真菌)/n(放线菌)多样性指数1296.389.910.06306.350.00020.00580.059120.861.650.012.530.0140.00730.46443232.565.060.18237.810.00080.0360.03964156.220.480.44157.140.00280.9310.0250.160.730.141.020.850.1870.25860.160.070.120.350.781.8240.634764.021.380.0865.480.00120.0560.039684.674.100.1710.740.0370.0420.519698.024.280.7813.080.0970.1820.5164109.941.890.0211.840.00160.00850.264114.031.560.115.700.3870.06990.4226平均70.64107.2.832.870.190.2373.83109.520.1970.3260.3050.570.2950.229表2 土壤有机质质量分数、土壤重金属质量分数及综合污染指数序号 w/(mgkg-1)污染综合指数有机质PbCdCuZn16.09149.820.1296.28178.142.4222.7878.720.8852.66130.332.3535.22103.620.9291.11179.922.5943.9983.021.71232.21217.156.0654.1276.320.5078.58153.262.7464.23166.510.2265.02139.851.9975.5165.501.1025.60134.383.1183.8662.731.1445.31161.863.1795.4589.981.1038.08166.143.60103.4946.191.99157.70180.525.13114.0451.230.9738.12101.502.36平均4.431.0088.5238.380.970.5683.7061.72158.4631.373.231.272.2 土壤有机质含量、重金属含量及综合污染评价由于蔬菜土壤长期施肥较多，土壤有机质质量分数较高，平均值为4.43 mg/kg，范围值为2.786.09 mg/kg（表2）。相关分析表明，微生物总数、细菌数和放线菌数，均与土壤有机质质量分数呈显著的直线相关性，而真菌与土壤有机质质量分数没有显著的相关性（表3），说明土壤微生物是土壤肥力的一个重要的生态学指标10, 11。合理利用土壤，保持土壤肥力对土壤微生物多样性的影响很大。表3 土壤微生物与土壤有机质、土壤重金属质量分数的相互关系变量x因变量Y方 程FR 2Nw(土壤有机质)/(mgkg-1)细菌/(105个g-1)Y=-224.59+66.58x5.580.383*11放线菌/(105个g-1)Y=-5.27+1.83x6.140.405*11微生物总数/(105个g-1)Y=-229.42+68.38x5.750.39*11放线菌/(105个g-1)w(土壤Pb)/(mgkg-1)Y=148.51-0.94x+0.0025x2-2*10-6x311.680.833*11真菌/(105个g-1)w(土壤Cu)/(mgkg-1)Y=115.24-10.35x+0.52x2-0.0052x36.800.745*11n(真菌)/n(放线菌)w(土壤Pb)/(mgkg-1)Y=76.29+40.15x4.9800.356*11w(土壤Cu)/(mgkg-1)Y=87.89-409.89x+1015.81x2-437.51x35.570.705*11土壤重金属Pb平均质量分数为88.52 mg/kg，超过蔬菜土壤环境质量二级标准（70 mg/kg）12的有7个样品，占样品总数的63.64%，最大值为166.51 mg/kg。土壤Cd质量分数，平均为0.97 mg/kg，超过蔬菜土壤环境质量二级标准（0.6 mg/kg）的有8个样品，占样品总数的72.73%，最大值为1.99 mg/kg。土壤Cu质量分数，平均为83.70 mg/kg，与蔬菜土壤环境质量二级标准（70 mg/kg）相比较，超标样品占样品总数的45.45%，最大值为232.21 mg/kg。土壤Zn质量分数平均为158.46 mg/kg，超过蔬菜土壤环境质量二级标准（200 mg/kg）的仅有1个样品，最大值为217.15 mg/kg。总的来看，土壤Pb、Cd、Cu、Zn质量分数偏高（表2）。土壤重金属污染指数平均值为3.23 mg/kg，最大值为6.06 mg/kg，最小值为1.99 mg/kg。2.3 微生物种群数量与重金属质量分数的关系相关分析表明，放线菌与土壤Pb质量分数呈极显著的曲线关系，真菌与土壤Cu质量分数呈显著的曲线关系，真菌/放线菌的个数比例与土壤Pb和Cu质量分数呈显著的相关关系（表2）。土壤细菌和微生物总数均未表现出与土壤重金属质量分数的显著相关性，由于微生物总数主要取决于细菌数，所以二者表现出相同的规律。有关研究13, 14也表明低质量分数的重金属能刺激微生物的生长，增加微生物的生物量，而高质量分数的重金属则会导致土壤微生物生物量的下降。本结果显示出土壤真菌和土壤放线菌较易受到土壤Pb和Cu质量分数的影响。同时，由于真菌和放线菌生物体较大，真菌和放线菌对重金属的吸附和固定，使土壤中重金属有效态质量分数下降。大量研究表明，重金属进入细胞后，可通过区域化作用分布在细胞的不同部位，体内可合成金属硫蛋白与重金属结合形成络合物。微生物生物技术在净化重金属污染土壤方面具有重要的意义15, 16。总之，土壤重金属综合污染指数与真菌/细菌个数比例和真菌/放线菌个数比例均具有显著的相关性（图1、图2），特别是在土壤重金属综合污染指数表明为轻度污染时，真菌/细菌个数比例和真菌/放线菌个数比例均为最大。Pennanen等17也认为长期遭受Cu、Zn、Cd、Pb复合污染的土壤，会使真菌/细菌个数比例有下降的趋势。对土壤重金属综合污染指数与微生物多样性指数的相关分析表明（图3），在土壤综合污染较轻的条件下，土壤微生物多样性指数较高；随着重金属综合污染指数的增加，达到中度到重度污染时，微生物多样性指数呈指数式地迅速下降。有关研究18也表明重金属严重污染会减少能利用碳底物的微生物的数量，减少土壤微生物群落的多样性。3 小结（1）土壤微生物种群数量变化较大，变化大小为细菌放线菌真菌。土壤微生物多样性指数也有较大的变化。（2）土壤重金属质量分数对土壤微生物数量和微生物多样性均有一定的影响，其中土壤中的Pb和Cu质量分数与土壤微生物的关系较密切。土壤真菌和土壤放线菌较易受到土壤Pb和Cu质量分数的影响。（3）土壤重金属综合污染指数与真菌/细菌个数比例和真菌/放线菌个数比例均有显著的相关性。土壤重金属综合污染指数与微生物多样性指数呈显著的指数相关。在土壤综合污染较轻的条件下，土壤微生物多样性指数较高；随着重金属综合污染指数的增加，微生物多样性指数呈指数式地迅速下降。参考文献：1 龚平，孙铁珩，李培军. 重金属对土壤微生物的生态效应J. 应用生态学报，1997，8（2）：218-224.2 王保军. 微生物与重金属的相互作用J. 重庆环境科学，1996，18（1）：35-38.3 章家恩，徐琪. 土壤与生物多样性保护对策J. 资源环境，1998，1：49-53.4 郭学军，黄巧云，赵振华, 等. 微生物对土壤环境中重金属活性的影响J. 应用与环境生物学报，2002，8（1）：105-110.5 李埠棣，喻子牛，何绍江. 农业微生物学实验M.北京: 中国农业出版社，1996: 305-307.6 城乡建设环境保护部环境保护局. 环境监测分析方法M. 北京：中国环境科学出版社，1986：300-354.7 劳家柽. 土壤农化分析手册M. 北京: 农业出版社，1988：241-297.8 金岚，王振堂，朱秀丽, 等. 环境生态学M. 北京: 高等教育出版社，2001：108-109.9 HIROKI M. Effects of heavy metal contamination on soil microbial populationJ. Soil Sci Plant nutr, 1992, 38: 141-147.10 黄秀犁. 微生物学M. 北京: 高等教育出版社，1998：194-218.11 姚槐应，何振立，陈国潮, 等. 红壤微生物量在土壤-黑麦草系统中的肥力意义J. 应用生态学报，1999，10（6）： 725-728.12 汪雅谷，张四荣. 无污染蔬菜生产的理论与实践M.中国农业出版社，北京，2001：164-175.13 FLIEPBACH A, MARTENS R, REBER H. Soil microbial biomass and activity in soils treated with heavy metal contamination sewage sludgeJ. Soil Biol Biochem, 1994, 26: 1201-1205.14 BAATH E, DIAZ-RAVINA M, FROSTEGARD, et al. Effect of metal-rich sludge amendments on soil microbial communityJ. Applied and Environmental Microbiology, 1998, 64: 238-245.15 BEVERIDGE T J. The response of cell walls of Bacillus subtilis to metals and electron microscopic strainsJ. Can J microbial, 1978, 24: 89-104.16 BEVERIDGE T J, MURRAY R G E. Sites of metal deposition in the cell wall of Bacillus subtilisJ. J Bacterial, 1980, 141: 876-88717 PENNANEN T, FROSTEGARD A, BAATH E. Phospholipid fatty acid composition and heavy metal tolerance of soil microbial communities along two heavy metal polluted gradients in coniferous forestsJ. Applied and Environmental Microbiology, 1996, 62: 420-428.18 李元，祖艳群，杨济龙, 等. 紫外辐射增强对春小麦根际土壤微生物种群动态的影响J. 中国环境科学，1999，19（2）：157-160.Relationship between microorganisms and heavy metalin vegetable soil in Chengong countyYANG Ji-long, ZU Yan-qun, HONG Chang-qing, LI YuanCollege of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, ChinaAbstract: Through field investigation, We have analyzed the soil microbial biodiversity status and concentration of Pb, Cd, Cu and Zn in soil. The results showed that the scopes of the amount of microbes and the indicator of microbial biodiversity were wide, in which the total amount of microbes was high and the bacteria was the main part, however the indicator of microbial biodiversity was l