蚯蚓活动对锌污染土壤微生物群落结构及酶活性的影响.doc

王丹丹等：蚯蚓活动对锌污染土壤微生物群落结构及酶活性的影响 543蚯蚓活动对锌污染土壤微生物群落结构及酶活性的影响王丹丹，李辉信，胡 锋*，王 霞南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京210095摘要：以不同质量分数Zn污染高沙土为材料，研究在重金属污染土壤中，蚯蚓活动对土壤微生物数量和各种酶活性的影响。试验结果表明：Zn的加入使土壤蔗糖酶、脲酶活性降低，而对磷酸酶活性没有影响，加Zn量在300 mgkg-1以下时对微生物量碳有促进作用，高于该水平则表现为抑制作用。接种蚯蚓后，土壤细菌和放线菌的群落数明显提高，除各别处理外均达到显著差异，真菌数量没有变化；土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶等酶活性也因接种蚯蚓而显著提高（p0.05).通过稀释平板法测定可培养的细菌、真菌和放线菌形成的菌落数（colony forming units, CFU），可以了解土壤微生物群落的组成。表1的数据表明，未接种蚯蚓处理中，Zn污染对三大菌数目没有达到显著抑制水平，有些处理甚至刺激了微生物的生长，放线菌在Zn-100处较无污染对照显著提高（p0.01*，达19.23105g-1DW。各Zn处理中，细菌群落数只在Zn-400处理上较无污染土壤显著提高，而在其它处理与无污染对照比没有显著差异，真菌数量随污染质量分数的增加没有显著变化。这并不能说明重金属对微生物没有毒害作用，可能的解释是重金属前期使土壤中原有的大量金属敏感性微生物死亡后残体分解，加上植物根系提供有机碳源,造成土壤中微生物生长所必需的有机物质来源增加，从而导致金属非敏感性菌数量的上升。吴胜春等23的研究也发现：土壤Zn污染质量分数低于1000 mgkg-1时对土壤细菌、真菌、放线菌的数目没有明显的抑制作用。接种蚯蚓后，土壤细菌、放线菌群落数明显提高。放线菌群落数在Zn-100、Zn-300、Zn-400处理上达到显著水平（p0.01*），分别是无蚯蚓相应对照的3.25、2.38、8.74倍；除Zn-100处理外，接种蚯蚓后细菌数目显著提高（p0.01*），在Zn-400时增加最大，变幅为29.702106117.50106g-1DW，提高了将近5倍；但真菌数量随蚯蚓加入变化不大，只在Zn-100处显著提高。三种菌数量受蚯蚓影响最大的为放线菌，其次为细菌，真菌几乎不受蚯蚓影响，因此蚯蚓活动降低了土壤真菌/细菌比值。在未接种蚯蚓的处理中，Zn污染质量分数低于300 mgkg-1时对微生物量碳有显著促进作用，而在w(Zn)300 mgkg-1时对微生物量碳表现抑制作用。接种蚯蚓提高了土壤微生物量碳量，但在高质量分数Zn污染处理中没有达到显著水平（w(Zn)300 mgkg-1）。蚯蚓对无污染土壤微生物量碳的提高作用最大，较未加蚯蚓处理提高了40。土壤呼吸随土壤污染质量分数浓度增大而增大，这是因为重金属胁迫下微生物为了维持其生理活性需要消耗更多的碳，对碳源的利用率降低。表1可以看到接种蚯蚓后，与无蚯蚓对照比土壤呼吸值明显增大，平均增加幅度为：8.78%218.72，t检验表明蚯蚓处理和无蚯蚓对照间（Zn-400除外）差异显著（p0.05*），DANIEL等也得到类似的结论24。Zn污染对微生物活性的抑制作用还可以通过土壤微生物生物量碳、土壤有效态Zn之间的相关性得到进一步证实，土壤微生物生物量碳和土壤有效态Zn（DTPA-Zn）的散点图表明两者显著负相关（r =-0.701*）。2.2 蚯蚓活动对土壤中酶活性的影响2.2.1 蚯蚓活动对土壤中脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶等酶活性的影响很多资料表明脲酶、磷酸酶、蔗糖酶是反映重金属污染程度的敏感指标2，脲酶和磷酸酶分别影响土壤N素和P素循环，对土壤有效养分的释放具有重要作用。图1可以看出Zn污染土壤的蔗糖酶活性较无污染处理显著降低，脲酶活性平均降低了13.09%，但是只在Zn质量分数浓度高于300 mgkg-1后达到显著水平，磷酸酶活性则随污染质量分数增加而增大。统计结果表明：接种蚯蚓后，除Zn-200，Zn-400处理外，蚯蚓活动显著提高了土壤脲酶活性（p0.01*）。蚯蚓对脲酶活性的提高，一定程度上减少了重金属对脲酶的抑制作用，除Zn-400处理外，接种蚯蚓均使脲酶活性恢复到了未接种蚯蚓的无污染对照水平。蚯蚓的加入对土壤中磷酸酶的活性也有显著提高作用（p0.01*），使各处理磷酸酶活性平均提高了42%78%，且蚯蚓对磷酸酶的促进作用不受Zn污染质量分数的影响，在Zn-400处达到最大，此时土壤磷酸酶活性为无蚯蚓对照的1.69倍。蚯蚓对土壤碱性磷酸酶活性的提高,促进了土壤有机磷的矿化,使土壤速效磷的供应能力增强，有利于植物对磷等元素的吸收，从而促进植物生长及植物对重金属的积累。同样，蔗糖酶活性也因为接种蚯蚓后而显著提高（p0.01*），从而减弱了Zn污染对蔗糖酶的抑制作用。接种蚯蚓的某些处理上，蔗糖酶活性甚至超过了无污染对照水平（Zn-0）。 酶活性w(酚)/(mgkg-1) w(葡萄糖)/( mgg-1) w(NH3-N)/( mgg-1)w (土壤Zn)/(mgkg-1)图1 蚯蚓对土壤脲酶（1）、蔗糖酶（2）和碱性磷酸酶（3）的影响Fig. 1 Effects of earthworms on urease (1) invertase (2) and alkaline phosphatase (3) activities in soil2.2.2 蚯蚓活动对土壤硝态氮和铵态氮的影响图2表明，Zn污染土壤的NH4+-N、NO3-N量较无污染对照显著提高，随土壤污染质量分数增加，土壤的NH4+-N含量基本保持稳定；NO3-N含量则有增高趋势，在Zn-400处理中达到最大。土壤NO3-N含量远远高于NH4+-N含量，平均为NH4+-N的3.828.02倍，是土壤矿质氮(NH4+-N+NO3-N)的主要组成部分。接种蚯蚓后，土壤 NO3-N显著提高，NH4+-N则只在Zn-0处理显著增加。可以看出无论是重金属的单独加入，还是蚯蚓和重金属的相互作用，都促进了土壤矿质氮含量的提高。蚯蚓对于土壤矿质氮的提高已有广泛研究，增加的这部分N可能是来源于蚯蚓体表、肠道的分泌，和蚯蚓活动对有机态氮的矿化，也可能是蚯蚓作用下固氮菌增多的缘故25。Zn污染可提高土壤NO3-N的原因目前还不清楚。有研究表明在一定比例NH4+ -N存在的前提下，NO3-N 供应的增加不仅促进根系的生长，而且提高根系活力，而发达的根系是植物旺盛生长发育的有力保证26。NO3-N和植物指标间的相关分析也验证了这一结论，NO3-N量和植物地上部生物量及植物地上部Zn质量分数，植物地上部Zn吸收总量间都有显著相关性（r =0.517*，r =0.532*，r =0.607*）。3 讨论w(NO3-N)/(mgkg-1) w(NH4-N)/(mgkg-1)w (土壤Zn)/(mgkg-1)图2 蚯蚓对土壤NH4+-N和NO3-N含量的影响Fig. 2 Effects of earthworms on NH4+-N and NO3-N contents in soil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,通过吸附、固定、络合、溶解、氧化还原等对重金属在土壤中的活性和生物有效性具有重要的意义27-28。研究重金属和微生物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修复有重要意义。同时土壤动物和微生物的关系是密不可分的，对蚯蚓食性研究表明，蚯蚓喜食处于腐烂分解状态的有机残体,这是由于该阶段残体上微生物较多29。蚯蚓的取食可能会影响微生物的数量和活性，进而影响有机物质的分解和有效养分的释放30-32。本研究通在污染土壤上接种蚯蚓，研究蚯蚓对土壤微生物群落数、酶活性的影响。结果表明：接种蚯蚓显著地提高了土壤中细菌、放线菌的数量，对真菌数目影响不大，这与PARLE报道一致33。虽然重金属对土壤三大菌菌落数没有影响，但是微生物各活性指标反映出此时微生物活性受到抑制，土壤呼吸、代谢商随Zn污染质量分数升高而增大，微生物商则趋势相反。w(Zn)300 mgkg-1时，微生物量碳较无污染对照显著降低，这些均表明，微生物活性指标是反映重金属污染程度的敏感指标。蚯蚓不仅改变了土壤微生物群落结构，使真菌/细菌比降低，还在一定程度上缓解了重金属对微生物活性的胁迫，使微生物量碳显著提高。研究还发现，Zn污染对脲酶和蔗糖酶活性有抑制作用，而对磷酸酶活性没有影响。蚯蚓活动则可减小Zn污染对这些酶的抑制作用，使土壤酶活性一定程度上得到恢复。土壤酶主要来源于根系、微生物和土壤动物，蚯蚓可提高土壤酶活性的原因有很多：蚯蚓本身可分泌产生蔗糖酶、纤维素酶等酶类21；蚯蚓活动激发微生物生长，微生物可分泌出大量的降解酶类；蚯蚓作用后的土壤有合适的湿度和pH，蚓粪团粒结构提供了大量的酶反应空间33-34。本研究虽然在污染土壤中进行，蚯蚓对酶的影响和其在无污染土壤中的作用是一致的。同时土壤矿质氮也因接种蚯蚓而显著提高，且矿质氮和植物生物量、植物重金属吸收量间均有明显相关性，这进一步说明蚯蚓同样可促进污染土壤中植物生长。事实上，在恢复一个重金属污染的废弃地土壤生态系统时，不仅要恢复地上部分的植被，还要恢复土壤微生物生态群落，重建土壤内部生态功能。本试验将土壤动物、植物结合起来恢复污染土壤，不仅提高了植物生物量和植物修复效率，还改善了土壤微生物生态系统，提高了几种酶活性，具有其它修复方法所不可比拟的优越性，是一种很有前途的污染土壤修复技术。4 结论（1）Zn污染对三大菌数量没有影响，但微生物活性受到一定抑制，表明微生物活性指标是反映重金属污染程度的敏感指标。接种蚯蚓改变了土壤的微生物结构，使真菌/细菌比降低，同时蚯蚓对于提高污染土壤的微生物活性也有显著作用。（2）与无污染土壤比，污染土壤的蔗糖酶、脲酶活性降低，磷酸酶活性保持不变。蚯蚓活动显著提高了土壤三种酶活性，一定程度上抵消了重金属对酶的抑制作用。（3）Zn污染和接种蚯蚓均对NO3-N提高有积极作用，而对NH4+-N没影响。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.GONG Ping, SUN Tieheng, LI Pejun. 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Two days later, the appropriated pots were inoculated with Zn-tolerant earthworms (3.6 g/pot), and the other pots without earthworms were set as the control. To avoid the escape of earthworms, overhanging adhes