建筑垃圾中重金属Cd2+对微生物群落的影响研究*

赵岩顺,赵宇侠,殷 琨

(1.吉林大学 建筑工程学院,吉林 长春 130200; 2.淮海工学院 化学工程学院,江苏 连云港 222005)

0 引言

建筑废弃物主要产生于旧建筑物的拆迁和新建筑物的建造过程中,大部分都被倾倒到公共堆填区和土壤区,以填埋为主,占用大量土地。1万t建筑废弃物占地约0.17 hm2,既影响景观,又破环、污染周边环境,堵塞道路,污染水源。建筑垃圾一般由混凝土碎块、粘土砖和瓷砖、砂和灰尘、木屑、塑料和废纸、废金属等组成。而一些化工厂拆解的垃圾中含有的重金属等危险物质则可能对填埋区和临近的土壤造成一定的生态危害[1]。

重金属Cd2+是化工行业的主要污染物之一,有研究表明其对旱田土壤生态以及根际微生物群落存在一定的影响,使其中的生物量下降,影响群落的多样性[2]。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。含有Cd2+的建筑垃圾的填埋可能对周边的土壤造成一些不可预知的影响,我国污灌区曾受重金属污染,其中以Cd和Hg的污染面积最大[3]。土壤微生物群落的变化值得关注。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。

1 材料与方法

1.1 样品采集和前处理

建筑废弃物污染土壤样品取自长春市经济技术开发区某化工厂拆解区,未污染土壤采集自自然土壤,土壤样品均研磨过孔径为2 mm的土壤筛。取部分样品检测其中的重金属含量,以污染土壤作为外源添加Cd2+依据,以未污染土壤为对照,等量添加 Cd2+,测定污染前后的土壤呼吸和土壤微生物量等变化,以考察对土壤生态系统的影响。

1.2 土壤微生物量检测方法

未污染土壤作为空白与外源添加重金属Cd2+污染的土壤样本同样各分成3组培养,分别在第7,14,21 d对3种培养中的微生物用平板稀释法进行测定。每种数值取其3组的平均值,记录数据并计算出每g土壤中细菌、真菌和放线菌菌落的数量。

细菌、放线菌和真菌分别采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基37 ℃培养24 h、改良的高氏一号培养基28 ℃恒温培养3～5 d和马铃薯淀粉培养基28 ℃恒温培养5～7 d。

1.3 土壤微生物多样性分析方法

计算土壤微生物的多样性指数[4],分别统计3类微生物数量,并对不同种类的微生物菌株进行分离纯化。土壤微生物群落结构多样性的分析应用Shannon-Wiener多样性指数H′=-∑PilnPi。Pi=n/N,其中n为第i个物种的个体数目,N为所有物种个体数的总和。

1.4 土壤呼吸测定方法

参考文献[5],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,通过测定剩余的吸收剂来确定CO2释放量。

具体实验做法:称取50 g供试土壤置于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 d测定土壤呼吸强度。每个处理重复3次。

2 结果与讨论

2.1 重金属污染土壤中微生物量测定

土壤细菌、真菌和放线菌是土壤生态系统中微生物区系的主要组成成分。在重金属污染条件下土壤微生物区系的变化是反映土壤生态变化的重要生物学指标之一[6]。以前期污染土壤调查为基础,外源添加Cd2+质量分数分别为0.5,1 mg/kg土壤。菌落计数的结果(如表1所示)表明,未添加Cd2+土壤细菌数量最多(样品1,2,3分别为未添加Cd2+样品,添加0.5,1 mg/kg Cd2+样品),其次是放线菌,真菌数量最少。在添加后第7 d微生物数量受影响最小甚至有个别低质量分数样本出现增长现象,在第14 d表现为整体的抑制。一直到第21 d所有样本均呈现质量分数和时间依赖的抑制现象,并且细菌受影响最大,放线菌次之,真菌影响最小。

表1 供试土样微生物种群数量

2.2 土壤微生物结构多样性分析

多样性指数(H′)、均匀度(E)和优势度(c)都是从不同角度反映群落结构特征的量度值。不同土壤样品的3类微生物的物种多样性指数变化较大,在一定程度上间接说明土壤样品生境条件的差异(如表2所示)。不同生活环境中微生物赖以生存的土壤环境,必然影响微生物群落的组成,土壤微生物群落的多样性指数也受到很大影响。一般而言,生境条件越适宜,多样性就越高[7]。本研究结果表明,重金属Cd2+污染土壤中,低质量分数或短时间污染区土壤样品(1和2)中细菌、放线菌和真菌的多样性指数高,生境条件相对较好,土壤质量较优;高质量分数或长时间暴露组重金属污染较严重,其多样性指数较低,生境条件较差,以21 d和质量分数为1 mg/kg的土壤样品多样性指数最低。由于Shannon-Wiener指数的梯度变化可以进一步反应土壤中不同微生物组成,因此,群落的多样性指数可用来衡量其环境的优劣,从而为土壤质量的风险评价提供一定的理论依据。

表2 不同时间培养样品的多样性指数

2.3 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[8-9]。本实验结果如图1所示。

图1 镉对土壤呼吸作用的影响

从图1可以看出：

(1)质量分数为0.5 mg/kg的Cd2+对土壤呼吸作用的影响表现为先促进后抑制。第7 d的土壤呼吸量略增加,之后呈显著抑制状态。

(2)随着Cd2+质量分数的增加,土壤呼吸作用(CO2释放量)逐渐减小。质量分数为1 mg/kg时的Cd2+对土壤的呼吸作用呈明显抑制作用。

3 结论

(1)通过对土壤生物量、多样性分析以及土壤呼吸的检测,表明重金属Cd2+污染的建筑垃圾会对污染土壤生态造成一定的扰动,对土壤细菌的生长造成抑制,降低土壤微生物作用的多样性。

(2)研究结果表明,低质量分数或短时间暴露对土壤生物活性和生物量具有促进作用,高质量分数则产生抑制作用,而且污染物质量分数越高、作用时间越长,抑制程度越强。

参考文献:

[1]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.

[2]陈承利,廖敏,曾路生.污染土壤微生物群落结构多样性及功能多样性测定方法[J].生态学报,2006,26(10):3404-3409.

[3]郭朝晖,廖柏寒.模拟酸雨下Cd、Cu、Zn复合污染对土壤微生物量碳和酶活性的影响[J].应用与环境生物学报,2013,9(4):382-385.

[4]李晔,孙丽娜,杨继松,等.细河流域不同重金属污染土壤微生物种群及微生物量的研究[J].安徽农业科学,2008,36(27):11864-11865,11868.

[5]陆文龙,徐松巍,李英华.重金属镉对土壤呼吸和土壤微生物群落的影响研究[J].吉林化工学院学报,2013,30(7):65-67.

[6]韩芳,邵玉琴,赵吉.皇甫川流域不同草地类型土壤中微生物多样性的初步研究[J].内蒙古大学学报：自然科学版,2002,33(5):553-557.

[7]侯晓杰,汪景宽,李世朋.不同施肥处理与地膜覆盖对土壤微生物群落功能多样性的影响[J].生态学报,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.