污泥土地利用对土壤微生物数量的影响

赵华胜， 崔 军， 王珍丽， 陈向明　(合肥学院生物与环境工程系，安徽合肥 11059)



污泥土地利用对土壤微生物数量的影响

赵华胜， 崔 军， 王珍丽， 陈向明(合肥学院生物与环境工程系，安徽合肥 11059)

摘要[目的]研究污泥土地利用对土壤中细菌、放线菌和真菌数量的影响。[方法]以合肥市污水处理厂脱水污泥为试材，加入不同浓度重金属(污水厂原污泥重金属浓度扩大1、2、4、6、8倍)，研究不同浓度重金属对表层和10 cm土层微生物数量的影响。[结果]微生物数量因处理浓度的不同而异，适合细菌生长的最佳浓度为1～6倍(Cu≤572.76 mg/kg，Zn≤1759.08 mg/kg，Pb≤468.54 mg/kg，Cd≤11.76 mg/kg)，适合放线菌生长的最佳浓度为2倍(Cu≤190.92 mg/kg，Zn≤586.36 mg/kg，Pb≤156.18 mg/kg，Cd≤3.92 mg/kg)，适合真菌生长的最佳浓度为4倍(Cu≤381.84 mg/kg，Zn≤1172.72 mg/kg，Pb≤312.36 mg/kg，Cd≤7.84 mg/kg)；除土壤表层放线菌数量比10 cm土层少外，土壤表层的细菌和真菌数量均高于10 cm土层。[结论]不同类群微生物对污泥中重金属的敏感度由高到低依次为真菌、放线菌、细菌；合肥市污水处理厂的脱水污泥农用对土壤微生物的数量分布具有一定的影响。

关键词污泥；重金属；土壤微生物；数量分布

Effects of Sewage Sludge for Land Use on Soil Microbial Quantity

ZHAO Hua-sheng, CUI Jun, WANG Zhen-li et al (Department of Biological and Environmental Engineering, Hefei University, Hefei, Anhui 11059)

Key words[Objective] The aim was to study effects of sewage sludge for land use on bacteria, actinomycetes, fungi. [Method] With Hefei municipal wastewater treatment plant sludge as the test material, adding different concentration of heavy metals(the concentration of heavy metals in sewage sludge was enlarged 1,2,4,6,8 times), effects of different concentration of heavy metal on microbial quantity in surface soil and 10 cm soil were studied. [Result] The results showed that microbial populations are varied with different concentrations. The optimum concentration of bacterial growth is the expansion of 1-6 times (Cu≤572.76 mg/kg, Zn≤1759.08 mg/kg, Pb≤468.54 mg/kg, Cd≤11.76 mg/kg). The optimum concentration of actinomycetic growth is the expansion of 2 times (Cu≤190.92 mg/kg, Zn≤586.36 mg/kg, Pb≤156.18 mg/kg, Cd≤3.92 mg/kg). The optimum concentration of fungal growth is the expansion of 4 times (Cu≤381.84 mg/kg, Zn≤1172.72 mg/kg, Pb≤312.36 mg/kg, Cd≤7.84 mg/kg). In addition to the quantitative distribution of actinomycetes above 10cm layer is less than on the surface of soil, the quantitative distribution of bacteria and fungi on the surface of soil are more than above 10cm layer. [Conclusion] The sequence of the sensitivity to the heavy metal in sludge among three kinds of microorganisms is usually: fungi>actinomycetes>bacteria; the agricultural sludge from municipal wastewater treatment plant in Hefei has certain effect on soil microbial quantitative distribution.

Key wordsSludge; Heavy metal; Soil microorganism; Quantitative distribution

污泥中含有丰富的有机物和N、P、K等营养元素以及植物生长必需的各种微量元素Ca、Mg、Zn、Cu、Fe等，施用于农田能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作物生长。但污泥中的重金属超过限定标准进入土壤后，会对生态系统造成危害。李瑞美等[1]研究了不同浓度重金属对土壤微生物生物量的影响，结果表明只有当重金属浓度达到欧盟制定的标准土壤重金属环境容量的2～3倍，才能表现出对微生物生物量的抑制作用。蔡信德等[2]研究表明，当非根区土中添加Ni的质量分数为100 mg/kg 时，对土壤中细菌、真菌和放线菌总数有一定的促进作用，微生物生物量最大；当添加Ni的质量分数大于100 mg/kg 时，对土壤微生物群落造成不利影响。赵祥伟等[3]分析了受Cu、Zn、Pb、Cd 不同程度复合污染的4个农田土壤样品，发现不同程度的重金属复合污染明显改变了农田土壤的微生物群落遗传多样性，但与多样性的改变不是简单的负相关关系，最大多样性指数出现在中等污染程度的土壤中。滕应等[4]对重金属复合污染红壤的微生物生态效应进行研究，结果表明与单一Cd、Pb 污染处理相比，重金属复合污染对供试红壤微生物生物活性及其群落功能多样性的影响并非仅表现出简单的加和作用，同时还存在协同作用和拮抗作用；另外，土壤微生物群落功能生理代谢下降，代谢过程缓慢，进而影响了微生物群落结构的演变过程。但合肥市城市污水处理厂污泥是否能够农业应用，对土壤微生物有无影响的研究目前尚未见报道。笔者以合肥市污水处理厂的脱水污泥为试验材料，研究不同浓度重金属对细菌、放线菌、真菌3种微生物的影响，以期为合肥市污水处理厂的污泥农业应用提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料污泥：取自合肥市污水处理厂污泥浓缩脱水机房；土壤：取自合肥学院教学楼前相同体积的花池中。

1.2试验方法将污水处理厂取回的污泥平铺自然晾干并粉碎，放在105℃的鼓风干燥箱中灭菌24h，采用原子吸收分光光度法对污泥中的初始重金属含量进行测定。试验共设置6组，1个对照和5个处理，6组编号分别为0、1、2、3、4、5。对照组只有园土不添加污泥和重金属，处理组1～5分别加入0.6 kg的污泥，平铺于教学楼前容积为60 cm×30 cm×50 cm的花池园土表层，同时加入不同浓度的重金属溶液，按污水厂原污泥重金属浓度扩大1、2、4、6、8倍。对照组0(园土)，处理组1(园土+污泥)：(Cu、Zn、Pb、Cd)×1，处理组2(园土+污泥)：(Cu、Zn、Pb、Cd)×2，处理组3(园土+污泥)：(Cu、Zn、Pb、Cd)×4，处理组4(园土+污泥)：(Cu、Zn、Pb、Cd)×6，处理组5(园土+污泥)：(Cu、Zn、Pb、Cd)×8。

以7、14、21 d后为3个试验周期，分别从0、1、2、3、4、5组的花池中取表层和10 cm土层土样带回实验室进行分析，测定细菌、放线菌和真菌的数量。

1.3测定方法污泥初始重金属含量测定标准曲线见图1～4。经测定，合肥市污水处理厂的脱水污泥样品中，Cu、Zn、Pb和Cd的含量分别为95.46、293.18、78.09和1.96 mg/kg。微生物数量的测定采用稀释平板法[5]。

图1　Cu的标准曲线Fig.1　Standard curve of Cu

图2　Zn的标准曲线Fig.2　Standard curve of Zn

图3　Pb的标准曲线Fig.3　Standard curve of Pb

图4　Cd的标准曲线Fig.4　Standard curve of Cd

2结果与分析

2.1土壤细菌数量从图5和6可以看出，在1～6倍的浓度(Cu≤572.76 mg/kg，Zn≤1759.08 mg/kg，Pb≤468.54 mg/kg，Cd≤11.76 mg/kg )范围内，细菌数量随重金属浓度的增加而逐渐增加，当重金属浓度增加到6倍时，土壤表层细菌数量最多，为147×105CFU/g。与对照组相比，细菌数量的增加幅度达226.67%。当重金属浓度再增加时，细菌数量随重金属浓度的增加而减少，当重金属浓度为8倍时，细菌数量为124×105CFU/g，降低幅度为15.65%。10 cm土层细菌数量在对照组0时最小，为26×105CFU/g，最大值比最小值增加了约465.38%。在1～6倍的浓度范围内，重金属对微生物的生长起促进作用，使微生物的代谢活动增强，新陈代谢速率增加。随着重金属浓度的再增加，重金属对微生物的生长起抑制作用，可能是由于重金属污染影响了细胞的代谢及微生物的功能，从而引起微生物的生存力和竞争力发生变化而导致种群大小发生改变， 也可能由于微生物遗传多样性的改变使基质利用率降低和能量需求剧增所致。

图5　土壤表层细菌数量的变化Fig.5　The change of bacteria quantity in soil surface

图6　10 cm土层细菌数量的变化Fig.6　The change of bacteria quantity in 10 cm soil

随着时间的推移，细菌数量逐渐增多，由多到少依次为21 d后、14 d后、7 d后，可能是由于细菌对重金属污染形成抗性，同时细胞上的胞外多糖带有负电荷，可以作为重金属的有效生物吸附剂，能有效地阻止重金属离子进入细胞。土壤表层细菌的数量高于10 cm土层，可能是由于当重金属的浓度在适合细菌生长的浓度范围内时，其对土壤表层细菌生长的促进作用大于10 cm土层的促进作用。

2.2土壤放线菌数量从图7和8可以看出，在1～2倍的浓度(Cu≤190.92 mg/kg，Zn≤586.36 mg/kg，Pb≤156.18 mg/kg，Cd≤3.92 mg/kg)范围内，放线菌数量随重金属浓度的增加而逐渐增多，当重金属浓度增加到2倍时，放线菌数量最多，为98×104CFU/g。与对照组相比，放线菌数量的增加幅度达96.00%。当重金属浓度再增加时，放线菌数量随重金属浓度的增加而减少。在重金属浓度增加到8倍时最小，放线菌数量为11×104CFU/g最大值比最小值增加了约790.91%。在1～2倍的浓度范围内，重金属对微生物的生长起促进作用，微生物的新陈代谢速率增加。随着重金属浓度再增加，重金属对微生物的生长起抑制作用，可能是由于重金属污染影响了细胞的代谢及微生物的功能，使微生物的组成结构发生了变化。

图7　土壤表层放线菌数量的变化Fig.7　The change of actinomycetes quantity in soil surface

图8　10cm土层放线菌数量的变化Fig.8　The change of actinomycetes quantity in 10 cm soil

放线菌的数量随着时间的推移未呈现出明显的规律；土壤表层放线菌的数量低于10cm土层，可能是由于放线菌对重金属污染形成抗性的过程较漫长，未能及时阻止重金属离子进入细胞，细胞结构遭到重金属的破坏，从而影响其代谢和繁殖速率。

2.3土壤真菌数量从图9和10可以看出，在1～4倍的浓度(Cu≤381.84 mg/kg，Zn≤1172.72 mg/kg，Pb≤312.36 mg/kg，Cd≤7.84 mg/kg)范围内，真菌数量随重金属浓度的增加而逐渐增多，当重金属浓度增加到4倍时，土壤表层真菌数量最多，为63×103CFU/g。与对照组相比，真菌数量的增加幅度达61.54%。当重金属浓度再增加时，真菌数量随重金属浓度的增加而减少，当重金属浓度增加到8倍时，真菌数量为52×103CFU/g，降低幅度为17.46%。10 cm土层真菌数量在重金属浓度增加到8倍时最小，为23×103CFU/g，最大值比最小值增加了约173.91%。在1～4倍的浓度范围内，重金属对微生物的生长起促进作用，微生物代谢活动增强，新陈代谢速率增加，同时其体内的有机代谢物如柠檬酸具有络合金属离子的能力，能有效地去除重金属毒性。随着重金属浓度再增大，重金属对微生物的生长起抑制作用，可能是由于重金属污染影响了细胞的代谢及微生物的功能。

真菌数量随着时间的推移未呈现出明显的关系，土壤表层真菌的数量高于10 cm土层，可能是由于真菌细胞能把重金属离子累积于细胞内的某些特殊细胞器中，因而能在细胞内累积高浓度的金属。一旦进入细胞，金属离子还可被转化成毒性较小的化合物，从而降低重金属的毒性。

图9　土壤表层真菌数量的变化Fig.9　The change of fungi number in soil surface

图10　10 cm土层真菌数量的变化Fig.10　The change of fungi number in 10 cm soil

3结论与讨论

(1)在污水厂原污泥重金属浓度扩大1～8倍的范围内，微生物数量因处理浓度的不同而异，适合细菌生长的最佳浓度为1～6倍(Cu≤572.76 mg/kg，Zn≤1759.08 mg/kg，Pb≤468.54 mg/kg，Cd≤11.76 mg/kg)，适合放线菌生长的最佳浓度为2倍(Cu≤190.92 mg/kg，Zn≤586.36 mg/kg，Pb≤156.18 mg/kg，Cd≤3.92 mg/kg)，适合真菌生长的最佳浓度为4倍(Cu≤381.84 mg/kg，Zn≤1172.72 mg/kg，Pb≤312.36 mg/kg，Cd≤7.84 mg/kg)。

(2)细菌和真菌数量分布为土壤表层﹥10cm土层，放线菌则反之。不同类群微生物对污泥中重金属的敏感度由高到低依次为细菌、放线菌、真菌。

(3)该研究采用的污泥取自合肥市污水处理厂污泥浓缩脱水机房，样本选取具有一定的局限性。该研究仅针对细菌、放线菌和真菌三类微生物对污泥中重金属的敏感度进行了研究，未对其他微生物种类展开全方面深入研究，另外污泥中其他重金属元素的影响有待进一步研究。

参考文献

[1] 李瑞美,何炎森.重金属污染与微生物研究概况[J].福建热作科技,2003,28(4): 25-28.

[2] 蔡信德,仇荣亮.镍污染对土壤微生物的生态效应[J].生态科学,2004,23(3):273-277.

[3] 赵祥伟,骆永明,滕应，等.重金属复合污染农山土壤的微生物群落遗传多样性研究[J].环境科学学报,2005,25(2):186-191.

[4] 滕应,龙健.重金属污染土壤的微生物生态效应及修复研究进展[J].土壤与环境,2002,11(1):85-89.

[5] SEIDEL H，WENNRICH R，HOFFMANN P,et al. Effect of different types of elemental sulfur on bioleaching of heavy metals from contaminated sediments [J]. Chemosphere, 2006, 62: 1444-1453.

中图分类号S 154.3

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)06-123-04

收稿日期2016-01-15

作者简介赵华胜(1989- )男，江苏镇江人，硕士研究生，研究方向：城市固体废弃物处理处置与资源化利用。