草甘膦对土壤微生物能量代谢的影响

吴雪楠，孙菁菁，罗园园，刘文娟，姚　俊

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)



草甘膦对土壤微生物能量代谢的影响

吴雪楠，孙菁菁，罗园园，刘文娟，姚俊

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

摘要：草甘膦是应用最广、产量最大的农药除草剂，草甘膦对土壤微生物能量代谢的影响受到越来越多研究者的关注。以壤质潮土和黑土为供试土壤，采用微量量热法研究了草甘膦对土壤微生物能量代谢的影响。结果表明，草甘膦对两类土壤微生物能量代谢均有不同程度的抑制作用，黑土微生物对草甘膦的耐受性更强；草甘膦对壤质潮土和黑土微生物代谢活性的半数抑制浓度分别为444.90 mg·kg-1、978.69 mg·kg-1；土壤微生物的能量代谢与土壤的理化性质显著相关。

关键词：草甘膦；土壤微生物；微量量热法；能量代谢

草甘膦(C3H8NO5P)属芽后内吸非选择性高效广谱灭生性除草剂[1]。自20世纪70年代问世至今，已发展成为全球范围内应用最广、产量最大的农药除草剂。我国草甘膦利用率约为30%，其在土壤中的大量残留给环境带来了巨大的潜在风险[2]。

土壤微生物是土壤生物群落中种类最多的一种，在土壤中处于共生状态，在生态系统中起着重要作用，是有机质转化、养分循环与释放、物质分解等生物及生物化学过程中最重要的推动力。微生物既是土壤形成过程的作用者，又是土壤的重要组成部分[3]。土壤微生物的活性与诸多因素有关。土壤的理化性质是导致土壤微生物活性差异的原因之一。目前，大部分研究集中于污染物对土壤微生物种群、酶活性、呼吸速率等方面的影响。如范艳春[4]研究发现，马尾松林土壤含水量对土壤微生物呼吸的影响远大于土壤营养成分，说明马尾松林土壤营养充足，外界环境是土壤微生物呼吸的限制因子。Imparato等[5]通过测定细菌和原生动物的丰度、多样性、生理状态和土壤有机碳来研究草甘膦对植物根际微生物群落的影响。韩世忠等[6]研究发现，革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌以及细菌的PLFAs含量与pH值呈显著负相关，与含水量呈显著正相关；土壤微生物主要类群PLFAs含量与总氮、有机碳和铵态氮均呈显著正相关。

微量量热法能够监测反应体系变化过程中总的热效应。它对被研究体系的光谱性质、溶剂性质、磁性质和电学性质都没有限制条件，具有非破坏性的特点，可以连续、自动、动态监测整个反应过程[7]。Zheng等[8]通过细胞计数法和微量量热法研究了均衡营养元素施肥与养分缺乏施肥对土壤微生物活性的长期影响，结果表明，微量量热曲线中重要的参数(增长速率常数、微量热峰值、到达峰值的时间)均很好地反映了土壤微生物的活性高低。

开展草甘膦对农田土壤微生物活性影响的研究，将为草甘膦对于不同类型土壤的使用剂量和方式提供重要依据，从一定程度上提高农业生产效率。鉴于此，作者选择壤质潮土和黑土作为供试土壤，通过室内模拟实验，从能量代谢角度研究草甘膦浓度对两类土壤微生物活性的影响，评价草甘膦对农田土壤环境的影响，为更科学合理地使用草甘膦和减少环境污染提供理论依据。

1实验

1.1试剂与仪器

草甘膦(30%水剂)，北京燕化永乐农药有限公司；葡萄糖、硫酸铵及其它试剂均购于天津试剂公司。所有试剂均为分析纯，未进行前处理。

TAM Ⅲ型多通道微量量热仪(灵敏度为10 nW，内反应容器为4.5 mL不锈钢安瓿瓶)，瑞典Järfälla公司；DV215CD型精密电子分析天平，上海奥豪斯仪器有限公司；QL-861型微型涡旋混合器，江苏海门其林贝尔仪器制造有限公司；真空抽滤泵；酸式滴定管；碱式滴定管。

1.2供试土样的采集

供试土样分别取自河北省保定市清苑县和吉林省长春市榆树县农田，在各农田中设置3个采样区域，各区域均采用对角法采集4个土样。采样时，以30 cm为间隔，用土钻采集0～20 cm深处土壤，混合均匀后除去砂砾和动植物残体，用冰盒保存并立即运回，4 ℃保存。

1.3微量量热实验

实验前，将土样在28 ℃下放置1 d；将安瓿瓶清洗干净，置于烘箱中(110 ℃，30 min)灭菌。取两类土样各1 g分别置于安瓿瓶中，加入0.2 mL预先配制好的营养液，营养液主要成分为葡萄糖与硫酸铵(1∶1，体积比)；再加入草甘膦，使土样中草甘膦浓度(mg·kg-1)分别为0、100、250、500、1 000，涡旋混合均匀；最后将安瓿瓶密封，按操作规程放入微量量热仪中(等温槽温度设为28 ℃)。通过检测器监测微生物代谢过程中释放的热量并传输数据给计算机，绘制微量量热曲线，分析微量量热曲线的重要参数，评价草甘膦对两类土壤微生物能量代谢的影响。

2结果与讨论

2.1两类土壤的理化性质分析

清苑县属暖温带大陆性季风气候，年均降水量550 mm，土壤为壤质潮土；榆树县属东北地区季风性中温带半湿润气候，年均降水量600 mm，土壤为黑土。两类土壤的基本理化性质见表1。

表1

土壤的基本理化性质

Tab.1

Physical and chemical properties of soil

在土壤学中，有机质含量的多少可以反映土壤肥力水平的高低；全氮量是衡量土壤氮素供应状况的重要指标；速效磷(速效钾)含量是指能被当季作物吸收的磷量(钾量)，其含量多少在一定程度上反映了土壤中磷(钾)素的贮量和供应能力；阳离子交换量反映了土壤保持养分的能力，即通常说的保肥能力的高低，交换量大的土壤保持速效养分能力强，反之则弱，土壤阳离子交换量可作为评价土壤供肥续肥能力的指标[9]。

由表1可知，两类土壤均偏碱性；清苑土壤的有机质、全氮、速效磷、速效钾以及阳离子交换量等指标均低于榆树土壤。两类土壤均属矿质土壤(有机质含量低于200 g·kg-1)，其中，榆树土壤具有较高的肥力水平和保肥能力，重要营养元素氮、磷、钾的含量也更高，表明榆树土壤是更为肥沃的农田土壤。

2.2两类土壤的微量量热曲线

微量量热法是一种用于评估土壤微生物代谢活性的有效工具。虽然不同生物代谢产生热量的过程不同，但放出的总热量取决于体系的初始和最终能量状态。在不干扰系统的前提下，微量量热法可对微生物动态代谢过程进行长时间且稳定的连续监测[10-12]。

图1为28 ℃下不同浓度草甘膦对清苑土壤与榆树土壤微生物微量量热曲线的影响。

图128 ℃下，不同浓度草甘膦对两类土壤微生物微量量热曲线的影响

Fig.1Effect of different concentrations of glyphosate on microcalorimetric curves of microorganisms from two kinds of soil at 28 ℃

从图1可以看到，两类土壤微生物的微量量热曲线都存在明显的微生物生长期，即延迟期、对数期、稳定期和衰退期；两类土壤微生物微量量热曲线的峰值均随着草甘膦浓度的增大而逐渐降低，代谢过程变缓且有延迟；清苑土壤的最大热输出功率(曲线峰值)的变化更明显，相邻峰值最大差值达621.09 μW；而榆树土壤的最大差值仅为397.07 μW；清苑土壤微生物完成整个代谢过程需要2 000 min左右，而榆树土壤微生物仅需要1 400 min。表明，肥沃的榆树土壤微生物对草甘膦的耐受性更强，在急性毒性实验中反应更快。

2.3微量量热曲线的重要参数

草甘膦对土壤微生物的代谢过程有着不同程度的抑制作用，且抑制作用随着草甘膦浓度的增大而增强。微量量热曲线表明，土壤微生物的增长符合以下公式：

lnPt=lnP0+kt

式中：t为时间；Pt为t时刻的热输出功率；P0为初始功率；k为生长速率常数。生长速率常数k可通过微量量热曲线的第一峰值数据计算。通过计算生长速率常数等一系列热力学参数(表2)可以定量描述土壤微生物受草甘膦抑制的程度。

表2

两类土壤微生物的热力学参数

Tab.2

Thermodynamic parameters of microorganisms from two kinds of soil

注：c为草甘膦浓度；k为生长速率常数；Pmax为最大热输出功率；Tmax为完成整个代谢过程所需时间；QT为总热量；I为抑制率。

由表2可知，未添加草甘膦时，两类土壤微生物能量代谢的最大热输出功率(Pmax)分别为1 638.90 μW、1 608.92 μW，差异不明显，表明，在无草甘膦干扰的情况下，两类土壤微生物的代谢能力几乎相当，且肥沃土壤更有利于微生物的生长；随着草甘膦浓度的增大，两类土壤微生物的最大热输出功率与生长速率常数均递减，且清苑土壤的递减速度比榆树土壤快，清苑土壤比榆树土壤需要更长的时间达到最大热输出功率。这可能是由于，肥沃的土壤为微生物提供了更适宜的生存条件，使其对草甘膦的耐受性增强。相关研究也验证了这一点，如：土壤的理化性质是决定土壤微生物群落结构的主要因素[13]；在肥沃高产的农田土壤中，微生物群落以细菌为主，可观察到更快速的营养循环[14]。

2.4微量量热参数I与 IC50

抑制率I是基于k的值，通过下式计算：

I=(k0-kc)/k0

式中：k0为对照样品的生长速率常数；kc为草甘膦浓度为c时的样品的生长速率常数。

当I等于50%时，对应的草甘膦浓度称为半数抑制浓度，简称IC50。在凋亡方面，IC50值可以理解为凋亡微生物细胞与全部细胞数之比等于50%时所对应的草甘膦浓度。IC50值可以用来衡量草甘膦诱导微生物细胞凋亡的能力，即诱导能力越强，IC50值越小。IC50值也可以反向说明微生物细胞对草甘膦的耐受程度，即耐受程度越大，IC50值越大。

两类土壤微生物的IC50值见图2。

图2　两类土壤微生物的IC50值

从图2可以看出，清苑土壤的IC50值为444.90 mg·kg-1，榆树土壤的IC50值为978.69 mg·kg-1，为前者的2.2倍。表明，肥沃的榆树土壤中的微生物对草甘膦的耐受性比清苑土壤微生物强，进一步说明了土壤的理化性质对微生物的代谢活性影响显著。相关研究也验证了这一点，如：经不同浓度NaF处理的土壤的pH值、导电性均发生改变，导致微生物的硝化作用、氨化作用以及酶活性减弱，进而影响其热力学参数的表征[15]；吴俐莎等[16]研究发现，4类土壤中的转化酶均与土壤理化性质表现出显著或极显著相关，其中泥炭土和沼泽土的转化酶与多个理化性质相关；Gul等[17]研究发现，生物碳修复土壤的机理是通过改变土壤的pH值、阳离子交换量以及聚合度等理化性质，进而影响土壤微生物的丰度和群落结构。

3结论

采用微量量热法研究了草甘膦对两类土壤微生物能量代谢的影响。结果表明，草甘膦对两类土壤微生物能量代谢均表现出一定程度的抑制作用，草甘膦对壤质潮土微生物的抑制作用更强，黑土微生物对草甘膦的耐受性和代谢活性更强；草甘膦对壤质潮土和黑土微生物的半数抑制浓度分别为444.90 mg·kg-1、978.69 mg·kg-1；土壤微生物的能量代谢与土壤的理化性质显著相关。在实际应用中，黑土比潮土更适宜使用草甘膦农药。

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Effect of Glyphosate on Energy Metabolism of Soil Microorganisms

WU Xue-nan,SUN Jing-jing,LUO Yuan-yuan,LIU Wen-juan,YAO Jun

(SchoolofCivil&EnvironmentalEngineering,UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Abstract：Glyphosate is a widely used and mass produced herbicide.The effect of glyphosate on the energy metabolism of soil microorganisms has attracted concerns from more and more researchers.Using medium loam soil and black soil as tested samples,the effects of glyphosate on the energy metabolism of microorganisms were studied by microcalorimetry.Results showed that,glyphosate had inhibitory effects on both two kinds of soil in varying degrees.Stronger microbial resistance and tolerance to glyphosate was observed in black soil.Half inhibitory concentrations(IC50) of glyphosate for metabolism activity of soil microorganisms on medium loam soil and black soil were 444.90 mg·kg-1and 978.69 mg·kg-1,respectively.The energy metabolism of soil microorganisms was significantly related to the physicochemical properties of the soil.

Keywords：glyphosate;soil microorganisms;microcalorimetry;energy metabolism

中图分类号：O 642.31

文献标识码：A

文章编号：1672-5425(2016)04-0018-04

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.04.005

作者简介：吴雪楠(1992-)，女，北京人，硕士研究生，研究方向：环境毒理学，E-mail：694419300@qq.com；通讯作者：姚俊，教授，E-mail：yaojun@ustb.edu.cn。

收稿日期：2015-12-24

基金项目：国家自然科学基金资助项目(4143000452)