异噻唑啉酮对土壤微生物杀灭效果及其影响因素初探①
2018-03-22刘国明万梦雪贾萌萌王慧峰胡文友
刘国明，万梦雪，贾萌萌，王慧峰，胡文友，黄 标*
异噻唑啉酮对土壤微生物杀灭效果及其影响因素初探①
刘国明1,2，万梦雪1,2，贾萌萌1,2，王慧峰1,2，胡文友1，黄 标1*
(1 中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所)，南京 210008；2 中国科学院大学，北京 100049)
异噻唑啉酮杀菌剂是一类新型的高效杀菌剂，广泛应用于个人洗护用品、制药、水处理等领域，但是目前其对土壤微生物的杀灭效果和影响因素尚不明确。本文将异噻唑啉酮杀菌剂卡松(Kathon)CG用于土壤灭菌，采用稀释平板计数法测定了供试土壤加入卡松CG前后细菌、真菌和放线菌的数量变化，以评估卡松CG对土壤微生物杀灭效果，并考察了卡松CG浓度、pH、温度、时间等对杀灭效果的影响。结果表明：卡松CG对两种土壤中放线菌杀灭率均为100%，对细菌、真菌的杀灭率随卡松CG浓度的升高而增大，当卡松CG浓度由0.5 ml/L 升至3.0 ml/L时，对风干土壤中细菌、真菌的杀灭率分别由84.1%、78.0% 升至98.7%、99.6%，卡松CG浓度升至5.0 ml/L 时，对细菌和真菌杀灭率接近100%；当卡松CG浓度较低(<3.0 ml/L)时对新鲜土壤中细菌和真菌杀灭率与风干土壤相比有所下降，此时过高的pH也会降低细菌和真菌的杀灭率，但当卡松CG浓度>3.0 ml/L时，对风干土壤和新鲜土壤中细菌、真菌杀灭率均>99.0%，pH对杀灭率影响较小；土壤温度(25 ~ 50℃)对土壤细菌杀灭效果没有影响，且卡松CG对土壤细菌杀灭作用持续时效>72 h。本研究表明，卡松CG可以在较低浓度下有效杀灭土壤中细菌、真菌和放线菌，杀灭效果在25 ~ 50℃内保持稳定，受土壤pH影响较小。采用卡松CG可以作为土壤研究中控制生物因素的备选方法之一。
异噻唑啉酮；卡松CG；土壤微生物；土壤灭菌
土壤灭菌是指杀灭或清除土壤中微生物的过程，通常用于土壤微生物生物量、酶活性、土壤呼吸作用的测定[1-2]，土壤微生物学检验，以及土壤中外源物质的降解、吸附试验等过程中对生物与非生物反应过程的区分[3]。目前实验室常用的土壤灭菌方法主要有物理方法和化学方法。物理方法主要有高压蒸汽灭菌、γ射线灭菌、干热灭菌、微波灭菌等，化学方法主要有氯仿(或溴甲烷、环氧乙烷、环氧丙烷等)熏蒸灭菌，以及向土壤中加入NaN3或HgCl2等[[1, 3-6]。针对不同的研究目的，上述灭菌方法各有利弊。
研究显示，土壤灭菌过程通常会导致土壤理化性质的改变[4]，从而影响对土壤中生物因素和非生物因素的区分[7]。高压蒸汽灭菌和γ射线灭菌会改变土壤团聚体团聚状态，导致土壤表面积增加和土壤有机质中碳水化合物和烷基氮含量降低[3]；γ射线灭菌还会导致土壤中硝态氮和氨态氮含量的变化，其灭菌效果也会受到土壤含水量和γ射线辐射剂量的影响[8-9]；高压蒸汽灭菌对土壤性质的改变程度受土壤类型的影响，例如砂质潮土和红壤高温高压灭菌会造成土壤有机质显著增加，而对其他类型土壤影响不大[10]。此外，高压蒸汽灭菌等物理方法通常需要对土壤多次处理，处理时间长，操作复杂[6]；γ射线灭菌也存在辐射时间较长等不足[6]；干热灭菌会造成土壤可溶性有机质的浓度增加和土壤pH改变[4]。有研究指出，CaCl2介质中的土壤pH会随着土壤干燥温度的升高而降低[11]；Razavi和Lakzian[7]比较了不同灭菌方法对土壤理化性质的影响，结果发现高压蒸汽灭菌、氯仿熏蒸、紫外和微波灭菌4种方法均造成土壤pH、电导率、阳离子交换量、土壤有机质、土壤全氮等指标的变化。化学灭菌方法中，环氧乙烷和环氧丙烷熏蒸灭菌会导致土壤pH升高[12]，熏蒸时间较长，同时也会破坏大气臭氧层[13-14]。与高压蒸汽灭菌等物理方法相比，向土壤加入HgCl2、NaN3等杀菌剂抑制土壤微生物活性可能更加便于操作，但土壤中加入HgCl2会引入重金属元素Hg，而加入NaN3(或KN3)会导致土壤pH升高，土壤中的叠氮化物也会转变成有毒的叠氮酸[2]，这些均会造成土壤性质的变化。Wolf等[6]也比较了多种灭菌方法对土壤性质的影响，发现环氧丙烷处理后会使土壤表面积显著减小，环氧丙烷和NaN3会造成土壤pH的升高。综上所述，土壤灭菌过程均可能引起土壤性质的改变[4,5,12]，因此，根据研究目的选择合适的灭菌方法，减少灭菌过程对土壤其他性质和目标物的影响成为土壤灭菌方法选择的关键点[3-4]。
合适的土壤灭菌方法需满足以下要求：①灭菌效果好；②对土壤物理、化学和结构等性质改变程度小；③灭菌方法操作简便；④材料廉价、易得且环境友好。异噻唑啉酮是指含有异噻唑啉酮杂环的一系列化合物，是一类新型的高效杀菌剂。卡松(Kathon)CG是活性成分为5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(CMI)和2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(MI)(化学结构式如图1所示)的杀菌剂的商品名称[15-17]，卡松CG具有以下特点：对革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、霉菌及酵母菌均有杀灭作用，活性强，pH适应范围广，环境友好[18]，在洗化用品、药业、涂料、水处理等领域应用广泛[19]。文献表明，Gandhi等[20]运用生物增强型反应墙处理复合污染的地下水，以及Silva等[21]在研究苯系物自然衰减过程中，将卡松CG用于区分反应中的生物因素，此后，Du等[22]在饮用水处理时也将加入卡松的水溶液作为对照试验。但是，目前卡松CG对土壤微生物杀灭效果尚不明确。本文选择风干土壤和新鲜土壤样品为代表，采用稀释平板计数法考察了不同条件下卡松CG处理前后土壤中细菌、真菌和放线菌数量变化，旨在进一步了解卡松CG对土壤微生物的杀灭效果和影响因素，为卡松CG在土壤灭菌中的应用提供科学依据。
图1 卡松CG中有效成分化学结构式
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试土壤：供试土壤为风干土壤和新鲜土壤样品，风干土壤样品采自中国科学院封丘农田生态系统试验站表层(0 ~ 15 cm)小麦-玉米轮作农田土壤，土壤类型为潮土，土壤样品按照蛇形法取5个点，采样土壤剔除杂物及残留根系，混合均匀，采用四分法取土样1 kg，在室温下风干，然后将土样压碎过2 mm筛放于密封袋中保存备用；新鲜土壤样品采自南京城郊表层(0 ~ 15 cm)草地土壤，采集的新鲜土壤样品剔除杂物及残留根系，混合均匀，采用四分法取土样1.5 kg，将样品过2 mm筛后置于4℃条件下保存备用。供试土壤的基本性质见表1。
表1 供试土壤基本属性
卡松CG及培养基：卡松CG由广州敏航化工科技有限公司提供；LB营养琼脂培养基、改良马丁琼脂培养基、改良高氏1号培养基由青岛海博生物技术有限公司提供。
1.2 试验设计
1.2.1 不同浓度卡松CG对土壤微生物的杀灭效果 每个处理称取5.0 g风干土壤(和相当于5.0 g风干土壤质量的新鲜土壤)置于100 ml锥形瓶中，加入45 ml去离子水；将锥形瓶置于摇床以200 r/min，25℃充分振荡20 min后取出，静置过夜；去除土壤悬液表面漂浮的草木屑等杂物，分别向其中加入0.5、1.0、3.0、5.0、7.0 ml/L5个浓度的卡松CG；再次置于摇床上200 r/min振荡20 min，然后取0.1 ml土壤悬液分别涂布于LB营养琼脂培养基、改良马丁琼脂培养基和改良高氏1号培养基中，在28 ~ 30℃条件下培养一定时间，测定微生物数量。对照组不加卡松CG，其余处理步骤均与试验组处理方法相同。每个处理重复3次。
1.2.2 不同pH条件下卡松CG对土壤微生物的杀灭效果 每个处理称取5.0 g风干土壤置于100 ml锥形瓶中，加入45 ml去离子水；置于摇床以200 r/min，25℃充分振荡20 min后取出，静置过夜；去除土壤悬液表面漂浮的草木屑等杂物，取其中一份测定土壤悬液pH为8.12，然后将其余土壤悬液用1.0 mol/L的NaOH和HCl溶液调节pH至3.07、9.93和10.97稳定后，向上述土壤悬液中分别加入0.5、1.0、3.0、5.0、7.0 ml/L的卡松CG；再次置于摇床以200 r/min振荡20 min，然后取0.1 ml土壤悬液涂布于和1.2.1中相同的3种培养基中培养一定时间，测定微生物数量。每个土壤样品重复3次。
1.2.3 不同温度条件下卡松CG对土壤细菌的杀灭效果 每个处理称取5.0 g风干土壤置于100 ml锥形瓶中，加入45 ml去离子水，置于摇床200 r/min，25℃充分振荡20 min后取出，静置过夜；去除土壤悬液表面漂浮的草木屑等杂物，将4份土壤悬液分别放置于在25、35、45和50℃环境中，然后分别加入3.0、5.0 ml/L的卡松CG，置于摇床以200 r/min分别在25、35、45和50℃条件下振荡20 min，然后取0.1 ml 土壤悬液涂布于LB营养琼脂培养基中培养一定时间，测定微生物数量。每个处理重复3次。
1.2.4 卡松CG对土壤细菌的杀灭时效 将1.2.2中加入卡松CG的土壤悬液在室温下静置72 h后，再次摇床以200 r/min振荡20 min，然后接种培养，比较卡松CG处理后立即接种(时间<2 h)培养与静置72 h接种培养后菌落数量的不同。
1.3 分析方法
1.3.1 微生物数量测定方法 微生物计数采用稀释平板计数法[23]。细菌采用LB营养琼脂培养基，在28 ~ 30℃条件下培养24 h；真菌采用改良马丁琼脂培养基，在28 ~ 30℃条件下培养24 h，放线菌采用改良高氏1号培养基，在28 ~ 30℃条件下培养120 h，然后对平板进行计数。试验中，发现与不加卡松CG土壤悬液接种培养的培养基相比，加入卡松CG后的土壤悬液接种培养的培养基中菌落数量大幅减少，卡松CG浓度为0.5 ml/L时，LB营养琼脂培养基中最高的菌落数量为353 CFU，当卡松CG浓度高于0.5 ml/L时，3种培养基中的菌落数量均小于300 CFU，因此，对加入卡松CG的10–1稀释度的土壤悬液可直接涂布，培养，计数测定残留菌落数量。
1.3.2 土壤基本性质测定方法 土壤pH(水土比为2.5∶1)采用电位法测定(NY/T1121.2-2006)；土壤质地采用激光粒度仪(Beckman Coulter, Inc. LS-13320)测定；土壤含水量采用烘干法测定。
1.4 数据处理
卡松CG对土壤中细菌、真菌和放线菌杀灭率(killing rate，KR)的计算公式如下：
式中：KR为杀灭率，%；为试验组中残留菌落数，CFU/ml；a为对照组中菌落数，CFU/ml。试验中，发现与pH为8.12时土壤悬液相比，当pH调节至3.07、9.93和10.97时土壤悬液接种后平板中菌落数量相应减少，因此，本文扣除了土壤pH变化对土壤中菌落数量的影响，然后计算杀灭率。
参考SN/T 3229-2012行业标准，3种平板中菌落数量计算公式如下：
式中：为全部平板上的菌落总数之和为用于计数的平板数量；为稀释因子，土壤悬液的稀释因子为10-1；为接种样品的体积，ml。
采用SPSS 19.0统计软件进行数据分析，杀灭率经过平方根反正弦转换后再做方差分析(ANOVA)，处理平均数采用最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验(=0.05)，采用OriginPro 9.1绘图。
2 结果与分析
2.1 卡松CG浓度对土壤中微生物杀灭效果的影响
卡松CG浓度对风干土壤中细菌、真菌和放线菌杀灭率的影响如图2所示，卡松CG在试验浓度范围内对土壤中放线菌杀灭率均为100%，杀灭率不受卡松CG浓度和pH的影响。卡松CG对土壤中细菌、真菌杀灭率随卡松CG浓度的增加而升高，卡松CG浓度达到3.0 ml/L 时，卡松CG对风干土壤中细菌、真菌杀灭率基本达到稳定，杀灭率>98%，当卡松CG浓度达到5.0 ml/L 以上时，卡松CG对土壤中细菌和真菌杀灭率>99.8%。可见，卡松CG对土壤中细菌、真菌和放线菌均具有良好的杀灭效果。
(图中不同卡松CG浓度下的杀灭率为pH= 3.07、8.12、9.93、10.97时的平均杀灭率)
通过对两种土壤中微生物杀灭率的比较，发现卡松CG对土壤中细菌和真菌杀灭率均随卡松CG浓度的增加而升高(图3)，卡松CG浓度由0.5 ml/L 升至1.0 ml/L 时，对风干土壤和新鲜土壤中细菌杀灭率分别由87.6% 和64.0% 升至93.7% 和74.2%；卡松CG浓度为0.5 ml/L 和1.0 ml/L 时，卡松CG对风干土壤中细菌和真菌杀灭率显著高于对新鲜土壤中细菌和真菌的杀灭率(<0.01)；当卡松CG浓度增至3.0 ml/ L时，卡松CG对风干土壤中真菌杀灭率仍然高于新鲜土壤(<0.05)，卡松CG浓度>5.0 ml/L 时对两种土壤中细菌和真菌杀灭率均>99%，此时卡松CG对新鲜土壤和风干土壤中细菌、真菌杀灭率不存在显著差异，当增加卡松CG浓度至7.0 ml/L 时，对两种土壤中细菌、真菌的杀灭率均为100%。卡松CG在5.0 ~ 7.0 ml/L范围内时，对土壤中的放线菌杀灭率均达到100%，这进一步表明卡松CG对放线菌的杀灭率不受土壤条件和卡松CG浓度的影响。
2.2 pH对卡松CG杀灭土壤微生物效果的影响
pH对卡松CG杀灭土壤微生物效果的影响结果见表2。可以看出，当卡松CG浓度较低(<3.0 ml/L)时，土壤悬液过低的pH(pH=3.07)对土壤中细菌和真菌的杀灭率影响均不显著，而过高的pH(pH=10.97)会显著降低卡松CG对土壤中细菌和真菌的杀灭率(<0.05)；当卡松CG浓度较高(>3.0 ml/L)时，卡松CG对细菌杀灭率在pH为3.07、8.12、9.93和10.97时不存在显著差异。卡松CG浓度为0.5 ml/L 和1.0 ml/L，土壤悬液pH为10.97时，卡松CG对细菌的杀灭率比pH为8.12时分别下降了21.23% 和18.46%，此时卡松CG对细菌杀灭率显著低于pH为3.07、8.12、9.93时，而卡松CG对细菌的杀灭率在pH为3.07、8.12、9.93时不存在显著差异。当卡松CG浓度高于3.0 mL/L 时，不同pH对细菌杀灭率的影响均不存在显著差异。由表2可知，卡松CG对土壤中真菌杀灭率受到土壤悬液高pH的影响较大，卡松CG浓度为0.5 ml/L 和1.0 ml/L 时，pH为10.97时卡松CG对真菌的杀灭率比pH为8.12时分别下降了46.12% 和21.57%，此时卡松CG对真菌杀灭率显著低于pH为3.07、8.12、9.93时对真菌杀灭率；当卡松CG浓度高于3.0 ml/L 时对土壤中真菌的杀灭率均>99%。
(图中不同小写字母表示相同土壤不同卡松CG浓度处理间差异在P<0.05水平显著)
表2 不同处理对卡松CG杀灭细菌和真菌效果的影响(%)
注： 同一列中不同小写字母表示相同卡松CG浓度时不同pH处理间的差异显著(<0.05)；下同。卡松CG对放线菌杀灭率均为100%，数据未显示。
2.3 温度对卡松CG杀灭土壤细菌效果的影响
由图3可知，当卡松CG浓度为0.5、1.0和3.0 ml/L 时对风干土壤中细菌杀灭率菌分别为87.6%、93.7% 和99.9%，当卡松CG浓度为0.5 ml/L 和1.0 ml/L 时不能满足杀灭土壤微生物的要求，因此，考察温度对土壤中细菌杀灭效果的影响时选择卡松CG浓度为3.0 ml/L 和5.0 ml/L。由表3可知，与25℃时相比，在45、50℃时卡松CG对细菌杀灭率均高于99.9%，此时，不同温度处理间卡松CG对杀灭率的影响不存在显著差异，卡松CG对土壤中细菌杀灭率不受温度的影响。
表3 不同温度处理卡松CG对土壤细菌的杀灭效果
2.4 卡松CG对土壤中细菌的杀灭时效
卡松CG对土壤中细菌杀灭效果的持续时间如图4所示。随着土壤中加入卡松CG后作用时间的延长，卡松CG对土壤中细菌的杀灭率升高，卡松CG浓度为0.5、1.0 和3.0 ml/L，土壤悬液pH分别为3.07、8.12、9.93和10.97时，同一土壤样品加入卡松CG作用72 h后与作用时间小于2 h相比，卡松CG对土壤中细菌杀灭率有显著提高，在试验的卡松CG浓度和土壤悬液pH范围内，卡松CG对土壤中细菌的杀灭效果有效时间维持在72 h以上。
(图中土壤样品编号中数字1、2和3依次代表卡松CG浓度为0.5、1.0、3.0 ml/L，字母a、b、c和d分别表示土壤pH为3.07、8.12、9.93和10.97)
3 讨论
3.1 卡松CG浓度对土壤微生物杀灭效果的影响
随着卡松CG浓度的增加，其对土壤中细菌和真菌的杀灭率呈显著增加的趋势，当卡松CG浓度为0.5 ml/L 和1.0 ml/L 时，卡松CG对风干土壤中细菌和真菌杀灭率显著高于新鲜土壤，可能的原因是卡松CG浓度较低时不能完全杀灭土壤中的细菌和真菌，而新鲜土壤比风干土壤中蕴含的细菌和真菌数量更多，造成低浓度卡松CG处理的新鲜土壤悬液中残留更多数量的微生物；卡松CG对放线菌杀灭率均为100%，不受卡松CG浓度的影响。
与卡松CG相比，HgCl2作为土壤杀菌剂时通常加入浓度是500 mg/kg土壤[24]，也有研究者采用的HgCl2浓度为50、90或176 mg/L[25]，Wolf等[6]认为HgCl2控制土壤微生物活性对土壤的物理和化学性质改变最小。NaN3用于控制土壤微生物活动时，不同研究者添加的浓度范围相差较大，添加浓度一般在0.002% ~ 2%[26-28]，但是许多文献中并未说明所使用的NaN3浓度是否足以抑制土壤中微生物活性[29-30]。有研究指出，当NaN3添加浓度为100、200、500或650 mg/L时，可以有效降低土壤中微生物活性，其中650 mg/L为常用浓度。Chefetz等[27]研究发现，在NaN3共存条件下，除草剂阿特拉津的浓度会随时间显著下降，NaN3对阿特拉津的转化会显著影响土壤中除草剂的吸附，因此他们认为在吸附/解吸试验中应该仔细评估使用NaN3作为土壤杀菌剂的可行性，这也可能会影响NaN3在土壤的吸附/解吸等研究中作为控制生物因素方法的应用。卡松CG中含有一定量的硝酸铜和硝酸镁作为稳定剂，但与研究者采用NaN3控制土壤微生物活性相比[29]，在本研究中采用卡松CG浓度3.0 ml/L时，卡松CG中NO3-浓度为136.67 mg/L，小于采用NaN3时的浓度，可见卡松CG杀灭土壤微生物时使用的浓度较低。实际使用卡松CG杀灭土壤微生物时，卡松CG中硝酸铜和硝酸镁在土壤悬液中会被大大稀释，但在控制土壤中生物因素时也应考虑其对研究目标的影响。
3.2 pH对卡松CG杀灭土壤微生物性能的影响
卡松CG具有较大的pH适用范围[31]，但是目前尚未见考察土壤pH变化时对其杀灭土壤微生物性能影响的报道，此外，采用NaN3、HgCl2对土壤灭菌的方法中，也很少考虑土壤pH变化可能对土壤微生物杀灭效果的影响[24,32]。有研究指出MCI和MI在环境中会发生水解和光解作用，体系较高的pH会缩短MCI和MI的半衰期[33]，由表2可知，当卡松CG浓度为0.5、1.0 ml/L，土壤悬液 pH为10.97时卡松CG对土壤中细菌和真菌杀灭率明显降低，这可能有以下原因：较高的pH可能会抑制卡松CG对土壤中细菌、真菌的杀灭性能，或者较高的pH促进了卡松CG中MCI和MI的水解，降低了其对土壤中细菌、真菌的杀灭作用。当卡松CG浓度增加至3.0 ml/L 时，卡松CG对4个不同pH土壤悬液中细菌杀灭率不存在显著差异，表明增加卡松CG浓度可以减少高pH对其杀灭效果的影响。Rozycki和Bartha[34]研究表明，KN3(或NaN3)在抑制土壤中微生物活性时会造成土壤CO2释放量测定错误，KN3(或NaN3)浓度的变化，会造成土壤pH的升高，同时在酸性环境下产生的叠氮酸是挥发性毒物，并且当达到一定浓度时会有爆炸危险，而HgCl2与KN3(或NaN3)共同使用时会形成高爆炸性的叠氮化汞，与此相比，卡松CG具有使用安全、环境友好的特征，其在浓度>3.0 ml/L时可以在较大的pH范围内保持对土壤微生物杀灭活性。
3.3 温度和时间对卡松杀灭土壤中细菌的影响
异噻唑啉酮在环境中会发生挥发、降解[33,35]，Rafoth等[16]研究了异噻唑啉酮衍生物在不同水环境中的稳定性，结果发现将异噻唑啉酮加入河水和自来水中保存在室温(23℃)环境中时与4℃保存时相比降解得更快，升高温度可能会促进异噻唑啉酮的挥发和降解，因此，温度可能影响卡松CG对土壤微生物的杀灭效果。本研究表明，在卡松CG浓度为3.0 ml/L和5.0 ml/L时，土壤分别在25、45和50℃条件下处理时，卡松CG对土壤中细菌杀灭率均>99%。同时，土壤悬液在加入卡松CG放置72 h后，卡松CG对土壤中细菌的杀灭效果并没有随时间延长而降低，说明卡松CG具有持效性。有研究指出，土壤中加入KN3后，挥发是导致其损耗的一个重要因素，在酸性环境中可能由于快速转化为HN3而增大KN3的挥发性，升高温度也会加快KN3的损耗[36]，NaN3与KN3性质相似，因此，当使用NaN3抑制土壤中微生物活性时，不同土壤环境条件下NaN3的损耗可能会影响其在土壤灭菌中的效果。
4 结论
卡松CG对土壤中细菌、真菌的杀灭率随卡松CG浓度的增加而升高。当卡松CG浓度>3.0 ml/L时，对风干土壤和新鲜土壤中细菌、真菌杀灭率>98%；当卡松CG浓度在0.5 ~ 7.0 ml/L时对两种土壤中放线菌杀灭率均为100%。在卡松CG浓度为0.5 ~ 1.0 ml/L时，过高的土壤pH会导致卡松CG对土壤细菌、真菌的杀灭效果有所降低，但是当卡松CG浓度>3.0 ml/L时，pH对卡松CG杀灭土壤细菌、真菌的影响较小。在25 ~ 50℃范围内，卡松CG对土壤中细菌的杀灭效果不受土壤温度的影响，杀灭效果持续时效>72 h，并对土壤pH有较大的适应范围。总体而言，本研究中使用的卡松CG对土壤中微生物具有良好的杀灭效果，卡松CG可以作为土壤研究中控制生物因素的备选方法之一。
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Effectiveness and Influence Factors of Isothiazolinones in Soil Sterilization
LIU Guoming1,2, WAN Mengxue1,2, JIA Mengmeng1,2, WANG Huifeng1,2, HU Wenyou1, HUANG Biao1*
(1 Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Isothiazolinones are a group of effective biocides, which are widely used in personal hygiene, pharmaceutical and water treatment products, but their application effects for soil sterilization are still unclear. In this paper, a commercially sold isothiazolinone biocides Kathon CG was tested for soil sterilization. The populations of bacteria, fungi and actinomycetes in tested soil were determined before and after isothiazolinone application at different concentrations, soil suspension pH values and temperatures for two durations of equilibration time. The results showed that the killing rates of actinomycetes in the tested soils were 100%, and the killing rates of bacteria and fungi in the tested soils increased with the increase of Kathon CG concentration. When Kathon CG concentration enhanced from 0.5 ml/L to 3.0 ml/L, the killing rate of bacteria and fungi in air-dried soil increased from 84.1% and 78.0% to 98.7% and 99.6%, respectively, the killing rate of bacteria and fungi was close to 100% when Kathon CG concentration reached to 5.0 ml/L or above. When the concentration of Kathon CG was 0.5 ml/L and 1.0 ml/L, the killing rates of bacteria and fungi for fresh soil declined compared that of the air-dried soil, and in this case, excessive alkaline soil suspension pH also reduced the killing rate of bacteria and fungi. When Kathon CG concentration reached to 3.0 ml/L or above, the killing rate of bacteria and fungi in air-dried soil and fresh soil was over 99.0%, and soil suspension pH had little effect on the killing rate of bacteria and fungi. The ambient temperature (25–50℃) had no influence on the germicidal effect of soil bacferia, and the duration of the bactericidal effect was longer than 72 h. This study shows that Kathon CG can effectively kill bacteria, fungi and actinomycetes in the soil at a low concentration. The germicidal effect remains stable at 25–50℃, less affected by pH of soil suspension. The use of Kathon CG may be one of the alternative methods in inhibiting soil microbial processes.
Isothiazolinones; Kathon CG; Soil microbes; Soil sterilization
国家自然科学基金项目(41473073)资助。
(bhuang@issas.ac.cn)
刘国明(1988—)，男，山东临沂人，博士研究生，主要从事土壤地球化学研究。E-mail: gmliu15@issas.ac.cn
10.13758/j.cnki.tr.2018.01.014
S154.3
A
