多溴联苯醚污染对土壤线虫群落结构的影响

王赢利，王鸿波

（1.嘉应学院 化学与环境学院，广东 梅州 514015；2.广东省梅州生态环境监测站，广东 梅州 514021）

多溴联苯醚（PBDES）作为一种溴式阻燃剂被广泛添加到家具、装潢等产品中，因其难降解且具有较强的生物蓄积性和生物毒性，2009 年5 月，五溴联苯醚（PeBDEs）和八溴联苯醚（OcBDEs）被联合国环境规划署列入《斯德哥尔摩公约》受控名单，目前国内使用较多的是十溴联苯醚（DeBDE）.含有DeBDE的产品在堆放、加工过程中会释放PeBDEs、OcBDEs 等低溴联苯醚，污染土壤，进入食物链从而危害生物健康[1-2].土壤线虫是土壤中分布广泛的后生动物，能敏锐感知外来污染物等微环境的变化，当受到环境胁迫时，其种群数量及群落结构会发生相应改变，被美国、荷兰等作为模式生物列入土壤生态评价指标[3-4].近年来越来越多学者尝试将重金属污染、氮沉降、矿山修复、生物炭基肥施加以及退耕还林等环境因子的改变与土壤线虫群落变化相关联[5-7]，以期指示土壤生态状况.如Renčo 的研究表明[8]，砷、铅和锌含量与线虫数量呈显著负相关，重金属污染严重区域，以c-p1 和c-p2 线虫类群为主，成熟度指数可能是衡量土壤生态系统扰动程度的最敏感指标；耿文敬的研究表明[9]，煤污染抑制了土壤线虫属的数目，植物寄生线虫为优势种属，香农多样性指数、瓦斯乐斯卡指数和自由生活线虫成熟度指数显著降低；朱学礼的研究表明[10]，垃圾渗滤液显著增加了线虫群落的成熟指数(MI)、富集指数(EI)和结构指数(SI).有关PBDEs 污染地土壤线虫群落的生境状况鲜见报道，本文选取某塑料垃圾堆放地土壤为研究对象，通过测定附近土壤中PBDEs 含量，分离并鉴定线虫的种属，然后利用相关性分析和冗余分析法分析土壤线虫群落结构生物指数与PBDEs 含量的关系，探讨长期受PBDEs 胁迫下线虫数量、营养类群分布以及群落结构生态指数的变化情况，评价线虫群落生态指数对PBDEs 含量反应灵敏度，以期为受PBDEs 污染土壤生态评价提供数据支持.

1 材料与方法

土壤采自某地垃圾堆放处周边荒地，随机采集7 个样本.其中H1 为远离垃圾堆15 km 的山上的对照试验组，其余样点为污染区试验组，标记为H2、H3、H4、H5、H6、H7.每个样点均在2 m×2 m 范围内按对角法采集5 个样点，拂去表面落叶等杂质，采样深度为0～15 cm，混匀，按四分法取1 kg，分成两份，一份装入不含PBDEs 的塑料袋，置于4 ℃冰箱保存；一份用锡箔纸包裹，经冷冻干燥机干燥后，研磨过50 目金属筛，-20 ℃下密封保存备用.

1.1 土壤PBDEs 的测定

土壤含水量采用烘干法测定；土壤多溴联苯醚含量按照陈社军等[11]的方法进行测定.测试过程中PBDEs 含量测定采用添加回收率指示物以及空白加标平行样来监控整个试验过程的回收率.样品中回收率指示物13C-PCB141 回收率为78.1%～93.5%；空白加标和基质加标样的20 种PBDEs 同系物的回收率范围在83.2%～104.2%；相对标准偏差＜13%；BDE-209 检出限为0.2 ng·g-1，其他组分检出限在0.01 ng·g-1～0.1 ng·g-1之间.PBDEs 的20 种同系物组分为五溴联苯醚（BDE47、-66、-77、-85、-99、-100、-138、153、154）、八溴联苯醚（BDE-181、-183、-196、-197、-202、-203、-205）和十溴联苯醚（BDE-206、-207、-208、-209）.

1.2 线虫的分离和鉴定

每个土样混匀称取100 g，采用淘洗-过筛-蔗糖离心漂浮法分离线虫.60 ℃水浴热杀死线虫后，用10%甲醛FA 固定液固定倒入标本瓶中.在体式显微镜（Motic,SMZ140）下记数，折算成100 g 干土中线虫的数量；在生物显微镜（Nikon80i、OLYMPUSCX21F51）下参照《中国土壤动物检索图鉴》鉴定线虫的类别到属[12]，并依据Yeates 等的研究将线虫划分为4 个营养类群：食细菌线虫（Bacterivores，BF）、食真菌线虫（Fungivores，FF）、植物寄生线虫（Plant-parasites，PP）和捕食-杂食线虫（Omnivore-predators，OP）.

1.3 线虫生态学指数的计算方法

线虫指数采用多样性指数及群落结构指数：香农威那多样性指数（Shannon-Wiener）：H'=-Σfi(lnfi)，fi为第i 种不同营养类群线虫占样地线虫总数的比例.辛普森多样性指数(Simpson's diversity Index)：D=1-Σ.Margalef 丰富度指数(SR)：SR=(S-1)/lnNu，式中S 为线虫种属个数，Nu 为线虫数量.成熟度指数（Maturity Index）：MI=∑Vi·fi，Vi为第i 种线虫的c-p 值；根据线虫不同的生活史策略，以及对周围环境干扰的敏感程度划分5 个类群：c-p1、c-p2、c-p3、c-p4、c-p5，其中c-p1 繁殖时间最短，生长迅速，抗压较强，产卵量很大，c-p5 繁殖时间最长，产卵量小，对环境变化最敏感[13-14]；自由生活线虫成熟指数（MI）值低且植物寄生线虫成熟指数（PPI）值高表明土壤生态系统成熟度越低，土壤生态系统扰动强烈.通道指数：NCR=BF/(BF+FF)，BF 为食细菌线虫相对丰度，FF 为食真菌线虫相对丰度；NCR 大于0.5，表明土壤中以食细菌通道为主，NCR 低于0.5，说明土壤食物网以食真菌通道为主[15].瓦斯乐斯卡指数(Wasilewska index)：Wl=(BF+FF)/PP，PP 为植物寄生线虫相对丰度.试验数据采用Microsoft Excel 2003、SPSS25 和canoco5 软件进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 土壤PBDEs 含量分布

PeBDE、OcBDEs 和DeBDE 的分布见图1，采集的污染区样本与对照组PBDEs 含量关系见图2.

图1 样本中PBDEs 各组分分布

图2 对照组与污染区PBDEs 均值含量对比

土壤样本对照组PBDEs 含量为666.3 ng·g-1，污染区试验组PBDEs 总量范围在739.8～6 894.8 ng·g-1，均值为3 107.2 ng·g-1.低于山东潍坊某溴系阻燃剂生产厂周边表层土壤[16]，略高于北方某废旧塑料处置地土壤[17].各样本主要成分均为DeBDE（＞79.6%以上），其次为PeBDE，这与阻燃剂厂周边以及电子垃圾拆解地表层土壤的研究结果类似[18-19]，也与目前主要使用DeBDE 阻燃剂的实际情况相吻合.与对照样本H1相比，污染区样本PeBDE、OcBDEs 均值均显著高于对照组（p＜0.01），DeBDE 和PBDEs 含量分别是对照组的4.4 倍、4.7 倍.

2.2 土壤中线虫数量及丰度

采集的样本线虫相对丰度值见表1，不同c-p 类群丰富度值对比见图3.

表1 某垃圾堆放地周边土壤线虫相对丰度（mean，n=3）

图3 样本中c-p 类群线虫相对丰度占比

样地土壤共检出21 属线虫，线虫数量范围在4.9～366.3 条/100 g 干土，其中食细菌线虫（BF）6 个属，食真菌线虫（FF）2 个属，植物寄生线虫（PP）10 个属，杂食性/捕食性线虫（OP）3 个属.7 个样品中，食真菌线虫丰值较低，其次是食细菌线虫，丰值最高的是植物寄生线虫.除H7 样品外，其余植物寄生类线虫丰值均在60%以上.PBDEs 含量最低的H1 样本，检出15 个属366.3 条，其中植物寄生类线虫螺旋属含量最高，占到68.7%；PBDEs 含量中等的H3、H7 样本中，线虫均检出8 个属，在PBDEs 含量最高的H5 样本中，仅检出植物寄生类线虫丝尾垫刃属、潜根属、小环属3 个属4.9条/100 g 干土；显示出线虫种属随PBDEs 含量增加而下降的趋势.

7 块样地的线虫不同C-P 营养类群占比见图3.由图3 可知，样地土壤中c-p3类群占优势，其次是c-p2类群.在PBDEs含量最高的H5 样地，仅有c-p2、c-p3 两个类群，而在PBDEs含量最低的H1 样地有5 个营养类群；含量中等的H3、H7样地中检出3 个营养类群，表现出PBDEs 含量越高，线虫营养类群越少的趋势.本研究样地中主要以c-p2、c-p3 类群线虫为主.c-p2 类群属是土壤线虫典型的机会主义者，比较耐受环境干扰；c-p3 为k-策略者，多是植物寄生线虫，对干扰和污染较敏感，c-p3 占优势可能是因为植物根系的保护作用导致.本研究中，随着污染的加重线虫类群的个数减少以及低类群及高类群线虫的消失表明土壤受到严重干扰，且土壤修复能力极弱.

2.3 PBDEs 对土壤中线虫数量的影响

不同样点线虫的数量（TOL）与PBDEs 含量的相关性分析见表2.

表2 样地线虫数量与PBDEs 含量的相关性

由表2 可知，样地中线虫的数量与PBDEs、DeBDE 含量显著负相关（p＜0.01），表明PBDEs、DeBDE的污染可能导致线虫数量减少.DeBDE 与PBDEs 显著正相关（p＜0.01），与PeBDE、OcBDE 均显著正相关（p＜0.05），表明各样地多溴联苯醚污染来源具有一致性，低溴联苯醚PeBDE、OcBDE 可能来源于高溴联苯醚DeBDE 的分解.

2.4 PBDEs 对土壤线虫群落结构的影响

土壤线虫的各项生态指数见表3，PBDEs 与各生态指数及相关性分析见图4.

表3 样本中土壤线虫生态指数

图4 土壤线虫群落指标与PBDEs 含量RDA 分析

由表3 可知，样地自由生活线虫成熟指数（MI）和植物寄生线虫成熟指数（PPI）分别在0～1.14和0.69～2.90 之间，低MI 高PPI 意味着土壤成熟度值低，受环境干扰较大；有71.4%的样地线虫通道指数（NCR）高于0.5，意味着土壤有机质以细菌分解途径为主；有85.7%的样地瓦斯乐卡指数（WI）均低于0.5，表明研究的区域植物寄生线虫占优势，土壤食物网以食真菌通道为主，土壤健康状况不佳.H1、H2 和H7样本，线虫种属较多，分布较其他样本均匀，自由生活线虫指数MI、多样性指数H’和D’及瓦斯乐卡指数WI高于其他土壤样品.在PBDEs 含量较低的H4（739.8 ng/g）样品中，自由生活线虫较少，线虫种属单一，其自由生活线虫成熟指数MI、多样性指数PBDEs 含量和瓦斯乐卡指数WI 均偏低.H6 样品PBDEs 含量较少（1 252.5 ng/g），线虫较多（336.6 条/100 g 干土），植物寄生线虫螺旋属为优势属（94.6%），自由生活线虫成熟指数、多样性指数和瓦斯乐卡指数值均偏低.PBDEs 含量较高的H5 土壤样品，未检出自由生活线虫，自由生活线虫成熟指数为零，土壤中仅有少量植物寄生类线虫和捕食/杂食类线虫，土壤线虫多样性指数H’和D’很低，线虫通道指数以及（WI）值极低.

由PBDEs 含量与土壤线虫群落指标的RDA 分析结果如图4 可知，本研究区域内的土壤线虫群落各生物指标受DeBDE 和PeBDE 的影响最大.其中DeBDE 含量与辛普森指数（D）、Margalef 丰富度指数（SR）、香农-威纳指数（H’）、食细菌线虫相对丰度（FF）、自由生活线虫成熟指数（MI）、瓦斯乐卡指数（WI）正相关，与食真菌线虫相对丰度（BF）、植物寄生线虫成熟指数（PPI）、线虫通道指数（NCR）负相关；PeBDE 含量与植物寄生线虫相对丰度（pp）、植物寄生线虫成熟度指数（PPI）、辛普森指数（D）呈正相关，与食细菌线虫相对丰度（FF）、食真菌线虫相对丰度（BF）、线虫通道指数（NCR）以及香农-威纳指数（H’）、丰富度指数（SR）均呈负相关；OcBDE 对线虫群落各生物指标影响较小，与植物寄生线虫相对丰度（pp）、植物寄生线虫成熟度指数（PPI）、线虫通道指数（NCR）呈正相关，与其他生物指数均呈负相关.此外DeBDE 与线虫通道指数（NCR）表现出极强的负相关；PeBDE、OcBDE 与BF、FF、OP 三个营养类群以及自由生活线虫成熟指数（MI）、瓦斯乐卡指数（WI）表现出极强负相关.DeBDE和辛普森指数（D）、OcBDE 与植物寄生线虫相对丰度（pp）表现出较强的正相关性.本研究中线虫通道指数（NCR）能更很好地显示DeBDE 和PeBDE 含量对线虫群落结构的抑制作用.

3 讨论

研究区域的各样地土壤均不同程度地受到PBDEs 污染，主要成分为DeBDE；污染区实验组样本PeBDE、OcBDE 均值显著高于对照组；相关性分析表明，各样地多溴联苯醚污染来源具有同源性.共检出土壤线虫21 属，均以植物寄生线虫为主，常见的有丝尾垫刃属、潜根属、螺旋属、小环属；受到污染的样地中多以耐污中等的c-p2、c-p3 类群线虫为主，线虫类群数量较少，且高敏感c-p 营养类型消失；自由生活线虫的MI 低，植物生活线虫指数PPI 偏高，NCR 低于0.5，多样性指数以及生物结构指数均极低，土壤食物网以食真菌通道为主，土壤成熟度值低；表征土壤健康的瓦斯乐卡指数（WI）普遍低于评价的一般值1.0，表明当地土壤生态系统受到干扰，这不利于PBDEs 污染物的分解及土壤健康修复.Canoco 冗余分析表明，PBDEs 中对土壤线虫影响最大的是十溴（DeBDE）和五溴联苯醚（PeBDE），其中PeBDE 对食真菌线虫相对丰度（BF）、食细菌线虫相对丰度（FF）表现出较强负相关，DeBDE 对植物寄生线虫成熟度指数（PPI）负相关，但不显著；辛普森指数（D）、Margalef 丰富度指数（SR）尽管与DeBDE 含量呈现较好的正相关，但PeBDE 却与SR 和香农-威纳指数多样性指数（H’）负相关，表明PeBDE 与DeBDE对线虫的影响不同，这可能是不同的生物毒性造成的.线虫通道指数（NCR）与PeBDE、DeBDE 均表现为显著负相关，可作为线虫群落指示PBDEs 污染的生物指标.

4 结论

综上所述，本研究区域均不同程度受到PBDEs 污染，其中以DeBDE 为主，PeBDE、OcBDE 与DeBDE显著相关（p＜0.01）.受到PBDEs 污染的土壤，线虫数量显著受到抑制（p＜0.01），线虫营养类群少，主要为c-p2、c-p3，植物寄生线虫为优势种属；土壤线虫的成熟度指数、多样性指数及生物结构指数均表明土壤生态系统受到干扰，土壤健康状态不佳.冗余分析表明，DeBDE、PeBDE 对土壤线虫群落结构影响最大，线虫结构指数和成熟度指数可以作为PBDEs 污染土壤的重要指示生物，在评价土壤健康状况及土壤修复时应多关注线虫群落结构的多样性变化.