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重金属对土壤微生物和酶活性的影响

发布时间:2018-07-12 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:2572

(一)对微生物的影响

土壤微生物量(MB)指土壤中体积小于5×103 um3的生物总量,但活的植物如根系等不包括在内,它是活的土壤有机质部分。一般先测得土壤微生物碳,然后根据微生物体干物质的含碳量(通常为47%)换算为微生物量,或直接用微生物碳来表示(何振立1997)。在未污染的土壤中,土壤微生物量与土壤有机碳含量之间往往有很密切的正相关关系,但若遭受重金属(如Zn、Cu等)污染,则这种关系不复存在或很差。遭受重金属污染后,可引起土壤呼吸量成倍增加,但用熏蒸-提取法测定的土壤微生物量则反而显著下降。重金属污染引起的土壤微生物呼吸量的增加被认为是微生物对逆境的一种反应机制。研究表明,当葡萄糖和玉米秸秆加到污染土壤后,发现CO2的释放速率为正常土壤的1.5倍,但土壤微生物碳和微生物氮都只有正常土壤的60%。可见重金属污染降低了有机物质的微生物转化效率,说明微生物在逆境条件下维持其正常生命活动需要消耗更多的能量。同位素14C标记底物的试验结果表明,CO2释放总量/微生物碳和14CO2释放量/14C-微生物碳的比值在重金属污染土壤中均比正常土壤高,从而验证了重金属污染可降低土壤微生物对能源碳利用效率的推断。欧洲几个国家经长期定位研究提出了对土壤微生物发生不良影响时几种重金属在土壤中的临界浓度(表5-9)。从表5-9可知在不同国家的试验得出的临界浓度差异较大,可能与土壤性质及气候条件不同有关。

表5-9 土壤微生物量降低60%时土壤几种重金属的临界浓度(mg/kg)

重金属污染的土壤,往往富集多种耐重金属的真菌和细菌。一方面微生物可通过多种方式影响重金属的活动性,使重金属在其活动相和非活动相之间转化,从而影响重金属的生物有效性。另一方面微生物能吸附和转化重金属及其化合物,但当土壤中重金属的浓度增加到一定限度时,就会抑制微生物的生长代谢作用、甚至导致微生物死亡。

重金属超过一定浓度对土壤微生物的活性和数量均有明显的影响。长期定位试验表明,当土壤中某些重金属浓度(mg/kg)分别为:Zn 114、Cd 2.9、Cu 33、Ni 17、Pb 40和Cr 80时,可使蓝绿藻固氮活性降低50%,其数量亦有明显的降低。重金属抑制共生固氮作用,从而也降低豆科作物的产量。

土壤重金属复合污染对微生物总量和区系结构有明显的影响,当土壤中As、Cd、Cr、Cu、Pb和Ni等重金属总量达到659 mg/kg时土壤微生物生物量仅为对照(总量为121.0 mg/kg)的32%,细菌和真菌生物量分别较对照下降29%和45%;当总量达到3447 mg/kg时,分别下降了81%和85%(俞慎等 2003)。

(二)重金属对土壤酶活性的影响

土壤酶与土壤微生物密切相关,土壤中许多酶由微生物分泌,并且和微生物一起参与土壤中物质和能量的循环。土壤中酶的种类很多,常见的有脲酶磷酸酶、多酚氧化酶、水解酶和磷酸单酯酶等,土壤中酶的活性可作为判断土壤生化过程的强度及评价土壤肥力的指标,也有用土壤酶活性作为确定土壤中重金属和其他有毒元素最大允许浓度的重要判据,特别是近年来把土壤酶活性作为衡量土壤质量变化的重要指标越来越受到重视。

研究表明,重金属胁迫会影响土壤酶活性(俞慎等 2003)。对土壤中3种酶的研究发现,与土壤碳循环有关的酶受到的胁迫较小,与土壤氮、磷和硫等循环有关的酶受重金属胁迫作用显著。在重金属复合污染的情况下(Zn、Cu、Ni、V和Cd分别为300、100、50、50和3 mg/kg)芳基硫酸酯酶碱性磷酸酶脱氢酶分别只有对照的56%~80%,46%~64%和54%~69%。Cu对土壤β-半乳糖苷酶和脱氢酶的EC50值(指使生物数量或活性下降50%的重金属的浓度)分别为78.4和24.8 mg/kg。重金属对土壤酶的抑制有两方面的原因,首先是重金属进入土壤对酶产生直接作用,使得酶的活性基因、酶的空间结构等受到破坏,单位土壤中酶的活性下降;其次是重金属通过抑制微生物的生长、繁殖,减少微生物体内酶的合成和分泌,最终使单位土壤中酶的活性降低。同一重金属元素对不同土壤酶的抑制作用不同,不同重金属对同一种土壤酶活性的影响也不一样。然而,重金属对土壤酶活性的抑制作用是一种暂时现象。由于脲酶活性恢复得较少较慢,所以脲酶活性有可能作为土壤重金属累积或污染程度的一种生化指标。

对土壤重金属污染的微生物指标的研究在20世纪90年代后逐渐展开,但已报道的研究已包括多种土壤微生物指标(俞慎等 2003):然而,土壤中可利用现有手段和技术通过平板培养分离的微生物数量不到总量的1%~5%,人们至今对土壤微生物的重金属胁迫机制了解不多,并且难以用实验室的结果来预测田间的重金属胁迫程度,甚至有很多矛盾的实验结果无法解释,从而导致许多表征指标不稳定,不可重复,而无法作为有效的微生物指标。更为重要的是无法确定污染土壤的对照,也为重金属污染土壤的微生物表征指标的确定带来了困难。土壤污染微生物指标的选择标准,必须可以在不同的土壤类型、不同的条件下得以精确地测定;必须简单而经济,适合大批量样品的测定;必须是土壤的特征参数,其对照或背景值可以测定;必须灵敏、可靠,以免误判;必须具有科学的定义和清楚的含义;可能是由两三个指标组成指标体系,但无污染的原始环境(背景)或对照必须可知、可测。

根据上述原则,土壤代谢熵(qCO2,一定时期土壤呼吸作用产生的CO2-C与土壤微生物生物量的比值)可能是较为合适的微生物指标之一。它实际上是单位数量的土壤微生物的呼吸强度。研究发现,土壤代谢熵在逆境条件下,其值是增加的,即单位数量的土壤微生物的呼吸强度增加,土壤微生物借此来提供自身能量抵抗逆境条件。因此,用土壤代谢嫡作为重金属污染的表征指标可以与其逆境因子作相应的比较,同时,它是一个无单位的比值,其他的因子对其无直接的影响。

相关链接:重金属的植物效应及其影响因素

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