孫福紅，周啟星，陳艷卿

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 2.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100012

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對二氯苯與Cd復(fù)合污染對毫米級根際微域土壤酶活性的聯(lián)合毒性效應(yīng)評價

孫福紅1，周啟星2，陳艷卿3*

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 2.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100012

通過多隔層根際箱培養(yǎng)試驗研究疏水性有機(jī)污染物對二氯苯(1,4-DCB)和重金屬Cd單一與復(fù)合污染對不同作物毫米級根際微域土壤脫氫酶和脲酶活性的毒性效應(yīng)，并利用聯(lián)合作用模型分析二者聯(lián)合毒性效應(yīng)的作用類型。結(jié)果表明：與對照組相比，1,4-DCB單一脅迫抑制大豆各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性，但能促進(jìn)脲酶活性；低濃度1,4-DCB抑制小麥根際微域土壤脫氫酶和脲酶活性，高濃度1,4-DCB則促進(jìn)近根際區(qū)域土壤脫氫酶和脲酶活性。低濃度Cd脅迫促進(jìn)大豆根際微域土壤脫氫酶活性，高濃度Cd則起抑制作用；脲酶活性則隨Cd濃度增加而顯著增加，均高于對照組；Cd抑制小麥各毫米級根際微域土壤脫氫酶和脲酶活性。隨根際距離增加，大豆近根際區(qū)域(1 mm)土壤脲酶活性受到誘導(dǎo)，而小麥中央?yún)^(qū)域和1、2 mm近根際區(qū)域土壤脫氫酶活性被顯著抑制。二者復(fù)合污染對植物毫米級根際微域土壤酶活性的聯(lián)合毒性效應(yīng)與其濃度組合、植物種類、根際距離以及酶類型有關(guān)。

對二氯苯；復(fù)合污染；脲酶；脫氫酶；聯(lián)合毒性效應(yīng)

根際是植物生長和分泌過程中形成的物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)不同于土體的復(fù)雜微型生態(tài)系統(tǒng)。目前國際上關(guān)于根際環(huán)境的界面過程以及毒理學(xué)研究已成為土壤學(xué)和植物修復(fù)的熱點[1]。由于植物根系及根系分泌作用的存在，致使根際環(huán)境形成了在pH、養(yǎng)分狀況、微生物組成及酶活性等方面的特殊生境[2]，根際對外界環(huán)境的氧化脅迫反應(yīng)敏感[1-2]。與非根際土壤相比，根際土壤中微生物活性通常會高出5～20倍，從而影響根際微域土壤酶的活性[3]。已證實植物根際效應(yīng)對外源污染物在土壤中的降解和毒性作用機(jī)制具有很大的影響和調(diào)節(jié)作用[4-6]。呂笑非[2]研究發(fā)現(xiàn)：植物根際的存在提高了土壤的總水溶性有機(jī)碳含量，增加了土壤微生物碳含量；在苯并(a)芘的污染脅迫下，根際效應(yīng)的存在促進(jìn)了土壤多酚氧化酶、脫氫酶的活性，并促進(jìn)了PAHs在土壤中的降解能力。

環(huán)境污染問題實際上是多種污染物共存引起的復(fù)合污染，一種污染物的環(huán)境行為和生態(tài)毒性效應(yīng)往往受到共存污染物的影響，因此闡明污染物的環(huán)境行為，解釋其生態(tài)毒性發(fā)生機(jī)制，應(yīng)考慮2種或2種以上污染物共存的復(fù)合污染體系[7-8]。目前，已有不少研究報道了單一污染物(如五氯酚、多氯聯(lián)苯、芘、磺胺嘧啶)在毫米級根際微域中的降解行為[9-12]，重金屬在根際微域中的形態(tài)轉(zhuǎn)化及生物有效性變化[13]等，而對根際微域環(huán)境中復(fù)合污染生態(tài)毒性效應(yīng)的報道相對較少[14]。因此，有必要對根際微域環(huán)境中有機(jī)污染物和重金屬復(fù)合污染生態(tài)毒性效應(yīng)開展系統(tǒng)的科學(xué)研究。

典型疏水性有機(jī)污染物對二氯苯(1,4-DCB)主要用作防蛀劑、除臭劑、殺蟲劑和殺菌劑，亦常用作土壤消毒劑和熏蒸劑。1,4-DCB已被列入美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)優(yōu)先監(jiān)測污染物和我國水體優(yōu)先控制污染物黑名單，被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)確定為可能的人類致癌物。1,4-DCB具有很強(qiáng)的揮發(fā)性，在空氣中不會發(fā)生直接的光降解反應(yīng)，會隨大氣干濕沉降作用落到土壤表層，造成土壤污染。1,4-DCB具有較高的脂溶性和難降解性，能夠在環(huán)境中長期存在并具有生物富集作用。因此，1,4-DCB會對土壤微生物和植物產(chǎn)生較大毒害作用，甚至威脅人體健康。Cd是土壤環(huán)境中普遍存在的重金屬污染物，1,4-DCB和Cd在環(huán)境中均具有持久性和難降解性，二者在土壤中的共存會對人體健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生潛在的長期危害。而目前關(guān)于二者復(fù)合污染對植物根際微域土壤酶活性聯(lián)合毒性效應(yīng)評價的研究還很缺乏。

土壤酶是土壤環(huán)境中最活躍的有機(jī)成分之一，其驅(qū)動土壤的代謝過程，催化土壤微生物的活性，對土壤圈中養(yǎng)分元素的循環(huán)和污染物的凈化起著重要作用。其活性高低可反映土壤營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化、能量代謝和污染物降解等能力的強(qiáng)弱[15-16]。筆者以土壤脫氫酶和脲酶活性為評價指標(biāo)，通過多隔層根際箱室內(nèi)培養(yǎng)試驗，利用污染物聯(lián)合作用模型，研究1,4-DCB與Cd對不同植物各毫米級根際微域土壤酶活性的聯(lián)合毒性效應(yīng)及其作用類型，考察二者對植物根際微域土壤酶活性的毒性效應(yīng)隨根際距離遠(yuǎn)近梯度變化的響應(yīng)趨勢，以期為土壤環(huán)境質(zhì)量評價、生態(tài)風(fēng)險評價和污染治理工作提供試驗依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1,4-DCB〔東京化成工業(yè)株式會社(TCI)生產(chǎn)〕，色譜純(GC)級別，純度為99%。供試棕壤采自中國科學(xué)院沈陽生態(tài)實驗站未被污染的地塊。生態(tài)實驗站地處下遼河平原，屬于暖溫帶半濕潤大陸性氣候，年均氣溫7～8 ℃，降水量為650～700 mm，無霜期147～164 d。采集0～20 cm的表層土壤，去除植物殘體及礫石，室溫下自然風(fēng)干，充分混勻后，過2 mm篩備用。在研磨和保存過程中應(yīng)防止樣品受到污染。供試植物大豆和小麥均為東北地區(qū)主栽作物，品種分別為鐵豐30號和遼春10號。

1.2 試驗方法

室內(nèi)模擬試驗采用根際箱培養(yǎng)方法。根際箱的設(shè)計參照Naoki等[17]方法進(jìn)行。根際箱材料為不透明的PVC板，長、寬、高均為10 cm，壁厚約4 mm，內(nèi)部由相同規(guī)格的隔板將植物根際土壤按照距離根系遠(yuǎn)近分隔成中央?yún)^(qū)域(10 mm)、兩側(cè)的近根系區(qū)域(1～5 mm)和遠(yuǎn)根系區(qū)域(>5 mm)。中央?yún)^(qū)域為植物根系生長區(qū)，裝80.0 g土壤(以干質(zhì)量計)，以此為中心，分別在左右兩側(cè)(近根系區(qū)域)每隔1 mm用隔板分層，共分5層，以此將植物根系限制在中央?yún)^(qū)域生長，每層裝土5.0 g。5層以外區(qū)域視為遠(yuǎn)根際土壤，裝土340.0 g。隔板由有機(jī)玻璃框支撐的400目尼龍網(wǎng)做成，框的厚度為0.8 mm。這種設(shè)計在充分避免根系組織生長進(jìn)入相鄰兩側(cè)近根系區(qū)域，實現(xiàn)各土層間彼此物理分離的同時，又確保土壤微生物及根系分泌物等的層間遷移活動。收獲時，可觀察到兩側(cè)的近根系區(qū)域并無根須組織穿過。

于培養(yǎng)皿內(nèi)將作物種子培養(yǎng)發(fā)芽，挑選長勢良好、大小一致的芽移入根際箱，將根際箱放入溫室中，保持土壤含水量在20%左右，間歇光照條件(光照12 h，黑暗12 h)下培養(yǎng)1周后，開始間苗，每盒中央?yún)^(qū)域等距離保留3株大豆幼苗和5株小麥幼苗。隨后向各根際箱土壤中添加不同濃度的污染物，污染物濃度選擇參考GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，每種濃度重復(fù)2次。大豆試驗中，Cd濃度為0，1.0和10.0 mgkg，1,4-DCB濃度為0，4.0和40.0 mgkg，復(fù)合污染為10.0 mgkg Cd與4.0和40.0 mgkg 1,4-DCB組合。小麥試驗中，Cd濃度為0，1.0和10.0 mgkg，1,4-DCB濃度為0，0.4，4.0和40.0 mgkg，復(fù)合污染為10.0 mgkg Cd與0.4和40.0 mgkg 1,4-DCB組合。按上述步驟培養(yǎng)30 d后開箱，逐一取出各層隔板，測定土壤脫氫酶、脲酶活性，每種濃度重復(fù)3次。

1.3 分析方法

土壤脫氫酶活性采用2,3,5-三苯基四唑氯化物顯色法(TTC法)測定[18]；土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定[18]。

1.4 聯(lián)合毒性效應(yīng)分析

通常根據(jù)污染物的性質(zhì)、作用靶位點的不同而選擇不同的模型來評價聯(lián)合作用類型。本研究采用Bliss Independence Model[19-22]來評價1,4-DCB與Cd對土壤酶活性的聯(lián)合毒性作用類型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

(2)

pA+B=pA+pB-pA·pB

(3)

式中：pA為污染物A對酶活性的影響；pB為污染物B對酶活性的影響；pA+B為污染物A與B聯(lián)合作用對酶活性影響的預(yù)測值。

Bliss Independence Model零假設(shè)為：復(fù)合污染對土壤酶活性影響的觀測值與通過式(3)得到的理論預(yù)測值相等，即差異不顯著，則為加合作用。如果理論預(yù)測值顯著(P<0.05)高于觀測值，則為協(xié)同作用；反之，則為拮抗作用。采用Excel和SPSS 13.0對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計算、方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合污染對大豆和小麥毫米級根際微域土壤脫氫酶活性的毒性效應(yīng)

1,4-DCB與Cd復(fù)合污染脅迫作用下，大豆和小麥各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性變化如圖1所示。

圖1 1,4-DCB與Cd濃度對大豆和小麥各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性的影響Fig.1 Effects of 1,4-DCB and Cd on the activity of dehydrogenase in the millimeter rhizosphere of soybean and wheat

從圖1(a)可以看出，對照組(CK)和1,4-DCB單一濃度處理(4.0和40.0 mgkg)下，大豆根際脫氫酶活性變化趨勢基本一致，即中央?yún)^(qū)域脫氫酶活性最高，顯著高于近根際區(qū)域和>5 mm的遠(yuǎn)根際區(qū)域，而近和遠(yuǎn)根際區(qū)域脫氫酶活性基本一致，變化不大，比中央?yún)^(qū)域酶活性低34.1%～61.2%。40.0 mgkg 1,4-DCB脅迫下，大豆各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性普遍略微高于4.0 mgkg處理組，說明高濃度的1,4-DCB能夠促進(jìn)根際土壤微生物的活性，緩解對脫氫酶的抑制作用。在1.0 mgkg Cd脅迫作用下，脫氫酶活性在1 mm的近根際區(qū)域達(dá)到最高，4和3 mm次之，均顯著高于中央?yún)^(qū)域，遠(yuǎn)根際區(qū)域土壤與中央?yún)^(qū)域保持一致。除中央?yún)^(qū)域外，1.0 mgkg Cd處理下大豆根際區(qū)域土壤脫氫酶活性均高于對照組。在10.0 mgkg Cd脅迫作用下，近根際區(qū)域土壤脫氫酶活性均低于中央?yún)^(qū)域和對應(yīng)的對照組各區(qū)域，但遠(yuǎn)根際區(qū)域脫氫酶活性要高于對照組。總的來說，在Cd單一脅迫下，低濃度Cd促進(jìn)了各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性，而高濃度Cd則起抑制作用。低濃度1,4-DCB(4.0 mgkg)與Cd的聯(lián)合作用使大豆各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性受到抑制，低于對照組和對應(yīng)的單一處理；而在高濃度1,4-DCB(40.0 mgkg)與Cd聯(lián)合脅迫下，脫氫酶的活性受到顯著誘導(dǎo)，各毫米級微域土壤脫氫酶活性顯著高于對照組和對應(yīng)單一處理。表明高濃度的1,4-DCB能夠促進(jìn)大豆毫米級根際微域土壤脫氫酶的活性。

從圖1(b)可以看出，對于小麥各毫米級根際微域土壤來說，對照組脫氫酶活性的變化趨勢為中央?yún)^(qū)域>1 mm>2 mm>4 mm>5 mm≈遠(yuǎn)根際區(qū)域。在0.4和4.0 mgkg 1,4-DCB單一處理下，各根際區(qū)域土壤脫氫酶的活性普遍低于對照組，而在高濃度(40.0 mgkg) 1,4-DCB脅迫下，除中央?yún)^(qū)域外，近和遠(yuǎn)根際區(qū)域脫氫酶的活性均受到促進(jìn)，顯著高于對照組。就近根際區(qū)域而言，40.0 mgkg 1,4-DCB單一脅迫下，脫氫酶活性顯著高于2個低濃度處理組，這與大豆近根際土壤脫氫酶活性的情況一致。在Cd單一脅迫中，脫氫酶活性普遍表現(xiàn)為中央?yún)^(qū)域最高，各毫米級根際微域土壤的脫氫酶活性普遍低于對照組，表明Cd抑制了小麥根際土壤脫氫酶活性。在1,4-DCB與Cd聯(lián)合脅迫作用下，中央?yún)^(qū)域和1、2 mm近根際區(qū)域土壤脫氫酶活性受到抑制，低于對照組，而其他區(qū)域脫氫酶活性均高于對照組。0.4 mgkg 1,4-DCB與Cd的聯(lián)合脅迫導(dǎo)致各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性均高于1,4-DCB單一污染，并且其在中央?yún)^(qū)域的活性低于Cd單一污染，而在近和遠(yuǎn)根際區(qū)域則高于Cd。40.0 mgkg 1,4-DCB與Cd復(fù)合污染導(dǎo)致中央?yún)^(qū)域和1 mm根際區(qū)域中脫氫酶活性低于Cd單一污染，其他區(qū)域則高于Cd單一污染，同時導(dǎo)致中央?yún)^(qū)域和1、2 mm微域低于1,4-DCB單一污染，其他區(qū)域則高于1,4-DCB單一污染。

2.2 復(fù)合污染對大豆和小麥毫米級根際微域土壤脲酶活性的毒性效應(yīng)

1,4-DCB和Cd單一與復(fù)合污染對大豆和小麥各毫米級根際微域土壤脲酶活性的毒性效應(yīng)如圖2所示。

圖2 1,4-DCB與Cd濃度對大豆和小麥各毫米級根際微域土壤脲酶活性的影響Fig.2 Effects of 1,4-DCB and Cd on the activity of urease in the millimeter rhizosphere of soybean and wheat

由圖2(a)可見，對照組大豆各毫米級根際微域土壤脲酶活性雖有所波動，但變化幅度較小，基本保持一致，不存在隨根際不同間距產(chǎn)生梯度變化的趨勢。4.0和40.0 mgkg 1,4-DCB單一處理均使脲酶活性高于對照組，高濃度1,4-DCB對脲酶的促進(jìn)作用要高于低濃度，脲酶活性在1 mm近根際區(qū)域達(dá)到最高值，然后隨根系距離的增大而降低，在遠(yuǎn)根際區(qū)域達(dá)最低值。在Cd單一脅迫下，大豆各毫米級根際微域脲酶活性隨Cd濃度的增加而顯著增加，均高于對照組，表明Cd的存在促進(jìn)了大豆各毫米級根際微域土壤脲酶活性。在1.0 mgkg Cd濃度下，脲酶活性變化趨勢為2和4 mm>1和3 mm>中央?yún)^(qū)域?遠(yuǎn)根際區(qū)域；在10.0 mgkg Cd濃度下，脲酶活性變化趨勢為3 mm>2 mm>4和5 mm>1 mm>中央?yún)^(qū)域和遠(yuǎn)根際區(qū)域。這表明Cd污染作用下大豆近根際區(qū)域脲酶活性受到激發(fā)。在1,4-DCB與Cd復(fù)合污染條件下，與對照組相比，中央和近根際區(qū)域土壤脲酶活性受到較大的促進(jìn)作用，其中1 mm近根區(qū)域脲酶活性最高。與對應(yīng)的Cd單一污染相比，復(fù)合污染條件下大豆各級根際微域土壤脲酶活性變化不大。4.0 mgkg 1,4-DCB與Cd共同脅迫下，各級根際微域土壤脲酶活性要高于對應(yīng)的1,4-DCB單一污染，而40.0 mgkg 1,4-DCB與Cd聯(lián)合脅迫下，其各級根際微域土壤脲酶活性低于對應(yīng)的1,4-DCB單一污染。綜上，1,4-DCB和Cd單一與聯(lián)合脅迫均導(dǎo)致大豆近根際區(qū)域(特別是1 mm)土壤脲酶活性得到激發(fā)，其變化較其他區(qū)域顯著。

由圖2(b)可以看出，對照組脲酶活性在小麥根系不同間距范圍內(nèi)變化較小?？偟膩碚f，與對照組相比，1,4-DCB單一脅迫下小麥各級根際微域土壤脲酶活性均受到抑制，這與大豆根際微域土壤脲酶活性的變化趨勢〔圖2(a)〕相反，其中0.4 mgkg 1,4-DCB單一脅迫對各級根際微域土壤脲酶活性產(chǎn)生抑制作用，其活性在中央?yún)^(qū)域稍低于對照組，在近根際1 mm區(qū)域先是下降達(dá)最低值，隨后在2～5 mm區(qū)域開始升高，遠(yuǎn)根際區(qū)域又降低。隨著1,4-DCB濃度的增加，各級根際微域土壤脲酶活性也增加，但都低于對照組，這與小麥根際微域土壤脫氫酶的變化基本一致。在Cd單一處理下，與對照組相比，各級微域土壤脲酶活性普遍受到抑制，其中1.0 mgkg Cd對脲酶活性的抑制作用高于10.0 mgkg Cd，這與小麥根際微域脫氫酶活性的變化一致，表明高濃度Cd的存在減緩了其對土壤脲酶和脫氫酶活性的抑制作用，這可能是由于高濃度Cd的脅迫作用刺激了小麥根系分泌物的活性，從而誘導(dǎo)了根際土壤微生物的活性，使酶活性升高，這是一種應(yīng)對長期脅迫的適應(yīng)機(jī)制[1]。這與前人的研究結(jié)果不一致，有研究報道重金屬Cu、Pb和Zn均能在一定程度上抑制土壤脫氫酶、脲酶和酸性磷酸酶的活性[23]，這主要是由于試驗條件的差異導(dǎo)致的，本研究是針對重金屬氧化脅迫下植物根際微域的土壤酶活性變化開展的，而前人關(guān)于土壤酶活性報道中沒有種植植物，是純土壤培養(yǎng)條件下得到的試驗結(jié)果[23]。在1,4-DCB和Cd聯(lián)合脅迫作用下，各級根際微域土壤脲酶活性均顯著低于對照組和對應(yīng)的1,4-DCB與Cd單一污染，且各級微域間脲酶活性變化差異不顯著。

2.3 復(fù)合污染對毫米級根際微域土壤酶活性的聯(lián)合毒性效應(yīng)評價

環(huán)境中經(jīng)常同時出現(xiàn)2種或2種以上的污染物，這些物質(zhì)會對機(jī)體產(chǎn)生綜合毒性效應(yīng)，稱為污染物的聯(lián)合作用，聯(lián)合作用有協(xié)同作用、拮抗作用、加和作用和獨立作用等幾種類型[16]。Bliss Independence Model能夠準(zhǔn)確預(yù)測不同作用靶位點的污染物間的聯(lián)合作用，已被應(yīng)用于預(yù)測重金屬Cd、Cu和Pb對土壤酶活性的聯(lián)合毒性效應(yīng)以及不同化學(xué)品對藻類的聯(lián)合毒性效應(yīng)[24-25]。表1為1,4-DCB與Cd復(fù)合污染對不同作物毫米級根際微域土壤脫氫酶和脲酶活性的聯(lián)合毒性效應(yīng)評估。從表1可以看出，4.0和40.0 mgkg 1,4-DCB與Cd復(fù)合污染對大豆脫氫酶活性的聯(lián)合作用主要表現(xiàn)為協(xié)同和加和作用；0.4和40.0 mgkg 1,4-DCB與Cd復(fù)合污染對小麥脫氫酶活性的聯(lián)合作用類型比較復(fù)雜，有協(xié)同、拮抗和加和作用，取決于不同的濃度組合和根際距離。4.0和40.0 mgkg 1,4-DCB與Cd復(fù)合污染對大豆脲酶活性的聯(lián)合作用主要表現(xiàn)為拮抗作用；而0.4和40.0 mgkg 1,4-DCB與Cd復(fù)合污染對小麥土壤脲酶活性的聯(lián)合作用主要表現(xiàn)為加和和協(xié)同作用。研究發(fā)現(xiàn)：1,4-DCB與Cd復(fù)合污染對毫米級根際微域土壤脫氫酶和脲酶活性影響的聯(lián)合作用類型比較復(fù)雜，表現(xiàn)不一致，與根際距離、濃度組合、作物種類等有關(guān)，這與許多研究[26-27]結(jié)論一致。Sharma等[21]認(rèn)為重金屬復(fù)合污染對賽葵根長的聯(lián)合毒性表現(xiàn)為與濃度有關(guān)的拮抗作用、非加合作用和協(xié)同作用。

表1 1,4-DCB與Cd復(fù)合污染對毫米級根際微域土壤脫氫酶和脲酶活性的聯(lián)合毒性效應(yīng)評估

注：ANT為拮抗作用(antagonism)；SYN為協(xié)同作用(synergism)；ADD為加合作用(addition)。

研究表明：不同濃度水平1,4-DCB的存在均抑制了大豆各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性，相反卻促進(jìn)了脲酶活性。低濃度Cd單一脅迫激發(fā)了大豆各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性，而高濃度Cd則起顯著抑制作用，大豆各毫米級根際微域土壤脲酶活性則隨Cd濃度的增加而顯著增加。王金花等[28]研究也表明：高濃度阿特拉津處理后，土壤脲酶活性明顯受到抑制，而低濃度阿特拉津污染土壤脲酶活性受到一定的刺激而升高。本研究中低濃度1,4-DCB與Cd聯(lián)合脅迫使大豆各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性受到抑制，活性低于對照組和對應(yīng)的單一處理；而在高濃度1,4-DCB與Cd的聯(lián)合脅迫下，脫氫酶活性受到顯著誘導(dǎo)，各毫米級微域土壤脫氫酶活性顯著高于對照組和對應(yīng)的單一處理。1,4-DCB和Cd單一與聯(lián)合脅迫均導(dǎo)致大豆近根際區(qū)域土壤(特別是1 mm)脲酶活性得到激發(fā)，其變化較其他區(qū)域顯著。對于小麥來說，低濃度1,4-DCB單一脅迫導(dǎo)致小麥各毫米級根際微域土壤脫氫酶和脲酶活性受到抑制，高濃度1,4-DCB則使近和遠(yuǎn)根際區(qū)域脫氫酶和脲酶活性得到促進(jìn)；Cd單一脅迫下，小麥各毫米級根際微域土壤脫氫酶和脲酶活性均低于對照組，受到抑制。根系存在下，土壤本身的各種特性，包括土壤理化性狀、土著微生物組成及多樣性等均發(fā)生明顯的變化，在污染物脅迫作用下，植物的活根能夠通過分泌胞外酶刺激根際周圍土壤微生物的活性而影響土壤酶活性[29]，表現(xiàn)出不同于非根系的土壤微生物活性以及酶活性[1]。本研究中，在1,4-DCB和Cd單一與復(fù)合污染脅迫作用下，大豆和小麥的毫米級根際微域土壤脫氫酶和脲酶活性變化趨勢不一致，這可能是由于不同作物根系對1,4-DCB和Cd氧化脅迫具有不同的耐受特性和響應(yīng)機(jī)制，前人的研究[30-31]也得到了相似的結(jié)果。戴建軍等通過盆栽試驗研究發(fā)現(xiàn)：大豆和玉米根際的土壤脲酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性以及微生物量碳、氮具有很大差別，主要受種植方式和植物類型的影響[30]。在放射性核素U對反枝莧、鬼針草、印度芥菜的根際土壤酶活性影響的研究中發(fā)現(xiàn)：同一處理濃度的氧化脅迫作用對3種不同植物根際土壤脲酶、脫氫酶和蔗糖酶活性的毒性影響差異較大，不同作物影響下不同的土壤酶活性變化趨勢不同[31]。不同植物根際微域土壤的微生物活性、數(shù)量以及多樣性各有不同，因此，不同種類植物根際微生物系統(tǒng)對污染脅迫具有不同的調(diào)節(jié)和應(yīng)對機(jī)制，進(jìn)而影響土壤酶活性的變化。

在本試驗中，1,4-DCB和Cd單一與聯(lián)合脅迫導(dǎo)致大豆根際中央?yún)^(qū)域的脫氫酶活性顯著高于近根際和遠(yuǎn)根際土壤，而近根際區(qū)域土壤(特別是1 mm)脲酶活性得到激發(fā)，其變化較其他區(qū)域顯著。小麥根際在聯(lián)合脅迫下，中央?yún)^(qū)域和1 mm近根際微域土壤脫氫酶活性受抑制，隨著與中央?yún)^(qū)域距離的增加，脫氫酶活性也增加，而脲酶活性在小麥根際各毫米級微域間差異不顯著。綜上，1,4-DCB和Cd對大豆和小麥不同距離的毫米級根際微域土壤酶活性影響不一致，并不是簡單的隨距離增加呈遞減效應(yīng)。大量的研究表明，土壤酶能夠?qū)ν寥牢廴咀龀鲮`敏的反應(yīng)，可以表征土壤退化的程度。然而，復(fù)合污染條件下，污染物對土壤酶活性的影響取決于許多環(huán)境因子，包括外源污染物的性質(zhì)和濃度組合、作用時間以及酶種類、作物和土壤類型等，結(jié)果可能是正效應(yīng)，也可能是負(fù)效應(yīng)。因而，關(guān)于有機(jī)-無機(jī)污染物結(jié)合對土壤酶活性的影響以及應(yīng)用土壤酶活性變化對其環(huán)境效應(yīng)的定量化表征方法還有待進(jìn)一步深入探索。

3 結(jié)論

(1)不同濃度水平1,4-DCB單一脅迫均抑制了大豆各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性，相反卻促進(jìn)脲酶活性。低濃度1,4-DCB導(dǎo)致小麥各毫米級根際微域土壤脫氫酶和脲酶活性受到抑制，高濃度則使近和遠(yuǎn)根際區(qū)域脫氫酶和脲酶活性得到促進(jìn)。

(2)低濃度Cd脅迫促進(jìn)大豆各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性，高濃度Cd則起抑制作用；脲酶活性則隨Cd濃度的增加而顯著增加，均高于對照組。小麥各毫米級根際微域土壤脫氫酶和脲酶活性均受到抑制。

(3) 低濃度1,4-DCB與Cd聯(lián)合脅迫使大豆各毫米級根際微域土壤脫氫酶活性受抑制，低于對照組和單一處理；而高濃度的情況則相反。二者聯(lián)合脅迫導(dǎo)致大豆近根際區(qū)域(特別是1 mm)土壤脲酶活性得到激發(fā)，其變化較其他區(qū)域顯著。小麥中央?yún)^(qū)域和1、2 mm近根際區(qū)域土壤脫氫酶活性受到抑制；而各級根際微域土壤脲酶活性變化不顯著。1,4-DCB和Cd對大豆和小麥不同距離的根際區(qū)域土壤酶活性影響不一致，并不是簡單的隨距離增加呈遞減效應(yīng)。

(4) 1,4-DCB與Cd復(fù)合污染對植物毫米級根際微域土壤酶活性的聯(lián)合毒性效應(yīng)不僅與其濃度組合有關(guān)，還與植物種類、根際距離以及酶的類型有關(guān)。

[1] 魏樹和,周啟星,張凱松,等.根際圈在污染土壤修復(fù)中的作用與機(jī)理分析[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(1):143-147.

WEI S H,ZHOU Q X,ZHANG K S,et al.Roles of rhizosphere in remediation of contaminated soils and its mechanisms[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2003,14(1):143-147.

[2] 呂笑非.PAHs污染土壤修復(fù)植物的篩選及其根際微生態(tài)特征研究[D].杭州:浙江大學(xué),2010.

[3] RAZAVI B S,ZAREBANADKOUKI M,BLAGODATSKAYA E,et al.Rhizosphere shape of lentil and maize:spatial distribution of enzyme activities[J].Soil Biology and Biochemistry,2016,96:229-237.

[4] HE Y,XU J,TANG C,et al.Facilitation of pentachlorophenol degradation in the rhizosphere of ryegrass (LoliumperenneL.)[J].Soil Biology and Biochemistry,2005,37(11):2017-2024.

[5] DASILVA M,KAMATH R,ALVAREZ P.Effect of simulated rhizodeposition on the relative abundance of polynuclear aromatic hydrocarbon catabolic genes in a contaminated soil[J].Environmental Toxicology and Chemistry,2006,25(2):386-391.

[6] DIEDHIOU S,DOSSA E,BADIANE A,et al.Decomposition and spatial microbial heterogeneity associated with native shrubs in soils of agroecosystems in semi-arid Senegal[J].Pedobiologia,2008,52(4):273-286.

[7] PAN J,YU L.Effects of Cd orand Pb on soil enzyme activities and microbial community structure[J].Ecological Engineering,2011,37(11):1889-1894.

[8] GAO Y,ZHOU P,LIANG M,et al.Assessment of effects of heavy metals combined pollution on soil enzyme activities and microbial community structure:modified ecological dose-response model and PCR-RAPD[J].Environmental Earth Sciences,2007,51(7):1221-1228.

[9] 何艷.五氯酚的土水界面行為及其在毫米級根際微域中的消減作用[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

[10] 丁娜.多氯聯(lián)苯在毫米級根際微域中的消減行為及生物響應(yīng)機(jī)制研究[D].杭州:浙江大學(xué),2012.

[11] 許超,夏北成.運用多隔層根箱研究玉米幼苗根際微域中芘的降解[J].土壤,2010,42(4):554-559.

XU C,XIA B C.Degradation of pyrene in rhizosphere of maize seedlings (ZeamaysL.) in a rhizobox[J].Soils,2010,42(4):554-559.

[12] 金彩霞,朱雯斐,郭樺,等.毫米級根際微域磺胺嘧啶的降解動態(tài)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,34(8):2085-2093.

JIN C X,ZHU W F,GUO H,et al.Degradation characteristics of sulfadiazine on the rhizospheric soils[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2014,34(8):2085-2093.

[13] 江婧.根際微域重金屬形態(tài)變化及其遷移轉(zhuǎn)化研究[D].南昌:南昌大學(xué),2012.

[14] SUBRAHUMNYAM G,SHEN J P,LIU Y R,et al.Effect of long-term industrial waste effluent pollution on soil enzyme activities and bacterial community composition[J].Environmental Monitoring and Assessment,2016,188(2):112.

[15] 張維平.土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2004.

[16] 王新,周啟星.土壤重金屬污染生態(tài)過程、效應(yīng)及修復(fù)[J].生態(tài)科學(xué),2004,23(3):278-281.

WANG X,ZHOU Q X.The ecological process,effect and remediation of heavy metals contaminated soil[J].Ecological Science,2004,23(3):278-281.

[17] NAOKI M,JUNTA Y,TAKASHI K.Effect of plant growth on the distribution and forms of soil nutrients in the rhizosphere[J].Soil Science and Plant Nutrition,2000,46(2):439-447.

[18] 關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1987.

[19] BLISS C I.The toxicity of poisons applied jointly[J].Annals of Applied Biology,1939,26(1):585-615.

[20] KUNGOLOS A,SAMARAS P,KIPPPOULOU A M,et al.Interactive toxic effects of agrochemicals on aquatic organisms[J].Water Science and Technology,1999,40(1):357-364.

[21] SHARMA S S,SCHAT H,VOOIJS R,et al.Combination toxicology of copper,zinc,and cadmium in binary mixtures:concentration-dependent antagonistic,nonadditive,and synergistic effects on root growth inSilenevulgaris[J].Environmental Toxicology and Chemistry,1999,18(2):348-355.

[22] RENELLA G,MENCH M,LANDI L,et al.Microbial activity and hydrolase synthesis in long-term Cd-contaminated soils[J].Soil Biology and Biochemistry,2005,37(1):133-139.

[23] 傅海霞,劉怡,董志英,等.抗生素與重金屬復(fù)合污染的生態(tài)毒理效應(yīng)研究進(jìn)展[J].環(huán)境工程,2016,34(4):60-63.

FU H X,LIU Y,DONG Z Y,et al.Progress in research on ecological toxicity of combined pollution of antibiotics and heavy metals[J].Environmental Engineering,2016,34(4):60-63.

[24] CHAPERON S,SAUVé S.Toxicity interaction of cadmium,copper,and lead on soil urease and dehydrogenase activity in relation to chemical speciation[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2008,70(1):1-9.

[25] FAUST M,ALTENBURGER R,BACKHAUS T,et al.Joint algal toxicity of 16 dissimilarly acting chemicals is predictable by the concept of independent action[J].Aquatic Toxicology,2003,63(1):43-63.

[26] CHIGBO C,BATTY L.Effect of combined pollution of chromium and benzo (a) pyrene on seed growth of Lolium perenne[J].Chemosphere,2013,90(2):164-169.

[27] SHEN G Q,LU Y T,ZHOU Q X,et al.Interaction of polycyclic aromatic hydrocarbons and heavy metals on soil enzyme[J].Chemosphere,2005,61(8):1175-1182.

[28] 王金花,朱魯生,王軍,等.除草劑阿特拉津?qū)ν寥离迕富钚缘挠绊慬J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(12):2281-2284.

WANG J H,ZHU L S,WANG J,et al.Effect of atrazine on urease activity in soils with different fertility[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2003,14(12):2281-2284.

[29] ANDERSON T,GUTHRIE E,WALTON B.Bioremediation in the rhizosphere[J].Environmental Science and Technology,1993,27(13):2630-2636.

[30] 戴建軍,宋朋慧,閆暮春,等.不同種植方式對苗期大豆、玉米根際土壤酶活性及微生物量碳、氮的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,44(2):17-22.

DAI J J,SONG P H,YAN M C,et al.Effect of different cropping patterns of soybean and maize seedlings on rhizosphere soil enzyme activities and microbial biomass carbon and nitrogen[J].Journal of Northeast Agricultural University,2013,44(2):17-22.

[31] 焦揚(yáng),羅學(xué)剛,唐永金,等.鈾對不同植物根際土壤酶活的影響[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2016,39(3):33-37.

JIAO Y,LUO X G,TANG Y J,et al.Effects of uranium on different plants rhizosphere soil enzyme activity[J].Environmental Science and Technology,2016,39(3):33-37. ?

Assessment on Joint Toxic Effects of Combined Pollution of 1,4-DCB and Cd on Enzyme Activities in Millimeter Rhizosphere

SUN Fuhong1, ZHOU Qixing2, CHEN Yanqing3

1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China 3.Environmental Standards Institute, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

The single and joint toxic effects of hydrophobic organic compounds 1,4-dichlorobenzene(1,4-DCB) and heavy metal Cd on the activities of urease and dehydrogenase in the millimeter rhizosphere were investigated through rhizobox culture experiments. The interactions modes between 1,4-DCB and Cd were further analyzed and assessed based on the mathematical models. The results showed that the occurrence of 1,4-DCB inhibited dehydrogenase activities, but enhanced urease activities in the millimeter rhizosphere of soybean, compared with the control. Single stress of lower concentrations of 1,4-DCB reduced the activities of dehydrogenase and urease in the millimeter rhizosphere of wheat, while higher levels of 1,4-DCB promoted the activities of dehydrogenase and urease in the near-millimeter rhizosphere of wheat. The single stress of lower concentrations of Cd promoted the activities of dehydrogenase while the stress of higher concentrations of Cd inhibited the activities of dehydrogenase in the millimeter rhizosphere of soybean. The activities of urease in the millimeter rhizosphere of soybean increased with the increasing concentration of Cd. The single treatments of Cd inhibited the activities of dehydrogenase and urease in the millimeter rhizosphere of wheat, compared with the control. The changes of the activities of dehydrogenase and urease in the millimeter rhizosphere with distances were complicated under the pollution of 1,4-DCB and Cd. Generally, the stress of 1,4-DCB and Cd resulted in the increases of urease activities in near-rhizosphere (1 mm) of soybean and the decreases of dehydrogenase activities in root compartment and near-rhizosphere (1 and 2 mm) of wheat. The interactive modes of 1,4-DCB and Cd on enzymes activities in the millimeter rhizosphere depended on their concentration combinations, crop species, distances of millimeter rhizosphere and enzyme types.

1,4-dichlorobenzene; combined pollution; urease; dehydrogenase; joint toxic effects

2016-07-18

國家自然科學(xué)基金項目(41573126;41203079)

孫福紅(1980—)，女，副研究員，博士，主要從事環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估工作，sunfhiae@126.com

*責(zé)任作者：陳艷卿(1962—)，女，研究員，碩士，長期從事環(huán)境基準(zhǔn)與環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)研究，chenyq@craes.org.cn

X171.5

1674-991X(2016)06-0571-08

10.3969j.issn.1674-991X.2016.06.082

孫福紅，周啟星，陳艷卿.對二氯苯與Cd復(fù)合污染對毫米級根際微域土壤酶活性的聯(lián)合毒性效應(yīng)評價[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報,2016,6(6):571-578.

SUN F H, ZHOU Q X, CHEN Y Q.Assessment on joint toxic effects of combined pollution of 1,4-DCB and Cd on enzyme activities in millimeter rhizosphere[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(6):571-578.