肖詩(shī)琦 陳曉明 戚 鑫 田 甲 董發(fā)勤 黃 森 勾家磊
(1西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621010;2西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽(yáng) 621010)
隨著核技術(shù)的快速發(fā)展,鈾礦的開采與冶煉活動(dòng)所產(chǎn)生的廢石和尾砂中含有放射性物質(zhì)和重金屬,在雨水或山洪的沖刷及風(fēng)化作用下很容易轉(zhuǎn)移擴(kuò)大,給人類健康和生態(tài)環(huán)境造成不利影響[1]。近年來(lái),有關(guān)鈾的研究大都集中在鈾污染土壤的植物修復(fù),并取得了顯著成果,主要集中于富集植物的篩選[2-3],而對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)方法方面的研究較少。
酶是土壤的重要組成部分,也是土壤生態(tài)系統(tǒng)的核心之一[4],直接參與土壤系統(tǒng)中的多種重要代謝過(guò)程。研究表明,土壤酶活性與重金屬污染程度存在一定的相關(guān)性。因此,土壤酶活性可作為判別重金屬污染程度的指標(biāo)之一[5-7]。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、能量循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[8]。土壤微生物對(duì)重金屬污染的響應(yīng)較同一環(huán)境中的動(dòng)、植物更敏感,能及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分及環(huán)境質(zhì)量的變化,反映土壤的污染狀況,是評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量最有潛力的指標(biāo)[9-10]。但目前相關(guān)研究多集中在鉛、銅、鋅、鎘[11-13]等重金屬對(duì)土壤酶活性及微生物的影響,對(duì)鈾污染的研究較少。
因此,本研究采用室內(nèi)模擬試驗(yàn),考察與土壤碳、氮、磷、硫循環(huán)相關(guān)的關(guān)鍵酶(土壤纖維素酶、亞硝酸還原酶、堿性磷酸酶、芳基硫酸酯酶)活性對(duì)鈾污染的響應(yīng),探討鈾對(duì)不同土壤功能酶活性的作用,并采用Biolog-ECO 生態(tài)板[14]考察不同濃度鈾污染后土壤微生物群落功能的差異及對(duì)碳源特異利用的情況,以期為評(píng)價(jià)土壤鈾污染狀況和土壤修復(fù)提供理論依據(jù)。
供試土壤為暗棕壤,采自西南科技大學(xué)校園,其基本理化性質(zhì):pH值6.98、含水量19.87%、有機(jī)質(zhì)14.85 g·kg-1、全氮1.68 g·kg-1、全磷0.67 g·kg-1、全鉀12.57 g·kg-1、有效磷13.42 mg·kg-1、鈾濃度1.24 mg·kg-1。
土樣采樣:在1 m2內(nèi)采用5 點(diǎn)法采樣,采樣時(shí)先鏟去地表植物,刮掉5 mm 厚的表層土壤,挖成直徑為20 cm的土坑,取樣深度為6~10 cm。土壤采集后過(guò)40 目篩,去除雜質(zhì),備用。
鈾濃度設(shè)置:選用醋酸雙氧鈾[UO2(CH3COO2)2·2H2O,分析純,湖北楚勝威化工有限公司],以純鈾計(jì),配制成1 g·L-1鈾溶液并以其為母液,備用。
試驗(yàn)設(shè)置:采用培養(yǎng)皿培養(yǎng)樣品,每個(gè)培養(yǎng)皿中25 g 土樣。將外源鈾濃度分別設(shè)為10、20、50、100、150 mg·kg-1(干土),以原始土壤作為空白對(duì)照。25℃下培養(yǎng),土壤含水量保持在田間持水量的60%,每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。分別在處理后第7、第15、第30、第60天測(cè)定土壤酶活性,在處理后第60天采用Biolog-ECO 板考察土壤微生物功能多樣性。
1.3.1 土壤酶活性測(cè)定 堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[15],其活性用24 h后1 g 干土中釋放出酚的毫克數(shù)表示。亞硝酸還原酶活性采用比色法測(cè)定[16],其活性用1 g 干土24 h后剩余NO2--N 毫克數(shù)表示。芳基硫酸酯酶活性采用比色法測(cè)定[17],其活性用1 g 干土1 h 生成對(duì)硝基苯酚(C6H5NO3)微克數(shù)表示。纖維素酶活性采用硝基水楊酸比色法測(cè)定[15],其活性用1 g 干土1 h 生成葡萄糖微克數(shù)表示。每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定3次,設(shè)無(wú)底物、無(wú)土壤處理作為空白對(duì)照。
1.3.2 土壤微生物群落功能多樣性測(cè)定 選取鈾處理60 d后土壤進(jìn)行Biolog-ECO 板接種與培養(yǎng)。稱取10 g 土壤樣品,加入裝有90 mL 0.85%無(wú)菌生理鹽水的三角瓶中,在搖床上以200 r·min-1振蕩30 min,即成土壤菌懸原液。將該原液連續(xù)2次10倍稀釋,最終稀釋比例為1 ∶1000。取稀釋好的溶液置于無(wú)菌Ⅴ型槽,接種于ECO 板的96 孔中,每孔150 μL,每個(gè)濃度重復(fù)3次。將接種好的ECO 板放到鋪有6 層紗布的白瓷盤中,為防止ECO 板孔中菌懸液的揮發(fā),紗布需保持一定濕度。將ECO 板置于30℃培養(yǎng)箱培養(yǎng),分別于培養(yǎng)0、24、48、72、96、120、144、168 h時(shí),用Gen ⅢMicro Station 自動(dòng)快速微生物鑒定儀(美國(guó)Biolog公司)在590 nm和750 nm 波長(zhǎng)處讀取吸光度值。
微生物代謝活性用590 nm 波長(zhǎng)處的吸光度值減去750 nm 波長(zhǎng)處的吸光度值表示,其中數(shù)值小于0.06的按0處理[18]。微生物代謝強(qiáng)度用孔的平均顏色變化率(average well color development,AWCD)[19]表示,通過(guò)AWCD值分析不同濃度鈾處理下微生物對(duì)每一類碳源的利用情況:
式中,Ci為每個(gè)碳源孔的兩波段吸光值差;R為對(duì)照孔的吸光值;31為培養(yǎng)基碳源種類數(shù)。
多樣性指數(shù)包括Shannon 多樣性指數(shù)[19](H),Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)[20](D)和McIntosh 指數(shù)[21](U),分別表征微生物群落豐富度、優(yōu)勢(shì)度和均勻度,其中,U是基于群落多維空間上的Euclidian 距離的多樣性指數(shù),計(jì)算公式如下:
式中,Pi=(Ci-R)/AWCD;ni=Ci-R。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2007和DPS 7.5進(jìn)行處理和分析,多重比較采用Tukey 法進(jìn)行處理間平均值的差異顯著性檢驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 8.5 軟件作圖。
2.1.1 鈾污染對(duì)土壤芳基硫酸酯酶活性的影響 芳基硫酸酯酶參與土壤和植物的硫素循環(huán),可將土壤中的有機(jī)態(tài)硫轉(zhuǎn)化成可供植物吸收的無(wú)機(jī)態(tài)硫。由圖1可知,在各處理周期,芳基硫酸酯酶活性均隨著鈾濃度升高而逐漸下降。當(dāng)鈾濃度高于20 mg·kg-1時(shí),各處理組芳基硫酸酯酶活性均顯著低于對(duì)照(0 mg·kg-1),同時(shí)高濃度(100和150 mg·kg-1)鈾處理組酶活性顯著低于其余各鈾處理組。在不同處理周期中,150 mg·kg-1鈾處理組酶活性均最低,分別為對(duì)照的44.31%、35.85%、28.13%和39.21%,當(dāng)鈾處理30 d時(shí),鈾污染對(duì)酶活性影響最大,此時(shí)酶活性僅為1.117 μg·g-1·h-1。由此可見,鈾對(duì)芳基硫酸酯酶活性有顯著的抑制作用,其酶活性隨著鈾濃度升高而逐漸降低。
圖1 鈾污染對(duì)土壤芳基硫酸酯酶活性的影響Fig.1 Effect of uranium on soil aryl sulfatase activity
2.1.2 鈾污染對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響 土壤磷酸酶是一類催化土壤有機(jī)磷化合物礦化的胞內(nèi)酶,能促進(jìn)有機(jī)磷向無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)化,形成有利于植物吸收的無(wú)機(jī)磷,其活性直接影響土壤有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及生物有效性。由圖2可知,同一處理周期內(nèi),不同濃度鈾處理組堿性磷酸酶活性與對(duì)照(0 mg·kg-1)相比,均呈濃度梯度下降趨勢(shì)。其中,土壤受到較高濃度(50、100和150 mg·kg-1)的鈾污染后,堿性磷酸酶活性顯著低于對(duì)照。在相同濃度鈾處理下,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),高濃度鈾處理組(100和150 mg·kg-1)堿性磷酸酶活性在60 d時(shí)較30 d 高,其余各鈾處理組土壤堿性磷酸酶活性均呈下降趨勢(shì)。綜上所述,低濃度鈾處理對(duì)堿性磷酸酶活性無(wú)顯著影響,而高濃度鈾處理對(duì)該酶活性具有顯著的抑制作用。同時(shí),隨著鈾處理時(shí)間的延長(zhǎng),高濃度鈾處理組土壤堿性磷酸酶活性有所回升。
圖2 鈾污染對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響Fig.2 Effect of uranium on soil alkaline phosphatase activity
2.1.3 鈾污染對(duì)土壤亞硝酸還原酶活性的影響 土壤亞硝酸還原酶能促進(jìn)土壤硝態(tài)氮還原成氨,其活性可反映土壤氮素轉(zhuǎn)化中脫氮作用的強(qiáng)度。由圖3可知,在各處理周期中,亞硝酸還原酶活性均隨著鈾濃度升高呈先上升后下降的趨勢(shì)。鈾處理第7天,20 mg·kg-1濃度鈾處理組酶活性最大,為0.699 2 mg·g-1·d-1。當(dāng)鈾濃度超過(guò)50 mg·kg-1,土壤亞硝酸還原酶受到顯著抑制,其中鈾處理第30天,150 mg·kg-1鈾處理組酶活性受到的抑制作用最大,為對(duì)照(0 mg·kg-1)的80.7%。此外,隨著鈾處理時(shí)間的延長(zhǎng),亞硝酸還原酶活性呈整體下降趨勢(shì),但受到的抑制作用逐漸減弱,如鈾處理后第60天,150 mg·kg-1鈾處理組酶活性為對(duì)照的82.4%。
圖3 鈾污染對(duì)土壤亞硝酸還原酶活性的影響Fig.3 Effect of uranium on soil nitrite reductase activity
圖4 鈾污染對(duì)土壤纖維素酶活性的影響Fig.4 Effect of uranium on soil cellulase activity
2.1.4 鈾污染對(duì)土壤纖維素酶活性的影響 土壤纖維素酶是參與纖維素循環(huán)的關(guān)鍵酶,對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的循環(huán)起重要作用。由圖4可知,鈾處理濃度為10 mg·kg-1時(shí),纖維素酶活性較對(duì)照(0 mg·kg-1)低,且在處理后第60天差異顯著;而當(dāng)鈾處理濃度為20 mg·kg-1時(shí),纖維素酶活性有所回升,并在處理后第7天較對(duì)照酶活性高;當(dāng)鈾污染濃度達(dá)到50 mg·kg-1時(shí),纖維素酶活性在處理后第7和30天時(shí)較對(duì)照高,但在鈾處理后的第15和第60天顯著低于對(duì)照;當(dāng)鈾濃度達(dá)到100和150 mg·kg-1時(shí),不同處理周期下的酶活性均低于對(duì)照,其中鈾處理后第30和第60天,150 mg·kg-1鈾處理組與對(duì)照差異顯著。由此可知,中低濃度鈾處理未明顯抑制纖維素酶活性,高濃度鈾處理對(duì)該酶活性有抑制作用。
2.2.1 鈾污染對(duì)土壤微生物代謝活性的影響 AWCD值用以衡量微生物利用不同碳源的整體能力,一般認(rèn)為幅度變化較大的樣品具有較高的碳源利用能力,也具有較高的微生物豐度[22]。由圖5可知,各鈾處理濃度的AWCD值在接種培養(yǎng)后24 h 內(nèi)幾乎無(wú)增長(zhǎng),而在24~144 h時(shí)AWCD值迅速升高,表明此階段土壤微生物碳源代謝活性最強(qiáng),之后該值趨于平穩(wěn)。與對(duì)照(0 mg·kg-1)相比,各鈾處理組的AWCD值均明顯降低,且鈾處理濃度越高其AWCD值越低,表明鈾污染能明顯降低土壤微生物代謝活性。
圖5 鈾污染下土壤微生物的AWCD值的變化Fig.5 AWCD value changes of soil microbes under uranium stress
2.2.2 鈾污染對(duì)土壤微生物功能多樣性的影響 根據(jù)ECO 板培養(yǎng)72 h的AWCD值進(jìn)行微生物多樣性分析。由表1可知,不同濃度鈾處理組的3種指數(shù)均顯著低于對(duì)照(0 mg·kg-1),表明鈾處理顯著降低了土壤微生物豐富度和均勻度,且優(yōu)勢(shì)物種地位削弱。對(duì)不同濃度鈾處理組,U的變化呈現(xiàn)濃度梯度效應(yīng),即隨著鈾濃度升高微生物均勻度顯著降低。而根據(jù)H和D可知,20 mg·kg-1鈾處理組微生物群落優(yōu)勢(shì)度及豐富度均顯著低于50和150 mg·kg-1鈾處理組。
表1 不同濃度鈾處理下土壤微生物多樣性指數(shù)Table1 Diversity index of soil microbial community in different uranium concentration treatments
2.2.3 鈾污染對(duì)土壤微生物碳源利用的影響 ECO板上的31種碳源可分為六大類,分別是碳水化合物類、多聚物類、酚酸類、羧酸類、氨基酸類和胺類。由圖6可知,對(duì)照(0 mg·kg-1)土壤微生物對(duì)各類碳源利用能力不同,對(duì)胺類碳源利用能力最高,對(duì)羧酸、多聚物、氨基酸、酚酸和碳水化合物類碳源的利用能力逐漸降低。土壤受到不同濃度鈾處理后,微生物對(duì)六大類碳源的利用能力均較對(duì)照顯著降低(除10 mg·kg-1鈾處理后微生物對(duì)氨基酸的利用能力)。對(duì)胺類和酚酸類碳源的利用能力隨鈾濃度升高呈梯度下降趨勢(shì),并對(duì)酚酸類碳源利用能力影響最大,其最高濃度鈾處理的AWCD值僅為對(duì)照的19.98%。10 mg·kg-1鈾處理組微生物對(duì)多聚物類碳源利用能力最高;50、100和150 mg·kg-1鈾處理組微生物對(duì)羧酸類碳源利用能力均最高。
圖6 鈾污染下土壤微生物對(duì)六類碳源的利用情況Fig.6 Utilization of 6 groups of carbon sources by soil microbes under uranium stress
2.2.4 鈾污染對(duì)土壤微生物碳源利用影響的主成分分析為進(jìn)一步研究不同濃度鈾處理下土壤微生物的碳源利用能力差異,對(duì)各處理土壤培養(yǎng)72 h后其31類碳源的AWCD值進(jìn)行碳源利用主成分分析(principal component analysis,PCA)。由圖7可知,第1主成分(PC1)貢獻(xiàn)率為41.96%,第2主成分(PC2)的貢獻(xiàn)率為24.54%。6種處理在PC 軸上分布有明顯差異,U10、U20、U50、U100、U150位于第一象限,U0位于第四象限。主成分分析中樣本距離表示樣本間相似程度,距離越近相似程度越高。U50、U100和U150 微生物群落較近,碳代謝差異較小,而U0 與各鈾處理組距離均較遠(yuǎn),表明鈾處理明顯影響了土壤微生物對(duì)碳源利用能力。
圖7 鈾污染下土壤微生物碳代謝主成分分析Fig.7 Principal component analysis of carbon metabolism of soil microbial under urnium stress
土壤微生物代謝中31種碳源在PC1和PC2 上的載荷表明,對(duì)PC1 貢獻(xiàn)較大的碳源(特征向量大于0.6)主要有D-木糖、D-半乳糖醛酸、D-纖維二糖、α-D-葡萄糖-1-磷酸等13種;對(duì)PC2 貢獻(xiàn)較大的碳源主要有D-半乳糖酸內(nèi)脂、i-赤蘚糖醇、N-乙酰-D-葡萄糖胺等9種(表2)。不同濃度鈾處理土壤微生物代謝功能群落結(jié)構(gòu)的差異性主要取決于PC1(13種)和PC2(9種)中載荷較高的碳源。
土壤酶活性是土壤生物學(xué)活性的體現(xiàn),其活性能直接反映土壤綜合肥力特征和生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度及方向[23]。土壤中一些酶活能敏感地反映重金屬對(duì)土壤的污染程度,因此常作為評(píng)價(jià)土壤污染程度的生化指標(biāo)[24-25]。本研究中,隨著鈾濃度的升高,土壤堿性磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性均呈下降趨勢(shì)。鈾對(duì)磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性抑制作用的機(jī)理主要是由于六價(jià)鈾酰離子(UO22+)性質(zhì)類似于Ca2+和Mg2+,同時(shí)形成的復(fù)合物更加穩(wěn)定,因此可以替換磷酸化合物中的Mg2+與磷酸形成沉淀,從而導(dǎo)致磷酸酶活性的降低[26];其次鈾污染了土壤微生物的生存環(huán)境,從而抑制土壤微生物的生長(zhǎng)和繁殖,減少了其體內(nèi)酶的合成和分泌,最終導(dǎo)致相關(guān)酶活性下降。而亞硝酸還原酶和纖維素酶活性僅受到高濃度鈾污染的抑制,其中亞硝酸還原酶在中等污染程度以下的土壤中表現(xiàn)為激活效應(yīng)。這可能是由于鈾作為酶的輔基能促進(jìn)酶活性中心與底物間的配位反應(yīng),使酶分子及其活性中心保持一定的專性結(jié)構(gòu),改變酶催化反應(yīng)的平衡性質(zhì)和酶蛋白的表面電荷,從而提高了酶活性,也可能是在鈾污染下,某些對(duì)鈾具有耐性的微生物群落成為優(yōu)勢(shì)群落,從而提高其相關(guān)酶的合成及分泌[27]。但重金屬激活作用具有一定的濃度限值,當(dāng)鈾濃度較高時(shí),會(huì)表現(xiàn)出對(duì)酶的抑制作用。
表2 土壤微生物代謝中31種碳源主成分分析Table2 Loading factors of PC1 and PC2 indicating utilization of 31 types carbon sources of soil microbes
本研究結(jié)果表明,在不同處理周期中,堿性磷酸酶、亞硝酸還原酶和芳基硫酸酯酶活性均受到抑制,但在第30天時(shí)抑制作用最強(qiáng)。這可能是由于重金屬進(jìn)入土壤后,對(duì)微生物的作用主要在早期階段,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),重金屬的生物可利用性降低[28]。本試驗(yàn)中,土壤酶對(duì)鈾的敏感性表現(xiàn)為芳基硫酸酯酶>堿性磷酸酶>亞硝酸還原酶>纖維素酶,不同的土壤酶對(duì)鈾敏感性存在明顯差異,其中芳基硫酸酯酶活性對(duì)鈾污染最敏感,表明該酶活性能夠靈敏反映鈾對(duì)土壤的污染程度。
Biolog-ECO 法是通過(guò)微生物對(duì)多種碳底物的不同利用類型來(lái)反映微生物群落的功能多樣性,能深入了解微生物群落的結(jié)構(gòu)組成[29]。本研究中,土壤受到鈾污染后微生物活性受到一定的抑制,且鈾處理濃度越高微生物活性越低。王佳等[30]對(duì)美洲商陸根際微生物的研究表明,根際微生物在受到鈾污染后微生物群落功能多樣性、均勻度及優(yōu)勢(shì)度均降低。本研究結(jié)果與之相似,鈾處理后微生物多樣性指數(shù)(H)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)及均勻度指數(shù)(U)均較對(duì)照顯著降低。但20 mg·kg-1鈾處理組微生物豐富度較高濃度鈾處理組低(50、150 mg·kg-1)。宋收[31]對(duì)鈾污染后微生物群落結(jié)構(gòu)分析也發(fā)現(xiàn),土壤受到20 mg·kg-1鈾處理后,微生物群落多樣性和豐富度較對(duì)照和高濃度鈾處理組明顯降低。Frossard 等[32]對(duì)汞污染區(qū)研究同樣發(fā)現(xiàn),中、高汞污染區(qū)的微生物多樣性和豐富度較低汞污染區(qū)高。這可能是因某些重金屬在較低濃度時(shí)對(duì)微生物多樣性影響更大,但其作用機(jī)理尚不明顯確。
本研究對(duì)六大類碳源利用情況分析可知,不同濃度鈾處理組六大類碳源的AWCD值大體均較對(duì)照顯著降低,表明鈾污染嚴(yán)重影響了土壤微生物對(duì)碳源的利用能力。隨著鈾濃度升高,土壤微生物對(duì)酚酸類和胺類碳源利用能力呈梯度下降,這與張倩等[33]對(duì)鈾礦區(qū)土壤微生物研究結(jié)果相似。有研究表明,重金屬污染會(huì)改變土壤微生物種群結(jié)構(gòu),刺激土壤中產(chǎn)生耐重金屬的優(yōu)勢(shì)菌群,這些優(yōu)勢(shì)菌群對(duì)某類碳源具有偏嗜性,導(dǎo)致對(duì)這類碳源化合物的利用能力提高[34]。微生物群落對(duì)不同類型碳源利用能力的改變可能是鈾污染抑制了對(duì)鈾敏感微生物群落的生長(zhǎng),而某些對(duì)鈾具有耐性的群落成為優(yōu)勢(shì)群落。因此,隨著微生物群落組成改變,新優(yōu)勢(shì)菌群的出現(xiàn)改變了土壤微生物對(duì)碳源利用的偏嗜性??傮w而言,鈾污染降低了土壤微生物對(duì)不同類碳源的利用能力,尤其對(duì)以酚酸類碳源為代謝基質(zhì)的微生物群落的碳源利用能力影響最大,因此微生物對(duì)酚酸類碳源的利用能力可用于反映土壤微生物受鈾污染的程度。
本研究考察了鈾污染對(duì)土壤酶活性和土壤微生物群落的影響,結(jié)果表明,土壤酶活性對(duì)鈾污染響應(yīng)不同,其中芳基硫酸酯酶對(duì)鈾污染最敏感。Biolog 分析結(jié)果表明,鈾處理后微生物的群落豐富度、均勻度及優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均顯著低于對(duì)照,鈾污染對(duì)微生物代謝活性及碳源利用能力均有顯著抑制作用?;贐iolog-ECO技術(shù)結(jié)合數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法可以直觀、快捷地反映土壤微生物的功能多樣性,同時(shí)考察與土壤功能相關(guān)的關(guān)鍵酶對(duì)鈾污染的響應(yīng),能很好地評(píng)估鈾污染對(duì)土壤生態(tài)的影響,為修復(fù)鈾污染生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。