污水和污水污泥資源化對土壤微生物生態(tài)效應(yīng)的影響.pdf

1、在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物擔(dān)當(dāng)了生物地球化學(xué)循環(huán)、土壤營養(yǎng)物質(zhì)運轉(zhuǎn)、環(huán)境污染凈化等重要的生態(tài)功能。近年來，土壤重金屬污染對土壤微生物生態(tài)效應(yīng)影響的研究日益受到關(guān)注。對于土壤重金屬污染，土壤微生物與其直接接觸，與植物相比對污染物的反應(yīng)更加敏感。研究表明，一些微生物指標(biāo)在重金屬污染的土壤中可以擔(dān)當(dāng)指示作用。在農(nóng)田土壤中，有一部分重金屬來自于污水和污水污泥資源化，由于污水和污水污泥中含有大量有機質(zhì)和植物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行農(nóng)用后對于節(jié)約淡水

2、資源和提高土壤肥力都有積極的作用，但是長期農(nóng)用會引起土壤重金屬富集甚至是污染，對由此引發(fā)的重金屬污染進(jìn)行系統(tǒng)的微生物生態(tài)效應(yīng)研究，將有利于指導(dǎo)污水和污水污泥資源的合理利用，為改善農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。 本研究根據(jù)山東省污水灌溉和污水污泥農(nóng)用的實際情況設(shè)計了野外和溫室實驗。首先，通過野外實地調(diào)研，選擇位于山東省小清河中部的博興污灌區(qū)，對該地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量和土壤微生物群落進(jìn)行分析，研究了長期污水灌溉對土壤微生物的影響。其次，在野外實

3、驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)行可控的溫室實驗，利用外加重金屬來提高污水和污水污泥中的重金屬濃度(具體參照小清河上游濟南市污水處理廠污水污泥中含量較高的Cd、Cu、Zn和Hg)，模擬長期污水灌溉和污水污泥農(nóng)用引起的重金屬富集情況，系統(tǒng)研究其對土壤微生物生態(tài)效應(yīng)的影響。同時還考慮了農(nóng)作物的影響，在溫室中種植了兩種常見的農(nóng)田作物(小麥和玉米)，利用根袋法研究受到重金屬脅迫時植物根際微生物群落的變化情況，研究植物、重金屬和微生物三方面的相互作用，這樣更符合農(nóng)

4、田的實際情況。本研究選擇了微生物生物量碳(Cmic)、基礎(chǔ)呼吸作用(BAS)、群落水平生理圖譜(CLPP)和脂肪酸甲酯(FAME)等土壤微生物生態(tài)學(xué)研究方法。具體研究結(jié)果如下： 1.長期污水灌溉對土壤和土壤微生物群落特征的影響野外污灌區(qū)實驗分別從污水灌溉區(qū)、部分污水灌溉區(qū)和井水灌溉區(qū)(對照)選取土壤樣品，研究結(jié)果表明，經(jīng)過30多年污水灌溉土壤中金屬(Cd、As、Hg、Cr、Pb、Zn、Cu、Ni、V、Co、Mn)含量明顯增加(P

5、＜0.05)，大約是井水灌溉區(qū)的二倍，但是其中重金屬的最高濃度并沒有達(dá)到國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(II類農(nóng)業(yè)土壤執(zhí)行的二級標(biāo)準(zhǔn))。污水灌溉區(qū)的其它土壤性質(zhì)，例如陽離子交換量(CEC)、全氮(Nt)、全磷(Pt)和有機質(zhì)含量都明顯增加(P＜0.05)。土壤微生物對碳源底物的利用能力明顯高于井水灌溉區(qū)(P＜0.05)，土壤微生物功能多樣性也有增加的趨勢。然而，污水灌溉區(qū)的真菌數(shù)量明顯降低了。在相關(guān)性分析中，重金屬Cr和Zn的含量與AWCD值和微

6、生物Shannon多樣性指數(shù)顯著正相關(guān)，而重金屬Hg的濃度與部分微生物參數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(72hAWCD值Shannon多樣性指數(shù))。以上結(jié)果說明污水灌溉已經(jīng)影響了土壤微生物群落和土壤質(zhì)量，雖然大部分是起到了正面促進(jìn)作用，但是考慮到繼續(xù)長期污水灌溉后重金屬的進(jìn)一步富集，需要在污水灌溉區(qū)對土壤和微生物定期進(jìn)行監(jiān)測并改善污水水質(zhì)。 2.富含重金屬的污水污泥農(nóng)用對土壤和小麥、玉米根際微生物的影響溫室污水污泥農(nóng)用實驗設(shè)置了包括對照、分別添加20％和

7、40％比例的污水污泥的處理、添加20％比例污水污泥的基礎(chǔ)上分別添加5倍重金屬和10倍重金屬的處理。研究結(jié)果表明，對照中小麥和玉米的生物量都明顯高于施用污水污泥的處理(P＜0.05)。除了對照，隨著污水污泥濃度和重金屬含量的增加，玉米莖的生物量隨重金屬增加而降低。小麥和玉米對重金屬Cd、Cu、Zn和Hg的吸收是隨著重金屬濃度的增加而增加，作物根的重金屬含量明顯高于莖葉。隨著土壤中污水污泥量的增加，土壤中全氮(Nt)、有機碳(Corg)和微

8、生物生物量碳(Cmic)明顯增加(P＜0.05)，然而土壤pH明顯降低(P＜0.05)。在污水污泥處理后，隨重金屬濃度的增加種植小麥的土壤微生物BAS、Cmic、Cmic/Corg降低，而種植玉米的土壤微生物BAS、Cmic、Cmic/Corg增加，但均沒有達(dá)到顯著性差異。小麥土壤性質(zhì)的PCA分析表明五個處理間的差異主要來自于Cd、Cu、Zn、Hg和pH，而玉米五個處理間的差異主要來自于Cu、Zn、pH、Corg和Nt，說明污水污泥含有

9、的C、N營養(yǎng)物質(zhì)對玉米的影響更大。從Biolog實驗得到的結(jié)果顯示隨著污水污泥量的增加小麥根際微生物AWCD值明顯降低(P＜0.05)。碳源利用PCA結(jié)果表明對照比其它添加污水污泥和重金屬的處理對大部分碳源有更好的利用，而高比例施用污水污泥的處理(土壤+40％SS)只對很少的碳源有更好的利用。而且高比例的污水污泥和重金屬消弱了根際和非根際微生物碳源利用的差異性。除了在小麥和玉米非根際微生物Shannon多樣性指數(shù)H'隨著污水污泥和重金屬

10、的增加明顯增加(P＜0.05)外，其它處理H'和E并沒有明顯的變化。以上結(jié)果表明污水污泥農(nóng)用提高了土壤的C、N等營養(yǎng)物質(zhì)的含量，甚至對有些處理的BAS和Cmic也有提高，但是重金屬的富集和對微生物的一些負(fù)面作用同樣應(yīng)該受到重視，所以對確定污水污泥合理的施用比例和污水污泥施用前重金屬的去除顯得尤為重要。 3.模擬富含重金屬的污水對土壤和小麥、玉米根際微生物的影響模擬污水實驗設(shè)置了包括對照、添加6倍重金屬和10倍重金屬的處理，研究結(jié)果表明，

11、隨著重金屬濃度的增加，小麥和玉米的生物量明顯降低(P＜0.05)。小麥和玉米對重金屬Cd、Cu、Zn和Hg的吸收是隨著重金屬濃度的增加而增加，作物根的重金屬含量明顯高于莖葉。在中等和高濃度重金屬處理后根對的Hg的轉(zhuǎn)運系數(shù)(TFplant)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對其它重金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)(P＜0.05)。隨著土壤中重金屬濃度的增加，土壤pH明顯降低(P＜0.05)。在種植小麥的處理中高濃度的重金屬明顯降低了土壤有機碳(Corg)含量(P＜0.05)，而微生

12、物生物量碳(Cmic)和Cmic/Corg卻明顯增加(P＜0.05)，在玉米根際，隨著重金屬濃度的增加，Corg/Nt先增加后明顯降低(P＜0.05)，而在非根際BAS隨著重金屬濃度的增加卻顯著降低(P＜0.05)。從Biolog實驗得到的結(jié)果顯示AWCD值隨著重金屬濃度的增加有降低的趨勢，對照和中等濃度重金屬處理對大部分碳源有更好的利用，而高濃度重金屬處理對碳源利用能力明顯降低，根際微生物對碳源利用能力高于非根際微生物。微生物多樣性指

13、數(shù)H'和E沒有明顯變化。種植小麥后，土壤性質(zhì)與微生物參數(shù)的相關(guān)性分析表明，pH值和Cmic呈顯著負(fù)相關(guān)，Corg與BAS呈顯著負(fù)相關(guān)，而與72h和120h的AWCD呈顯著正相關(guān)。有效態(tài)Cu和Zn的濃度與Cmic呈顯著正相關(guān)，有效態(tài)Cd濃度與PC1呈顯著正相關(guān)，然而有效態(tài)Hg的濃度和H'呈顯著負(fù)相關(guān)。種植玉米后有效態(tài)Cu和Zn的濃度與Cmic呈顯著負(fù)相關(guān)，然而有效態(tài)Hg的濃度和PC2呈顯著正相關(guān)。玉米根的生物量與pH呈顯著正相關(guān)，而與有效

14、態(tài)Cu和Zn的濃度呈顯著負(fù)相關(guān)。以上結(jié)果表明種植小麥后外加的重金屬沒有對土壤微生物產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，甚至對一些微生物參數(shù)有刺激作用，而種植玉米后高濃度的重金屬對玉米和大部分土壤微生物參數(shù)都產(chǎn)生了負(fù)面影響。此外，高濃度的重金屬消弱了根際和非根際微生物之間的差異。這些結(jié)果都說明長期污水灌溉后重金屬的富集將會改變土壤微生物原有的生態(tài)平衡，對農(nóng)田土壤的可持續(xù)利用帶來不良影響，所以污水中重金屬的去除對長期污水灌溉具有深遠(yuǎn)意義。 4.污水污泥中非

15、重金屬因素對土壤微生物的影響在實驗設(shè)計中，添加6倍重金屬和10倍重金屬的處理與添加20％比例污水污泥的基礎(chǔ)上分別添加5倍重金屬和10倍重金屬的處理重金屬含量相同，所以可以通過其解釋污水污泥中非重金屬因素對土壤微生物的影響。結(jié)果表明污水污泥中豐富的營養(yǎng)物質(zhì)使土壤中Nt和Corg的含量明顯增加(P＜0.05)，pH卻明顯降低(P＜0.05)。在小麥根際，Cmic、BAS和Cmic/Corg隨著重金屬濃度的增加而增加，與只加重金屬的處理相比添

16、加污水污泥的處理Cmic降低，BAS增加，而Cmic/Corg在添加污水污泥后明顯降低(P＜0.05)。在玉米根際，重金屬濃度的增加降低了Cmic和BAS，然而它們在添加污水污泥的處理中卻增加了。土壤性質(zhì)和微生物參數(shù)的相關(guān)性分析表明，在小麥根際有效態(tài)Cd的濃度與BAS呈顯著正相關(guān)，有效態(tài)Hg的濃度和Cmic呈極顯著正相關(guān)。在玉米根際，Nt和Corg與Cmic和BAS呈顯著正相關(guān)，pH值與多樣性指數(shù)E呈顯著負(fù)相關(guān)，而Nt和Corg與E呈顯

17、著正相關(guān)。以上結(jié)果說明污水污泥中的非重金屬因素對玉米根際影響大于小麥，而小麥?zhǔn)苤亟饘俚挠绊懜笠恍?5.微生物生態(tài)效應(yīng)研究方法的比較在野外實驗中，CLPP和FAME方法能夠?qū)⒏鱾€土壤樣品的微生物群落結(jié)構(gòu)區(qū)分開來，而且重金屬Cr、Zn和Hg濃度與AWCD值和微生物功能多樣性指數(shù)顯著相關(guān)，說明CLPP和FAME兩種方法是評估長期污水灌溉后土壤微生物結(jié)構(gòu)功能和土壤健康的有效方法。在溫室實驗中，CLPP方法能夠區(qū)分各個處理的微生物群落