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污水和污水污泥资源化对土壤微生物生态效应的影响

张永利  
【摘要】: 在土壤生态系统中,土壤微生物担当了生物地球化学循环、土壤营养物质运转、环境污染净化等重要的生态功能。近年来,土壤重金属污染对土壤微生物生态效应影响的研究日益受到关注。对于土壤重金属污染,土壤微生物与其直接接触,与植物相比对污染物的反应更加敏感。研究表明,一些微生物指标在重金属污染的土壤中可以担当指示作用。在农田土壤中,有一部分重金属来自于污水和污水污泥资源化,由于污水和污水污泥中含有大量有机质和植物所需的营养物质,进行农用后对于节约淡水资源和提高土壤肥力都有积极的作用,但是长期农用会引起土壤重金属富集甚至是污染,对由此引发的重金属污染进行系统的微生物生态效应研究,将有利于指导污水和污水污泥资源的合理利用,为改善农田土壤生态系统服务。 本研究根据山东省污水灌溉和污水污泥农用的实际情况设计了野外和温室实验。首先,通过野外实地调研,选择位于山东省小清河中部的博兴污灌区,对该地区土壤环境质量和土壤微生物群落进行分析,研究了长期污水灌溉对土壤微生物的影响。其次,在野外实验的基础上,进行可控的温室实验,利用外加重金属来提高污水和污水污泥中的重金属浓度(具体参照小清河上游济南市污水处理厂污水污泥中含量较高的Cd、Cu、Zn和Hg),模拟长期污水灌溉和污水污泥农用引起的重金属富集情况,系统研究其对土壤微生物生态效应的影响。同时还考虑了农作物的影响,在温室中种植了两种常见的农田作物(小麦和玉米),利用根袋法研究受到重金属胁迫时植物根际微生物群落的变化情况,研究植物、重金属和微生物三方面的相互作用,这样更符合农田的实际情况。本研究选择了微生物生物量碳(C_(mic))、基础呼吸作用(BAS)、群落水平生理图谱(CLPP)和脂肪酸甲酯(FAME)等土壤微生物生态学研究方法。具体研究结果如下: 1.长期污水灌溉对土壤和土壤微生物群落特征的影响 野外污灌区实验分别从污水灌溉区、部分污水灌溉区和井水灌溉区(对照)选取土壤样品,研究结果表明,经过30多年污水灌溉土壤中金属(Cd、As、Hg、Cr、Pb、Zn、Cu、Ni、V、Co、Mn)含量明显增加(P<0.05),大约是井水灌溉区的二倍,但是其中重金属的最高浓度并没有达到国家土壤环境质量标准(Ⅱ类农业土壤执行的二级标准)。污水灌溉区的其它土壤性质,例如阳离子交换量(CEC)、全氮(N_t)、全磷(P_t)和有机质含量都明显增加(P<0.05)。土壤微生物对碳源底物的利用能力明显高于井水灌溉区(P<0.05),土壤微生物功能多样性也有增加的趋势。然而,污水灌溉区的真菌数量明显降低了。在相关性分析中,重金属Cr和Zn的含量与AWCD值和微生物Shannon多样性指数显著正相关,而重金属Hg的浓度与部分微生物参数显著负相关(72hAWCD值Shannon多样性指数)。以上结果说明污水灌溉已经影响了土壤微生物群落和土壤质量,虽然大部分是起到了正面促进作用,但是考虑到继续长期污水灌溉后重金属的进一步富集,需要在污水灌溉区对土壤和微生物定期进行监测并改善污水水质。 2.富含重金属的污水污泥农用对土壤和小麦、玉米根际微生物的影响 温室污水污泥农用实验设置了包括对照、分别添加20%和40%比例的污水污泥的处理、添加20%比例污水污泥的基础上分别添加5倍重金属和10倍重金属的处理。研究结果表明,对照中小麦和玉米的生物量都明显高于施用污水污泥的处理(P<0.05)。除了对照,随着污水污泥浓度和重金属含量的增加,玉米茎的生物量随重金属增加而降低。小麦和玉米对重金属Cd、Cu、Zn和Hg的吸收是随着重金属浓度的增加而增加,作物根的重金属含量明显高于茎叶。随着土壤中污水污泥量的增加,土壤中全氮(N_t)、有机碳(C_(org))和微生物生物量碳(C_(mic))明显增加(P<0.05),然而土壤pH明显降低(P<0.05)。在污水污泥处理后,随重金属浓度的增加种植小麦的土壤微生物BAS、C_(mic)、C_(mic)/C_(org)降低,而种植玉米的土壤微生物BAS、C_(mic)、C_(mic)/C_(org)增加,但均没有达到显著性差异。小麦土壤性质的PCA分析表明五个处理间的差异主要来自于Cd、Cu、Zn、Hg和pH,而玉米五个处理间的差异主要来自于Cu、Zn、pH、C_(org)和N_t,说明污水污泥含有的C、N营养物质对玉米的影响更大。从Biolog实验得到的结果显示随着污水污泥量的增加小麦根际微生物AWCD值明显降低(P<0.05)。碳源利用PCA结果表明对照比其它添加污水污泥和重金属的处理对大部分碳源有更好的利用,而高比例施用污水污泥的处理(土壤+40%SS)只对很少的碳源有更好的利用。而且高比例的污水污泥和重金属消弱了根际和非根际微生物碳源利用的差异性。除了在小麦和玉米非根际微生物Shannon多样性指数H′随着污水污泥和重金属的增加明显增加(P<0.05)外,其它处理H′和E并没有明显的变化。以上结果表明污水污泥农用提高了土壤的C、N等营养物质的含量,甚至对有些处理的BAS和C_(mic)也有提高,但是重金属的富集和对微生物的一些负面作用同样应该受到重视,所以对确定污水污泥合理的施用比例和污水污泥施用前重金属的去除显得尤为重要。 3.模拟富含重金属的污水对土壤和小麦、玉米根际微生物的影响 模拟污水实验设置了包括对照、添加6倍重金属和10倍重金属的处理,研究结果表明,随着重金属浓度的增加,小麦和玉米的生物量明显降低(P<0.05)。小麦和玉米对重金属Cd、Cu、Zn和Hg的吸收是随着重金属浓度的增加而增加,作物根的重金属含量明显高于茎叶。在中等和高浓度重金属处理后根对的Hg的转运系数(TF_(plant))远远高于对其它重金属的转运系数(P<0.05)。随着土壤中重金属浓度的增加,土壤pH明显降低(P<0.05)。在种植小麦的处理中高浓度的重金属明显降低了土壤有机碳(C_(org))含量(P<0.05),而微生物生物量碳(C_(mic))和C_(mic)/C_(org)却明显增加(P<0.05),在玉米根际,随着重金属浓度的增加,C_(org)/N_t先增加后明显降低(P<0.05),而在非根际BAS随着重金属浓度的增加却显著降低(P<0.05)。从Biolog实验得到的结果显示AWCD值随着重金属浓度的增加有降低的趋势,对照和中等浓度重金属处理对大部分碳源有更好的利用,而高浓度重金属处理对碳源利用能力明显降低,根际微生物对碳源利用能力高于非根际微生物。微生物多样性指数H′和E没有明显变化。种植小麦后,土壤性质与微生物参数的相关性分析表明,pH值和C_(mic)呈显著负相关,C_(org)与BAS呈显著负相关,而与72h和120h的AWCD呈显著正相关。有效态Cu和Zn的浓度与C_(mic)呈显著正相关,有效态Cd浓度与PC1呈显著正相关,然而有效态Hg的浓度和H′呈显著负相关。种植玉米后有效态Cu和Zn的浓度与C_(mic)呈显著负相关,然而有效态Hg的浓度和PC2呈显著正相关。玉米根的生物量与pH呈显著正相关,而与有效态Cu和Zn的浓度呈显著负相关。以上结果表明种植小麦后外加的重金属没有对土壤微生物产生严重的负面影响,甚至对一些微生物参数有刺激作用,而种植玉米后高浓度的重金属对玉米和大部分土壤微生物参数都产生了负面影响。此外,高浓度的重金属消弱了根际和非根际微生物之间的差异。这些结果都说明长期污水灌溉后重金属的富集将会改变土壤微生物原有的生态平衡,对农田土壤的可持续利用带来不良影响,所以污水中重金属的去除对长期污水灌溉具有深远意义。 4.污水污泥中非重金属因素对土壤微生物的影响 在实验设计中,添加6倍重金属和10倍重金属的处理与添加20%比例污水污泥的基础上分别添加5倍重金属和10倍重金属的处理重金属含量相同,所以可以通过其解释污水污泥中非重金属因素对土壤微生物的影响。结果表明污水污泥中丰富的营养物质使土壤中N_t和C_(org)的含量明显增加(P<0.05),pH却明显降低(P<0.05)。在小麦根际,C_(mic)、BAS和C_(mic)/C_(org)随着重金属浓度的增加而增加,与只加重金属的处理相比添加污水污泥的处理C_(mic)降低,BAS增加,而C_(mic)/C_(org)在添加污水污泥后明显降低(p<0.05)。在玉米根际,重金属浓度的增加降低了C_(mic)和BAS,然而它们在添加污水污泥的处理中却增加了。土壤性质和微生物参数的相关性分析表明,在小麦根际有效态Cd的浓度与BAS呈显著正相关,有效态Hg的浓度和C_(mic)呈极显著正相关。在玉米根际,N_t和C_(org)与C_(mic)和BAS呈显著正相关,pH值与多样性指数E呈显著负相关,而N_t和C_(org)与E呈显著正相关。以上结果说明污水污泥中的非重金属因素对玉米根际影响大于小麦,而小麦受重金属的影响更大一些。 5.微生物生态效应研究方法的比较 在野外实验中,CLPP和FAME方法能够将各个土壤样品的微生物群落结构区分开来,而且重金属Cr、Zn和Hg浓度与AWCD值和微生物功能多样性指数显著相关,说明CLPP和FAME两种方法是评估长期污水灌溉后土壤微生物结构功能和土壤健康的有效方法。在温室实验中,CLPP方法能够区分各个处理的微生物群落结构,但是微生物功能多样性指数的变化并不明显。同时C_(mic)、BAS和C_(mic)/C_(org)等方法从不同侧面反应了污水污泥和重金属对土壤微生物的影响。这些结果表明作物、土壤性质和重金属通过影响微生物的生存环境影响着微生物群落的整体面貌,单一测定微生物的某一方面特性来表现整个微生物群落特征是片面的,选择两种或以上的方法从不同侧面表征微生物的变化,最大可能地获得微生物真实全面的信息。


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