摘要：通過(guò)微量熱技術(shù)研究重金屬鉛（Pb2+）和異丙基黃原酸鈉對(duì)土壤微生物活性的影響，配制不同濃度的Pb（NO3）2和異丙基黃原酸鈉溶液，并且進(jìn)行正交組合，設(shè)計(jì)8個(gè)樣品組和一個(gè)空白對(duì)照。Pb2+濃度越高對(duì)土壤微生物的抑制性越強(qiáng)，Pb2+濃度為0.6 g/kg時(shí)抑制率I為15.51%，Pb2+濃度為1.2 g/kg時(shí)抑制率I為36.21%。反應(yīng)前期異丙基黃原酸鈉對(duì)土壤微生物的抑制率也隨著濃度升高而增加，反應(yīng)后期異丙基黃原酸鈉對(duì)土壤微生物的影響降低。兩種物質(zhì)同時(shí)存在比單一物質(zhì)的抑制性強(qiáng)，在鉛濃度一定的條件下，高濃度的異丙基黃原酸鈉會(huì)促進(jìn)微生物放出更多的熱量。

關(guān)鍵詞：異丙基黃原酸鈉；Pb2+；微生物活性；微量熱技術(shù)

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）12-3056-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.12.016

Abstracts： Effects of Pb2+ and sodium isopropyl xanthate on microbial metabolism activity were studied by microcalorimetry， different concentrations of Pb2+ solution and sodium isopropyl xanthate solution were prepared for designing 8 samples and a control. The inhibition rate increased from 15.51% to 36.21% when Pb2+ concentration increased from 0.6 g/kg to 1.2 g/kg. High concentration of sodium isopropyl xanthate had high inhibition rate than low concentration in early stage of reaction， the inhibition to microorganisms reduced in late stage. The existence of two substances had higher inhibition rate than single substance to soil microorganisms，higher concentration of sodium isopropyl xanthate with the same Pb2+ concentration in soil promoted the release of heat.

Key words： sodium isopropyl xanthate； Pb2+； microbial activity； microcalorimetry

由于礦山資源的開(kāi)采，全世界范圍內(nèi)越來(lái)越多的土壤被重金屬污染[1]。鉛在環(huán)境中作為一種常見(jiàn)的重金屬，以其高毒性和對(duì)動(dòng)植物的危害，被列為有毒污染物[2]。礦業(yè)發(fā)展過(guò)程中，除產(chǎn)生的大量重金屬污染物之外，選冶藥劑的用量也在增加，黃藥是常見(jiàn)的捕收劑，淡黃色粉末，有毒且具有刺激性臭味。相關(guān)研究表明，低濃度的黃藥對(duì)大多數(shù)水生生物具有毒性，可以致畸[3]，經(jīng)黃藥污染的水體呈異臭，并且引起硫污染[4]。進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)中的污染物種類隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)，環(huán)境污染不再是單一污染的理想狀態(tài)，而是以各種污染物構(gòu)成的復(fù)合污染為主體[1]。特別是在礦山產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)生大量含有重金屬和浮選藥劑的廢水和廢渣，通過(guò)各種途徑污染周邊農(nóng)田土壤[5，6]。

土壤是一種復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，大量微生物的存在控制著土壤的生物活動(dòng)[7]，在物質(zhì)循環(huán)、保持土壤結(jié)構(gòu)、降解有機(jī)物質(zhì)等方面有重要的作用[8]。重金屬對(duì)微生物的影響主要是由于重金屬和微生物的相互作用，抑制微生物的基本細(xì)胞功能，影響微生物的能量代謝作用[9]。浮選藥劑對(duì)浸礦菌種的活性具有抑制作用[10]?，F(xiàn)在關(guān)于重金屬Pb2+和農(nóng)藥、持久性有機(jī)污染物的研究較多，但是關(guān)于重金屬Pb2+和浮選藥劑黃藥對(duì)土壤微生物影響的研究較少，本研究通過(guò)微量熱技術(shù)研究Pb2+和黃藥（異丙基黃原酸鈉）對(duì)土壤微生物活性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試土壤為潮褐土，土壤樣品采自河北省邯鄲市曲周農(nóng)田，該地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫12 ℃，年降水量550 mm。采集0～20 cm表層土，新鮮土壤去除植物殘?bào)w、礫石，過(guò)2 mm篩，置于塑料袋內(nèi)，并放置于4 ℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆?。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

異丙基黃原酸鈉為化學(xué)純?cè)噭?，?gòu)自薩恩化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司，Pb（NO3）2為分析純?cè)噭?，?gòu)自北京化學(xué)試劑公司，主要儀器為微量熱儀（TAMⅢ）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)Pb2+濃度，分別為600、1 200 mg/kg，兩個(gè)異丙基黃原酸鈉濃度50、100 mg/kg。并且以不同濃度的Pb2+和不同濃度的異丙基黃原酸鈉混合增加4個(gè)處理，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

1.3 微生物代謝活性的測(cè)定

TAMⅢ多通道微量熱儀監(jiān)測(cè)土壤系統(tǒng)的微生物代謝活性。首先將土壤樣品在室溫下活化24 h，稱取1 g土壤放入安瓿瓶中，然后加入不同濃度的Pb2+和異丙基黃原酸鈉溶液，并且加入0.2 mL的營(yíng)養(yǎng)液（含2.5 mg的葡萄糖和2.5 mg的硫酸銨），所有的樣品都需要保持35%的含水率，放置到微量熱儀通道中于28 ℃下測(cè)定，微量熱數(shù)據(jù)將自動(dòng)保存在電腦上，當(dāng)熱譜圖回到基線，試驗(yàn)完成。

熱力學(xué)參數(shù)包括總熱量Qt，通過(guò)功率—時(shí)間曲線積分得到，Qt值與碳源的利用量相關(guān)；最大熱功率Pm；到達(dá)最大熱功率的時(shí)間Tm；生長(zhǎng)速率常數(shù) k，k通過(guò)公式計(jì)算：kt=lnPt-lnP0，其中t為時(shí)間，P為t時(shí)刻的功率，P0為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期開(kāi)始時(shí)的功率。抑制率I通過(guò)公式計(jì)算：I=，k0是空白對(duì)照的生長(zhǎng)速率常數(shù)，kc是試驗(yàn)組的生長(zhǎng)速率常數(shù)，I是抑制率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

微量熱數(shù)據(jù)應(yīng)用Origin 8.5作圖并分析，相關(guān)性分析采用SPSS軟件分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一異丙基黃原酸鈉和Pb2+對(duì)土壤微生物活性的影響

重金屬和有機(jī)化合物對(duì)土壤微生物代謝活性存在顯著的影響[11]，不同處理?xiàng)l件下土壤微生物熱功率曲線見(jiàn)圖1。不同處理?xiàng)l件會(huì)產(chǎn)生不同的熱功率曲線，因?yàn)楫惐S原酸鈉和Pb2+對(duì)土壤微生物產(chǎn)生抑制或刺激作用。這說(shuō)明土壤微生物對(duì)不同物質(zhì)有不同耐受性，可能由于異丙基黃原酸鈉和Pb2+性質(zhì)不同，影響不同的微生物，或者微生物的不同代謝功能[9]。

在圖1a中，加入不同濃度重金屬鉛，可看出在土壤中添加鉛后出現(xiàn)二次峰現(xiàn)象，而空白土壤沒(méi)有出現(xiàn)二次峰。這可能由于土壤中產(chǎn)生了耐重金屬鉛的微生物，在鉛加入到土壤中之后，不適應(yīng)重金屬鉛的微生物迅速死亡，而耐鉛的微生物存活下來(lái)并進(jìn)行生長(zhǎng)代謝[12]。圖1b表明在土壤中添加異丙基黃原酸鈉后，微生物生長(zhǎng)被抑制，說(shuō)明異丙基黃原酸鈉對(duì)土壤微生物的生長(zhǎng)有抑制作用，加入異丙基黃原酸鈉的土壤產(chǎn)生的Pm比空白高，這可能是由于在反應(yīng)后期異丙基黃原酸鈉對(duì)微生物有促進(jìn)作用。

由圖1中熱功率曲線可以得到微生物活性特征參數(shù)，包括微生物生長(zhǎng)速率常數(shù)k、總發(fā)熱量Qt、最大發(fā)熱功率Pm，得到數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。表3空白土壤的微生物生長(zhǎng)速率常數(shù)k值最大，到達(dá)最大發(fā)熱功率Pm時(shí)間最短，除單一加入異丙基黃原酸鈉外，空白土壤Qt最大。當(dāng)土壤中加入單一Pb2+，微生物特征參數(shù)k、Qt和Pm都會(huì)下降，Pb2+會(huì)抑制土壤微生物的生長(zhǎng)，影響微生物對(duì)有機(jī)物的利用，而且濃度越高，對(duì)微生物抑制能力越強(qiáng)，這和前期研究結(jié)果一致[9]。當(dāng)土壤中加入單一異丙基黃原酸鈉，微生物特征參數(shù)k降低，100 mg/kg時(shí)的k小于50 mg/kg時(shí)的k，異丙基黃原酸鈉對(duì)土壤微生物的抑制能力隨濃度增高而增強(qiáng)。在反應(yīng)的后期Qt和Pm都會(huì)變大，而且隨著濃度的升高，其Qt和Pm都會(huì)增大?？偘l(fā)熱量Qt是土壤微生物從開(kāi)始到結(jié)束生長(zhǎng)代謝有機(jī)物放出熱量的總和，反映不同條件下土壤微生物對(duì)有機(jī)物的利用程度[13]。在土壤中添加異丙基黃原酸鈉，Qt和Pm會(huì)升高，這可能由于隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤中產(chǎn)生了耐受并且以異丙基黃原酸鈉為底物，可以降解異丙基黃原酸鈉的微生物[14]，土壤微生物以異丙基黃原酸鈉為碳源并繼續(xù)生長(zhǎng)。

2.2 復(fù)合異丙基黃原酸鈉和Pb2+對(duì)土壤微生物活性影響

圖1c和圖1d是不同濃度異丙基黃原酸鈉和Pb2+復(fù)合條件下對(duì)土壤微生物活性的影響。圖1c表示在土壤中添加Pb2+（1.2 g/kg）和不同濃度（0、50、100 mg/kg）的異丙基黃原酸鈉，在Pb2+濃度一定的條件下，微生物生長(zhǎng)速率常數(shù)k值[15]（0.007 4、0.006 5、0.004 1）隨異丙基黃原酸鈉濃度的增加而減小，說(shuō)明同時(shí)添加Pb2+和異丙基黃原酸鈉會(huì)比單一添加Pb2+對(duì)土壤微生物的抑制作用更大。由表3可知，在Pb2+濃度為1.2 g/kg時(shí)，添加濃度為100 mg/kg的異丙基黃原酸鈉，產(chǎn)生的總放熱量Qt和最大熱功率Pm比濃度為50 mg/kg時(shí)大，添加100 mg/kg異丙基黃原酸鈉的土壤到達(dá)最大熱功率的時(shí)間Tm少于添加50 mg/kg的土壤，有研究[14]表明異丙基黃原酸鈉可以被微生物分解，能被微生物分解成小分子的酸和醇，而小分子的酸和醇能被微生物作為碳源利用，所以在反應(yīng)初期兩種物質(zhì)同時(shí)存在的條件下，對(duì)土壤微生物的抑制作用最大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤中的異丙基黃原酸鈉被微生物分解，并作為碳源被微生物利用。

圖1d表示在土壤中添加Pb2+（0.6 g/kg）和不同濃度的異丙基黃原酸鈉（0、50、100 mg/kg），隨著異丙基黃原酸鈉濃度的增加，微生物生長(zhǎng)速率常數(shù)k（0.009 8、0.008 0、0.005 9）變小，這與上個(gè)研究結(jié)果一致，說(shuō)明Pb2+和異丙基黃原酸鈉復(fù)合條件下會(huì)抑制土壤微生物的生長(zhǎng)。由表3可知，在Pb2+濃度為0.6 g/kg，添加濃度為100 mg/kg的異丙基黃原酸鈉產(chǎn)生的Qt、Pm比濃度為50 mg/kg時(shí)大，而Tm則少于添加50 mg/kg的土壤。有研究[14]表明異丙基黃原酸鈉是易分解的物質(zhì)，能被微生物分解成小分子的酸和醇，而小分子的酸和醇能被微生物作為碳源利用，此結(jié)果和以上研究結(jié)論一致。

2.3 相關(guān)性分析

將Pb2+濃度、異丙基黃原酸鈉濃度和微生物活性特征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，見(jiàn)表4?？偡艧崃縌t和最大放熱功率Pm成正相關(guān)（P<0.01），即Pm越大，Qt也越大。微生物生長(zhǎng)速率常數(shù)k和到達(dá)最大功率的時(shí)間Tm成負(fù)相關(guān)（P<0.01），即微生物生長(zhǎng)速率越低，其放熱量到達(dá)頂峰的時(shí)間越長(zhǎng)。Pb2+濃度和Pm成負(fù)相關(guān)（P<0.05），隨著Pb2+濃度的增加，Pm變小，即重金屬會(huì)影響微生物的某些代謝行為，從而影響微生物釋放熱量[16]。異丙基黃原酸鈉濃度和k成負(fù)相關(guān)（P<0.05），隨著異丙基黃原酸鈉濃度的增加， k變小。異丙基黃原酸鈉濃度與Tm成正相關(guān)（P<0.05），異丙基黃原酸鈉濃度與抑制率I成正相關(guān)（P<0.05），即異丙基黃原酸鈉的加入會(huì)抑制土壤微生物的生長(zhǎng)。

3 結(jié)論

通過(guò)分析微生物的總放熱量Qt、微生物的最大放熱功率Pm、微生物生長(zhǎng)速率常數(shù)k，鉛對(duì)土壤微生物的抑制隨著Pb2+濃度升高而增加，抑制率I由15.51%上升為31.21%。

土壤中添加單一異丙基黃原酸鈉，由k的變化可知，在反應(yīng)前期抑制土壤微生物的生長(zhǎng)，而且隨著濃度的增加，其抑制率越大，在反應(yīng)后期，添加100 mg/kg異丙基黃原酸鈉的土壤Qt和Pm都比50 mg/kg的高，這可能是因?yàn)楹笃诋惐S原酸鈉被土壤微生物分解所致，反應(yīng)后期100 mg/kg的異丙基黃原酸鈉比50 mg/kg的更能刺激土壤微生物釋放熱量。

在土壤中同時(shí)添加Pb2+和異丙基黃原酸鈉之后，其微生物生長(zhǎng)速率常數(shù)都迅速降低，且比單一添加Pb2+和異丙基黃原酸鈉的生長(zhǎng)速率常數(shù)低，說(shuō)明在反應(yīng)前期兩種物質(zhì)同時(shí)存在加強(qiáng)對(duì)土壤微生物的抑制作用。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，在鉛濃度一定的條件下，添加100 mg/kg異丙基黃原酸鈉的Qt和Pm比添加50 mg/kg的土壤高，添加濃度高的異丙基黃原酸鈉比濃度低的異丙基黃原酸鈉更能影響土壤微生物，使土壤微生物放出熱量。

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