周際海,唐嘉婕,袁穎紅,黃榮霞,2,程 坤,吳雪艷,袁東東,樊后保(.南昌工程學(xué)院,江西省退化

生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330099；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036)

環(huán)境生態(tài)

石油與食細(xì)菌線蟲對土壤溫室氣體排放的影響

周際海1*,唐嘉婕1,袁穎紅1,黃榮霞1,2,程 坤1,吳雪艷1,袁東東1,樊后保1(1.南昌工程學(xué)院,江西省退化

生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330099；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036)

采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),利用人工模擬石油污染土壤并接種不同密度的食細(xì)菌線蟲,探究石油污染條件下食細(xì)菌線蟲對土壤溫室氣體排放及微生物活性的影響.本實(shí)驗(yàn)設(shè)5個處理,即:新鮮土壤(S)、5.0g/kg石油污染土壤(SP)、5.0g/kg石油污染土壤+5條線蟲/g干土(SPN5)、5.0g/kg石油污染土壤+10條線蟲/g干土(SPN10)、5.0g/kg石油污染土壤+20條線蟲/g干土(SPN20).結(jié)果表明:石油污染可以使土壤的CO2、N2O排放量明顯增加,分別是對照處理S的7.03～10.16倍、11.56～32.19倍,而對CH4的排放影響不明顯;但從溫室氣體增溫潛勢(GWP)變化可以看出石油污染對溫室效應(yīng)具有明顯的增強(qiáng)作用,是對照處理S的7.13～10.17倍;石油污染和食細(xì)菌線蟲在一定程度上增加微生物生物量碳和代謝熵(qCO2),微生物生物量碳變化的趨勢是先升高后下降,各處理的代謝熵是對照處理S的6.59～9.83倍;石油污染對熒光素二乙酸酯(FDA)水解酶活性表現(xiàn)為初期抑制后期激活;石油污染對蔗糖酶和脲酶活性主要表現(xiàn)為激活作用;食細(xì)菌線蟲一定程度上可增加石油污染土壤中酶的活性,從而影響溫室氣體CO2、N2O、CH4的排放.

石油污染；食細(xì)菌線蟲；土壤溫室氣體；微生物活性

全球變暖已經(jīng)成為21世紀(jì)人類所面臨的最主要的環(huán)境問題之一,溫室氣體濃度升高是引起全球變暖的主要原因[1].大氣中最重要的 3種溫室氣體CO2、CH4和N2O對全球變暖的貢獻(xiàn)率約為80%[2],其中CO2對全球氣候變暖的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他溫室氣體,約占60%[3],而CH4和N2O的增溫效應(yīng)分別是CO2的25倍和298倍[4],對全球變暖的貢獻(xiàn)率分別約占15%和5%[5].任何溫室氣體都可以轉(zhuǎn)換成等效的CO2值,即各種溫室氣體排放強(qiáng)度均可以用溫室氣體綜合增溫潛勢(Global warming potential,GWP)來表示[6].相關(guān)報(bào)道顯示土壤是溫室氣體重要的排放源[7],土壤溫室氣體代謝與土壤微生物和土壤有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)[8].微生物在土壤溫室氣體排放上起著至關(guān)重要的作用[9],土壤 CO2釋放通常來自土壤微生物代謝,是土壤生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié),也是土壤碳庫主要的輸出途徑[10];N2O排放來自土壤硝化和反硝化過程[11];CH4的釋放與吸收取決于甲烷產(chǎn)生菌和甲烷氧化菌的共同作用[12].此外,線蟲、蚯蚓等土壤動物在很大程度上參與了土壤 C、N物質(zhì)循環(huán)的原始過程[13-16],也可通過直接產(chǎn)生微量氣體、與微生物的取食關(guān)系和促進(jìn)“地-氣”間氣體傳輸?shù)确绞接绊懳⒘繗怏w代謝[17].微系統(tǒng)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤富化線蟲處理后,CO2和N2O排放速率顯著增加[18],說明線蟲在溫室氣體產(chǎn)生過程中具有重要作用.

近年來隨著石油開采、石油化工行業(yè)的發(fā)展及石油產(chǎn)品的廣泛使用,加之環(huán)保意識不強(qiáng),污染控制修復(fù)技術(shù)的缺乏,使得土壤石油污染越來越嚴(yán)重,并引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[19],但多數(shù)研究主要集中在石油污染土壤的理化性質(zhì)變化及修復(fù)等方面[20],包括通過模擬實(shí)驗(yàn)研究不同修復(fù)時期石油污染土壤中石油烴的表觀降解率以及生物修復(fù)過程中土壤酶活性的變化[21].也有研究表明土壤線蟲廣泛存在于石油污染土壤中,食細(xì)菌線蟲是優(yōu)勢類群[22],主要原因可能是石油污染使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加,刺激了土壤中部分微生物的生長,使土壤微生物量增加,食細(xì)菌線蟲增多[23].食細(xì)菌線蟲在土壤中可以通過取食細(xì)菌,直接或間接的影響土壤微生物數(shù)量、活性及群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響土壤元素的循環(huán)過程[13,18]. McAlexander[24]認(rèn)為石油烴類污染物進(jìn)入環(huán)境之后也是溫室氣體的一個重要來源.因此,研究石油污染土壤中食細(xì)菌線蟲與石油污染物對土壤溫室氣體排放及微生物活性的影響,對應(yīng)對全球變暖及預(yù)防土壤污染具有重要意義.本實(shí)驗(yàn)通過人工模擬土壤石油污染并接種不同密度食細(xì)菌線蟲,探究污染土壤中食細(xì)菌線蟲及石油污染物是否可以調(diào)控微生物活性,進(jìn)而影響土壤溫室氣體排放,為理解石油污染及食細(xì)菌線蟲對土壤溫室氣體排放及石油等有機(jī)物污染對溫室效應(yīng)的影響提供初步的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試土壤

土壤是采自于安徽省和縣的農(nóng)田土壤,土壤取樣深度為 0～20cm.鮮土采集后,挑出土壤中大顆粒物質(zhì),剔除石子、砂礫、植物殘?bào)w,風(fēng)干后過2mm篩子,放于4℃冰箱保存?zhèn)溆?供試土壤的基本理化性質(zhì)如下:pH 5.48,有機(jī)質(zhì)含量18.08g/kg,全氮0.58g/kg,全磷4.22g/kg,速效磷11.24mg/kg;顆粒組成如下:粗砂(1～0.25mm)含量 84.57%,細(xì)砂(0.25～0.05mm)含量0.44%,粉砂(0.05～0.02mm)含量 4.48%,粉粒(0.02～0.002mm)含量 9.14%,黏粒(＜0.002mm)含量1.37%.

1.2 去除新鮮土壤中的線蟲

將供試土壤攤成 2～3cm薄層,放入-26℃箱冰凍3d,然后轉(zhuǎn)入22℃生化培養(yǎng)箱培養(yǎng)7d;反復(fù)凍融5～7次,直至殺死土壤中含有的全部土著線蟲.在此期間用淺盤法[25]分離檢驗(yàn)線蟲,直到供試土壤中無線蟲為止.

1.3 石油污染土壤的制備

供試石油:石油原油來源于中國石化金南油田.其地面相對密度為871.4kg/m3(25℃),地面黏度為 18.7mPa·s (60℃),凝固點(diǎn)為 26.8℃,蠟質(zhì)含量24.7%,膠質(zhì)、瀝青質(zhì)總含量8.4%.

人工模擬石油污染土壤制備過程:將石油原油用丙酮完全溶解,緩緩加入到部分殺滅線蟲土壤中,充分混勻,放置于通風(fēng)櫥里,不停攪拌,待丙酮完全揮發(fā)后,將已污染土壤與其余殺滅線蟲土壤混勻,使最終石油污染土壤濃度為5.0g/kg干土.

1.4 供試線蟲

本實(shí)驗(yàn)供試線蟲是秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans),生活在土壤等環(huán)境中,是一種無毒無害、可以獨(dú)立生存的食細(xì)菌線蟲,在20℃下平均生活史為3.5d[26],常被作為模式生物用于相關(guān)研究.實(shí)驗(yàn)前對線蟲進(jìn)行表面消毒,消毒液為0.002%放線菌酮和0.1%硫酸鏈霉素的混合液[27],避免線蟲自帶的微生物影響實(shí)驗(yàn).具體做法:將用淺盤法分離得到的線蟲,收集到 50mL的塑料離心管中,2000g/min離心 10min,通過離心濃縮線蟲至離心管底部,用無菌滴管輕輕將底部線蟲液移入另一支無菌離心管中.加入雙倍濃度的消毒液,輕輕振蕩混勻,處理 5min后,2000g/ min離心 10min,吸去上清液.按上述步驟重復(fù)消毒1次,用無菌水換洗5～6次.

1.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè) 5種處理:(1)新鮮土壤(S),作為對照處理;(2) 5.0g/kg石油污染土壤 (SP);(3) 5.0g/kg石油污染土壤+5條線蟲/g干土(SPN5);(4) 5.0g/ kg石油污染土壤+10條線蟲/g干土(SPN10);(5) 5.0g/kg石油污染土壤+20條線蟲/g干土(SPN20).

試驗(yàn)步驟:(1)按照上述試驗(yàn)設(shè)計(jì),將相應(yīng)的土壤分裝到250mL三角瓶中,每瓶裝土量相當(dāng)于100g 干土重,每個處理 20個,共計(jì) 100個三角瓶;(2)按上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)添加相應(yīng)數(shù)量的線蟲,調(diào)節(jié)土壤水分至飽和含水量的 50%.全程執(zhí)行無菌操作,用硅膠塞和無菌封口膜封住瓶口,22℃下恒溫培養(yǎng) (此溫度是線蟲活性最適宜溫度),每周稱重補(bǔ)水調(diào)整含水量.于第 0,7,14,28,56d進(jìn)行破壞性采樣,每個處理隨機(jī)取4個三角瓶作為4個重復(fù),供測定分析土壤溫室氣體、土壤微生物生物量碳、土壤微生物酶活性等指標(biāo).

1.6 測定方法

1.6.1 土壤溫室氣體測定及綜合增溫潛勢(GWP)計(jì)算采用氣相色譜法測定[28]:稱取 50.0g土樣,均勻鋪于滅菌的 500mL西林瓶底,然后密封,置于25℃下黑暗培養(yǎng)24h,取出后用封閉的注射器抽取瓶內(nèi)氣體,進(jìn)行氣相色譜分析.其中,以CO2的GWP值為1,其余氣體與CO2的比值作為該氣體的GWP值,則CH4的GWP值是25,N2O的GWP值是298,即三種溫室氣體的總綜合增溫潛勢計(jì)算公式為:GWP=1×CO2釋放量+25×CH4釋放量+298×N2O釋放量.

1.6.2 微生物生物量碳(Cmic)測定采用熏蒸提取-碳自動分析儀法[29].

1.6.3 土壤酶活性分析采用比色法[30],分別測定 FDA水解酶(熒光素乙二酸酯水解法)、蔗糖酶 (3,5-二硝基水楊酸法)、脲酶(苯酚鈉-次氯酸鈉法)的活性,3種酶活性分別以每小時每克土熒光素的生成量以及 24h后每克土生成的葡萄糖量、NH3-N量來表示,并設(shè)無土與無基質(zhì)處理作對照.

1.7 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)處理用Microsoft Excel 2013,統(tǒng)計(jì)與顯著性檢測在SPSS軟件上進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 石油污染與食細(xì)菌線蟲對土壤溫室氣體排放的影響

圖1顯示的是石油污染及接種不同密度食細(xì)菌線蟲條件下,土壤CO2、N2O、CH4排放及溫室氣體增溫潛勢的變化.從圖 1A可以看出,在培養(yǎng)期內(nèi)CO2排放量總體呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢.對照處理 S的 CO2排放量較為穩(wěn)定且 CO2排放量顯著低于其他幾種處理(P＜0.05).0～7d內(nèi),CO2排放量劇增,第0d時,石油污染及接種線蟲處理的CO2排放量是對照處理S的3.18～7.89倍,顯著高于對照處理S (P＜0.05),接種線蟲處理 SPN5、SPN10、SPN20的 CO2排放量是石油污染處理SP的2.15～2.48倍,接種線蟲處理SPN5、SPN10、SPN20的CO2排放量顯著高于石油污染處理 SP.第 7d和 14d時CO2排放量達(dá)到峰值,石油污染及接種線蟲處理的 CO2排放量分別是對照處理 S的 7.03～10.16倍和6.21～9.62倍,其中第14d時,接種線蟲處理SPN5、SPN10、SPN20的CO2排放量比石油污染處理SP降低了30.78%、35.40%、23.81%;第 28d后 CO2排放量急劇減少降低趨于穩(wěn)定,石油污染及接種線蟲處理的 CO2排放量是對照處理S的2.91～4.64倍;第56d時,石油污染及接種線蟲處理的CO2排放量是對照處理S的1.93～2.25倍.

圖1B顯示N2O排放量呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢.0～14d內(nèi),N2O排放量總體上逐漸上升,14d后驟降至相對穩(wěn)定.0d時,石油污染及接種線蟲處理的N2O排放量是對照處理S的0.95～19.12倍,除了處理 SPN20與其它處理之間存在顯著差異外,其它各處理間無顯著差異(P＜0.05); 7d時,石油污染及接種線蟲處理的N2O的排放量是對照處理S的11.56～32.19倍,石油以及食細(xì)菌線蟲顯著提高了N2O排放量;14d時,石油污染及接種線蟲處理的N2O的排放量是對照處理S的0.78～2.19倍;除第56d的處理SPN5外,28d和56d的 N2O 的排放量在其它處理間無顯著差異(P＞0.05).

圖1 石油污染與食細(xì)菌線蟲對土壤CO2(A)、N2O (B)、CH4(C) 排放和GWP (D) 的影響Fig.1 Effect of oil contamination and bacterivorous nematodes on soil CO2(A)、N2O (B)、CH4(C) emission and GWP (D)

從圖1C可以看出培養(yǎng)期內(nèi)CH4的排放沒有明顯規(guī)律,除了14d時處理SPN5的CH4排放顯著高于其它處理和56d時處理SP的CH4排放顯著低于其它處理外,其它各處理間CH4排放量基本沒有顯著差異.

圖 1D是依據(jù)培養(yǎng)期內(nèi)土壤 CO2、N2O及CH4的排放量計(jì)算得到的溫室氣體增溫潛勢(GWP),其更能直觀體現(xiàn)本研究中石油污染及接種線蟲處理所能產(chǎn)生溫室效應(yīng)的相對大小.研究結(jié)果表明GWP在0～7d內(nèi)上升,14d之后下降至平穩(wěn),其中,對照處理S的GWP變化平緩,顯著低于其它幾種處理(P＜0.05).第0d時,石油污染及接種線蟲處理的GWP是對照處理S的3.01～7.77倍,其中接種線蟲處理SPN5、SPN10、SPN20間無顯著差異,而與石油污染處理 SP相比顯著提高了152%、131%、158%(P＜0.05);第7d時,石油污染及接種線蟲處理的 GWP是對照處理 S的7.13～10.17倍,接種線蟲各處理和石油污染處理相比略有下降,但沒有顯著差異;第14d時,石油污染及接種線蟲處理的GWP是對照S的5.11～7.50倍,而接種線蟲處理卻遠(yuǎn)低于石油污染處理,存在顯著差異;第28d和56d時,GWP明顯下降,但石油污染及接種線蟲處理的GWP仍然顯著高于對照處理S,是對照處理S的2.88～4.61倍和1.92～2.26倍.

相關(guān)性分析表明(表1),石油污染土壤CO2排放量及GWP與微生物量碳、蔗糖酶、脲酶活性之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),與線蟲數(shù)存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.05);N2O與微生物量碳存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05).

表1 溫室氣體、微生物量碳(Cmic)、酶活性與線蟲數(shù)量的相關(guān)性分析Table 1 The relationship between greenhouse gases, microbial biomass carbon, enzyme activity and bacterial-feeding nematodes

2.2 土壤食細(xì)菌線蟲數(shù)量變化

從圖2可以看出線蟲數(shù)量在整個培養(yǎng)期內(nèi)呈現(xiàn)先減少后增加再減少的趨勢,在0～14d內(nèi)各接種線蟲處理數(shù)量變化趨勢基本一致,即SPN20＞SPN10＞SPN5;第 28d時,處理線蟲數(shù)量SPN10＞SPN20＞SPN5,各處理間存在顯著性差異(P＜0.05);第 56d時各處理之間線蟲數(shù)量沒有明顯差異,但 SPN5的線蟲數(shù)略高于 SPN10和SPN20.

圖2 食細(xì)菌線蟲數(shù)量變化Fig.2 Variation of the bacterial-feeding nematodes during the experiment

2.3 石油污染與食細(xì)菌線蟲對微生物生物量碳(Cmic)、代謝熵(qCO2)的影響

圖3 石油污染與食細(xì)菌線蟲對微生物生物量碳(Cmic)的影響Fig.3 Effect ofoil contamination and bacterivorous nematodes on microbial biomass carbon (Cmic)

從圖 3可以看出石油污染和接種食細(xì)菌線蟲條件下,微生物生物量碳隨時間變化呈現(xiàn)出先上升后下降趨于平穩(wěn).第0d時,除處理SPN10的微生物生物量碳比對照處理S降低17.97%,存在顯著差異外(P＜0.05),其他處理間無顯著差異;第7d時,微生物生物量碳有所上升,石油污染及接種線蟲處理的微生物生物量碳是對照處理 S的1.03～1.29倍;第14d時,石油污染及接種線蟲處理的微生物生物量碳是對照處理S的1.11～1.33倍,且處理 SPN10、SPN20的微生物生物量碳顯著高于對照處理 S(P＜0.05);第 28d 時,處理 SP、SPN5、SPN10的微生物生物量碳顯著高于對照處理 S和處理 SPN20(P＜0.05);第 56d時,處理SPN20微生物生物量碳顯著高于其它處理(P＜0.05),而其他處理間無顯著差異.

由圖 4可知,微生物代謝熵(qCO2)在培養(yǎng)過程中大體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.在0～14d 內(nèi), qCO2總體呈上升趨勢,14d后qCO2降低.石油污染及接種線蟲處理的qCO2顯著高于對照處理S,最高為對照處理S的6.59～9.83倍,其中接種線蟲處理SPN5、SPN10、SPN20的qCO2比石油污染處理SP增高110%～164%.

圖4 石油污染與食細(xì)菌線蟲對微生物代謝熵(qCO2)的影響Fig.4 Effect of oil contamination and bacterivorous nematodes on metabolic entropy (qCO2)

2.4 石油污染與食細(xì)菌線蟲對土壤 FDA水解酶、蔗糖酶、脲酶活性的影響

圖5展示的是FDA水解酶、蔗糖酶和脲酶活性在培養(yǎng)過程中的變化.由圖 5A可見實(shí)驗(yàn)初期,石油污染及接種線蟲處理的FDA水解酶活性比對照處理 S顯著降低了 23.96%～42.64% (P＜0.05),但石油污染及接種線蟲處理間無顯著差異;第7d時,石油污染及接種線蟲處理的FDA水解酶活性是對照處理S的1.13～1.54倍;第14d時,石油污染及接種線蟲處理的FDA水解酶活性是對照處理S的1.31～1.77倍,石油污染及接種線蟲處理間無顯著性差異但顯著高于對照處理 S;第28d后各處理的FDA水解酶活性無顯著差異.

圖5 石油污染與食細(xì)菌線蟲對FDA水解酶 (A)、蔗糖酶 (B)、脲酶 (C) 活性的影響Fig.5 Effect of oil contamination and bacterivorous nematodes on FDA (A), invertase (B) and urease (C) activity

由圖5B知,對照處理S的蔗糖酶活性相對穩(wěn)定,與對照處理S相比石油污染及接種線蟲增強(qiáng)了蔗糖酶的活性.實(shí)驗(yàn)初期,除處理 SPN20的蔗糖酶活性與對照處理S無顯著性差異外,其它處理蔗糖酶活性顯著高于對照處理 S,且是對照處理S的1.47～1.58倍;第7d時,各處理的蔗糖酶活性是對照處理S的1.16～2.03倍;第14～56d內(nèi),石油污染及接種線蟲處理的蔗糖酶活性均顯著高于對照處理S.

圖 5C顯示脲酶活性表現(xiàn)為先增后降.實(shí)驗(yàn)初期,各處理的脲酶活性無顯著性差異(P＞0.05);第 7d時,接種線蟲處理 SPN5、SPN10、SPN20的脲酶活性顯著高于對照處理S(P＜0.05),是對照處理S的2.10～2.53倍,且是未接種線蟲處理SP的2.32～2.79倍;第14d時,各處理的脲酶活性是對照處理 S的 0.95～1.78倍;第 28d時,除處理SPN10與對照處理S無顯著差異外,其他處理的脲酶活性顯著高于對照處理S (P＜0.05);第56d時,石油污染及接種線蟲處理的脲酶活性和對照處理存在顯著差異,是對照處理S的1.52～1.93倍.

3 討論

CO2、CH4、N2O作為主要的溫室氣體,在大氣中含量較高,易受人類活動影響,且CH4和N2O都具有較長的大氣壽命[31],目前衡量溫室氣體增溫能力的一個指標(biāo)是溫室氣體綜合增溫潛勢(GWP).本研究發(fā)現(xiàn)石油污染能增加土壤 CO2排放,且污染初期 CO2排放量劇增,而后期又降低,主要原因是石油等有機(jī)污染物進(jìn)入土壤后一方面可作為碳源增加部分土壤微生物的呼吸作用,另一方面可能對大部分微生物有毒害而促進(jìn)其增強(qiáng)呼吸作用以適應(yīng)環(huán)境脅迫,CO2排放量增加;后期由于石油分解減少,對微生物的脅迫作用減弱,CO2釋放量也隨之減少.大多數(shù)研究認(rèn)為線蟲對系統(tǒng)呼吸具有促進(jìn)作用[32],也有利用微系統(tǒng)試驗(yàn)研究接種兩種不同線蟲,發(fā)現(xiàn)線蟲能增加系統(tǒng)CO2的排放[33],而本研究卻發(fā)現(xiàn)線蟲可以在石油污染土壤中定殖,但線蟲添加卻降低了石油污染土壤 CO2的排放,這與大多數(shù)研究結(jié)果不一致[18,32-33],可能是因?yàn)槭臀廴疚锘蚱渌廴疚锏拇嬖趯ν寥览砘再|(zhì)及微生物性質(zhì)產(chǎn)生了影響,進(jìn)而直接或間接的對線蟲的代謝造成了不同影響導(dǎo)致的.圖1A和圖4表明第7d和第14d時接種線蟲能在石油污染環(huán)境中降低 CO2排放和微生物代謝熵,可能是食細(xì)菌線蟲能調(diào)控微生物群落,加快石油降解速度,從而減少對微生物的脅迫作用.研究表明土壤中相關(guān)微生物的種群豐度、群落結(jié)構(gòu)與活性對N2O的排放具有重要影響[34],石油和食細(xì)菌線蟲可能通過改變硝化微生物和反硝化微生物的菌群豐度和結(jié)構(gòu)來影響土壤硝化作用和反硝化作用過程.實(shí)驗(yàn)初期,接種線蟲處理的N2O排放量高于未添加線蟲的處理,可能是添加食細(xì)菌線蟲有利于提高土壤中與氮轉(zhuǎn)化有關(guān)的微生物活性,促進(jìn)氮的礦化,使N2O排放增加[35];而第14d后,各處理N2O排放量顯著降低,可能是后期土壤中可利用氮源減少,而導(dǎo)致微生物代謝產(chǎn)生的N2O減少.由圖1A和圖1D可以看出本研究的GWP的變化趨勢與CO2的排放趨勢相近,即GWP變化主要取決于CO2排放量,說明CO2是產(chǎn)生溫室效應(yīng)最主要的氣體.本研究也發(fā)現(xiàn)石油污染土壤溫室氣體的排放與土壤微生物活性及數(shù)量成顯著正相關(guān),而與線蟲數(shù)量有顯著負(fù)相關(guān) (表 1),進(jìn)一步說明土壤溫室氣體的產(chǎn)生與微生物及土壤線蟲有著密切關(guān)系.圖 2也說明了線蟲可以在石油污染土壤中正常生長繁殖,進(jìn)一步驗(yàn)證了肖能文等[22]在石油污染土壤中發(fā)現(xiàn)了大量食細(xì)菌線蟲,但接種不同密度線蟲的增殖趨勢不同,這可能與土壤中能夠被取食的細(xì)菌數(shù)量變化有關(guān).該研究結(jié)果表明,土壤受石油污染會導(dǎo)致全球變暖風(fēng)險增加,這與 McAlexander[24]的觀點(diǎn)是一致的,而石油污染土壤中食細(xì)菌線蟲的存在可能對溫室氣體排放起到一定降低作用.

微生物生物量碳能反應(yīng)土壤微生物量的大小[36],雖然其在土壤有機(jī)質(zhì)中占很小一部分,卻是土壤碳素養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)研究中的重要參數(shù),可以較直觀地反映土壤微生物和土壤肥力狀況[37].本研究發(fā)現(xiàn)石油污染土壤微生物生物量碳在培養(yǎng)期內(nèi)先增加后減少,這與在不同撲草凈濃度污染土壤中接種不同密度線蟲研究的土壤微生物生物量碳的變化趨勢類似[38].土壤微生物生物量碳先增加可能是因?yàn)槭妥鳛橐活愄荚?可促進(jìn)部分土壤微生物生長,增加微生物數(shù)量;實(shí)驗(yàn)后期微生物生物量碳降低且趨近于實(shí)驗(yàn)初期狀態(tài),可能是石油含量減少導(dǎo)致微生物活動減弱、數(shù)量減少并逐漸恢復(fù)到正常狀態(tài).

土壤酶活性可以表征土壤物質(zhì)、能量代謝的旺盛程度,也可以作為評價土壤肥力高低和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣的一個重要生物指標(biāo)[39].土壤FDA水解酶活性是多種酶活性的體現(xiàn),包括蛋白酶、脂肪酶和酯酶等[40],能有效反應(yīng)土壤微生物活性的變化.本研究發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)初期,各處理的 FDA水解酶活性顯著低于對照處理 S,可能是石油污染初期對大部分微生物生長及代謝產(chǎn)生了抑制作用;試驗(yàn)后期,FDA水解酶活性增加,一方面可能是微生物適應(yīng)了污染環(huán)境,另一方面可能是能夠利用分解石油的微生物增殖,使FDA水解酶活性提高.除第56d外,接種線蟲處理的FDA水解酶活性高于石油污染處理SP,說明線蟲的活動間接或直接促進(jìn)了微生物活性的提高.蔗糖酶可以將蔗糖催化成葡萄糖和果糖,增加土壤中的易溶性營養(yǎng)物質(zhì),與土壤碳素循環(huán)密切相關(guān)[41],其活性可以反映土壤中碳元素的轉(zhuǎn)化和呼吸強(qiáng)度,石油污染處理的蔗糖酶活性顯著高于對照處理 S,可能是因?yàn)槭蜑槲⑸锾峁┐罅刻荚?呼吸增強(qiáng),蔗糖酶活性也增加;第 7d時,接種食細(xì)菌線蟲處理增加了蔗糖酶活性,可能是在短期內(nèi)食細(xì)菌線蟲促進(jìn)了土壤微生物的繁殖,從而使蔗糖酶活性升高.脲酶是一種高度專性的酶,能促使尿素水解成氨、水、CO2,其活性大小能反應(yīng)土壤的氮素轉(zhuǎn)化情況[42].研究發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)后期石油污染對脲酶活性起到了促進(jìn)作用,可能是石油為土壤微生物提供了氮源,促進(jìn)了微生物增殖,增加了脲酶活性;接種食細(xì)菌線蟲也能增加脲酶活性,可能是線蟲刺激微生物增殖,進(jìn)而提高脲酶活性,從而加快土壤氮素礦化.食細(xì)菌線蟲刺激細(xì)菌增殖和活性增強(qiáng)的機(jī)理可能包括以下幾個方面[43]:(1) 細(xì)菌可從線蟲的分泌物和排泄物中得到更易利用的營養(yǎng);(2) 線蟲的移動可將細(xì)菌攜帶、傳播到營養(yǎng)物質(zhì)更豐富的區(qū)域;(3) 部分細(xì)菌通過線蟲腸道后仍保持活性,并在腸道內(nèi)獲得某些激素和限制性營養(yǎng)物質(zhì),被排出后生長加快;線蟲可通過減少基質(zhì)的限制作用,使細(xì)菌保持在對數(shù)生長期的高活性水平.

4 結(jié)論

4.1 石油污染物可使溫室氣體CO2、N2O排放量明顯增加,而對CH4的排放影響無明顯規(guī)律,溫室氣體綜合增溫潛勢 (GWP) 明顯上升,土壤受石油污染后可加劇溫室效應(yīng).

4.2 石油污染物可作為部分微生物的能量來源,在一定程度上促進(jìn)了微生物生物量碳及代謝熵的增加.

4.3 石油污染對 FDA水解酶活性表現(xiàn)為初期抑制后期激活,而對蔗糖酶和脲酶活性主要表現(xiàn)為激活作用.

4.4 食細(xì)菌線蟲能夠在石油污染土壤中調(diào)控微生物活性及數(shù)量,影響溫室氣體的排放.

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The influences of oil contamination and bacterial-feeding nematodes on greenhouse gas emissions.

ZHOU Ji-Hai1*, TANG Jia-Jie1, YUAN Ying-Hong1, HUANG Rong-Xia1,2, CHENG Kun1, WU Xue-Yan2, YUAN Dong-Dong1, FAN Hou-Bao1(1.Jiangxi Key Laboratory for Restoration of Degraded Ecosystems & Watershed Ecohydrology, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China；2.School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3497～3505

A laboratory experiment was set up to explore the influences of oil pollution and bacterial-feeding nematodes greenhouse gas emissions and soil microbial activities. There were 5 treatments in this experiment:soil (S) as the control,5.0g/kg oil contaminated soil (SP),5.0g/kg oil contaminated soil + 5 nematodes/g dry soil (SPN5),5.0g/kg oil contaminated soil + 10nematodes/g dry soil (SPN10),5.0g/kg oil contaminated soil + 20 nematodes/g dry soil (SPN20). Compared with the control, the emissions of CO2, N2O increased by 7.03～10.16 times, 11.56～32.19 times respectively in oil contaminated soil, and the emission of CH4wasn’t impacted obviously. The oil pollution has seriously aggravated the greenhouse effect judging by the dynamic of global warming potential (GWP), and greenhouse effect has increased by 7.13～10.17times compared with the control. Oil pollution and bacterial-feeding nematodes increased microbial biomass carbon and metabolic entropy (qCO2) to a certain extent, with the microbial biomass carbon increasing at first and then decreasing. Compared with the control, the metabolic entropy of other treatments was about 6.59～9.83 times higher. The fluorescein diacetate (FDA) hydrolysis activity was inhibited before being enhanced in oil contaminated soil. While the activities of soil invertase and urease were enhanced in oil contaminated soil. To some extent, the bacterial-feeding nematodes can promote soil enzyme activity, and affect the emissions of greenhouse gases, CO2, N2O, and CH4.

oil pollution；bacterial-feeding nematodes；soil greenhouse gases；soil microbial activity

X53

A

1000-6923(2017)09-3497-09

2016-12-28

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ20151118);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31460149);江西省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(20161BBG70050);2016南昌工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃

* 責(zé)任作者, 副教授, zhoujihai2006@163.com

周際海(1973-),男,安徽和縣人,副教授,博士,主要從事土壤污染修復(fù)研究.發(fā)表論文20余篇.