重金属复合污染对水稻土微生物生物量和群落结构的影响

以浙江富阳小冶炼厂附近水稻土为例,采用氯仿熏蒸法、稀释平板培养法和磷脂脂肪酸(PLFA)技术研究了重金属复合污染对水稻土微生物生物量和群落结构的影响。结果表明,自然状态下铜、锌、镉、铅复合污染降低了土壤微生物量。土壤微生物群落结构对重金属复合污染产生了响应,约41.82%的土壤微生物群落结构的改变可由重金属污染来解释。污染程度高的土壤中,含脂肪酸12∶0,i15∶0,i17∶0,18∶0,i16∶0,19∶0相对较高的微生物占优势,而在污染程度低的土壤中,含脂肪酸20∶2ω6,9 c,20∶0,16∶1ω9 c,a15∶0,a16∶0,18∶1ω7,10M e16∶0,10M e19∶0的相对含量较高的微生物占优势。反映在具体类群上,随着污染程度的增加,微生物向着Cm ic/Nm ic低、真菌相对含量增加,放线菌与革兰氏阴性菌含量相对减少的趋势发展。     

微生物菌剂对猪粪堆肥过程中堆肥理化性质和优势细菌群落的影响

  【目的】  掌握猪粪堆肥过程中微生物群落的演替规律与理化指标的相互关系,对提高猪粪堆肥营养品质和加速堆肥进程具有重要的意义。  【方法】  以猪粪和玉米秸秆 (质量比6∶1) 混合物为堆肥原料,耐高温菌剂主要含Acinetobacter pittii、Bacillus subtilis subsp. Stercoris和Bacillus altitudinis。堆体设接种菌剂 (MI) 和未接种 (对照,CK) 两个处理。常规监测堆肥温度和理化指标值,于堆肥开始后第4、12、24和32天采集样品,以16S rRNA高通量测序技术研究堆肥细菌群落的变化。用堆肥第4、12、24和32天采集的新鲜样品制备浸提液,进行紫花苜蓿种子发芽试验。堆肥结束时,测定全氮、全磷和全钾含量,并探讨微生物菌剂对堆肥理化指标和细菌群落演替的影响。  【结果】  接种微生物菌剂可使堆肥高温期提前2天出现,并且能延长高温期2天。堆肥浸提液的促生试验发现,在堆肥24天后紫花苜蓿种子发芽指数 (GI) 大于80%,且MI对幼苗主根的促生能力大于CK (P < 0.05)。随着发酵过程的进行,堆体体积不断缩小,CK和MI中全钾 (TK) 和全磷 (TP) 含量一直呈增加趋势,在堆肥第32天,CK和MI的全磷含量分别为2.28%和2.63%,处理间差异显著 (P < 0.05),而全钾含量分别为1.81%和1.86%,全氮含量分别为2.65%和2.63%,pH分别为8.72和8.78,处理间差异均不显著。在整个堆肥过程中,MI和CK的pH变化范围分别为8.40～8.95和8.61～8.93;CK和MI中总有机碳 (TOC) 的降解速率在堆肥的4～12和24～32天均表现为MI大于CK,CK和MI的碳氮比 (C/N) 分别为13.28和15.26,差异显著 (P < 0.05)。堆肥过程中在门水平上占据主导地位的细菌群落主要包括 Proteobacteria、Actinobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes,在堆肥的高温期 (堆肥24天),堆体CK和MI中Firmicutes的相对丰富度分别为17.4%和59.8%;在堆肥的升温期、高温期和腐熟期,优势门水平细菌群落Proteobacteria、Firmicutes和Actinobacteria依次演替,且MI堆体中细菌群落的相对丰度均大于CK。属水平优势细菌为Acinetobacter、Lysinibacillus、Solibacillus、Pseudomonas和Flavobacterium,添加微生物菌剂可使Acinetobacter的丰度在堆肥第4天增加21.41%,此外,添加复合微生物可使堆肥第12天的Shannon和Observed species指数增加。相关性分析表明,温度、全N (TN)、TP、TK、TOC及GI与堆体中细菌组成具有显著相关性,而pH和细菌的相关性不显著。  【结论】  在堆体内接种微生物菌剂可显著提高并维持堆肥过程中优势门、属细菌群落的丰度,进而促进堆体升温并延长高温时期,缩短堆肥腐熟周期,加快总有机碳的分解,最终提高堆肥产品中有效磷的含量。复合微生物菌剂在堆肥升温期起主要作用的为Acinetobacter pittii,高温期为Bacillus subtilis subsp. Stercoris和Bacillus altitudinis,我们建议筛选耐高温细菌时应集中在厚壁菌门的芽孢杆菌属。     

重金属锌对猪粪堆肥过程中氧化还原类酶活性的影响

以猪粪和秸秆为主要试验材料,添加不同浓度重金属Zn,采取发酵罐处理方法,在好氧高温条件下研究了重金属Zn对猪粪堆肥过程中多酚氧化酶、脱氢酶活性的变化,以及堆腐过程堆体温度、堆料pH值、胡敏酸E4/E6值的变化。结果表明：（1）低量重金属Zn处理（L）较不添加重金属Zn（CK）和添加高量重金属Zn（H）堆料升温快、温度高、高温持续时间长。（2）重金属Zn的加入对堆料的pH值影响不大,不是影响堆肥进程的直接原因。（3）H处理在整个堆肥过程中E4/E6值均高于L和CK,表明高浓度Zn处理抑制腐殖质的缩合和芳构化。（4）L处理的多酚氧化酶活性大多数时间高于H处理的活性,说明低量重金属Zn更好地促进了木质素的降解及其产物的转化。（5）从整个堆肥过程来看,3个不同处理的脱氢酶活性表现出一定的不稳定性,可能是重金属对脱氢酶活性有抑制作用的同时发生＂抗性酶活性＂现象。     

不同类型粪肥还田对土壤酶活性及微生物群落的影响

畜禽粪便作为有机肥还田可以维持和提高土壤有机质、改良土壤,有利于农业可持续发展。不同类型粪肥还田后对土壤生物学性状的影响不同,为探究这一问题,在内蒙古乌兰察布市设置田间试验,包括化肥(F)、羊粪(GM)、猪粪(PM)、牛粪(CM)4个处理,研究其对土壤养分、酶活性及微生物群落的影响。结果表明,施用粪肥较化肥具有增加土壤有机质、全氮、有效磷、铵态氮等养分含量的趋势。不同粪肥较化肥处理的土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性最高增幅分别为32.4%、150.4%、26.8%和30.1%。牛粪处理的土壤微生物生物量碳氮显著提高,分别较化肥增加33.2%和33.4%。不同处理在细菌门水平上的优势种群较一致,放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)是优势种群。本试验条件下,牛粪处理更能提高土壤微生物生物量碳氮,短期内施用不同粪肥对于提高土壤微生物群落多样性差异不显著,土壤pH、有效磷、铵态氮是影响土壤微生物群落结构的主要环境因子。     

猪粪堆制过程中主要酶活性变化

通过室内模拟堆肥,研究了以猪粪为主体材料的发酵过程中的生物化学变化特征。结果表明,猪粪在发酵初期(0～25d)的干物质损失在30%左右,而中后期虽然时间较长,但其干物质损失仅占7%。发酵过程中除过氧化氢酶外,各主要酶活性均呈现不断下降并逐步稳定的趋势。发酵周期内多酚氧化酶和蛋白酶活性出现两次高峰,表明了堆肥内不同时期有机碳、含氮化合物分解和腐殖化进程的强度变化。在堆肥快速分解阶段,转化酶活性下降95%,脲酶、纤维素酶活性下降70%以上,且稳定维持在较低水平,以此可作为判定猪粪堆制过程中腐熟程度的定量生化指标。     

氯氰菊酯与铜复合污染对土壤微生物群落的影响

采用常规手段研究了土壤在受氯氰菊酯、铜及二者复合污染后土壤呼吸率及微生物量碳的变化,采用了分离效果较好的双变性梯度凝胶电泳（DG—DGGE）技术研究微生物群落的变化。结果表明,低浓度的铜与高浓度的氯氰菊酯复合污染更能促进微生物量碳及土壤呼吸率的增加,微生物的群落结构也会受到明显影响。而两种污染物分别单独作用时,铜对微生物的胁迫更大,有铜组和无铜组在DGGE条带上差异较大,Shannon指数上也有明显不同。当铜的浓度较高时,加入高浓度的氯氰菊酯在较长的时间后（60d）对土壤呼吸作用、微生物量碳有一定影响,可能高浓度氯氰菊酯的加入在一定程度上减弱了高浓度铜对微生物的胁迫,而微生物群落并无显著的变化。     

植物修复对重金属镍污染土壤微生物群落的影响

采用室内盆栽试验方法,研究了外源镍污染土壤的植物修复对土壤微生物群落的影响。试验用水稻土中添加NiSO4.6H2O(100~1 600 mg kg-1)经过12周的驯化培养后,种植了2种超累积植物和1种耐性植物,经110 d的试验后进行了植物修复后土壤微生物活性的分析。结果表明,非根区土中添加镍的质量分数为100 mg kg-1时,对土壤中细菌、真菌和放线菌总数有一定的促进作用,土壤中微生物生物量最大;当添加镍的质量分数大于100 mg kg-1时,将对土壤微生物群落造成不利的影响。在植物修复过程中,通过植物的减毒(吸收重金属)作用和根系分泌物的作用,改善了土壤微生物的生存环境,提高了土壤微生物的数量和生物量。经过植物修复后,根区土壤微生物较非根区土壤的丰富,土壤微生物群落总DNA序列多样性指数相应增加,但不同植物对根区土壤微生物的贡献是不同的。     

外源腐解微生物的物种组合对土壤微生物群落结构及代谢活性的影响

本文采用饲料类芽孢杆菌(Paenibacillus pabuli,P)、深红紫链霉菌(Streptomyces violaceorubidus,S)和黄绿木霉(Trichoderma aureoviride,T),组合构建了3种单菌剂(P、S和T)、3种两菌种复合菌剂(PT、PS和ST)及1种3菌种复合菌剂(PST),并将之添加到红壤中,监测各菌剂添加后土壤总磷脂脂肪酸(PLFAs)量、特征微生物PLFAs百分含量、土壤呼吸速率及总代谢熵的变化,旨在探明外源腐解微生物的物种组合对土壤微生物群落结构和代谢活性的影响,进而为优化有机物分解菌剂种群配置提供参考。结果显示,添加单菌剂的P、S和T处理及添加两菌种复合菌剂的PT和PS处理,土壤微生物生物量显著增加,增幅17.2%~121.6%(P0.05)。添加外源腐解微生物后,各处理的土壤微生物群落的细菌百分含量基本稳定在79.6%~83.1%,真菌百分含量显著增加8.8%~50.6%;而放线菌百分含量除P和ST处理外,其他处理显著降低9.4%~69.8%。PLFAs数据的主成分分析表明,各外源菌剂处理与CK处理间的群落结构变异由小到大依次为:接种单菌剂的P、S和T处理,接种两菌种复合菌剂的PT、PS和ST处理,接种3菌种复合菌剂的PST处理。添加单菌剂的P、T处理以及添加两菌种复合菌剂的ST处理,在短期内影响了土壤微生物的对数生长,使土壤呼吸速率的峰值分别提高48.7%、53.7%和78.7%;且外源腐解微生物组合的物种数量越多,土壤微生物进入潜伏期所需的时间越长。从外源腐解微生物对土壤肥力的长期影响来看,两菌种复合菌剂ST的添加使土壤微生物代谢活性提高28.9%,因此该处理的土壤碳矿化量增加11.1%;添加单菌剂的S处理使土壤微生物代谢活性显著降低32.4%,因此该处理的土壤碳矿化量仅降低7.3%;而添加两菌种复合菌剂的PS处理和3菌种复合菌剂的PST处理,在保持代谢活性不变的情况下,其土壤碳矿化量也降低5.8%~8.7%,其原因有待进一步研究。综上所述,外源腐解微生物的添加会改变土壤微生物的群落结构及其生长轨迹,且随外源腐解微生物组合的物种数量增多这一干扰程度越大,而土壤微生物代谢活性与外源腐解微生物组合的物种数量无显著相关性。     

保护性耕作对黑土微生物群落的影响

耕作方式通过影响土壤微生物群落而影响土壤生态系统过程。本研究以传统耕作玉米连作处理为对照,通过测定土壤微生物量碳及磷脂脂肪酸含量,分析了保护性耕作(包括免耕玉米连作和免耕大豆-玉米轮作)对黑土微生物群落的影响。结果表明,保护性耕作可显著增加土壤表层(0～5cm)全碳、全氮、水溶性有机碳、碱解氮和微生物量碳(P0.05),为微生物代谢提供了丰富的资源。同时,保护性耕作显著提高了土壤表层(0～5cm)总脂肪酸量、真菌和细菌生物量(P0.05),提高了土壤的真菌/细菌值,有利于农田土壤生态系统的稳定性。研究结果对于探讨保护性耕作的内在机制具有重要意义。     

增施有机肥对黄河三角洲盐碱地碳氮组分和微生物群落的影响

为探究增施有机肥对盐碱土壤有机碳氮组分和微生物群落的影响,以2018年开始的黄河三角洲盐碱垦殖区小麦—玉米轮作样地为研究对象,通过分析3种处理(普通化肥CN、化肥+猪粪有机肥PCOF和不施肥CK)下土壤有机碳氮组分含量和微生物群落对增施有机肥措施的响应,以期为黄河三角洲盐碱地改良和农业可持续发展提供理论依据。结果表明:(1)肥料的投入对盐碱土壤起着积极促进作用,增施有机肥与单施化肥相比,土壤氮磷钾等基础养分含量分别显著提高15.6%,251.7%,65.2%(p＜0.05),耕层结构得到改善。(2)增施有机肥有助于土壤有机碳、氮活性组分升高,颗粒有机碳(POC)、可溶性有机碳(DOC)和微生物量碳(MBC)较CN分别显著提高40.8%,13.2%和69.1%;酸解总氮(HTN)和酸解氨基酸态氮(AAN)分别显著提高11.6%和33.3%。单施化肥相比CK,易氧化有机碳(EOC)和MBC分别显著提高32.9%和17.5%,有机氮组分未产生显著影响。(3)经3年有机肥增施,细菌群落多样性和真菌群落丰富度较CK和CN显著提高,酸杆菌门、绿弯菌门和子囊菌门等有益菌群的相对丰度增加。(4)冗余分析(RDA)显示,有机碳和有机氮组分与微生物群落中有益菌门的相对丰度呈显著正相关关系,与贫营养型菌门相对丰度呈显著负相关关系。综上表明,增施有机肥是提高盐碱土壤有机碳氮组分、细菌群落多样性和真菌群落丰富度的有效措施。     

猪粪堆肥快速发酵菌剂及工艺控制参数初步研究

采用L（934）正交设计在模拟发酵池中研究了辅料配比（秸秆添加量梯度为5%、7.5%、10%）、物料含水量（梯度为40%、50%、60%）、通风量（通风时长为10、20、30min）以及外源菌剂（空白、BN1菌剂、EM菌剂）等因素对猪粪堆肥效果的影响。其中BN1为课题组自制菌剂,在测定了菌种纤维素酶活性的基础上,作为外源菌剂接种猪粪堆肥。通过监测堆肥过程中各处理的温度变化,测定堆肥样品总养分含量、堆肥结束后的C/N,并进行感官分析等对堆肥效果进行加权评分。结果表明,猪粪堆肥最佳环境控制参数为秸秆添加量为5%,通风量为每立方米物料102m^3·d^-1,物料含水量60%,自制菌剂BN1能促进猪粪堆肥快速发酵。     

起爆剂促进猪粪堆肥腐熟研究

利用工厂化高温好氧堆肥方式,探究了有机肥起爆菌剂对猪粪堆肥腐熟效率的影响。通过工厂试验,以猪粪为原料,稻壳为辅料,设置对照Z1和接种起爆剂处理Z2,研究堆肥过程中不同堆体的温度、pH、EC、C/N和养分等理化指标的变化及堆体腐熟效率的差异。对照Z1与处理Z2的堆体温度在高于55℃的时间均持续了18 d以上,Z2处理的升温速率和温度最高值均高于对照Z1;两堆体的pH和EC值变化无显著差异,至堆肥结束,堆体Z1的pH稳定在7.45左右,Z2的pH稳定在7.25左右;堆体Z1和Z2的C/N分别下降了46.39%和51.33%,全碳含量分别下降了43.18%和47.34%,全氮含量分别上升了5.94%和9.28%;Z1和Z2的NH_4~+-N和NO_3~–-N具有类似的变化趋势;至第28天,Z2的发芽指数已达100%,说明肥料已完全腐熟,而Z1此时的发芽指数仅为85%;堆肥结束时,Z1和Z2的最终总养分含量(N、P2O5、K_2O)分别达51.63 g/kg和52.67 g/kg。结果表明接种有机肥起爆剂能够有效加快堆肥腐熟。     

不同处理方式对奶牛粪细菌群落多样性及群落结构的影响

以腐熟牛粪、新鲜牛粪以及蚯蚓粪为材料,提取其微生物总DNA,利用细菌16SrDNAV3区扩增及变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）法,分析了3种材料中细菌的多样性以及细菌群落结构的相似性。结果表明,蚯蚓粪的细菌多样性最丰富,腐熟牛粪次之,新鲜牛粪的细菌多样性最小。蚯蚓粪和腐熟牛粪的细菌群落结构有40%的相似性;蚯蚓粪和新鲜牛粪的细菌群落结构的相似性为25%;新鲜牛粪和腐熟牛粪的细菌群落结构的相似性则为35%。     

超声和酸化对猪粪中Cu、Zn去除的影响

为了探讨利用超声和酸化来去除猪粪中的重金属,本文采用含固率为3％的猪粪溶液研究了超声和酸对其中cu、zn的去除以及影响因素。结果表明：酸可以去除猪粪中的cu、zn,且随着酸溶液加入量和JJn／k无机酸后反应时间的增加,猪粪中cu、zn的去除率提升,在猪粪溶液中加入酸调pH达到0．70,反应3h后猪粪中cu、zn的去除率可以达到58．70％、81．85％;超声也可以去除猪粪中的cu、zn,随着超声频率和超声时间的增加,猪粪中cu、zn的去除率提升,在40kHz超声90min,猪粪中cu、zn的去除率可分别达到87．43％、76．48％。超声与酸结合作用时,猪粪中cu、zn的去除率大于单独用酸或超声时的去除率。     

微生物菌剂对麦草、鸡粪高温堆肥进程及质量的影响

通过鸡粪与麦草静态高温好氧堆肥,对接种微生物菌剂的堆肥处理与不接种微生物菌剂的常规堆肥过程中温度、碳氮比（C/N）、铵态氮以及种子发芽指数（GI）的变化进行了比较分析。结果表明：与不接种微生物菌剂比较,接种自制微生物菌剂CM和市售的有机废弃物发酵菌曲JM堆肥温度提前3d达到最高温度60℃;接种微生物菌剂CM和JM堆肥经过14d其C/N就由30降为15以下,较不接种提前10d;接种微生物菌剂CM和JM堆肥经过20d其NH4＋-N含量分别达到1.42,1.54g/kg,显著低于对照的2.01g/kg;经过14d的堆肥处理,接种CM、JM菌剂以及不接种的堆肥GI分别为57,48,32。研究表明,接种微生物菌剂CM、JM有助于麦草和鸡粪的快速腐熟,接种CM菌剂较接种JM菌剂有助于堆肥质量的提高。     

不同畜禽粪便好氧堆肥过程中重金属Pb Cd Cu Zn的变化特征及其影响因素分析

畜禽粪便中的重金属含量及其生物有效性是限制其农业利用的重要因素。采用好气模拟培养方法对6种畜禽粪便好氧堆肥过程中Pb、Cd、Cu、Zn的总量以及生物有效性动态变化进行研究探讨,并分析了影响重金属生物有效性的因素。结果表明,根据现有的国际以及我国农用污泥农用标准,某些粪便中存在着Cd、Cu、Zn含量超标,由于饲料受重金属污染的不同,造成不同畜禽粪便中不同的重金属含量差异性较大。堆肥过程中,由于挥发性物质的挥发作用,4种重金属含量均呈现增加现象,尤其是在0～14 d的堆肥中增加量最高;而生物有效性重金属占其全量重金属的比例呈现先增加而后下降的趋势,除仔猪粪外,堆肥均能降低重金属生物有效性部分的比例,这将有利于降低其农业利用的风险。温度和水溶性碳对堆肥过程中4种重金属的生物有效性部分重金属相对含量的变化有着显著的影响。     

猪粪及蚓粪对Cu和Zn吸附行为的比较研究

采用室内试验方法,比较研究了猪粪和蚓粪对Cu2＋、Zn2＋的吸附、解吸规律及吸附动力学行为。结果表明,在试验浓度范围内,猪粪和蚓粪对Cu2＋、Zn2＋的吸附量均随着Cu2＋、Zn2＋壤度的增加而增加,蚓粪对Cu2＋、Zn2＋的吸附固定能力明显高于猪粪。猪粪和蚓粪对Cu2＋、Zn2＋的吸附等温线与Freundlich和Henry方程均有较好的拟合性。猪粪和蚓粪中Cu2＋、Zn2＋的解吸量随着吸附量的增大而增加,在相同初始浓度条件下,猪粪吸附的Cu2＋更易被解吸,而猪粪和蚓粪对Zn2＋的解吸能力相近。猪粪和蚓粪对Cu2＋、Zn2＋的吸附速率均较快,10～30min之内可以达到平衡后吸附总量的90％以上;一级动力学方程是描述Cu2＋、Zn2＋在猪粪和蚓粪中吸附动力学过程的最优模型,且蚓粪对Cu2＋、Zn2＋的吸附速率明显高于猪粪。     

牛粪堆肥化中氮素形态与微生物生理群的动态变化和耦合关系

在强制通风静态垛装置中研究了牛粪堆肥化中氮素形态和微生物生理群的动态变化。在堆制的56d里,根据堆温变化分阶段采集堆肥样品,测定各种氮素组分的含量和氮素微生物生理群的数量。结果表明,堆肥过程中,总氮减少了21．6％;有机氮是堆肥中的主要氮素形态,其含量降低了19．1％;氨基酸态氮和氨态氮的含量分别降低了20．9％和86．4％,在有机氮和总氮中的比例分别降低了2．2％和5．2％;氨基糖态氮和硝态氮含量分别增加了147％和79％,在有机氮和总氮中的比例分别增加了2倍和1．3倍。氨气的挥发占总损失的63％,高温期的释放量占总挥发量的69％。堆肥中氨化细菌数量较高,在高温期大幅度增加,其数量变化与堆肥中氨气和氨态氮含量都呈极显著正相关关系。在堆肥过程中,硝化细菌数量总体较小,在降温期增加幅度较大;反硝化细菌数量逐渐增加,堆制结束时达到堆肥初期的2．45倍;固氮菌数量总体增加1．8倍,其中降温期数量较多。堆肥过程中存在的反硝化作用,是氮素损失的另一个重要原因。