外源铀胁迫对铀矿区土壤环境质量生物学指标的影响

　　摘要：[目的]考察二次铀污染下铀矿区土壤功能的变化情况。[方法]对铀矿区的土壤样品进行不同浓度外源铀胁迫处理，对相关生物学指标进行测定。[结果]原土壤主要受砷、镉、铀的复合污染，外源铀胁迫浓度增加，使土壤微生物数量减少，对土壤葡萄糖酶、过氧化氢酶和脲酶的活性具有不同程度的抑制作用，与土壤代谢熵呈显著正相关，而与微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物熵均呈显著负相关。[结论]土壤环境质量生物学指标可以表征重金属胁迫下土壤环境质量的变化情况。
　　关键词重金属；铀；生物学指标；酶
　　中图分类号S154文献标识码A文章编号0517-6611（2016）15-202-05
　　近年来，土壤重金属污染是环境科学的一个热点研究方向。重金属污染不仅使生态环境质量遭受损害，还会对人畜健康产生不利影响。评估遭受重金属污染的土壤环境质量时，一般采用重金属的总量指标和有效量指标[1]，但是总量指标难以全面反映土壤重金属的生物有效性，而有效量指标受到测定方法差异等诸多因素的限制，可比性较差。因此，可以采用土壤环境质量生物学指标[2]反映土壤重金属的污染状况。研究表明，微生物生物量、土壤酶活性、微生物熵、代谢熵等土壤质量生物学指标对自然和人为活动引起的外界条件变化很敏感。代谢熵是指单位重量微生物生物量碳的呼吸量值，它把微生物生物量的大小和微生物的生物活性和功能有机结合，反映了微生物群落的生理特征[3]；微生物熵是指土壤微生物生物量碳和总有机碳的比值，可以作为反映重金属污染对土壤生态产生影响的较好指标[4]。
　　研究表明，可以通过土壤微生物生物量、土壤酶活性和微生物熵来表征土壤受重金属污染程度。一般认为，重金属污染能引起微生物生物量的下降，而土壤呼吸量的增加被认为是微生物对逆境的一种反应机理[5]。Fliebbach等[6]研究认为，代谢熵可用于指示土壤重金属污染对微生物的影响程度，揭示土壤发生过程、基质质量、生态演变以及对环境胁迫的反应。国内外对这类课题的研究多针对旱地土壤，土壤原位重金属的污染效应，以及通过外源添加重金属模拟污染土壤。
　　笔者通过对川西北某铀矿区污染土壤样品中添加外源铀，研究重金属复合污染与土壤生物学指标之间的内在联系，了解重金属污染对土壤质量的影响，以期为评估铀的二次污染情况提供科学依据。
　　1材料与方法
　　1.1样品采集
　　样品采集于2014年8月在若尔盖矿区（102°45′～102°46′ E，34°12′～34°13′ N）进行。选择TY1、TY2和TY3 3个采样位点在同一污染带的土壤样品进行研究。
　　1.2试验设计
　　土壤胁迫处理采取向供试土壤中添加外源铀的方式。根据前期对该铀矿区铀污染现状的调查，发现土壤总铀浓度为30～180 mg/kg（干土），因该供试土壤的本底铀浓度为87.93 mg/kg，因此，将外源铀胁迫浓度分别设为10、50、100和200 mg/kg（干土），以原土样作为空白对照。试验设计中，每处理土壤样品用量为100.0 g，置于25 ℃下培养，胁迫时间为14 d，保持土壤水分为最大田间持水量的60%，每处理3次重复（表1）。选用醋酸双氧铀[UO2（CH3COO2）2·2H2O，分析纯，湖南楚胜威化工]为铀原料，根据铀的含量配制成1%的溶液，备用。
　　1.3培养基制备
　　1.3.1
　　细菌培养基。LB培养基：酵母浸出粉5.00 g，蛋白胨10.00 g，NaCl 10.00 g，琼脂15.00 g，去离子水定容至1 000 mL，pH 7.2～7.4。
　　1.3.2
　　真菌培养基。马丁氏孟加拉红培养基：KH2PO4 100 g，MgSO4·7H2O 0.50 g，蛋白胨 5.00 g，葡萄糖10.00 g，
　　琼脂20.00 g，去离子水定容至1 000 mL，pH 自然。在煮开的培养基中每1 000 mL加1%孟加拉红水溶液3.3 mL，临用时每100 mL培养基中加1%链霉素液0.3 mL。
　　1.3.3
　　放线菌培养基。高氏一号培养基：可溶性淀粉 2000 g，KNO3 1.00 g，K2HPO4 0.50 g，MgSO4· 7H2O 0.50 g，NaCl 0.50 g，FeSO4· 7H2O 0.01 g，琼脂 20.00 g，去离子水定容至1 000 mL，pH 7.4～7.6。
　　1.4测定项目与方法
　　砷、镉、铬、铜、铅、锌、铀含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICAP6500，Thermo Scitific）测定；
　　土壤 pH采用水土比2.5∶1 测定；土壤有机质含量釆用H2SO4-K2CrO7外加热法测定；过氧化氢酶活性采用Johnson与Temple法测定[7]；脲酶活性和葡萄糖酶活性的测定方法参照《土壤酶学》[7]；土壤微生物生物量碳和土壤微生物生物量氮含量采用熏蒸浸提法测定[8]；浸提液中的氮含量采用凯氏消煮法测定[9]。
　　土壤基础呼吸的测定：称取50.00 g鲜土置于150 mL三角瓶中，将装有5 mL浓度为1 mol/L氢氧化钠溶液的小吸收瓶放在三角瓶中，加盖密封，于25 ℃恒温培养24 h，取出氢氧化钠吸收瓶，加入2 mL 0.5 mol/L BaCl2及酚酞指示剂，用稀盐酸滴定至无色，测定吸收的二氧化碳含量，即为土壤微生物呼出的二氧化碳。同时做空白对照试验。
　　铀胁迫土壤中微生物数量的测定：
　　称取5.00 g土壤样品置于45 mL带玻璃珠的灭菌生理盐水中，在120 r/min、37 ℃条件下震荡24 h，取出，吸取0.5 mL悬液，加入到4.5 mL灭菌的生理盐水进行梯度稀释，采用螺旋接种仪（AP5000，Spiral Biotech）将稀释液分别均匀涂布到细菌、真菌和放线菌3种固体培养基上。分别记录每个样品中各类微生物的数量，数据以平均值±标准误差的对数值表示。