戴葉亮 ,朱清禾,曾軍,鄭金偉,吳宇澄 *,林先貴
1. 中國(guó)科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所),江蘇 南京 210008;
2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境與科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所,江蘇 南京 210095;3. 湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008
自20世紀(jì)70年代以來(lái),中國(guó)氮肥用量不斷增加(張衛(wèi)峰等,2013),至2011年,平均氮肥用量已達(dá)到180 kg?hm-2(以N計(jì)),比世界平均水平高75%(China Agricultural Yearbook Editing Committee,2011)。在太湖流域稻田,每年氮素綜合使用量高達(dá) 500~600 kg?hm-2(Zhao et al.,2012)。氮肥的過(guò)量施用產(chǎn)生了負(fù)面環(huán)境效應(yīng),如溫室氣體排放(Pearson et al.,1993;Krupa,2003)、土壤酸化(周細(xì)紅等,2004)、板結(jié)和水體富營(yíng)養(yǎng)化等(Bouwmeester et al.,1985),同時(shí)也可能導(dǎo)致土壤微生物群落組成與功能的改變(馬冬云等,2007)。氮肥可以直接刺激相關(guān)功能微生物的生長(zhǎng),如氨氧化細(xì)菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)、亞硝酸氧化細(xì)菌(Lisa et al.,2016)等。此外,過(guò)量施肥導(dǎo)致的土壤性質(zhì)變化作用于土壤微生物整體群落結(jié)構(gòu),會(huì)產(chǎn)生更為深遠(yuǎn)的生態(tài)環(huán)境影響。
土壤污染是中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的另一重要威脅。多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是一類具有“三致”毒性的稠合苯環(huán)結(jié)構(gòu)有機(jī)物(周麗虹,2010),主要來(lái)自于煤、石油等化石燃料以及一些生物質(zhì)的不完全燃燒(傅家謨等,1996)。中國(guó) PAHs年排放量達(dá) 11.4萬(wàn)噸(Tao et al.,2009),土壤中PAHs的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到1.4%(環(huán)境保護(hù)部等,2014),個(gè)別點(diǎn)位每千克土壤含PAHs可達(dá)數(shù)萬(wàn)微克(Wu et al.,2016)。多環(huán)芳烴對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)具有廣泛的影響,如引起動(dòng)植物死亡與突變(Staffan et al.,2007;Sverdrup et al.,2002),抑制植物生長(zhǎng)(Maliszewska et al.,2000)等,并與微生物發(fā)生復(fù)雜的相互作用,影響微生物的多樣性、組成和生理功能(Sawulski et al.,2014;Demenezes et al.,2012),同時(shí)被微生物降解(Fuchs et al.,2011;吳宇澄等,2013)等。
受施肥和污染排放的影響,一些農(nóng)田土壤可能同時(shí)出現(xiàn)過(guò)量氮輸入和PAHs污染。盡管有關(guān)其各自的微生物效應(yīng)已有不少報(bào)道,但對(duì)兩者疊加情況下的土壤微生物群落響應(yīng)仍缺乏研究。本研究分別選擇尿素和苯并[a]蒽(benz[a]anthracene,BaA)為氮肥和PAHs的代表,模擬土壤中過(guò)量施用尿素以及高濃度的BaA污染,設(shè)置土壤微宇宙試驗(yàn),在測(cè)定尿素和苯并[a]蒽轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上,采用高通量測(cè)序和定量 PCR方法深入解析添加污染物及施肥之后土壤細(xì)菌群落的豐度、多樣性以及組成變化,結(jié)果有助于闡明農(nóng)田土壤中多環(huán)芳烴和銨態(tài)氮肥的復(fù)合效應(yīng),并為探究有機(jī)污染物和氮轉(zhuǎn)化間的交互作用機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。
采樣于2016年4月進(jìn)行。供試土壤采自南京市郊某冶金企業(yè)附近的蔬菜地,采用五點(diǎn)采樣法采集土樣后充分混勻?yàn)?個(gè)混合土樣,基本理化性質(zhì)為:pH 6.5,有機(jī)質(zhì)2.47%,總氮1.39 g?kg-1,銨態(tài)氮 5.8 mg?kg-1,硝態(tài)氮 6.4 mg?kg-1,15 種優(yōu)控 PAHs總量922 μg?kg-1。土樣經(jīng)風(fēng)干磨細(xì)后用于微宇宙培養(yǎng)試驗(yàn)。
微宇宙試驗(yàn):120 mL血清瓶中裝入30 g土壤(干質(zhì)量),調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量的60%,于黑暗的環(huán)境中(28 ℃)培養(yǎng)。共設(shè)置4個(gè)處理:對(duì)照處理(CK)、只添加苯并[a]蒽(A)、只添加尿素(N)、添加苯并[a]蒽和尿素(NA)。苯并[a]蒽和尿素的最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為100 mg?kg-1和56 mg?kg-1,在培養(yǎng)的第28天和第56天補(bǔ)充等N量的尿素。每個(gè)處理設(shè)置9個(gè)重復(fù),在培養(yǎng)的第28天、第56天以及第84天進(jìn)行破壞性取樣(每個(gè)處理每次各 3個(gè))。土壤經(jīng)處理后,一部分用于 pH及無(wú)機(jī)氮測(cè)定,一部分提取DNA后用于下游分子生態(tài)分析。
同時(shí)設(shè)置一組平行土壤微宇宙試驗(yàn),通過(guò)測(cè)定[7,12-14C]苯并[a]蒽(American Radiolabeled Chemicals,Inc.)的礦化量表征污染物的轉(zhuǎn)化率。設(shè)置2個(gè)處理:只添加苯并[a]蒽(A),同時(shí)添加尿素和苯并[a]蒽(NA),其中苯并[a]蒽為14C和未標(biāo)記的苯并[a]蒽混合物,土壤中污染物和尿素的終濃度及含水量同上所述,[7,12-14C]苯并[a]蒽添加量為2.2×105dpi?g-1,每個(gè)處理設(shè)置 3個(gè)平行。
采用酸度計(jì)測(cè)定土壤 pH(水土比 5∶1);用 2 mol?L-1KCl溶液提取土壤無(wú)機(jī)氮,用VCl3將硝態(tài)氮還原為亞硝態(tài)氮后,采用Griess試劑法測(cè)定(Wu et al.,2013)。
以1 mol·L-1NaOH溶液吸收CO2,采用液體閃爍計(jì)數(shù)法(Beckman-Coulter,USA)(Wang et al.,2017)測(cè)定14CO2量。每?jī)芍苋訙y(cè)試1次。
采用FastDNA SPIN Kit for Soil試劑盒(MP Biomedicals)提取土壤 DNA,微量分光光度計(jì)(NanoDrop 2000)和電泳法檢測(cè)DNA的質(zhì)量。為避免共提取的土壤腐殖質(zhì)等雜質(zhì)干擾 PCR反應(yīng),DNA提取液經(jīng)10倍稀釋后用于下游分析。
參照文獻(xiàn)方法(Cebron et al.,2008),采用定量 PCR方法測(cè)定各樣品細(xì)菌和古菌單加氧酶基因(amoA)的拷貝數(shù)。定量PCR標(biāo)準(zhǔn)品的制備方法為:克隆目標(biāo)基因提取質(zhì)粒后測(cè)定其濃度并計(jì)算拷貝數(shù),進(jìn)行梯度稀釋后繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(拷貝數(shù)范圍102~108μL-1),定量 PCR 曲線標(biāo)準(zhǔn) R2>0.99,擴(kuò)增效率≥80%。
定量PCR采用Sybr Green方法??偡磻?yīng)體積為 20 μL,包含 10 μL TransStart Green qPCR SuperMix(全式金),2 μL土壤DNA和8 pmol引物。古菌amoA基因(引物序列:5’-ATG GTC TGG YTW AGA CG -3’和 5’-GCC ATC CAB CKR TAN GTC CA-3’)反應(yīng)程序?yàn)椋?5 ℃預(yù)變性 3 min,95 ℃45 s,56 ℃退火30 s,72 ℃延伸45 s并讀取熒光信號(hào),38個(gè)循環(huán);細(xì)菌amoA基因(引物序列:5′-GGG GTT TCT ACT GGT GGT-3′和 5′-CCC CTC KGS AAA GCC TTC TTC-3′)反應(yīng)程序?yàn)椋?5 ℃預(yù)變性3 min,95 ℃ 45 s,53 ℃退火 45 s,72 ℃延伸 30 s并讀取熒光信號(hào),36個(gè)循環(huán)。隨后進(jìn)行熔解曲線分析,采用電泳分析評(píng)價(jià)其擴(kuò)增單一性。
采用通用引物 519F和 907R(引物序列:5′-CAGCMGCCGCGGTAATWC-3′5′-TTACGACTT-3′)擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因片段,其中正向引物序列中包含 5 bp的條形碼(barcode)序列。PCR反應(yīng)體積為50 μL,包括25 μL Taq DNA聚合酶預(yù)混液(Takara),1 μL模板(約50 ng基因組 DNA),1 μL正向及反向引物,23 μL ddH2O。PCR擴(kuò)增條件為 95 ℃ 3 min,95 ℃ 45 s,56 ℃ 45 s,72 ℃60 s,35個(gè)循環(huán)。PCR產(chǎn)物經(jīng)純化后構(gòu)建測(cè)序文庫(kù),采用Illumina MiSeq系統(tǒng)進(jìn)行雙向高通量測(cè)序(上海美吉)。
基于QIIME分析平臺(tái)進(jìn)行高通量數(shù)據(jù)分析。序列經(jīng)拼接、比對(duì)后在97%相似性水平劃分操作分類單元(operational taxonomic unit,OTU),以此為基礎(chǔ)計(jì)算多樣性指數(shù)和非度量多維尺度分析(Nonmetric Multidimensional Scaling,NMDS)。運(yùn)用R軟件(vegan數(shù)據(jù)包)計(jì)算細(xì)菌群落之間的布雷距離(Bray distance),采用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和多重比較,用Graphpad Prism 5作圖。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
隨著培養(yǎng)的進(jìn)行,4個(gè)處理微宇宙試驗(yàn)都出現(xiàn)明顯的 NO3--N積累(圖 1A)。兩個(gè)添加尿素的處理(N和NA)硝態(tài)氮上升幅度更大,pH降低約1個(gè)單位,提示土壤硝化導(dǎo)致土壤酸化(圖1B)。在84 d時(shí),NA處理相對(duì)于N處理硝態(tài)氮增加緩慢,同時(shí)加入BaA(A和NA)處理相對(duì)于不加的處理(CK和N)土壤pH下降幅度有所減小。
培養(yǎng)過(guò)程中,14CO2持續(xù)積累,84 d礦化量約為10%(圖1C)。添加尿素與否對(duì)土壤中BaA的礦化沒(méi)有顯著影響。
定量PCR檢測(cè)中,硝化微生物功能基因擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)熔解曲線分析和電泳分析為單一峰(條帶),表明擴(kuò)增不受引物二聚體或者非特異擴(kuò)增影響。所有處理中,細(xì)菌 amoA基因拷貝數(shù)為1.2×107~5.6×107copies·g-1,古菌 amoA 基因拷貝數(shù)為 3.0×106~1.3×107copies·g-1。
不添加尿素的CK和A處理中,細(xì)菌amoA基因拷貝數(shù)無(wú)顯著變化,N處理在28 d時(shí)顯著升高而后呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì),NA處理在28 d和56 d持續(xù)升高,但在84 d大幅度下降(圖2A)。在N和CK處理中,古菌amoA基因拷貝數(shù)未發(fā)生顯著變化;但添加BaA后,雖然NA處理中AOA數(shù)量在28 d有所增加,但是到56 d和84 d后,NA和A處理中古菌amoA基因拷貝數(shù)顯著降低,其中84 d NA處理中AOA的數(shù)量相比于CK,降低了63%。(圖2B)。
Miseq測(cè)序中,38個(gè)樣品一共獲得962536條16S rRNA基因序列,單個(gè)樣品的序列數(shù)為17795~38255,在 97%序列相似性水平獲得 5236個(gè)OTU。每個(gè)樣品隨機(jī)抽樣17700條做OTU表,在此基礎(chǔ)上分析土壤細(xì)菌的群落組成與多樣性。
與原始土壤相比較,84 d的培養(yǎng)導(dǎo)致CK處理中細(xì)菌多樣性明顯降低,BaA的加入則未對(duì)土壤微生物多樣性指數(shù)產(chǎn)生影響。添加尿素的處理中,土壤細(xì)菌群落多樣性顯著下降,在培養(yǎng)84 d時(shí)下降趨勢(shì)尤為明顯,Chao1指數(shù)、觀測(cè)到的物種數(shù)和香農(nóng)指數(shù)等均顯著降低(圖3)。
圖1 微宇宙培養(yǎng)過(guò)程中土壤量(A)、pH(B)以及苯并[a]蒽礦化率(C)的變化Fig. 1 Changes in NO3- (A), soil pH (B) and mineralization of benz[a]anthracene (C) during the incubation n=3
圖2 培養(yǎng)過(guò)程中細(xì)菌(A)和古菌amoA基因(B)豐度的變化Fig. 2 Changes in the bacterial (A) and archaeal amoA gene copies (B) during the incubation
隨著培養(yǎng)的進(jìn)行,土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。NMDS分析(圖4A)顯示:28 d時(shí),各處理土壤細(xì)菌群落相對(duì)聚集,未有明顯區(qū)分;56 d起,添加尿素處理與不添加尿素處理形成了不同的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),N和NA處理與A和CK處理群落之間差異明顯,但BaA對(duì)群落結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小;84 d時(shí),細(xì)菌群落間的差異進(jìn)一步增大。統(tǒng)計(jì)分析顯示(圖4B),培養(yǎng)28 d時(shí),A、N及NA 3個(gè)處理與CK之間未有顯著變化,到58 d加尿素處理中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)已經(jīng)與CK顯著不同,而84 d時(shí),各處理中細(xì)菌群落都有極顯著變化且尿素的影響大于BaA。
在綱(Class)分類水平,土壤中相對(duì)豐度≥1%的主要細(xì)菌門類有14個(gè)(表1)。在此14個(gè)綱中,6個(gè)綱的相對(duì)豐度和土壤pH呈正相關(guān)關(guān)系,其中2個(gè)為顯著相關(guān),4個(gè)為極顯著相關(guān);4個(gè)綱和土壤pH均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外,添加尿素顯著增加了和土壤亞硝酸氧化相關(guān)的Nitrospirae的豐度(數(shù)據(jù)未顯示)。這些結(jié)果表明,尿素很可能促進(jìn)了相關(guān)的硝化微生物生長(zhǎng),但是土壤中細(xì)菌群落的整體變化則可能主要由尿素導(dǎo)致的pH變化引起。
表1 綱水平土壤細(xì)菌相對(duì)豐度和pH之間相關(guān)性分析Table 1 Correlation between dominant bacterial class and soil pH
圖3 培養(yǎng)過(guò)程中土壤多樣性指數(shù)變化:Chao1指數(shù)(A)、觀測(cè)到的物種數(shù)(B)、香農(nóng)指數(shù)(C)Fig. 3 Change of soil diversity index: Chao 1 (A), Observed species (B), Shannon (C)
圖4 土壤細(xì)菌群落間的NMDS(A)和布雷距離分析(B)Fig. 4 NMDS (A) and bray_distance (B) analysis of soil bacteria communities
大量研究發(fā)現(xiàn),使用銨態(tài)氮肥會(huì)出現(xiàn)明顯的硝酸鹽積累同時(shí)顯著降低土壤pH(Phillip et al.,1997;Bouman et al.,1995;Dlana et al.,2008)。本研究中,添加尿素處理中出現(xiàn)的此類現(xiàn)象,究其原因?yàn)榈孜锎碳?dǎo)致的土壤硝化活性增加。硝化過(guò)程由氨氧化和亞硝酸氧化兩個(gè)步驟組成,其中氨氧化過(guò)程主要由氨氧化細(xì)菌和氨氧化古菌完成(Lisa et al.,2016),它們受到土壤pH值的強(qiáng)烈影響(He et al.,2012)。由于供試土壤為中性,氨分子濃度較高,有利于氨氧化細(xì)菌的生長(zhǎng),反映為相應(yīng)微宇宙中細(xì)菌amoA基因拷貝數(shù)的增加;在此環(huán)境下,氨氧化古菌可能居于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)(Zhang et al.,2012),而未出現(xiàn)明顯增殖。
土壤pH直接影響著微生物的多樣性和組成結(jié)構(gòu)(Wu et al.,2016;Kateryna et al.,2015;Lauber et al.,2009)。在本研究中,隨著培養(yǎng)的進(jìn)行,尤其是56 d之后,添加尿素微宇宙土壤的pH明顯降低,對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生了巨大的影響。一方面,這可能導(dǎo)致了培養(yǎng)后期硝化微生物豐度的降低(圖2),另一方面改變了土壤中的優(yōu)勢(shì)微生物(表1)、降低了土壤微生物的多樣性(圖3),并進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)菌群落的整體變化(圖4)。土壤酸化不僅影響微生物,還會(huì)導(dǎo)致土壤有毒重金屬離子活性增加、土壤肥力降低、結(jié)構(gòu)變差以及影響作物生長(zhǎng)發(fā)育等一系列問(wèn)題(Sutradhar et al.,2014;Baquy et al.,2017;Lofton et al.,2010)。本研究所模擬的施氮量與目前太湖流域部分稻田的綜合施肥量相近(Zhao et al.,2012),因此,過(guò)量施用氮肥導(dǎo)致的土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不可忽視。
有研究發(fā)現(xiàn),高濃度的多環(huán)芳烴污染能顯著改變土壤微生物的多樣性(吳宇澄等,2016)、群落組成和生理活性(Sawulski et al.,2014;Demenezes et al.,2012)。對(duì)本研究采樣區(qū)的原位調(diào)查結(jié)果顯示(Wu et al.,2016;Wu et al.,2017),與 PAHs污染相比,pH是更重要的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)決定因素。本研究通過(guò)微宇宙培養(yǎng)所獲得的結(jié)果與原位調(diào)查相似,初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 100 mg?kg-1的 BaA對(duì)土壤微生物多樣性和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小。分析其原因,可能是由于BaA的礦化率只有10%左右(圖1C),更多的污染物還是以各種形態(tài)存在于土壤中,而BaA是一種疏水性污染物,與土壤基質(zhì)發(fā)生結(jié)合后,生物有效性降低。但是,長(zhǎng)期PAHs作用的微生物群落效應(yīng)依然存在。本研究中,84 d時(shí)CK與A處理下的細(xì)菌群落產(chǎn)生了較明顯的分離(圖4)。雖然目前這種改變的機(jī)制尚不清楚,但有文獻(xiàn)報(bào)道,PAHs對(duì)微生物具有選擇性(吳宇澄等,2016),導(dǎo)致降解功能細(xì)菌的富集與敏感細(xì)菌的下降(Cebron et al.,2008;Chen et al.,2015;Bengtsson et al.,2013);此外,許多PAHs降解的中間產(chǎn)物可能具有更高的生物毒性(Staffan et al.,2007),如我們發(fā)現(xiàn)BaA的降解中間產(chǎn)物苯并[a]蒽醌對(duì)一類氨氧化古菌有更強(qiáng)的抑制效果(Dai et al.,2018),這些中間產(chǎn)物也會(huì)形成一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)??紤]到 PAHs類污染物種類的多樣與土壤的復(fù)雜性,需進(jìn)一步探究PAHs的土壤微生物生態(tài)效應(yīng)。
尿素和苯并[a]蒽的轉(zhuǎn)化均是微生物作用的結(jié)果。土壤中氮循環(huán)和污染物降解過(guò)程是否存在相互作用,是污染生態(tài)學(xué)和污染土壤修復(fù)研究關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題。CO2是PAHs轉(zhuǎn)化的最終形態(tài),是污染土壤修復(fù)的最理想狀態(tài),礦化率是土壤中 PAHs修復(fù)效果的重要指標(biāo)。一般而言,PAHs礦化率越高,表明解毒效果越好。本研究中,添加尿素未對(duì)BaA的礦化率產(chǎn)生顯著影響。分析其原因,可能是由于供試土壤本身的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致尿素或者硝化過(guò)程對(duì) BaA的礦化影響本身就較?。↘?stner et al.,1998)。但有研究發(fā)現(xiàn),弱酸能夠顯著促進(jìn)土壤中 PAHs的礦化(Bhabananda et al.,2017),硝化微生物(AOA)具有降解芳香性污染物的能力(Men et al.,2016)。在不同的土壤中,由于受微生物群落、土壤化學(xué)性質(zhì)、物理結(jié)構(gòu)以及尿素和 PAHs的濃度等因素影響,尿素是否影響PAHs的礦化還有待更深入的研究。
此外,供試土壤有較長(zhǎng)的PAHs污染歷史(Wu et al.,2016),這可能導(dǎo)致土壤硝化微生物產(chǎn)生抗性從而產(chǎn)生適應(yīng)性(Griffiths et al.,2013),故添加BaA后,本研究未像其他研究(Cheng et al.,2014)一樣出現(xiàn)土壤硝化活性的顯著降低。但是,100 mg?kg-1的BaA顯著降低了土壤中古菌amoA基因拷貝數(shù),并減緩了土壤硝化過(guò)程伴隨的土壤酸化。由此推測(cè),BaA可能對(duì)土壤中尿素的硝化產(chǎn)生影響,這與我們此前觀察到PAHs對(duì)氨氧化古菌的抑制效應(yīng)一致。
本研究探究了尿素和苯并[a]蒽對(duì)農(nóng)田土壤微生物群落的生態(tài)效應(yīng)。結(jié)果顯示,尿素顯著刺激土壤硝化活性和硝化細(xì)菌生長(zhǎng),降低土壤 pH,并通過(guò)土壤酸化對(duì)微生物群落產(chǎn)生極大影響;苯并[a]蒽有抑制土壤硝化、改變土壤微生物組成和結(jié)構(gòu)的潛在趨勢(shì),但作用相對(duì)較?。皇茉囃寥乐?,尿素雖未抑制苯并[a]蒽的礦化,但苯并[a]蒽抑制了土壤中硝化古菌的生長(zhǎng),且減緩了硝化過(guò)程伴隨的土壤pH降低。鑒于土壤間存在的理化性質(zhì)和微生物群落差異,還需更深入地研究施肥和有機(jī)污染物的土壤生態(tài)效應(yīng)及其相互作用。
致謝:感謝南京大學(xué)季榮教授對(duì)于本研究中多環(huán)芳烴礦化分析的大力支持!