高濃度CO2入侵包氣帶對(duì)土壤微生物的影響

張帆，李春榮，鄧紅章，張徽，李發(fā)明，張慧慧

(1.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054;2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

煤轉(zhuǎn)油是解決石油資源短缺的重要途徑，通過該技術(shù)可以將煤炭直接或間接液化［1-2］，最終生產(chǎn)出汽油、柴油或者相關(guān)的石油化工產(chǎn)品，以滿足日益增長(zhǎng)的能源需求［3］。但這一過程會(huì)產(chǎn)生大量的CO2，如果直接排放將會(huì)加重溫室效應(yīng)。為解決煤轉(zhuǎn)油過程中CO2的排放問題，世界各國相繼采用了地質(zhì)封存等手段［4-6］。然而，由于地質(zhì)蓋層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及地震等主觀和客觀因素，可能會(huì)造成CO2滲漏，對(duì)生態(tài)及人類生存環(huán)境產(chǎn)生不利影響。一般而言，當(dāng)CO2濃度超過39 280 mg/m3，將會(huì)嚴(yán)重影響人的呼吸系統(tǒng)，而且長(zhǎng)期存在CO2滲漏的陸地表面附近，植物一般很難生長(zhǎng)［7］。

目前，有關(guān)CO2濃度升高對(duì)土壤微生物群落的影響研究主要集中在大氣CO2濃度升高所產(chǎn)生的影響［8-18］，而且由于供試土壤、供試植物以及實(shí)驗(yàn)方案等的不同，最終所得實(shí)驗(yàn)結(jié)論也不盡相同。與大氣CO2濃度升高相比地質(zhì)封存CO2泄漏入侵土壤包氣帶具有以下特點(diǎn):①入侵的CO2濃度較高;②由于土壤的相對(duì)封蓋作用使CO2處于微壓或超常壓狀態(tài);③CO2入侵方向不同，土壤中CO2由下向上沿垂向濃度逐漸降低，這點(diǎn)與大氣CO2濃度升高引起包氣帶中CO2濃度變化方向相反。所以逃逸CO2入侵包氣帶時(shí)，其對(duì)植物及土壤微生物所產(chǎn)生的影響更為直接、強(qiáng)度更大。

本文通過原位模擬實(shí)驗(yàn)，研究高濃度CO2入侵包氣帶對(duì)土壤微生物量、群落分布及多樣性的影響規(guī)律，從而揭示微生物群落變化與入侵包氣帶CO2濃度之間的相關(guān)性，為地質(zhì)封存CO2泄漏甄別與安全性評(píng)價(jià)提供理論和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

選取鄂爾多斯境內(nèi)黃土，土壤基本理化性質(zhì):pH 值8.8，全氮250 mg/kg，全鉀258 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量15 mg/kg，水溶性鹽含量283.79 mg/kg;黑麥草;小麥;CO2(鋼瓶氣)。

LDZX-40BI 立式自動(dòng)電熱壓力蒸汽滅菌器;HH·B11·420-S-II 電熱恒溫培養(yǎng)箱;SW-CJ-1D 單人凈化工作臺(tái);BT 224 S 電子天平;SHA-C 恒溫振蕩器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

模擬實(shí)驗(yàn)在四間用絕熱材料相互分隔的溫室內(nèi)進(jìn)行。每間溫室作為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，面積24 m2，其中分別埋設(shè)9 個(gè)實(shí)驗(yàn)桶;各實(shí)驗(yàn)區(qū)CO2施加 濃 度 依 次 設(shè) 定 為:0，98 210 ，196 430，294 640 mg/m3，分別用CK、01、02 和03 表示;每個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)均設(shè)3 個(gè)平行實(shí)驗(yàn)桶和無植被對(duì)照實(shí)驗(yàn)桶。

實(shí)驗(yàn)桶由1 cm 厚木板加工成100 cm ×100 cm×100 cm 立方體，埋于地下，上口與地表平齊，桶內(nèi)、外表面用防腐涂料處理。桶底平置環(huán)形氣體分布盤(其材質(zhì)PVC，直徑2 mm，四周鉆有均勻小孔，環(huán)間距8 mm)，分布盤管上鋪墊雙層80 目的樹脂網(wǎng)，氣體分布盤與CO2輸入管相連。桶內(nèi)填充供試土壤，在距地表30 cm 處埋設(shè)土壤氣相CO2濃度監(jiān)測(cè)探頭，且每一個(gè)實(shí)驗(yàn)桶輸氣口連接一只CO2壓力控制表。充分噴淋潤(rùn)濕土層，保證土壤含水率20%左右。放置48 h，取土壤樣品測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)，開起供氣系統(tǒng)，調(diào)節(jié)供氣壓力使各個(gè)實(shí)驗(yàn)桶30 cm 埋深處CO2濃度達(dá)到設(shè)定濃度要求，繼續(xù)運(yùn)行至各個(gè)實(shí)驗(yàn)桶CO2濃度基本穩(wěn)定。下種，常規(guī)田間管理。模擬實(shí)驗(yàn)于2013 年5 月至2013 年10 月在旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、陜西省地下水與生態(tài)環(huán)境工程中心原位試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。

1.3 分析方法

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行90 d 后，于30 cm 深處用已消毒的取樣鏟取土樣，過1 mm 篩，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微生物數(shù)量及DGGE 分析。細(xì)菌選用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng);真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基培養(yǎng);放線菌采用高氏I 號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)。微生物數(shù)量分析采用CFU 菌落計(jì)數(shù)法(活細(xì)胞計(jì)數(shù)法);DGGE 分析方法參見文獻(xiàn)［19］。

2 結(jié)果與討論

2.1 CO2 濃度對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

無植被(即裸地)實(shí)驗(yàn)桶及有植被實(shí)驗(yàn)桶細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1、表2。

由表1 可知，裸地實(shí)驗(yàn)桶內(nèi)，隨著CO2濃度的升高，真菌、細(xì)菌和放線菌活菌數(shù)量與對(duì)照區(qū)相比均呈減少趨勢(shì)，說明土壤CO2濃度的增高對(duì)微生物活性產(chǎn)生了一定的抑制作用。

由表2 可知，同一水平CO2處理下，有植被實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤真菌、細(xì)菌及放線菌數(shù)量均高于裸地實(shí)驗(yàn)區(qū)。其原因可能是逃逸的CO2可增加其在地表的濃度，從而在加速植物光合作用的同時(shí)，促進(jìn)了植物根際分泌物的產(chǎn)生，使根系生物量、細(xì)根周轉(zhuǎn)、地下可利用碳分配量等增加;根系分泌物的增加勢(shì)必會(huì)影響根際土壤微生物C、N 源在數(shù)量和結(jié)構(gòu)等方面的改變［20］，因此豐富了微生物可利用營(yíng)養(yǎng)物，從而促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)［21-22］。表明植物對(duì)土壤微生物在高濃度CO2入侵條件下的適應(yīng)性有調(diào)節(jié)作用，可提高其抗逆性。

黑麥草、小麥實(shí)驗(yàn)區(qū)細(xì)菌、放線菌數(shù)量雖然高于相應(yīng)裸地實(shí)驗(yàn)區(qū)，但仍然低于有植被對(duì)照區(qū)，表明在高濃度CO2入侵條件下，植物對(duì)微生物環(huán)境適應(yīng)性的調(diào)節(jié)能力是有限的。

CO2濃度施加到294 640 mg/m3時(shí)，黑麥草實(shí)驗(yàn)區(qū)真菌數(shù)量為3.16 ×104CFU/g 與裸地實(shí)驗(yàn)區(qū)真菌相近;而細(xì)菌、放線菌數(shù)量較裸地實(shí)驗(yàn)區(qū)分別提高了13.22 倍和1.90 倍。表明植物對(duì)細(xì)菌抗逆性的調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)，其次是放線菌，對(duì)真菌抗逆性調(diào)節(jié)能力較弱。原因可能是真菌對(duì)C 源利用的條件較細(xì)菌要求高［21］。

在98 210，196 430，294 640 mg/m3處理?xiàng)l件下，放線菌在黑麥草實(shí)驗(yàn)區(qū)的數(shù)量較裸地實(shí)驗(yàn)區(qū)分別提高13.94%，4.91%和90.43%，而小麥實(shí)驗(yàn)區(qū)依次提高19.52%，123.66%和279.90%，表明不同植被對(duì)土壤微生物抗逆性調(diào)節(jié)作用差異較大。

表2 有植被實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤微生物數(shù)量分析結(jié)果Table 2 Effect of elevated CO2 concentration on soil microbial number in plant test area

2.2 CO2 濃度入侵對(duì)土壤細(xì)菌群落多樣性的影響

對(duì)CO2施加濃度分別為98 210，196 430，294 640 mg/m3及相應(yīng)對(duì)照區(qū)的黑麥草實(shí)驗(yàn)區(qū)(分別用h1、h2、h3 和CK 表示)土壤樣品的16S rDNA V3區(qū)PCR 產(chǎn)物進(jìn)行DGGE 分析，結(jié)果見圖1。

圖1 黑麥草實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤細(xì)菌16S rDNA-DGGE 圖譜Fig.1 16S rDNA-DGGE fingerprint patterns of the soil bacteria in Perennial ryegrass area

由圖1 可知，隨著土壤CO2濃度升高，7，9，23號(hào)等條帶亮度變暗，12，20 號(hào)等條帶消失，即一些原有物種數(shù)量被大幅度消減或部分物種消失，表明土壤CO2濃度升高對(duì)一些土壤細(xì)菌的生長(zhǎng)有抑制作用;18，19 號(hào)條帶亮度增強(qiáng)，表明隨著土壤CO2濃度增加，一些原有物種數(shù)量較少的細(xì)菌被豐富，土壤CO2濃度升高對(duì)另一些土壤細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖有刺激作用;當(dāng)土壤CO2濃度達(dá)到98 210 mg/m3時(shí)，出現(xiàn)了新生條帶(即1，8，10，12，20 號(hào)條帶)，表明土壤CO2濃度升高可能會(huì)導(dǎo)致某些細(xì)菌的遺傳基因發(fā)生變化或產(chǎn)生新物種;3，4，5，6，11，16，22，24 號(hào)條帶具有較高同源性，13，14 及15 號(hào)條帶同源且優(yōu)勢(shì)，表明土壤CO2濃度的升高對(duì)土壤主要建群種無顯著的影響。

各樣品中的細(xì)菌多樣性指數(shù)(H)、豐度(S)和均勻度(EH)等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析［23］，結(jié)果見表3。

表3 不同實(shí)驗(yàn)區(qū)樣品DGGE 條帶多樣性指數(shù)(H)、豐度(S)及均勻度(EH)Table 3 The diversity index (H)，abundance (S)and evenness (EH)of DGGE strip in different test zone

由表3 可知，98 210 mg/m3黑麥草實(shí)驗(yàn)區(qū)(h1)細(xì)菌多樣性指數(shù)、豐度均高于對(duì)照區(qū)(CK);進(jìn)一步增加CO2濃度，土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)及豐度較對(duì)照區(qū)均有所降低;各個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)細(xì)菌均勻度(EH)相同。表明低濃度CO2入侵包氣帶對(duì)部分細(xì)菌生長(zhǎng)有刺激作用，使其多樣性及豐度有所增加，高濃度CO2入侵使一些土壤細(xì)菌生長(zhǎng)受到抑制，其多樣性指數(shù)及豐度顯著降低。

2.3 主要細(xì)菌菌種測(cè)序結(jié)果

從每個(gè)樣品DGGE 譜圖中選取主要條帶進(jìn)行克隆測(cè)序，得到的部分條帶的16s rDNA 片段測(cè)序分析結(jié)果見表4。

由表4 并結(jié)合圖1 可以看出，高濃度CO2入侵時(shí)，優(yōu)勢(shì)且同源性高的細(xì)菌主要是Catellibacterium(微單狍菌科)、Arthrobacter sp(節(jié)細(xì)菌屬)、Bacteroides sp(擬桿菌屬)。在98 210 mg/m3CO2濃度條件下可能產(chǎn)生的新生細(xì)菌物種主要是Flavobacterium denitrificans(黃桿菌屬)、Haematobacter(紅桿菌屬)、Ferrithrix(熱袍菌門);高濃度CO2能夠促進(jìn)Pedobacter (地桿菌屬)、Akkermansia(疣微菌門)的生長(zhǎng)繁殖，而對(duì)unclassified_Betaproteobacteria(β-變形菌屬)、Subdivision3_genera_incertae_sedis 等細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生明顯抑制作用。細(xì)菌Thauera aminoaromatica(陶厄氏菌屬)及Nitrospira(硝化螺菌屬)等對(duì)CO2反應(yīng)敏感，當(dāng)土壤CO2濃度達(dá)到196 430 mg/m3時(shí)，不能正常生長(zhǎng)繁殖，導(dǎo)致該群落消失。

表4 條帶序列菌種鑒定結(jié)果Table 4 Identification results of the bands sequence

當(dāng)土壤CO2濃度不高于294 640 mg/m3時(shí)，隨著土壤CO2濃度的增加，土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均呈減少趨勢(shì)。徐國強(qiáng)等［11］發(fā)現(xiàn)，開放式空氣CO2濃度增加，土壤細(xì)菌隨作物生長(zhǎng)呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，但對(duì)真菌數(shù)量影響不大。李楊等［15］的研究也有類似的結(jié)果。賈夏等［16］發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度升高對(duì)非根際土壤細(xì)菌有刺激作用，使其數(shù)量增多，而對(duì)真菌則表現(xiàn)出抑制作用，同時(shí)賈夏等［21］也發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度升高對(duì)根際土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量的影響也有類似的結(jié)果。導(dǎo)致不同結(jié)論的原因可能是模擬地層釋放CO2入侵包氣帶的途徑、強(qiáng)度及對(duì)土壤微生物的影響機(jī)理有別于大氣CO2濃度變化的影響。大氣CO2濃度升高對(duì)土壤微生物群落的影響在很大程度上是通過對(duì)地表植被的光合作用、生理生化、生長(zhǎng)代謝等過程的影響間接表現(xiàn)的，而植被的這些作用過程會(huì)因土壤的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)、植物的種類與長(zhǎng)勢(shì)、水分與養(yǎng)料的供給等因素的變化而變化。地質(zhì)封存CO2泄漏入侵包氣帶，則可以通過對(duì)土壤氣相組成、水鹽平衡、可利用無機(jī)與有機(jī)養(yǎng)分結(jié)構(gòu)形式及土壤結(jié)構(gòu)等的改變對(duì)土壤微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，也可以利用釋放進(jìn)入大氣中的CO2通過地表植被產(chǎn)生間接影響。與大氣CO2濃度升高對(duì)土壤微生物群落影響相比，地質(zhì)封存泄漏的CO2與土壤作用強(qiáng)度更高，諸多因素導(dǎo)致了不同研究條件所得到的結(jié)論有所不同。

另外，在外界環(huán)境脅迫的條件下，植物可以通過自身根際分泌物組成、結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用提高土壤微生物的抗逆性，使其環(huán)境適應(yīng)性顯著增強(qiáng)，這一研究結(jié)果對(duì)環(huán)境保護(hù)和污染土壤的生物修復(fù)具有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

(1)高濃度CO2入侵包氣帶，對(duì)土壤微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生一定抑制作用，土壤細(xì)菌多樣性及豐度均降低。

(2)植被可以提高CO2入侵條件下土壤微生物的抗逆性，使其適應(yīng)性顯著增強(qiáng);不同植被對(duì)土壤微生物抗逆性調(diào)節(jié)作用差異顯著，而且與植被的生長(zhǎng)周期、根際發(fā)育情況相關(guān)。

(3)同種植被對(duì)不同土壤微生物抗逆性調(diào)節(jié)作用差異顯著，對(duì)細(xì)菌抗逆性調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)，使得低濃度CO2入侵條件下其豐度有所增加。

(4)高濃度CO2入侵包氣帶對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響顯著，但土壤微生物主要建群種未變。

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