2013,32(5):986—990 农业环境科学学报 2013年5月 Journal ofAgro-Environment Science 鸡粪与四环素对土壤脲酶和磷酸酶活性的影响 金兰淑,申 龙,刘艳茹,李 平,王建国 (沈阳农业大学土地与环境学院,辽宁省农业资源与环境重点实验室,沈阳110866) 摘要:采用室内土壤培养方法,分别在培养第1、15、30、45、60、75 d采样,测定土壤脲酶和磷酸酶活性,研究鸡粪、四环素和两者 共存对土壤脲酶和磷酸酶活性的影响。结果表明:(1)土壤中添加鸡粪能够明显激活两种土壤酶的活性,鸡粪对土壤脲酶激活时间 大于75 d,对磷酸酶的激活时间为60 d左右,最高激活率分别为287.7%和69.0%。(2)土壤中加入O.06 mg。kg 四环素可激活土壤 脲酶与磷酸酶的活性,最大激活率出现在培养第l5、45 d,激活率分别为22.6%、23.6%,加入浓度为0.12 mg‘kg。和0.24 mg。kg。四 环素在整个培养过程中抑制两种土壤酶活性。(3)在土壤中同时加入鸡粪和不同浓度四环素,各处理组土壤两种酶活性均表现出激 活作用,激活率均高于100%。由此可知,在四环素污染的土壤中加入鸡粪能够增强土壤脲酶和磷酸酶活性,降低四环素对土壤脲酶 和磷酸酶活性的影响。 关键词:鸡粪;四环素;土壤脲酶;土壤磷酸酶 中图分类号:X53 文献标志码:A 文章编号:1672—2043(2013)05—0986—05 doi:10.11654 ̄aes.2013.05.016 Effect of Chicken Manure and Tetracycline on Soil Urease and Phosphatase Activity JIN Lan—shu,SHEN Long,LIU Yan-m,LI Ping,WANG Jian—guo (Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment of Liaoning Province,College of Land and Environment,Shenyang Agricultural University,Shenyang 1 10866,China) Abstract:In this study.the effects of chicken manure and tetracycline on soil urease and phosphatase activities were investigated in a labo— ratory incubation.Soil sample were collected at 1,15,30,45,60 days and 75 days of incubation.Chicken manure applied to the soil acti— vated significantly(P<0.05),the activities of soil urease and phosphatase with the maximum activating ratio of 287.7%and 69.0%at 75 days and 60 days of incubation.respectively.The concentration of 0.06 mg‘kg~tetracycline activated the activities of soil urease and phos— phatase with the maximum activating ratio of 22.6%and 23.6%at 15 days and 45 days of incubation respectively.And the concentration of 0.12 mg・kg一 and 0.24 mg‘kg—tetracycline inhibited the two kinds of soil enzymes activities throughout the incubation.The incorporation of ehicken manure and various c0ncentrations of tetracycline activated soil enzymes activities with the activation ratio more than 100%for both of the two soil enzymes.The results showed that chicken manure added to the soil contaminated by tetracycline could enhanee山e activities of soil urease and phosphatase enzyme and control the effects of tetracycline on soil urease and phosphatase activities. Keywords:chicken manure;tetracycline;soil urease;soil phosphatase 伴随着规模化养殖业的不断发展,越来越多抗生 素用于养殖业。四环素类抗生素作为一种广谱性抗菌 药,质优价廉,目前已经成为我国畜禽养殖业中生产 量和临床使用量最大的抗生素l11。据报道,在畜禽生产 中使用的四环素类抗生素有30%~90%以母体化合物 形式随粪便排出[21,我国7个省市鸡粪中四环素平均 间网。此外,还需注意的是,我国是世界上畜禽养殖大 国,畜禽粪便产生量很大,大多数的畜禽粪便没有经 过处理而直接施于农田,大量的畜禽粪便排放为农业 生态与环境安全带来风险。 土壤酶在土壤污染物的转化中起到重要作用,可 以根据土壤酶活性的变化来判断土壤的污染程度[41。 含量为2.63 mg・kg~,其范围在0~14.56 mg・kg 之 收稿日期:2012—10—31 四环素对土壤微生物的活动、菌落代谢功能、菌落数 量等都会产生影响,使土壤微生物的生物区系发生改 变,影响其分泌物及对动植物残体的分解作用,进而 影响土壤酶活性和土壤肥力[541。由于四环素进入土壤 作者简介:金兰淑(1968一),女,博士,副教授,主要从事环境污染控制 ‘方面的研究工作。E—mail:ara168@163.corn 金兰淑,等:鸡粪与四环素对土壤脲酶和磷酸酶活性的影响 987 的重要途径是伴随着畜禽粪便的施用而进入,而且畜 禽粪便能够提高土壤酶活性,改善土壤微环境l 7】,在使 用土壤酶活性判断四环素土壤污染及土壤质量时必 须考虑畜禽粪便对土壤酶活性的影响。土壤脲酶和土 壤磷酸酶与土壤中植物有效态氮素、磷素的转化有着 密切的关系,两种酶活性均与土壤中有机物含量呈正 相关性[81。因此,本试验旨在研究鸡粪和不同浓度四环 素对土壤脲酶和土壤磷酸酶影响及其程度,了解畜禽 粪便和四环素共存对土壤两种酶活性影响的一般规 律,以期为合理利用畜禽粪便及抗生素污染修复提供 科学依据。 1材料与方法 1.1供试材料 供试四环素为化学纯。供试土样采自辽宁省农业 科学研究院实验基地。采样时,先去除表土,采2 20 cm土样,混匀带回室内,风干,过1 mm尼龙筛备用。 鸡粪取自吉林省一户农家,饲料为自家谷物,取鸡粪 前未使用抗生素,经风干后,磨碎使用。土壤及鸡粪化 学性质分别为:土壤DH为5.4,速效氮197.43 mg・kg , 速效磷43.18 mg・kg~,速效钾136.69 mg・kg ;鸡粪 DH为6.4,速效氮5 107.63 mg・kg~,速效磷5 065.57 mg・kg~,速效钾21 184.83 mg・kg~。 、 1.2试验设计与方法 实验室内采用土壤培养法,在日光温室环境条件 下进行,土壤培养时间为2012年4月15日一6月30 日。共设8个处理,培养75 d。根据我国菜地的有机肥 用量30 000~90 000 kg・hm [9J(即耕层每千克土壤中 有机肥的施用量约为0.012 5 kg)和我国7个省市鸡 粪中四环素平均含量(0~14.56 mg・kg 之间『31),设计 不同量的四环素添加到0.05 kg鸡粪中,使得鸡粪中 四环素浓度分别为0、5、15 mg・kg 和30 mg・kg~,再 将含四环素的鸡粪均匀拌入供试土壤(土壤中四环素 添加浓度分别为0、0.06、0.12 mg・kg-1和0.24 mg・kg-1)。 同时实验设不添加鸡粪处理,四环素量同上。每个实 验处理做3个重复。 每个处理用风干土4 kg,按设计的四环素浓度分 别加入所需的四环素标准溶液,装进5 L塑料盆中, 置于日光温室中培养,每隔1 d称量1次,控制土壤 含水量为田间持水量的60%。于培养第1、15、30、45、 60、75 d取样,测定土壤脲酶和土壤磷酸酶活性。 1.3测定与分析方法 土壤脲酶活性测定采用苯酚钠比色法阎;土壤磷 酸酶活性测定采用对硝基苯磷酸二钠比色法【姗。 四环素对土壤酶活性影响指数的计算公式为: 影响指数=(6一a)/axlO0% 式中:口为空白处理的土壤酶活性;b为添加药剂或鸡 粪处理的土壤酶活性。 评价标准:影响指数>0,表明激活作用;影响指 数<O,表明抑制作用。采用Micr0soft Excel 2007软件 对数据进行处理;采用SPSS 1 6.0软件进行方差分析, 并采用LSD方法进行差异显著性比较。 2结果与讨论 2.1鸡粪对土壤脲酶和磷酸酶活性的影响 鸡粪处理与对照土壤连续培养75 d,期间测定土 壤脲酶和磷酸酶活性,结果如图1所示。添加鸡粪处理 土壤脲酶和磷酸酶活性均比空白处理高,各时期酶活 性激活率如表1所示。 处理第15 d,添加鸡粪处理较空白组,. zk 烬龉昏塔 两种土壤酶 酶活性均极显著增加(P<0.1 1 l l 01),l 并达到最大,土壤脲酶 O O 0 0 O O O O O 0 和磷酸酶活性激活率分别为287.6 4 2 0 8 6 4 2 0 7%、69.O%。土壤中添 如 ∞ 2 1 15 3O 45 60 75 时间Time/d H- ‘皇 竽吾 彗童 蓬堇 饕 一 ∞ 表1鸡粪对土壤脲酶和磷酸酶活性的影响指数 Table l Effects index of chicken manure on soil urease and phosphatase activity (P<O.05),表现出激活作用,其中第15 d激活作用最 强,激活率为22.5%。在整个培养期内,0.12、0.24 mg・ kg 浓度处理与空白相比,对土壤脲酶活性影响差异 ∞时间/t・d 脲酶 磷酸酶 1 34.6 22.1 15 287.7 69.0 30 183.0 49.5 45 167.1 51.9 60 41.2 10.3 75 12.6 13.3 达到了显著性水平(P<0.05),0.12、0.24 mg・kg- 浓度 处理始终保持抑制状态,在第30 d出现最大抑制作 加鸡粪,为土壤带来大量的有机物。有机物能够提高土 壤酶活性,其活性增强是腐殖物质对土壤酶的高度稳 定性与土壤有机碳含量提高所带来的土壤微生物生 用,其抑制率分别达到一58.1%、一74.3%;随着时间的 推移,0.06 mg・kg 处理在第45 d酶活性恢复到空白 水平,0.12、0.24 mg・kg 处理土壤酶活性仍然处于抑 制状态,其抑制率分别为"10.6%、一26.4%。土壤磷酸 酶在培养第1~15 d所有处理酶活性均表现出增大的 趋势,各处理对土壤磷酸酶活性影响差异不显著(P> 0.05);随后0.06 mg・kg 浓度处理较空白处理酶活性 物量提高的综合作用结果_1】一12],同时鸡粪中所含大量有 机氮、磷进入土壤,增加了酶促基质,从而诱导并提高 土壤脲酶、磷酸酶活性 。在第1 5 d以后两种酶活性 开始缓慢降低,但土壤脲酶在第75 d时酶活性与空白 组仍表现出显著差异(P<0.05)。土壤磷酸酶在第6O、 75 d酶活性较空白组差异不显著(P>0.05),酶活性逐 渐恢复至空白水平。可见鸡粪对土壤脲酶激活作用时 间大于75 d,对磷酸酶的激活时间为60 d左右。随着 时间的推移,土壤中鸡粪逐渐被分解,有机物含量降 低,无论是微生物数量和酶促基质都减少,从而使两种 酶活性恢复至空白水平。这与如下观点一致删:土壤酶 继续增加,表现出激活作用,在第45 d激活作用达到 最大,其激活率为19.8%。0.12、0.24 mg・kg- 处理在第 15 d以后酶活性较空白逐渐降低,表现出抑制作 用。随着时间的推移,0.06 mg・kg-t处理经75 d酶活 性恢复到空白水平,0.12、0.24 111g・kg- 处理土壤经 75 d酶活性仍处于抑制状态,其抑制率分别为一7.9%、 一11.7%。 由图2可知,0.06 mg・kg一四环素对土壤脲酶、磷 酸酶的激活作用分别能持续7周和9周左右,0.12、 保护容量是相对恒定的值,外界条件可以短时间或一 定范围内改变土壤酶的保护容量,当外界条件消失,酶 活性要恢复到土壤固有的酶保护容量状态,因为超过 0.24 mg・kg 对土壤脲酶抑制作用持续大于l0周,对 土壤磷酸酶抑制作用持续大于8周。 不同浓度四环素对土壤脲酶和磷酸酶活性具有 不同的影响,其主要原因可能是低浓度四环素进入土 壤,只对部分较敏感的微生物产生了抑制作用,活化 保护容量的土壤酶容易分解钝化。 2.2四环素对土壤脲酶和磷酸酶活性的影响 不同浓度四环素处理连续培养75 d,期间测定土 壤脲酶和磷酸酶活性,结果如图2所示。 四环素浓度在0.06 mg・kg 时,土壤脲酶在0~45 d酶活性均大于空白处理,差异达到了显著性水平 了其他微生物,从而促进了酶活性的升高。高浓度四 环素进入土壤,对多数土壤微生物产生明显的抑制作 用,使得微生物生物量减少,微生物正常代谢过程中 具有酶促作用的有机物释放量减少。另一方面,四环 ‘皇 ‘ 彗菩 譬 0 % 暑 霎{ 妲 (,) 誊墨 爱 一 -O-CK—[卜O.06 mg‘kg一’—●r 0.12 mg‘kg- *O.24 mg’kg- 图2不同浓度四环素对土壤脲酶和磷酸酶活性的影响 Figure 2 Effects of diferent concentrations of tetracycline on soil urease and phosphatase activity 金兰淑,等:鸡粪与四环素对土壤脲酶和磷酸酶活性的影响 989 刊 . s z_E 苣掣烬鞋醒蜂叫 . 素加入土壤后,能与土壤酶分子中的活性部位——巯 基和含咪唑的配位体等结合,形成较稳定的络合物, 抑制了酶的活性中心,使酶活性降低l】51。随着培养时 间的延长,四环素发生降解或作为底物被微生物分 解,使其土壤中的含量逐渐下降[91,从而对土壤微生物 和土壤酶活性的抑制作用随着培养时间逐渐减弱,直 至培养后期酶活性逐渐恢复到空白水平。 2.3鸡粪和不同浓度四环素处理对土壤脲酶和磷酸 = H 笔等产生影响 。此外,鸡粪进入土壤,增加土壤有机成 皇搴 苗爵0∞时 H0力 1 1 l l 1 0 O O 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 O 密、掣∞% 0 O 0 O O O分,大量的有机氮、有机磷为土壤酶提供了分解基质, ∞ ∞ 明显增加了土壤酶活性,从而掩蔽了四环素对土壤酶 活性的影响,这与增多土壤有机质的含量和增大土壤 的阳离子代换量,能提高土壤的抗污染的能力结论相 似悯。 含有不同浓度四环素的鸡粪处理,两种酶的活性 都表现出鸡粪0.06 mg・kg 四环素处理大于0.12、 酶活性的影响 鸡粪和不同浓度四环素处理连续培养75 d,此期 间土壤脲酶和磷酸酶活性测定结果如图3所示。所有 处理在培养的前60 d,土壤脲酶和磷酸酶均表现为先 增加,且在第15 d内激活率最高,各处理两种土壤酶 活性激活率均超过100%,较空白相比两种土壤酶活 性均表现为激活作用。第15 d后酶潘j生逐渐回落,第 60 d后两种酶活性逐渐恢复到空白水平。土壤有机质 中许多官能团呈现一定的极性,特别是腐植酸中的羧 基、酚羟基、羰基、氨基和甲氧基等。这些官能团使土 壤带有大量的表面负电荷,从而对有机污染物的吸附 时间nme/d --o--CK_口-鸡粪士鸡粪0.06mg・kg *鸡粪0.12 mg‘kg-’*鸡粪0.24 mg・kg 图3鸡粪与不同浓度四环素对土壤脲酶和磷酸酶活性的影响 Figure 3 Effects of chicken manure and diferent concentrations of tetracycline on soil urease and phosphatase activity 0.24 mg・kg 处理.。土壤脲酶在整个培养期内,鸡粪 0.12 mg・kg一、鸡粪0.24 mg・kg 两个处理组的酶活性 差异不明显,但均显著低于鸡粪处理组(P<O.05)。在 培养第30 d时鸡粪0.06 mg・kg-・与鸡粪处理差异不 显著( 0.05),而第30~45 d,其酶活性趋于鸡粪0.12 mg・kg~、鸡粪0.24 mg・kg 处理,但与鸡粪处理酶活 性差异达到显著水平(尸<0.05)。土壤磷酸酶在整个培 养期内,仅在第30 d时,鸡粪0.12 mg・kg- 、鸡粪0.24 mg・kg一处理酶活性与鸡粪处理、鸡粪0.06 mg・kg- 处 理的酶活性表现出显著性差异(P<0.05),其余培养期 内酶活性差异不显著(尸>0.05)。这说明鸡粪中不同浓 度四环素处理间对土壤酶活性的影响差异不明显,鸡 粪掩蔽了四环素对两种土壤酶活性的负面作用,即使 鸡粪中四环素浓度为30 mg・kg 时,两种土壤酶活性 较空白组均显著增加(P<0.05)。两种酶活性的激活作 用持续整个培养过程中,且这种激活作用伴随着鸡粪 的分解而逐渐减弱。由于鸡粪中四环素的半衰期在 63 d左右【l刀,随着鸡粪分解消失,残留在土壤中的四 环素仍可能对土壤脲酶和磷酸酶产生影响。 3结论 (1)鸡粪能够激活土壤脲酶、磷酸酶活性,且鸡粪 对土壤脲酶的激活影响指数及激活时间均强于土壤 磷酸酶。 (2)不同浓度四环素对土壤脲酶和土壤磷酸酶活 性影响表现出差异,低浓度四环素促进土壤两种酶活 性,高浓度四环素抑制两种土壤酶活性。四环素对两 种酶活性的激活或抑制作用具有阶段性特点。 (3)鸡粪的存在改变了四环素对土壤脲酶、磷酸 酶活性的影响,激活了土壤中两种酶的活性。在采用 土壤脲酶和土壤磷酸酶活性评价土壤四环素污染效 应时,需要考虑鸡粪对土壤酶的作用。在四环素污染 土壤中,添加鸡粪可以保持土壤酶活性。四环素在鸡 粪中的半衰期为60 d左右,鸡粪分解后,土壤中残留 的四环素仍可能继续影响土壤酶活性。 参考文献: 【l】陈育枝,张元元,袁希平,等.动物四环素类抗生素现状及前景[J].兽 药,2006,11(3):16—17. 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