环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (5): 737-743  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.01.99

引用本文  

王悦, 孟昭虹, 刘惠玲, 等. 青霉素菌渣肥对土壤环境及萝卜品质的影响[J]. 环境科学研究, 2017, 30(5): 737-743.
WANG Yue, MENG Zhaohong, LIU Huiling, et al. Effects of Penicillin Mycelial Fertilizers on Soil Environment and Quality of Radishes[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(5): 737-743.

基金项目

国家自然科学基金项目(61505050);黑龙江省自然科学基金项目(F2015015);黑龙江大学杰出青年科学基金项目(JCL201504)

责任作者

孟昭虹(1973-), 女, 黑龙江哈尔滨人, 副教授, 博士, 主要从事地表过程与生态调控、土壤环境研究, mengzhaohong1973@163.com

作者简介

王悦(1993-), 女, 黑龙江哈尔滨人, 18645186765@163.com

文章历史

收稿日期:2016-11-02
修订日期:2017-01-22
青霉素菌渣肥对土壤环境及萝卜品质的影响
王悦1 , 孟昭虹1 , 刘惠玲2 , 张博2 , 李彦超3     
1. 哈尔滨师范大学地理科学学院, 黑龙江 哈尔滨 150025;
2. 哈尔滨工业大学 城市水资源和水环境国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150090;
3. 黑龙江大学电子工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150080
摘要:青霉素菌渣具有较高的营养价值,菌渣肥料化技术将成为解决菌渣处置问题的重要手段.为了评估青霉素菌渣肥肥效,通过田间小区试验,采用6种不同施肥方式[① CK,不施肥;② CF,常规量化肥;③ MF,化肥与菌渣肥1:1混施(混合肥);④ PF1,常规量青霉素菌渣肥;⑤ PF2,2倍常规量青霉素菌渣肥;⑥ PF4,4倍常规量青霉素菌渣肥],考察菌渣肥对土壤环境及萝卜品质的影响.结果表明:青霉素菌渣肥的施入相对于不施肥处理可以提高土壤营养成分的含量,其中w(速效钾)和w(速效磷)在PF2处理下增加最多,w(速效钾)增加了23.7%,w(速效磷)增加了17.9%,之后是MF;在萝卜的整个生长期,土壤中微生物的含量与青霉素菌渣肥施加量呈正相关,在发芽期微生物数量最高;此外,在发芽期各处理方式相对于不施肥处理,均能提高蛋白酶和蔗糖酶的活性,随着青霉素菌渣肥施入量的增加,脲酶活性变化不明显,蔗糖酶活性逐渐增大.在萝卜品质方面,施加青霉素菌渣肥可提高萝卜的品质,如根质量最高提高了73.57%,w(维生素C)提高11.28%~148.20%,w(可溶性糖)提高12.00%~58.60%;施加菌渣肥也会增加萝卜中硝酸盐的含量,但过量施加菌渣肥会增加硝酸盐含量,存在一定的风险.
关键词青霉素菌渣肥    土壤微生物    土壤养分    土壤酶活性    萝卜品质    
Effects of Penicillin Mycelial Fertilizers on Soil Environment and Quality of Radishes
WANG Yue1 , MENG Zhaohong1 , LIU Huiling2 , ZHANG Bo2 , LI Yanchao3     
1. College of Geographic Science, Harbin Normal University, Harbin 150025, China;
2. State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;
3. Electronic Engineering College, Heilongjiang University, Harbin 150080, China
Abstract: Fertilizer production with penicillin mycelial dregs (PMDs) is an important method for PMDs disposal due to its high level of available nutrients. Through evaluating the qualities of Penicillin Mycelial Fertilizers (PMFs), the aim of this study was to investigate the effects of PMFs on soil environment and quality of radishes depending on various fertilization conditions through a field experiment. The results showed that the total nutrient contents of soil were generally higher than those in the control treatment, and there was a positive correlation between population of microorganisms and PMF fertilizing amount during the growing season of radishes. Additionally, different fertilization conditions significantly influenced the protease and amylase activities rather than invertase and catalase activities. In terms of radishes, fertilization with PMFs can enhance the qualities of radishes, increasing the plant height by 73.57%, vitamin C content by 11.28%-148.20%, and soluble sugar content by 12.00%-58.60%. But excess application of bacteria fertilizer can increase the nitrate content in slag, with excessive risk.
Keywords: penicillin mycelial fertilizers(PMFs)    soil microorganism    soil nutrient    soil enzyme activities    radish quality    

青霉素是β-内酰胺类抗生素中的一类.自从1929年被应用于医疗临床方面,至今仍被大量使用[1].青霉素发酵工艺中产生的残余固体废弃物即青霉素菌渣[2],产生量大(按照生产1 t青霉素产生8~10 t湿菌渣估算,我国每年抗生素菌渣的产生量约为130×104 t)[3].青霉素菌渣中含有0.2%~0.4%的青霉素,由于担心青霉素菌渣可能引起潜在的环境风险,环保部将青霉素菌渣列入《国家危险废物名录》中(HW02).青霉素菌渣处理问题成为研究者们关注的焦点.目前美国国家环境保护局(US EPA)和欧盟的《欧洲制药业废弃物名录》主要以焚烧、填埋和制作有机肥的方式解决青霉素菌渣的处理问题[4];在印度、墨西哥青霉素菌渣通常是被用来制作有机肥料[5].在国内,CHEN等[6]将青霉素菌渣与市政污泥、木屑和粉碎后的稻草秸秆混合,进行堆肥处理;ZHANG等[7]用猪粪和青霉素菌渣混合堆肥,堆肥7 d后青霉素的去除率超过99%,但是堆肥检出的耐药基因TEM数量从最初的104.17增至108.92,因此这种堆肥处理模式存在很大的环境风险.张照明[8]以青霉素菌渣为原料,研究出了一套提取壳聚糖和麦角固醇的工艺;李士坤等[9]从青霉素菌渣中提取出了核糖核酸;王冰[10]通过对青霉素菌渣进行一系列预处理,从菌渣中制备出了可替代发酵培养基的酵母膏.

采用焚烧法处置抗生素菌渣的运行成本过高,而且处理青霉素菌渣的过程中容易产生二次污染[11].目前制药企业倾向于将青霉素菌渣制作成有机肥料以实现菌渣的处理和创造经济效益,抗生素菌渣的肥料化技术是一种适于推广应用的处置方式,但其处理处置过程和再生产品的抗生素残留带来的生物安全性问题需要进一步评估[12-14].目前国内在青霉素菌渣肥对土壤环境影响方面的研究还较少,该研究通过田间小区试验对常规化肥和不同倍数的青霉素菌渣肥对比研究其对土壤养分、土壤酶活性和施肥萝卜的质量与品质影响,以实现青霉素菌渣肥的农业价值和对其安全利用提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 试验地概况及供试材料

试验所用的青霉素菌渣肥由内蒙古某公司提供,萝卜品种为“白玉春”,试验田位于哈尔滨市香坊区幸福镇光明村,试验田土壤中不含抗生素,减小了对菌渣肥肥效的干扰.于种植前取土样,自然风干,过0.15 mm筛,进行检测,其基本理化性质:土壤pH为7.3,含水率为3.1%,w(有机质)为18.56%,w(TN)为0.12%,w(速效磷)为2.78%,w(速效钾)为360.4 mg/kg.

菌渣肥由笔者所在课题组制备,其主要营养成分:pH为5.56,含水率为4.2%,w(TC)为42.61%,w(TN)为8.23%,w(P2O5)为3%,w(K2O)为1%.

施加化肥为磷肥和钾肥的混合肥,其中钾肥为硫酸钾(K2O量为50%),磷肥为过磷酸钙(P2O5量为14%).

1.2 研究方法

采用田间小区试验方法,研究了不同施肥处理对土壤环境及当地主栽萝卜品种品质的影响,试验设计共6个处理,每个处理4个平行,共24块地,每块地30 m2.6个施肥处理:① CK,不施肥;② CF,常规量化肥,钾肥施肥量为1.28 kg、磷肥施肥量为0.12 kg;③ MF,化肥与菌渣肥1:1混施(混合肥),钾肥和磷肥共施加1.4 kg,菌渣肥施加6 kg;④ PF1,常规量青霉素菌渣肥(施肥量6 kg);⑤ PF2,2倍常规量青霉素菌渣肥(施肥量12 kg);⑥ PF4,4倍常规量青霉素菌渣肥(施肥量24 kg).

于2015年6月24日开始整土,深耕33 cm左右,各处理施肥均分两次进行,分别于6月22日穴施基肥70%,7月20日追肥30%.萝卜的行株距为45 cm×25 cm,每穴播种子2粒,播后浅覆土约0.5 cm,亩定苗7 200株左右,四周设保护行.抗旱、除虫等田间管理均照常规进行.观察记录萝卜的生长情况,2015年8月30日一次性收获,测定萝卜产量和营养品质等.

1.3 样品的采集与分析

分别在萝卜的发芽期、幼苗期、叶片生长旺盛期、肉质根生长盛期采样土样.采用五点法取土样,在萝卜根周围5~10 cm范围内采集深度为0~20 cm的土壤,每个施肥处理采集5个点,混合放入灭菌袋中带回实验室.风干,过筛(0.15和2.0 mm),用于测定土壤养分和土壤酶活性.

萝卜在成熟后采取,采样时在每种施肥地块中不少于10个萝卜上采集部位相同、成熟度一致的样品,采得的样品及时刷洗、擦干,将分析用样品切碎后用高速植物组织粉碎机打碎成浆状,与汁液一起混匀后称样检测.

含水率采用烘干恒重减量法测定;w(有机质)采用重铬酸钾容量法测定;w(TN)采用半微量开氏法测定;w(速效磷)采用钼锑抗比色法测定;w(速效钾)采用火焰光度法测定[15].土壤酶活性的测定:脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定;蔗糖酶、淀粉酶活性采用硝酸水杨酸比色法测定;蛋白酶活性采用茚三酮比色法[16]. w(维生素C)采用2, 6-二氯靛酚滴定法测定;可溶性糖采用蒽酮比色法测定[15]w(硝酸盐)采用国标法GB/T 5009.33—2010《食品中亚硝酸盐和硝酸盐的测定》[17].

土壤微生物采用的方法是稀释平板法,细菌、真菌以及放线菌分别采用牛肉膏蛋白胨培养基、孟加拉红琼脂培养基以及高氏一号培养基.具体操作方法参照国标法GB 4789.2—2010《食品微生物学检验-菌数总数测定》[18],接种完成后放入25 ℃培养箱培养,3 d后记录真菌的平板菌落数,4 d后记录细菌的平板菌落数,6 d后记录放线菌的平板菌落数.

1.4 数据分析与处理

用SPSS 17.0(Chicago,IL,USA)软件进行双因素方差分析和Duncan多重比较,进行不同施肥处理和萝卜生长期对土壤养分含量、酶活性影响的显著性检验,显著水平P < 0.05;用Origin 8.6和Sigmaplot 10.0软件进行统计绘图.

2 结果与讨论 2.1 青霉素菌渣肥对土壤养分的影响

土壤养分含量可以直接反映土壤质量状况,对农业发展具有指导作用[17].试验考察菌渣肥对土壤全氮、有机质、速效磷、速效钾4种养分指标的影响.

图 1所示,在萝卜发芽期,不同施肥处理方式均显著地改变了土壤中营养成分的含量.与不施肥处理(CK)相比,w(TN)在PF4处理下增加最多,增加了1倍,其次是MF. w(有机质)在PF4处理下增加最多,其次是PF2. w(速效钾)和w(速效磷)在PF2处理下增加最多,w(速效钾)增加了23.7%,w(速效磷)增加了17.9%,其次是MF.单施加菌渣肥而言,w(有机质)和w(TN)随着菌渣肥施加量的增加而增加,w(速效钾)和w(速效磷)随着菌渣肥施加量的增加先增大后减小.

图 1 发芽期不同施肥处理下的土壤养分含量 Figure 1 Soilnutrient content with different fertilization conditions in germination phase of radishes

结果表明,在萝卜发芽期,同等倍数处理对土壤养分综合影响最好的是MF,这可能是由于化肥中的养分和青霉素菌渣肥中有机质、氮、磷、钾等营养元素[20]的协同作用.单施加菌渣肥而言,全氮和有机质含量与施加菌渣量成正比,是因为菌渣肥中的有机质和氮的含量越多,土壤吸收的越多,土壤速效磷和速效钾含量随着青霉素菌渣肥施加量的增加先增大后减小,一方面分析可能是过高的青霉素菌渣肥降低了速效磷含量,另一方面该研究中在施加菌渣肥的土壤上种植了萝卜,初步分析可能是萝卜的生长繁殖消耗的速效磷含量大于青霉素菌渣肥所能提高的速效磷含量.

表 1可知,PF1处理下的土壤w(TN)和w(有机质)在不同时期具有显著性差异.w(TN)、w(有机质)随着生长期的推移逐渐降低. w(速效钾)在萝卜的发芽期和幼苗期无显著差异性变化,在萝卜叶片生长旺盛期和肉质根生长盛期降低.而w(速效磷)在萝卜的不同生长期内无显著性变化.

表 1 PF1处理下不同采样时间的土壤养分含量 Table 1 Soil nutrient content with different sampling time under certain fertilization condition of PF1

营养成分在发芽期含量最高,是由于在发芽期施加的青霉素菌渣肥直接增加了土壤中养分含量,后期萝卜生长对养分需求量较高.

2.2 青霉素菌渣肥对土壤中微生物的影响

土壤微生物直接参与土壤中的生物化学反应.在土壤养分转化循环、系统稳定性和抗干扰能力以及土壤可持续生产力中占据主导地位,在植物根系吸收植物生长所需养分的过程中起到重要作用[21].研究青霉素菌渣肥对土壤微生物群落结构的影响对于判断菌渣肥的肥力具有重要意义.

2.2.1 细菌

图 2反映了在萝卜不同生长时期内不同施肥处理对细菌数量的影响.在萝卜生长的各个时期,不同处理方式相对于CK处理,细菌的数量均增加.增加量最多的是PF4,其次是PF2.单施加青霉素菌渣肥而言,在萝卜发芽期细菌数量随着施肥量的增加而增加,并且细菌数量最多.在幼苗期、叶片生长期和肉质根生长期,细菌数量逐渐减小,并且不同处理方式无明显差异.

图 2 不同施肥处理与萝卜生长时期根际土壤细菌的数量 Figure 2 Bacteria amount in rhizospheres of radishes under different fertilization conditions during the growing season of radishes

结果表明,施加菌渣肥可以提高细菌的数量,这是因为菌渣肥中的大量有机物为细菌的生长提供了充足的底物.施加青霉素菌渣肥处理的细菌数量在发芽期时最大,之后细菌数量逐渐减小,这是因为施肥初期细菌为了抵制外来的干扰,通过不断分裂增殖来适应这种变化.发芽期各施肥处理细菌数量差异最大,其他各时期差异较小,是因为在发芽期不同施肥均对细菌表现出强烈的激活作用,发芽期后激活作用迅速降低并趋于平稳.

2.2.2 真菌

图 3反映了在萝卜不同生长时期内不同施肥处理对真菌数量的影响.与细菌相同,不同处理方式相对于不施肥处理,都能增加真菌的数量.增加量最多的是PF4,其次是PF2.单施加青霉素菌渣肥而言,真菌总数量也是随着施肥量的增加而增加且差异较大.在发芽期和幼苗期真菌数量很大远高于细菌1~2个数量级.真菌的数量随着萝卜生长期的推移而减少.

图 3 不同施肥处理与萝卜生长时期根际土壤真菌的数量 Figure 3 Fungi amount in rhizospheres of radishes under different fertilization conditions during the growing season of radishes

结果表明,施加菌渣肥是可以增加真菌的数量,在发芽期真菌数量最多是因为真菌具有分解土壤里难利用的木质素、纤维素的优势,使得真菌可以大量繁殖.随着生长时间的推移,土壤中真菌数量整体呈减小的趋势,后期随着易分解代谢的有机质被消耗,与细菌有了竞争压力.

2.3 青霉素菌渣肥对土壤酶活性的影响

土壤酶直接参与土壤中物质循环,对土壤有机质的转化起着重要作用,土壤酶可以客观地反映土壤生物活性和土壤肥力状况[22],尤其是土壤蔗糖酶、淀粉酶、脲酶等水解酶的总体活性[23-26].同时土壤酶也可以作为土壤污染的指标,用以监测外源污染物对土壤环境质量的影响.因此,研究者通常把土壤酶活性作为评价土壤生物活性和土壤生物学肥力状况的一个重要指标[27-30].

图 4可以看出,在发芽期,不同处理方式对脲酶和淀粉酶无显著性影响.而各处理方式相对于不施肥处理,均能提高蛋白酶和蔗糖酶的活性,MF处理最好,为1.036 mg/(g ·d).单施加青霉素菌渣肥对蛋白酶活性影响较为显著,即随着青霉素菌渣肥施加量增加蛋白酶和蔗糖酶活性先增后减.是因为青霉素菌渣肥对蛋白酶和蔗糖酶活性具有较强的激活作用,激活率最高的PF2处理方式达到51.35%和18.64%.而随着施肥量的增加会抑制蛋白酶和蔗糖酶的活性.

图 4 发芽期不同施肥处理下的土壤酶活性 Figure 4 Soil enzyme activities under different fertilization conditions in germination phase

Elzobair等[31-34]研究认为,随着青霉素菌渣肥施入量的增加,脲酶活性变化不明显,蔗糖酶活性逐渐增大,并且土壤酶活性与土壤微生物数量具有相关性.该研究结果中蔗糖酶活性在接近4倍菌渣肥施加量时减小,一方面可能是过量的青霉素菌渣肥对蔗糖酶活性有负面影响,另一方面也可能是青霉素菌渣肥对土壤微生物数量产生影响,间接作用到土壤酶活性上.随着萝卜的生长,土壤脲酶、蔗糖酶、淀粉酶活性显著减小,可能是因为萝卜的生长吸收了土壤养分使土壤微生物数量减少,进而使土壤酶活性减小.

表 2所示,在PF1处理下,脲酶和淀粉酶的酶活性均随着萝卜生长期的推移而先增加后减少,并且在幼苗期酶活性最高.由于脲酶参与土壤中的氮循环,后期脲酶的降低会使土壤中的氮分解效率降低,因此后期土壤中的全氮量也在降低.蛋白酶活性在整个生长期无显著性差异.蔗糖酶在发芽期和幼苗期无显著性差异,但在叶片生长期和肉质根生长期蔗糖酶活性减小,因为在后期,萝卜生长和土壤微生物若要吸收利用菌渣肥中的养分,需要分泌蔗糖酶催化降解菌渣肥中的碳水化合物.

表 2 PF1处理下不同采样时间的土壤酶活性 Table 2 Soil enzyme activities with the different sampling time under certain fertilization condition of PF1 mg/(g ·d)

土壤酶与土壤环境之间是相互作用的.土壤酶是土壤分解过程的主要驱动者,非生物因素通过改变微生物活动或者群落结构间接影响土壤酶活性[35],而土壤养分循环又依赖于土壤[32].青霉素菌渣肥的施加量变化会通过改变土样养分有效性,调节土壤酶活性从而对萝卜的产量和品质产生影响.

2.4 青霉素菌渣肥对萝卜品质的影响 2.4.1 青霉素菌渣肥对萝卜质量的影响

图 5所示,不同处理方式均能增加萝卜的根质量和株质量.PF4处理方式对萝卜根质量增加最为显著,根质量增加了73.57%,其次是PF2.结果表明,青霉素菌渣肥有效提高萝卜单株质量,最高单株增产71.3%.适宜的青霉素菌渣肥可以有效提高土壤养分含量,为萝卜的生长发育提供营养物质,提高了萝卜的单株质量,从而提高萝卜的产量.

图 5 不同施肥处理下的萝卜质量 Figure 5 Weights of radishes under the different fertilization conditions
2.4.2 青霉素菌渣肥对萝卜品质的影响

w(维生素C)的高低是蔬菜品质的一个重要指标. w(可溶性糖)不仅是植物体内碳素营养状况及农产品品质性状的重要指标之一,而且还与采收后农产品的保鲜期和植物抗冻能力有关. w(硝酸盐)被看作是蔬菜质量的一个重要指标[36].

图 6所示,不同处理方式均能提高w(维生素C)和w(可溶性糖),PF4最高,其次是PF2.单施加菌渣肥而言,w(维生素C)和w(可溶性糖)随着青霉素菌渣肥的施加量的增加而增加,w(维生素C)提高了11.28%~148.20%,w(可溶性糖)提高了12.00%~58.60%.不同施肥处理条件下的w(硝酸盐)存在着显著性差异.其增加量最好的是PF4,增加率高达54.61%,其次是PF2.

图 6 不同施肥处理下的萝卜维生素C、可溶性糖和硝酸盐含量 Figure 6 Concentrations of Vitamin C, soluble sugar and nitrate of radishes under different fertilization conditions

结果表明, 青霉素菌渣肥可以有效提高萝卜w(维生素C),w(维生素C)最高增加了148.20%.青霉素菌渣肥对w(可溶性糖)与w(维生素C)的影响相似.有关研究表明,钾肥中的钾素和施磷能显著提高w(维生素C),因为适量增施磷肥能提高抗坏血酸过氧化物酶的活性,从而促进维生素C的合成与积累[37].菌渣肥随着施加量的增加所含的钾和磷的含量也在增加,使得w(维生素C)增高.

w(硝酸盐)随着青霉素菌渣肥施加量的增加而增加.是由于菌渣肥中含有大量的蛋白质.加常规量菌渣肥的萝卜w(硝酸盐)略低于化肥和混合肥,是因为化肥中的氮素,可被土壤直接吸收影响着硝酸盐,而菌渣肥中的是蛋白质,要通过一定时间转换.增加菌渣肥的量则会增大w(硝酸盐),食用后会对人体产生不利影响,因此要适量施加菌渣肥.

3 结论

a) 与CK处理相比,青霉素菌渣肥能提高土壤的养分.相同倍数处理方式下化肥与菌渣肥的混合处理影响效果最好,单独施加2倍青霉素菌渣肥也能达到一倍混合肥的增肥效果,其中w(速效钾)和w(速效磷)在PF2处理下增加最多,w(速效钾)增加了23.7%,w(速效磷)增加了17.9%,其次是MF.

b) 与CK处理相比,青霉素菌渣肥处理较其他处理可以提高土壤中细菌和真菌的数量,并且与菌渣肥的施加量呈正相关.细菌和真菌的数量在萝卜发芽期最多,生长后期微生物数量减少.

c) 与CK处理相比,青霉素菌渣肥处理对脲酶和淀粉酶无显著性影响,而对蔗糖酶和蛋白酶有显著性影响,即蔗糖酶和蛋白酶活性随着施加菌渣肥量的增加先增大后减小.

d) 与CK处理相比,青霉素菌渣肥可提高萝卜产量,最高单株株质量可提高71.3%.此外,青霉素菌渣肥的施加可以明显提高w(维生素C)和w(可溶性糖),而且w(维生素C)和w(可溶性糖)随着青霉素菌渣肥的施加量的增加而增加,w(维生素C)提高了11.28%~148.20%,w(可溶性糖)提高了12.00%~58.60%.但过量施加菌渣肥会增加硝酸盐含量,存在一定风险.

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