科研 | Soil & Tillage Research：土壤深度和原状结构有利于细菌运动迁移
编译：道友留步，编辑：木木夕、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
牲畜粪肥及污废水等被广泛应用为土壤改良剂，用于改善土壤的理化性质，促进农业生产。然而，粪肥和污废水的应用会导致微生物病原体释放进入土壤中，对土壤及地下水的健康造成损害。因此，有必要了解微生物病原体在土壤中的迁移运动过程，以评估应用粪肥和污废水为土壤改良剂的风险，并支撑控制土壤遭受病原体污染政策的制定。为了达到以上目的，研究者利用室内土柱穿透试验，结合土体理化性质测定、输运模型、XDLVO理论等，调查了稳态饱和流条件下土壤深度（0-5cm，5-10cm，10-15cm，15-20cm）和土壤结构（原状及扰动）对大肠杆菌（E. coli 652T7）在土壤中运动迁移的影响。结果表明，原状土中，E. coli 652T7的穿透性（运动性）由0-5 cm时的 36 % 持续增加至5-10 cm时的 63 %、10-15 cm时的83 % 及15-20 cm时的100%；在扰动土中，观察到了相同的趋势，即由0-5 cm 时的16%依次增至5-10 cm时的49%、10-15 cm 时的76% 及15-20 cm时的86%。通过进一步分析，研究者认为有机物含量（从3.84 到2.47 %）、游离氧化铁含量（从 142.25 mg kg−1 到 110.66 mg kg−1）及zeta电位（从−17.6 mV 到 −29.0 mV）沿深度方向的下降是造成E. coli 652T7的穿透性上升的主要原因。此外，研究者发现同一深度条件下，E. coli 652T7在原状土中的穿透性要强于扰动土，这是因为原状土中存在更大尺寸的孔隙、更低的孔隙联通密度，且接触吸附点位的可能性更低。总的来说，本研究表明耕作及有机改良可能是降低细菌在土壤中运动性的有效措施。
论文ID
原名：Bacterial mobility facilitated by soil depth andintact structure
译名：土壤深度和原状结构有利于细菌运动迁移
期刊：Soil & Tillage Research
IF：4.601
发表时间：2021.5
通讯作者：Liqiong Yang &Jie Zhuang
通讯作者单位：中国科学院应用生态研究所污染生态与环境工程重点实验室；田纳西大学环境生物技术中心；田纳西大学生物系统工程与土壤科学系
实验设计
本文从辽宁省沈阳市农业生态研究站（123◦21ˊE, 41◦31ˊN）收集了0-20 cm深度的棕褐色土样。利用环刀法收集长5 cm，直径4.5 cm的原状无扰动土壤，并将部分土壤搅拌混匀后重压缩得到同样尺寸、容重的扰动后土壤。测定了两种土样不同深度层（0-5 cm，5-10 cm，10-15 cm，15-20 cm）的阳离子交换容量、zeta电位、有机质含量、pH及粒径组成（表1）。利用X-ray计算机断层扫描技术分析了原状土和扰动土的微观结构。将大肠杆菌（E.coli 652T7）在适当条件下培养后作为研究菌株。开展室内土柱穿透试验研究大肠杆菌在土壤中的穿透（运动）性。首先利用NaCl溶液（10 mM，pH=6）缓慢饱和土壤，然后将含有大肠杆菌菌液、溴离子溶液及NaCl溶液的混合溶液从土柱一侧以6 cm/h的速度缓慢注入土柱。利用平板计数法及离子色谱法分别测定大肠杆菌及溴离子的浓度。借助经典对流扩散模型（ADE）对稳态饱和流条件下E.coli 652T7在土壤中的穿透（运动）过程进行了数值模拟，并借助XDLVO理论阐述了细菌运动的机制。
表1 不同深度层土壤的基础性质
结果与讨论
1 土壤深度的影响
稳态饱和流条件下，原状土和扰动土中溴离子穿透曲线如图1所示。良好的再现性表明试验期间水动力条件的稳定性。原状土中的扩散系数（D）相比扰动土中要大，这归因于原状土中大孔隙的影响（表2）。
图1 溴离子在原状土和扰动土不同深度层的输运情况（0-5 cm，5-10 cm，10-15 cm，15-20 cm）
表2细菌迁移实验的拟合参数和质量回收率
E. coli 652T7在扰动土中的运动性随着深度增加（图2）。尤其是，C/C0的峰值从0-5 cm深度处的0.17增加至15-20 cm深度处的0.90，这一现象与总质量回收率（Mt）由0-5 cm深度处的13.3%增加至15-20 cm深度处的77.9%一致（表2）。ANCOVA分析表明重复试验之间没有显著的区别（p >0.05）。孔隙体积为1时C/C0更大（原状土及扰动土分别约为0.6，0.8），可能与15-20 cm处土壤理化性质的不均匀性有关。与其他土壤深度层相比，较小的附着系数（katt）及较大的脱离系数（kdet）反映了这种差异。较小的附着系数（katt）及较大的脱离系数（kdet）也额外说明扰动土在15-20 cm深度处比0-5 cm深度处具有更慢的细菌附着速度、更快的脱离速度（表2）。与其他土层相比，扰动土在15-20 cm处细菌浓度峰值提前到来，归因于更小的katt2（6±0.5 h-1），而其他土层katt2较大（例如10-15cm处为74±1 h-1）。这些相互作用导致表层土壤（例如，0-5 cm）中的细菌数量大幅减少，而在地下土壤(例如，15 - 20 cm)中细菌数量迅速增加，随后达到了高水平(0.68孔隙体积)。
不同深度间土壤质地无显著差异（Student’s t test, p > 0.05）（表1）。因此，我们将细菌附着和脱附的差异归因于土壤的地球化学异质性（例如，土壤有机质和自由氧化铁含量）(Student’s t test,p < 0.05)。随着土壤深度增加，土壤有机质含量（从0−5 cm 处的3.84 % 降低至 15−20 cm处的2.47 %）及游离氧化铁含量在逐步下降（从0−5 cm 处的142.25 mg kg−1降低至15−20 cm处的 110.66 mg kg−1）。为了检验灭菌过程的影响，我们测定了灭菌前后土壤样品的氧化铁和有机质的含量以及zeta电位的变化。灭菌处理提高了土壤表层游离铁氧化物和总有机质含量及zeta电位，但没有改变它们的深度梯度（表3）。据报道，土壤有机质可以通过增加细菌与土壤表面的结合来抑制细菌的运动。有机质有利于细菌团聚体的形成，缩小孔隙尺寸，由此增加对细菌的机械过滤。考虑到土壤有机质不仅能够改变土壤的表面电荷、疏水性和土壤孔隙结构，我们将土壤有机质产生的这种影响归因于土壤有机质导致的静电斥力的降低和机械应变的增加。在本研究的试验条件下（pH=6），铁氧化物具有正电荷。因此，它们可以吸引带负电荷的细菌，导致更少的细菌会突破铁氧化物含量较高的表层土壤。铁氧化物含量的增加也会增加土壤的zeta电位，从而使土壤表面具有更多的正电荷。此外，氧化铁和有机质均可增加土壤表面粗糙度和异质性，从而降低土壤的能量壁垒，提高细菌的截留率。表1表明zeta电位沿土壤深度在降低，导致表层0-5 cm（-17.6 mV）处比15-20 cm（-29 mV）处具有更大的zeta电位。根据表4中估算的XDLVO能量参数Φmin1，Φmin2和Φmax1，zeta电位的增加降低了能垒Φmax1的高度，导致细菌附着量增加。这是因为土壤zeta电位的增加降低了双电层的能垒，从而增强了细菌在初级和次级极小值的沉积（图3）。此外，Φmin1的存在表明，扰动土壤0 - 5 cm处存在不可逆的细菌附着，这可能与离子氧化物较多有关。因此，随着zeta电位随沿土壤深度降低，细菌运动性增强。
2 土壤结构的影响
E.coli 652T7在原状土柱中的迁移率大于在每5cm深度的扰动土柱中的迁移率（图4）。由于同一深度原状土壤与扰动土壤的地球化学性质相似，所以孔隙大小、孔隙连通性和弯曲度为特征的孔隙结构应该是导致细菌穿透差异的主要原因。土壤孔隙结构的三维特性使用X-ray计算机断层扫描（CT）表征，扰动土的孔隙连通密度高于原状土（图5），与每单位体积土壤中孔隙通道的连接点或交叉点的总数呈正相关。这表明在连通密度较高的土壤中，孔隙通道更为曲折（即细菌在运动过程中必须转更多的弯）。由于孔隙的曲折性会增加细菌在土壤中的迁移距离、在微孔中的分散性以及与土壤表面的碰撞，因此细菌在连通密度较高的土壤中的迁移率较低。我们的结果证实了这个假设。扰动土的孔隙连通密度在0-5，5-10，10-15，15-20 cm深度处分别为23763，10396，11188，12273 cm-3，几乎是原状土同样深度层的两倍（0-5cm：5-10：12996，10-15：5399，4469，15-20：2615 cm−3）。因此，0-5 cm处C/C0的峰值和质量回收率分别由扰动土的0.16增加至原状土的0.36及扰动土的13.3%增加至原状土的31.5%（图4和表2）。0-5 cm原状和扰动土壤剖面的katt1分别从1488 h -1增加到2165 h -1, kdet2分别从3.00 h -1减少到0.85 h -1，支持了C/C0的峰值和质量回收率的变化趋势。这些结果表明，相对于扰动土柱，原状土柱的流动路径较长，具有一定的大孔流动特征，有利于细菌的迁移和分离。
值得注意的是，与10−15 cm深度（C/C0为0.07）和15−20 cm深度（C/C0为0.08）的微小差异相比，在0−5 cm深度处，观察到原状土壤和扰动土壤之间的细菌迁移率存在较大差异（0.20 C/C0）。这意味着在饱和流动条件下，SOM、氧化铁和土壤结构对细菌迁移的耦合效应。SOM和氧化铁有助于细菌分散到微孔中得以截留，而原状土壤提供大孔隙以促进细菌在土壤中的迁移。土壤有机质和氧化铁含量越高，细菌的迁移率越低，因此原状土壤结构能够表现出更大的影响。相比之下，土壤中较低SOM和氧化铁含量导致细菌迁移率已经很高（例如，15-20 cm的土壤），因此原状土壤结构促进迁移的潜力变得有限。造成SOM/氧化铁与原状土壤结构竞争效应的另一可能机制是SOM/氧化铁在大孔隙中含量较低，而在微孔中含量较高。因此，原状土壤结构暴露于细菌的SOM和铁氧化物较少，从而减少了它们在运输过程中的附着，而土壤扰动增加了细菌在微孔中接触SOM和铁氧化物的机会。根据我们以前对其他土壤的研究，SOM/氧化铁的孔径分布机制是很可能发生的。
结论
你可能还喜欢