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三氯乙烯(Trichloroethene，TCE)是氯代烃溶剂中最为常见的一种有机污染物，具有致癌、致畸、致突变的“三致”作用。由于操作不当以及某些储槽的渗漏，它已成为土壤中最常见的有机污染物。黑土被称为大自然馈赠我们的独一无二的土壤珍物，是一种特性优良，肥沃富含高有机质，极其有利于作物生长的土壤。东北黑土平原是中国三大黑土平原之一，具有优良的理化性质，是中国最有价值的土壤类型，对维护中国的粮食安全至关重要。土壤微生物和土壤酶是土壤的重要活性成分，是土壤健康的重要指标，在土壤养分的生物地球化学循环、土壤结构和能量流动等生态过程中发挥着重要作用。本研究以TCE为目标污染物，以东北地区黑土作为研究对象，研究TCE对土壤微生物生态毒理效应。研究了不同浓度(1、5、10、20、40 mg·kg-1)TCE胁迫30天内对土壤呼吸强度、土壤典型理化性质、参与土壤氮代谢作用相关细菌数量、参与土壤碳氮循环相关作用11种土壤酶活性、土壤微生物生物量碳与氮、土壤微生物碳素代谢以及功能多样性、土壤中三大微生物类群(细菌、真菌、放线菌)数量以及微生物群落多样性的影响，并综合分析环境因子作用下土壤微生物群落多样性的变化，以及对土壤氮代谢作用的影响，揭示了TCE对以上各指标的作用规律，并初步分析其作用机制，为客观的评价黑土中TCE的生态毒理效应提供一定的科学依据，以期为黑土设施农业的质量评价提供有价值的信息，对黑土有机污染物的潜在生态风险评价以及分析和防治修复提供理论支撑。主要的研究结论概括如下：
TCE浓度大于10mg·kg-1时，抑制黑土微生物生物量碳与生物量氮含量，进而影响土壤质量与微生物活性，影响黑土微生物对污染物的分解与转化速率以及养分循环作用。在整个培养周期内TCE胁迫对土壤呼吸强度有明显的抑制作用，且随着TCE浓度的增加抑制作用增强，剂量效应关系显著。因此TCE影响了土壤微生物细胞活性进而影响了土壤呼吸强度，从而影响土壤碳循环作用。TCE浓度大于10mg·kg-1时，对黑土有机质和铵态氮含量表现出显著的抑制作用。
参与土壤碳循环以及氮循环作用的土壤蔗糖酶、土壤脲酶、土壤蛋白酶、土壤过氧化氢酶、土壤脱氢酶、土壤纤维素酶、土壤酸性磷酸酶、土壤多酚氧化酶、土壤硝酸还原酶、土壤亚硝酸还原酶、土壤过氧化物酶活性在TCE胁迫下发生不同程度的改变。TCE浓度大于10mg·kg-1时，抑制土壤蔗糖酶以及酸性磷酸酶活性，降低土壤熟化程度以及分解利用能量效率。TCE胁迫时间超过3天抑制土壤蛋白酶以及多酚氧化酶活性，TCE胁迫时间超过7天抑制土壤脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性，且剂量效应关系显著。整个培养周期内TCE始终抑制土壤硝酸还原酶以及过氧化物酶活性。由于黑土中的一些特有微生物具有很强的功能，导致黑土具有很强的自愈能力和自净能力，使得某些土壤酶活性可以逐渐恢复。
较高浓度TCE(10、20、40 mg·kg-1)抑制了黑土微生物群落丰富度，各个浓度TCE对黑土微生物常见物种的优势度有不同程度的抑制作用，20，40mg·kg-1TCE显著降低了黑土微生物群落物种均一度。TCE胁迫下，黑土微生物对糖类、氨基酸类、酯类、醇类、胺类、酸类这六大碳源的利用方式均发生了不同程度的改变。较高浓度TCE(20，40 mg·kg-1)对糖类碳源的利用有抑制作用。1mg·kg-1TCE处理在21天后促进了土壤微生物对氨基酸类碳源的利用。较高浓度的TCE(20，40 mg·kg-1)在培养末期对酯类碳源利用有促进作用。在培养初期1mg·kg-1TCE促进了土壤微生物对醇类碳源的利用，而较高浓度TCE(20，40 mg·kg-1)促进了土壤微生物对酸类碳源的利用。土壤微生物对胺类碳源利用在早期受到低浓度TCE(1 mg·kg-1)的抑制，而在后期受到较高浓度TCE(20，40 mg·kg-1)的抑制。
TCE对黑土细菌数量的影响随着时间的延长而逐渐减弱，黑土细菌数量的变化与TCE浓度和胁迫时间呈剂量效应和时间效应关系。TCE胁迫下黑土真菌数量发生了不同程度改变。黑土放线菌数量从培养第3天开始下降，培养第3天40mg·kg-1TCE处理的样品对土壤放线菌数量的抑制作用达到最大，最大抑制率为57.12%。从培养的第14天开始直至培养结束，TCE各浓度处理的样品对黑土放线菌的数量均有不同程度的抑制作用。TCE胁迫条件下，黑土氮代谢相关细菌数量发生不同程度的改变，进而影响了黑土氨化、硝化、反硝化作用。10mg·kg-1TCE是黑土氨化作用的浓度限值，10mg·kg-1以下浓度的TCE促进了黑土的氨化作用，而大于10mg·kg-1TCE胁迫抑制了黑土的氨化作用。当TCE浓度高于10mg·kg-1并作用7天以上时黑土硝化作用受到抑制。
土壤中三大微生物类群(细菌、真菌、放线菌)在菌门、菌纲和菌目的水平上分类显示40mg·kg-1TCE显著降低了参与氨氮转化过程浮霉菌门的相对含量。在生态功能中起着重要的分解作用的壶菌纲(Chytridiomycetes)的相对菌群含量在TCE浓度小于10mg·kg-1条件下增加，而在较高浓度TCE(20，40 mg·kg-1)胁迫条件下，壶菌纲(Chytridiomycetes)相对菌群含量减少。具有重要生态作用的放线菌菌目的相对比例在TCE胁迫条件下发生不同程度的改变。研究发现参与土壤氮循环中硝化作用的异养硝化细菌链霉菌目(Streptomycetes)和假诺卡氏菌目(Pseudocarbidae )，在土壤氮循环中进行反硝化的可发酵细菌丙酸杆菌(Propionibacteriales)，能与土壤中的豆科植物共生固氮的根瘤菌(Rhizobiales)它们的相对百分比在30天内随TCE污染胁迫而发生变化，进而使得黑土氮循环作用受到影响。
冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)分析结果表明TCE胁迫条件下环境因子土壤理化性质(有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮、硝态氮、速效磷、酸碱度、阳离子交换量)对黑土微生物细菌、真菌、放线菌群落组成有显著影响。壶菌纲(Chytridiomycetes)的相对含量与土壤有机质、铵态氮、总氮、总磷含量呈显正相关性。参与土壤氮循环中硝化作用的异养硝化细菌链霉菌目(Streptomycetes)和假诺卡氏菌目(Pseudocarbidae)分别与土壤阳离子交换量，铵态氮和土壤总磷、总钾、速效磷、硝态氮含量呈显著正相关。在土壤氮循环中进行反硝化作用的可发酵细菌丙酸杆菌(Propionibacteriales)与土壤酸碱度和阳离子交换量呈显著负相关。土壤中硝化细菌、反硝化细菌、亚硝酸盐还原酶、蛋白酶以及过氧化物酶的活性与TCE胁迫时间呈负相关。此外，土壤硝酸还原酶、亚硝酸盐还原酶、过氧化物酶、脲酶、蛋白酶活性以及土壤氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌与TCE浓度呈负相关。
TCE浓度大于10mg·kg-1时，抑制黑土微生物生物量碳与生物量氮含量，进而影响土壤质量与微生物活性，影响黑土微生物对污染物的分解与转化速率以及养分循环作用。在整个培养周期内TCE胁迫对土壤呼吸强度有明显的抑制作用，且随着TCE浓度的增加抑制作用增强，剂量效应关系显著。因此TCE影响了土壤微生物细胞活性进而影响了土壤呼吸强度，从而影响土壤碳循环作用。TCE浓度大于10mg·kg-1时，对黑土有机质和铵态氮含量表现出显著的抑制作用。
参与土壤碳循环以及氮循环作用的土壤蔗糖酶、土壤脲酶、土壤蛋白酶、土壤过氧化氢酶、土壤脱氢酶、土壤纤维素酶、土壤酸性磷酸酶、土壤多酚氧化酶、土壤硝酸还原酶、土壤亚硝酸还原酶、土壤过氧化物酶活性在TCE胁迫下发生不同程度的改变。TCE浓度大于10mg·kg-1时，抑制土壤蔗糖酶以及酸性磷酸酶活性，降低土壤熟化程度以及分解利用能量效率。TCE胁迫时间超过3天抑制土壤蛋白酶以及多酚氧化酶活性，TCE胁迫时间超过7天抑制土壤脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性，且剂量效应关系显著。整个培养周期内TCE始终抑制土壤硝酸还原酶以及过氧化物酶活性。由于黑土中的一些特有微生物具有很强的功能，导致黑土具有很强的自愈能力和自净能力，使得某些土壤酶活性可以逐渐恢复。
较高浓度TCE(10、20、40 mg·kg-1)抑制了黑土微生物群落丰富度，各个浓度TCE对黑土微生物常见物种的优势度有不同程度的抑制作用，20，40mg·kg-1TCE显著降低了黑土微生物群落物种均一度。TCE胁迫下，黑土微生物对糖类、氨基酸类、酯类、醇类、胺类、酸类这六大碳源的利用方式均发生了不同程度的改变。较高浓度TCE(20，40 mg·kg-1)对糖类碳源的利用有抑制作用。1mg·kg-1TCE处理在21天后促进了土壤微生物对氨基酸类碳源的利用。较高浓度的TCE(20，40 mg·kg-1)在培养末期对酯类碳源利用有促进作用。在培养初期1mg·kg-1TCE促进了土壤微生物对醇类碳源的利用，而较高浓度TCE(20，40 mg·kg-1)促进了土壤微生物对酸类碳源的利用。土壤微生物对胺类碳源利用在早期受到低浓度TCE(1 mg·kg-1)的抑制，而在后期受到较高浓度TCE(20，40 mg·kg-1)的抑制。
TCE对黑土细菌数量的影响随着时间的延长而逐渐减弱，黑土细菌数量的变化与TCE浓度和胁迫时间呈剂量效应和时间效应关系。TCE胁迫下黑土真菌数量发生了不同程度改变。黑土放线菌数量从培养第3天开始下降，培养第3天40mg·kg-1TCE处理的样品对土壤放线菌数量的抑制作用达到最大，最大抑制率为57.12%。从培养的第14天开始直至培养结束，TCE各浓度处理的样品对黑土放线菌的数量均有不同程度的抑制作用。TCE胁迫条件下，黑土氮代谢相关细菌数量发生不同程度的改变，进而影响了黑土氨化、硝化、反硝化作用。10mg·kg-1TCE是黑土氨化作用的浓度限值，10mg·kg-1以下浓度的TCE促进了黑土的氨化作用，而大于10mg·kg-1TCE胁迫抑制了黑土的氨化作用。当TCE浓度高于10mg·kg-1并作用7天以上时黑土硝化作用受到抑制。
土壤中三大微生物类群(细菌、真菌、放线菌)在菌门、菌纲和菌目的水平上分类显示40mg·kg-1TCE显著降低了参与氨氮转化过程浮霉菌门的相对含量。在生态功能中起着重要的分解作用的壶菌纲(Chytridiomycetes)的相对菌群含量在TCE浓度小于10mg·kg-1条件下增加，而在较高浓度TCE(20，40 mg·kg-1)胁迫条件下，壶菌纲(Chytridiomycetes)相对菌群含量减少。具有重要生态作用的放线菌菌目的相对比例在TCE胁迫条件下发生不同程度的改变。研究发现参与土壤氮循环中硝化作用的异养硝化细菌链霉菌目(Streptomycetes)和假诺卡氏菌目(Pseudocarbidae )，在土壤氮循环中进行反硝化的可发酵细菌丙酸杆菌(Propionibacteriales)，能与土壤中的豆科植物共生固氮的根瘤菌(Rhizobiales)它们的相对百分比在30天内随TCE污染胁迫而发生变化，进而使得黑土氮循环作用受到影响。
冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)分析结果表明TCE胁迫条件下环境因子土壤理化性质(有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮、硝态氮、速效磷、酸碱度、阳离子交换量)对黑土微生物细菌、真菌、放线菌群落组成有显著影响。壶菌纲(Chytridiomycetes)的相对含量与土壤有机质、铵态氮、总氮、总磷含量呈显正相关性。参与土壤氮循环中硝化作用的异养硝化细菌链霉菌目(Streptomycetes)和假诺卡氏菌目(Pseudocarbidae)分别与土壤阳离子交换量，铵态氮和土壤总磷、总钾、速效磷、硝态氮含量呈显著正相关。在土壤氮循环中进行反硝化作用的可发酵细菌丙酸杆菌(Propionibacteriales)与土壤酸碱度和阳离子交换量呈显著负相关。土壤中硝化细菌、反硝化细菌、亚硝酸盐还原酶、蛋白酶以及过氧化物酶的活性与TCE胁迫时间呈负相关。此外，土壤硝酸还原酶、亚硝酸盐还原酶、过氧化物酶、脲酶、蛋白酶活性以及土壤氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌与TCE浓度呈负相关。