土壤砷污染土壤脲酶特征的模擬研究

土壤砷污染土壤脲酶特征的模擬研究

1as與土壤酶as是自然界中廣泛存在的有毒金屬，通常伴隨著三廢物質(zhì)、農(nóng)藥、化肥等環(huán)境污染。根據(jù)20世紀(jì)90年代初的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，世界人均as量為52000。土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響是人們關(guān)注的重要課題之一。中國(guó)土壤環(huán)境組織長(zhǎng)期以來(lái)一直對(duì)as污染的分布、形態(tài)和生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了深入研究，并提出了不同類型土壤中as的不同生態(tài)含量。土壤酶是土壤中一個(gè)重要的生物節(jié)點(diǎn)。作為養(yǎng)分循環(huán)、有機(jī)質(zhì)形成和能量代謝過(guò)程的催化劑，它近年來(lái)被應(yīng)用于土壤污染的研究領(lǐng)域。一些科學(xué)家先后提出土壤酶、磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，但as和土壤酶之間的關(guān)系很少。因此，這項(xiàng)工作使用模擬方法，分析污染土壤的酶誘導(dǎo)特征，探討它們之間的關(guān)系和操作機(jī)制，為環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)。2材料和方法2.1土壤理化性質(zhì)的測(cè)定土樣采自西北農(nóng)林科技大學(xué)1977年開始的肥料定位試驗(yàn)地.采樣時(shí),先去除0～5cm表層后,取5～20cm土樣,風(fēng)干,過(guò)1mm尼龍篩,保存?zhèn)溆?用常規(guī)方法測(cè)定的理化性質(zhì)見表1.2.2哌酶活性測(cè)定向裝有500g土樣的培養(yǎng)缽中加入不同濃度(0、20、30、50、70、100和200As3+mg·kg-1)的NaAsO2溶液,含水量控制在19.7%,混勻后包扎封口,從3月29日起室溫培養(yǎng),定期取樣,靛酚藍(lán)比色法測(cè)定脲酶活性.活性單位以形成NH+3-N的量表示.每處理重復(fù)3次,并設(shè)無(wú)土樣和無(wú)底物處理作為對(duì)照.稱取培養(yǎng)1年的土樣5.00g,加入1ml甲苯15min后,添加10ml不同濃度(0.010、0.025、0.050和0.100mol·L-1)尿素溶液和20mlpH6.7檸檬酸緩沖液,37℃培養(yǎng),定時(shí)取樣測(cè)定酶活性,計(jì)算脲酶動(dòng)力學(xué)參數(shù).2.3處理數(shù)據(jù)2.3.1tme+vmx/k經(jīng)數(shù)學(xué)變換為:(ln[S0]/[S])/t=([S0]-[S])/tKm+Vmax/Km其中,t為酶促反應(yīng)時(shí)間,[S0]和[S]為初始和t時(shí)間時(shí)的底物濃度.將不同時(shí)間的(ln[S0]/[S])/t和([S0]-[S])/t值進(jìn)行線性擬合,即可求得Km和Vmax值.2.3.2土壤酶促進(jìn)生產(chǎn)力常數(shù)k={ln[Va/(Va-Vt)]}/t其中,Vα、Vt分別為最大和t時(shí)間的放氨量.3結(jié)果與討論3.1培養(yǎng)溫度對(duì)微生物活性的影響不同培養(yǎng)時(shí)間處理土壤脲酶活性結(jié)果見表2.由表2可以看出:1)廄肥土壤脲酶活性大于無(wú)肥;2)酶活性隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),呈現(xiàn)先降低后升高的變化規(guī)律,這與培養(yǎng)期間的氣溫變化一致,即隨氣溫升高,微生物活動(dòng)增強(qiáng),酶活性增大;3)在同一培養(yǎng)時(shí)間內(nèi),隨As濃度增加,土壤脲酶活性升降無(wú)規(guī)律.楊居榮等對(duì)甘肅有色污染礦區(qū)土壤(As含量為15.21mg·kg-1)脲酶活性進(jìn)行了研究,得出類似結(jié)論,即當(dāng)As5+的加入量為40、60、100和200mg·kg-1時(shí),脲酶活性比率分別為對(duì)照的65.9%、95.1%、80.4%和91.7%.由此可見,As加入初期,其與脲酶活性間的變化規(guī)律不明顯.3.2as對(duì)樣品內(nèi)生物酶活性的影響培養(yǎng)1年后土壤脲酶活性見表3.由表3可以看出:1)As的加入導(dǎo)致土壤脲酶活性增加;2)隨As濃度升高,脲酶活性持續(xù)增大,相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(表4),除廄肥0.025mol·L-1尿素濃度外,其余處理均呈顯著或極顯著正相關(guān),表明As3+施入土壤1年后,對(duì)土壤脲酶表現(xiàn)出了較強(qiáng)的激活作用.許曉路研究發(fā)現(xiàn),活性污泥中As3+、As5+濃度在20～200和525～1050mg·g-1MLSS時(shí),脲酶活性分別呈對(duì)數(shù)曲線和直線減小,顯示對(duì)脲酶活性具有較強(qiáng)的抑制作用.但這與我們?cè)囼?yàn)結(jié)果并不矛盾,原因首先是本文試驗(yàn)中As最大加入量為200mg·kg-1,相當(dāng)于0.2mg·g-1(土壤),僅是其試驗(yàn)量的1%,甚至更低.一般在低濃度重金屬污染條件下,土壤酶活性會(huì)受到激活;其次As3+進(jìn)入土壤后會(huì)很快轉(zhuǎn)化為As5+,正如和文祥等指出的,受As污染土壤中的As都是以無(wú)機(jī)態(tài)(5價(jià)As)被土壤固定的;再者他們測(cè)定的是As(包括3價(jià)和5價(jià))污染很短時(shí)間的瞬時(shí)酶效應(yīng),而我們分析得到的是污染1年后土壤脲酶的響應(yīng).由此可見,從本質(zhì)上講,二者研究結(jié)果是一致的.3)廄肥和無(wú)肥土壤脲酶對(duì)As的反應(yīng)相似,只是變化量廄肥土樣大于無(wú)肥.3.3as對(duì)蝌蚪酶活性的影響動(dòng)力學(xué)是研究土壤酶促反應(yīng)機(jī)制的重要手段之一.米氏常數(shù)Km表征酶與底物結(jié)合的牢固程度.當(dāng)Km值小時(shí),親和力大,酶與底物結(jié)合牢固.最大反應(yīng)速度Vmax是總酶量的量度,可表征酶-底物復(fù)合物分解為酶和產(chǎn)物的速率,是實(shí)現(xiàn)某種酶過(guò)程的土壤潛在能力的容量指標(biāo).由表5可以看出:1)廄肥脲酶Km低于無(wú)肥,揭示出廄肥土樣脲酶與尿素間的親和力較強(qiáng),無(wú)肥則相反.2)加入As后,土壤脲酶Km變化較小.3)隨As濃度的增加,廄肥土壤脲酶Km值變幅不超過(guò)2.9%,無(wú)肥土樣總體上呈增大趨勢(shì),除去100mgAs·kg-1外,二者達(dá)到了極顯著相關(guān)(r=0.998**,n-2=2).無(wú)肥土樣由于有機(jī)質(zhì)、粘粒含量較低(表1),對(duì)As的緩沖能力較弱,對(duì)脲酶的保護(hù)作用較差,表觀上表現(xiàn)出隨As濃度增加,脲酶與尿素的親和力減小.廄肥土樣則相反.4)總的來(lái)看,脲酶Km基本處于同一數(shù)量級(jí).這是由于土壤脲酶來(lái)源比較單一的緣故.土壤脲酶Vmax呈現(xiàn)出廄肥大于無(wú)肥的規(guī)律.As的加入導(dǎo)致脲酶Vmax增大,且隨As濃度升高,脲酶活性Vmax增加,其中無(wú)肥土樣呈顯著正相關(guān)(r=0.912*),表明As加速了脲酶-尿素復(fù)合物的解離.有學(xué)者認(rèn)為,Vmax/Km是酶促反應(yīng)初速度的最主要指標(biāo).廄肥脲酶的Vmax/Km大于無(wú)肥,二者最高相差2.83倍,且隨As濃度增加,廄肥、無(wú)肥土樣脲酶的Vmax/Km間差距增大,分別為1.72、1.74、2.07、2.10和2.83倍.此差值與As濃度(r=0.977**)達(dá)到極顯著正相關(guān),佐證了廄肥土樣的保護(hù)能力和對(duì)外界污染物的緩沖能力較強(qiáng)、酶受影響較弱的結(jié)論.反應(yīng)速度常數(shù)k反映反應(yīng)在本質(zhì)上是“快”還是“慢”,其值與底物濃度無(wú)關(guān).廄肥土樣脲酶k值約為無(wú)肥的2倍,隨As濃度增大,廄肥脲酶k值增加,而無(wú)肥基本不變,表明As從本質(zhì)上加快了脲酶酶促反應(yīng)的速度.綜上所述,在As污染初期階段,土壤脲酶活性變化無(wú)明顯規(guī)律