土壤酶對(duì)As污染毒性響應(yīng)及作用機(jī)理研究.pdf

1、As污染已成為現(xiàn)今分布最廣、毒性最大的重金屬污染之一。As污染不僅影響土壤正常生態(tài)功能，還通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體產(chǎn)生毒害，因而對(duì)土壤As污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及監(jiān)測(cè)十分必要。土壤酶在土壤物質(zhì)循環(huán)和生物化學(xué)過(guò)程中具有重要作用，是土壤污染監(jiān)測(cè)的良好生物指標(biāo)。研究土壤酶與As污染關(guān)系及作用機(jī)理，揭示As對(duì)土壤生態(tài)功能的影響，對(duì)As污染危害、污染監(jiān)測(cè)及修復(fù)具有重要意義。本文研究了模擬As污染和礦區(qū)長(zhǎng)期As污染對(duì)土壤酶活性的影響，探明了As對(duì)土壤酶的動(dòng)力學(xué)、熱

2、力學(xué)作用機(jī)制和長(zhǎng)期As污染土壤酶功能多樣性與穩(wěn)定性特征，通過(guò)模型計(jì)算得到了短期和長(zhǎng)期As污染的毒性閾值，豐富和完善了重金屬污染監(jiān)測(cè)的土壤酶學(xué)理論。主要獲得如下結(jié)論:
　　(1)通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了急性As污染對(duì)土壤酶活性抑制規(guī)律。模擬As污染對(duì)蔗糖酶活性作用較小;As(Ⅴ)對(duì)脲酶活性影響不顯著，高濃度As(Ⅲ)抑制脲酶活性;As(Ⅴ)較強(qiáng)的抑制了堿性磷酸酶活性，而As(Ⅲ)對(duì)其影響很小;脫氫酶對(duì)As(Ⅴ)和As(Ⅲ)均非常敏感。

3、土壤肥力性狀影響As對(duì)土壤酶的抑制。肥力高的土壤對(duì)As緩沖能力更強(qiáng)，As對(duì)酶活性抑制相對(duì)較小。
　　(2)采用動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)手段研究了As對(duì)堿性磷酸酶和酸性磷酸酶的抑制機(jī)理。As對(duì)土壤堿性磷酸酶和酸性磷酸酶活性的抑制與底物濃度有關(guān)。相同As濃度處理下，增大底物濃度，抑制率降低。As污染下，土壤堿性磷酸酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax不變或高濃度下降低，Km隨As濃度增加線性增大;其抑制屬于競(jìng)爭(zhēng)性抑制或包括競(jìng)爭(zhēng)和非競(jìng)爭(zhēng)的混合抑制，以競(jìng)爭(zhēng)抑制類型

4、為主。酸性磷酸酶動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)為Vmax降低，Km不變或線性增大;As對(duì)其抑制屬于非競(jìng)爭(zhēng)抑制或混合抑制，以非競(jìng)爭(zhēng)抑制為主。As對(duì)堿性磷酸酶競(jìng)爭(zhēng)性抑制常數(shù)Kic在0.17～0.70 mM之間，小于酶與底物親和力常數(shù)Km;非競(jìng)爭(zhēng)抑制常數(shù)Kiu在2.51-5.92 mM之間。酸性磷酸酶Kic在0.38～3.65 mM之間，Kiu在0.84～7.43 mM之間。Kic與Kiu決定了As與磷酸酶的親和力以及結(jié)合方式，進(jìn)而決定了As對(duì)磷酸酶的抑制機(jī)理和

5、生態(tài)毒性。土壤性質(zhì)通過(guò)影響As與土壤磷酸酶親和力及結(jié)合方式，影響As對(duì)磷酸酶動(dòng)力學(xué)抑制機(jī)理及生態(tài)毒性。其中pH、有機(jī)質(zhì)、無(wú)定型Fe、CEC是主要影響因素。熱力學(xué)研究表明，As污染使堿性磷酸酶Ea、△H*、△S*以及△G*等熱力學(xué)參數(shù)值不同程度上增加，As對(duì)堿性磷酸酶抑制屬于焓控過(guò)程。
　　(3)研究了粘土礦物固定態(tài)堿性磷酸酶對(duì)As毒性的響應(yīng)。結(jié)果表明，As對(duì)自由態(tài)和固定態(tài)堿性磷酸酶動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)抑制規(guī)律與土壤堿性磷酸酶類似，抑

6、制機(jī)制屬于競(jìng)爭(zhēng)性抑制，在熱力學(xué)上是一個(gè)焓控過(guò)程。蒙脫石和針鐵礦降低了As對(duì)堿性磷酸酶活性的抑制，使酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)(Km、Vmax/Km)隨As濃度增加變化減緩;蒙脫石降低了As對(duì)堿性磷酸酶酶Ea、△H*和△S*的影響，而針鐵礦的作用則相反，顯示不同粘土礦物對(duì)As抑制堿性磷酸酶熱力學(xué)特征的影響不一致?？偟膩?lái)說(shuō)，蒙脫石和針鐵礦對(duì)酶的固定能夠減輕As堿性磷酸酶的抑制，對(duì)酶具有保護(hù)效應(yīng)。
　　(4)研究了石門雄黃礦區(qū)土壤As污染狀況及其對(duì)土

7、壤酶生態(tài)功能的影響。礦區(qū)土壤As含量普遍超標(biāo)，最高達(dá)4008.5 mg kg-1，污染較為嚴(yán)重;土壤As形態(tài)主要以殘?jiān)鼞B(tài)為主，水溶態(tài)、交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)As占總As比例較低，最高均不超過(guò)3％;As生物有效性系數(shù)較低，但由于污染土壤As含量特別高，導(dǎo)致土壤3種易遷移的形態(tài)As含量較高，其毒性風(fēng)險(xiǎn)很大。土壤酶活性與As含量密切相關(guān)。除堿性磷酸酶外，β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、FDA水解酶以及脫氫酶與土壤不同形態(tài)

8、As顯著負(fù)相關(guān)。土壤β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶、脫氫酶（Vmax、Vmax/Km）與土壤As顯著負(fù)相關(guān)，堿性磷酸酶則與As關(guān)系不顯著。對(duì)土壤酶功能穩(wěn)定研究表明，4種土壤酶熱穩(wěn)定性表現(xiàn)為脲酶＞β-葡萄糖苷酶＞酸性磷酸酶＞FDA水解酶。As污染使土壤酸性磷酸酶和FDA水解酶熱穩(wěn)定性降低;β-葡萄糖苷酶則表現(xiàn)為中等污染脅迫下熱抵抗力最強(qiáng)。長(zhǎng)期污染土壤酶活性、動(dòng)力學(xué)以及穩(wěn)定性不僅與As含量有關(guān)，同時(shí)受到土壤性質(zhì)的影響。其中CEC、全氮以及pH是

9、影響酶活性的主要因子;土壤酶動(dòng)力學(xué)特征則與全氮、堿解氮、pH、CEC、速效磷顯著相關(guān)，其中全氮、堿解氮是主要影響因子;土壤酶穩(wěn)定性與全氮、堿解氮、pH以及速效磷顯著相關(guān)。
　　(5)計(jì)算了不同酶指標(biāo)生態(tài)劑量ED10和ED50（使酶參數(shù)降低10％和50％對(duì)應(yīng)As濃度）。室內(nèi)模擬污染試驗(yàn)，堿性磷酸酶Vmax/Km生態(tài)劑量ED10和ED50分別為:7.4～37.3和66.9～335.6 mg kg-1，在所有酶參數(shù)中生態(tài)劑量值最低。在長(zhǎng)

10、期污染土壤中，脫氫酶對(duì)長(zhǎng)期As污染最為敏感，脫氫酶活性、Vmax、Vmax/Km生態(tài)劑量ED10分別為71.9、55.8、34.9 mg kg-1，動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax/Km指標(biāo)相比酶活性和Vmax指標(biāo)更為靈敏，β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶也表現(xiàn)出相似規(guī)律?？傮w酶活性、幾何平均以及加權(quán)平均等多樣性指標(biāo)評(píng)價(jià)效果弱于單一敏感酶指標(biāo)。綜上，As污染敏感酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax/Km是評(píng)價(jià)As污染較為理想的酶學(xué)指標(biāo)，與傳統(tǒng)酶活性指標(biāo)相比，其對(duì)污染指示靈