土壤酶对土壤环境质量指示作用的研究进展
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8月29日周一 （农历七月二十七），大家早安！！
今天文章讲述：
土壤酶对化肥、 农药、污水污泥、城市垃圾和重金属的指示作用,为污染土壤的修复提供了理论依据。
来源《土壤》2015年第4期。
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文 边雪廉,岳中辉,焦 浩,王慧一,隋海霞,赵文磊哈尔滨师范大学生命科学与技术学院
黑龙江省普通高等学校植物生物学 重点实验室,哈尔滨 150025
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对土壤环境质量的评估已成热点
土壤是人类赖以生存的物质基础,也是重要的环境要素,是具有吸附、分散、中和、降解环境污染物功能的缓冲带和过滤器。当土壤受到某些有害物质的污染,且总量超过土壤自净能力时,就会引起现存的或潜在的土壤环境质量恶化,从而导致农产品减产、 质量下降,并对人类的健康造成一定的危害,因此对土壤环境质量的评估已经成为环境科学工作者关注的热点问题之一。
土壤环境质量与土壤酶
土壤环境质量是土壤容纳、吸收和降解各种环境污染的能力。各种污染物(农业、工业)进入土壤后,都会对土壤的环境质量造成一定的影响。土壤酶作为土壤中的重要组成部分,是土壤中产生专一生物化学反应的生物催化剂,对土壤环境质量的变化反应迅速,常被用来作为指示土壤环境质量的生物学指标。
土壤环境质量指标主要包括土壤环境容量、重金属全素含量、重金属元素有效性、有机污染物(包括 农药)的残留量、土壤 pH、土壤质地等,但这些指标均为土壤理化指标。
研究发现,与土壤理化指标相比,土壤生物及生物化学指标对土壤环境变化更为敏感,能够比较迅速地评价土壤短时间内的环境质量变化。
在土壤生物组分中,土壤微生物和土壤酶在土壤物质和能量的转化过程中起着至关重要的作用,土壤微生物群落的变化能够迅速反映外来异生物质对土壤环境质量的影响,但是要获得土壤微生物学的特征需要利用分子生物学技术和专业的微生物技术,配备昂贵的试剂和精密的实验仪器,这无疑增加了大范围土壤研究的难度,因此近些年来,学者们开始尝试进行土壤酶对土壤环境质量的指示作用研究。
为污染土壤的修复提供理论依据
土壤中的一切生物化学反应,实际上都是在酶的催化下进行的,土壤酶活性反映了土壤中进行的各种生物化学过程的强度和方向,是土壤的本质属性 之一。Dick 等在 1992 年就指出“土壤酶有助于描述和预测不同生态系统的功能、质量及各系统间的相互作用”;1997 年 Dick又将土壤酶对维护土壤 功能的重要意义进行了归纳,认为土壤酶能够分解外来有机质、促进土壤有机质转化、将有机物分解为植物可利用的矿质元素、参与 N2 固定、降解有害异物(人造化合物如杀虫剂、工业废弃物等)、参与硝化和反硝化过程等;1999 年 Bandick 等的研究进一步指出可以用土壤酶来表征土壤的动态质量,因为土壤酶能催化土壤的养分循环过程,包括土壤 C(β-葡萄 糖苷酶、β-半乳糖苷酶)、N(脲酶)、P(磷酸酶)和 S(硫 酯酶)的循环,并且与土壤生物有关,容易测定,对土壤污染后的变化反应迅速。目前以土壤酶作为土壤环境质量指标的研究主要集中在污染土壤、扰动土壤和农业土壤中。污染物如农业污染物、污水、 污泥、城市垃圾、重金属等对土壤酶活的影响各不相同,因此,本文综述土壤酶对土壤环境的指示作用,为污染土壤的修复提供理论依据。
土壤酶对农业污染物的指示作用
农业污染物如化肥、农药等进入土壤时,会对土壤生物学性质产生影响,土壤酶活性随之发生变化, 其变化幅度和污染物的类型、浓度、持续时间以及施用量等有一定关系,因此许多学者把土壤酶作为农业污染的指示指标。如 Gianfreda 等研究发现,
中度或重度的有机污染土壤与正常耕地相比,土壤芳基硫酸酯酶、β-葡糖苷酶、磷酸酶、脲酶、脱氢酶、荧光素二乙酸水解酶活性降低或不表现酶活性;但也有研究发现,当农业污染物的施用浓度较小时,土壤酶活性不变或增加。
许多研究都表明,化肥的施用会影响土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、荧光素水解酶、脱氢酶、芳基 硫酸酯酶、β-葡糖苷酶、转化酶等的活性。
一般来说,当化肥过量施用时会导致土壤酶活性的降低。如 Dick 等发现化学肥料会抑制磷酸酶的活性。钱海燕等发现水田土壤中施用过量的氮肥会使土壤脲酶的活性受到抑制。李晨华等发现氮、磷、 钾肥会导致土壤过氧化氢酶活性显著降低。林天等发现,在氮、磷、钾肥基础上添加钙后土壤脱氢酶和芳基硫酸酯酶的活性降低,而土壤脲酶、荧光素水解酶、酸性磷酸酶的活性受到抑制。Graham 等发现甘蔗田土壤脱氢酶、碱性磷酸酶、芳基硫酸酯酶 和组氨酸酶的活性随肥料施用量的增加而降低。
但有一些研究认为化肥的施用会提高土壤某些酶的活性或对土壤酶活性没有影响。如 Ajwa 等、Acosta-Martinez 等的研究都表明,随着氮肥施用的增加,土壤 β-葡糖苷酶、酸性磷酸酶、脱氢酶的活性随之升高。柳燕兰等发现单施氮肥土壤脲酶、转化酶和碱性磷酸酶活性均增加。Russo 和 Bile发现在辣椒地中施加氮、磷、钾混合肥,会使土壤 β-半乳糖苷酶活性增加或保持不变。也有研究发现肥料的增加可使酸性磷酸酶、转化酶和蛋白酶活性升高。
农药(杀虫剂、除草剂、杀菌剂)施用后会影响土壤微生物的生长和活性,从而也对土壤酶活性产生影 响,大量研究表明,酶对农药的作用机制是通过抑制或诱导作用,调节、修改或控制合成酶的基因,通过土壤中不同浓度的农药来控制胞内酶和胞外酶的产 物及其总量的变化。但以酶活性作为农药污染评价指标因土壤、农药类型不同而有较大差异。
已有的研究表明,杀虫剂类农药对土壤脲酶、脱 氢酶、纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、磷酸酶、磷酸单酯酶、过氧化氢酶和荧光素二乙酸酯水解酶等有一定影响。
如除硫丹可激活脱氢酶活性之外,大多对其活性都有抑制作用。Rain 等发现脲酶和脱氢酶 对毒死蜱最为敏感,而纤维素酶、淀粉酶和蛋白酶的 活性在施用毒死蜱后逐渐产生抗性。也有研究发现土 壤磷酸酶活性随毒死蜱浓度的增加而增加,但超过20 天后酶活性逐渐降低。而重复施用毒死蜱和喹 硫两种农药后土壤磷酸酶活性受抑制。Yao 等研究发现施用啶虫脒后,土壤脱氢酶活性增强,而土 壤脲酶和过氧化氢酶的变化较小。Kalyani 等和Perucci等发现咪唑啉和硫丹可激活荧光素二乙酸 酯水解酶的活性;Kalyani等和Dutta等发现毒死 蜱和乙硫磷也可激活荧光素二乙酸酯水解酶的活性, 而硫丹可增加芳基硫酸酯酶的活性。Gundi等发现 喹硫磷、久效磷、氯氰菊酯单独或混合使用可提高脱 氢酶的活性;而 Fragoeiro和 Magan的研究表明, 西玛津、氟乐灵、狄氏剂等农药的施用降低了土壤脱 氢酶的活性。Pandey 和 Singh及 Singh 等发现施 用蚍虫淋、林丹、二嗪磷后花生地碱性磷酸单酯酶和 脱氢酶活性先下降后升高,最后趋于稳定。
土壤转化酶、磷酸酶、脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶等对除草剂施用的响应不同。
如转化酶活性受草甘
磷和百草枯激活,受西维因抑制,而脲酶活性不
受这两种农药影响。土壤磷酸酶的活性受呋喃丹、
铁灭克、天王星 3 种除草剂的抑制,脱氢酶活性受天王星、功夫、久效磷、氧化乐果、乙草胺等除草剂
的抑制。过氧化氢酶的活性受水稻除草剂苯噻草胺抑制,且浓度越大,抑制作用越强。草不绿抑制土壤酯酶的活性。莠去津可降低土壤 β-葡糖苷酶的活性。
对杀菌剂施用比较敏感的酶类有土壤过氧化氢 酶、转化酶、脲酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶等。
土壤转化酶活性受百菌清、多菌灵混剂、氯氰菊酯这 3种杀菌剂的抑制,但多菌灵、吡虫啉在低浓度时激活而高浓度时抑制转化酶活性。过氧化氢酶、脲酶和酸性磷酸酶活性受到高浓度井冈素的抑制,而其低浓度对酶活性的影响较小。土壤酸性磷酸酶、碱性磷
酸酶、脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性受百菌清的抑制。较高剂量的杀菌剂可抑制脱氢酶的活性。
土壤酶对工业污染物的指示作用
工业污水、污泥由于其富含一些有价值的有机无机营养物,在处理后能够改善土壤肥力,常应用在农业领域进行农田的灌溉。研究发现污水污泥的应用可以促进土壤生物活性增加基底呼吸和微生物的生物量,从而引起酶活性也发生相应的变化。如 Kizilkaya 等研究发现灌溉污水污泥的土壤,脲 酶、磷酸单酯酶、芳基硫酸酯酶的活性增加;大麦田污水污泥对土壤 BAA-蛋白酶、脲酶、磷酸酶和 β-葡糖苷酶活性有促进作用。但也有研究表明,污 水污泥施用后,土壤酶活性降低。如 Filip 等发现在污水灌溉的土壤中,土壤 β-葡糖苷酶、β-乙酰氨 基葡糖苷酶、蛋白酶和磷酸酶活性受到抑制;Reddy等发现污泥处理后根际和非根际土壤的土壤脱氢酶活性都明显降低。污水污泥对土壤酶活性的不同影响与其施用量和成分有密切关系,如有研究发现污水污泥中含有重金属会严重抑制土壤脱氢酶的活性;Kannan 和 Oblisami发现用纸浆污染的水灌溉土壤会使土壤转化酶和脱氢酶的活性升高;李慧等发现土壤脱氢酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶活性与土壤中石油烃含量呈显著正相关,而土壤脲酶活性与土壤中石油烃含量呈显著负相关;何艺等也发现含油污的水对土壤过氧化氢酶、多酚氧化酶和脲酶均有一定程度的刺激作用。
城市固体垃圾是人们在生产建设、日常生活和其他活动中产生的废弃物质,其中所含的有害物质会改变土壤结构和土质,影响土壤中微生物的活动,酶活性随之变化。已有的研究表明,城市固体垃圾会影响土壤 β-葡糖苷酶、脲酶、碱性磷酸酶、脱氢酶、过氧化氢酶、纤维素酶、蛋白酶等的活性。如 Garcia Gil 等发现城市固体垃圾堆肥增加了农田土壤脱 氢酶和过氧化氢酶的活性。李俊等发现随着垃圾填埋深度的加深,土壤脲酶和纤维素酶的活性有下降的趋势,而过氧化氢酶和蛋白酶的活性变化不大。Felipe 等发现城市固体垃圾会导致 β-葡糖苷酶、碱 性磷酸酶活性增加。Carmine 等发现城市固体垃圾堆肥能增加土壤脱氢酶和硝酸还原酶活性。Claire等发现土壤中过氧化物酶的活性在城市固体垃圾堆肥污染后增加,但对酰胺酶和脲酶的影响不大。
众所周知,重金属在生态系统中具有长期的毒性作用且对土壤酶催化过程有着负面的影响。它们通过抑制其催化反应活跃的基团、改变蛋白质的构象或与其他金属共同参与破坏酶复合物的形成从而破坏土壤酶的活性。Marzadori及 Aoyama 和 Naguno指出, 土壤脲酶、酸性磷酸酶、脱氢酶都对土壤重金属污染 比较敏感,是指示土壤重金属污染的指标。土壤脱氢 酶活性更易受到土壤 Pb 和 Cd 积累的影响,较适合 用于反映土壤中 Pb 和 Cd 污染程度。Pankhurst发现芳基硫酸酯酶可被用作土壤重金属污染的敏感 指标。还有研究发现 L-谷氨酰胺酶、纤维素酶和 β-葡糖苷酶活性受 Hg、Ag、Cr 和 Cd 等金属元素抑制。杨志新等发现中壤质潮褐土中随Cd、Zn复合浓度的增加,过氧化氢酶活性显著降低。龙建等发现矿区红壤受 Cu、Zn、Pb、Cd 混合污染后,土 壤多酚氧化酶活性降低。罗红等对 Ni、Cu、Cd 复合污染的深层红壤进行研究,发现 Ni 浓度增加抑制 土壤转化酶的活性,随 Cu 浓度的增加蛋白酶活性显著降低,Cd 对蛋白酶活性具有明显抑制作用。Frankenberger 和 Tabatabai发现重金属如 Hg、Ag、Cr、Cd 对 L-天冬酰胺酶和硫酯酶均有抑制作用;Bardgett 等也发现这 4 种重金属可抑制酸性磷酸酶和脲酶活性;Al-khafaji 和 Tabatabai也发现 其对芳基硫酸酯酶有抑制作用。Füsun 和 Esin发现芳基硫酸酯酶、碱性磷酸酶和脲酶的活性与 Pb、Cr、Mn 总含量呈显著负相关。
但也有研究表明,土壤酶活性在重金属污染土壤的修复中有一定的积极作用。如在 Cd、Zn、Pb 复合污染的中壤质潮褐土中过氧化氢酶活性随着 Pb 浓度增加而增加;Gao 等发现 Cd、Cu、Ni 对磷酸酶活性均表现出一定的激活效应;Mikanova发现蛋白酶和脲酶活性受重金属的抑制较弱。在红壤中重金属 Cu、Zn、Pb、Cd 污染对土壤转化酶影响不大。
结论与展望
众多的研究都表明,化肥、农药、污水污泥、城市固体垃圾和重金属会对土壤酶活性产生不同的影响,其作用表现为 3 种趋势,即促进、抑制或没有影响(表 1),同一种酶在同一类污染物的作用下,也可能表现出相反的趋势,这是由于污染物浓度、持续时间、土壤类型的差异造成的。在常涉及的 20 多种酶类中,对各种污染物都较敏感的酶类有脱氢酶、过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶、β-葡糖苷酶(表 1)等,可以考虑用这些酶类来指示污染后土壤环境质量的变化,但目前的研究仅限于酶活性的变化,对酶活性的作用机制较少涉及,能否真正用其来指示土壤环境质量的变化可能还需要一些分子生物学机制的研究。
除此之外,土壤中还有大约 40 ~ 50 种酶类的特性是我们所不了解的,这些酶类是否对土壤环境有指示作用也有待于去研究发现,弄清酶活性特征与土壤的关系,寻找一个敏感的、普遍适用的综合指标,是土壤酶学主要的研究方向。
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