土壤胞内/胞外β-葡萄糖苷酶对As(Ⅴ)的响应研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wsx19810518
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目前,土壤砷(As)污染是最为严重的环境问题之一,快速、准确地探明其生态毒性是土壤As污染程度监测等研究的重要课题。土壤酶是土壤的重要组成部分,也是土壤重金属污染评价的常用生物指标之一,但由于土壤酶与微生物酶难以准确区分,导致在土壤酶对重金属的响应差异较大,因此亟需开展土壤中不同存在部位的胞内酶(主要来自微生物的游离态酶)和胞外酶(吸附固定在有机质和粘粒上的固定态酶)细化研究,结果将为更加准确了解砷对土壤酶的作用、探讨土壤酶不同种类酶酶促反应的差异,最终为更加合理和准确评价污染程度,构建科学的监测指标体系等提供重要依据。本文以氯仿熏蒸法为手段,通过室内培养试验,对土壤中β葡萄糖苷酶的胞内、胞外酶特征进行了分析,并借助于酶动力学方法,探讨了胞内酶和胞外酶酶促反应机理的差异,尝试明确胞内酶和胞外酶对砷的响应变化规律,并初步研究了不同污染时间、土壤性质、实地污染土壤等对二者关系的影响,获得了一些主要结果:1.氯仿熏蒸法能够初步区分土壤胞内、胞外酶活性,是一种较好的方法。供试土壤胞内β-葡萄糖苷酶活性平均占土壤总酶的81.06%,与微生物生物量碳含量呈显著相关(r=0.812*);而胞外β葡萄糖苷酶活性仅占18.64%,与微生物生物量碳不相关。酶促反应动力学研究反映出胞内酶与底物亲和力、酶-底物复合物解离为酶和产物速率要大于胞外酶,表明胞内酶更容易完成酶促反应。2.30分钟急性污染后,土壤总的、胞内及胞外β-葡萄糖苷酶活性均受到As(Ⅴ)的抑制,其间关系达到了显著或极显著负相关关系(相关系数分别达到了0.990**、0.918**、0.867*),表明土壤酶活性在一定程度上,可以表征土壤受五价砷污染的程度;计算得到的土壤酶活性生态剂量ED50(抑制50%时的As浓度)分别为28.79、26.81和98.97 mg kg-1;动力学研究发现As对总酶和胞内酶的作用属于反竞争性抑制,对胞外酶主要为非竞争性抑制,总酶和胞内酶的动力学参数(Km、Ⅴmax、Ⅴmax/Km)能在一定程度上亦可表征土壤As污染程度。3.As(Ⅴ)老化污染土壤三个月后,土壤有效As(Ⅴ)及其生物有效性系数(K)均随着外源添加As(Ⅴ)浓度的升高而增大;As抑制了土壤总酶和胞内酶活性,对胞外酶无作用;土壤总As和有效As对总酶ED50为32.59和4.38 mg kg-1,胞内酶为29.91和4.72mg kg-1。与急性污染相比,老化过程降低了As(Ⅴ)对β葡萄糖苷酶(总的、胞内和胞外酶)的抑制作用;动力学研究也得到与急性污染类似的As(Ⅴ)与总酶和胞内酶的抑制机理。4.实地As污染土壤中,土壤胞内β-葡萄糖苷酶活性平均占总酶活性的75.74%,与土壤微生物生物量碳显著相关;胞外酶仅占24.26%,与土壤pH和无定形铁含量显著相关。计算酶活性与土壤微生物生物量碳(MBC)比值发现,总酶活性/MBC与交换态和生物有效态As浓度显著相关,胞内酶活性/MBC与所有形态As均显著相关;拟合As浓度与酶活性/MBC的关系得到土壤胞内酶响应的生物有效态As的ED50为29.95mg kg-1,表明胞内酶活性/MBC可以作为土壤砷污染程度的指标。综上所述,氯仿熏蒸法可初步区分土壤胞内和胞外β-葡萄糖苷酶活性;As对总酶和胞内酶的作用为反竞争性抑制,对胞外酶则主要表现为非竞争性抑制作用;相对于胞外酶,总酶和胞内酶更准确的评价土壤As污染的生态毒性。结果将为土壤砷生态毒性的评价、酶活性监测指标的科学构建等中提供重要依据,在理论和实践上具有重要意义。
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