對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的評(píng)估已成熱點(diǎn)
土壤是人類(lèi)賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),也是重要的環(huán)境要素,是具有吸附、分散、中和、降解環(huán)境污染物功能的緩沖帶和過(guò)濾器。當(dāng)土壤受到某些有害物質(zhì)的污染,且總量超過(guò)土壤自凈能力時(shí),就會(huì)引起現(xiàn)存的或潛在的土壤環(huán)境質(zhì)量惡化,從而導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)、 質(zhì)量下降,并對(duì)人類(lèi)的健康造成一定的危害,因此對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的評(píng)估已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)工作者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題
土壤環(huán)境質(zhì)量與土壤酶
土壤環(huán)境質(zhì)量是土壤容納、吸收和降解各種環(huán)境污染的能力。各種污染物(農(nóng)業(yè)、工業(yè))進(jìn)入土壤后,都會(huì)對(duì)土壤的環(huán)境質(zhì)量造成一定的影響。土壤酶作為土壤中的重要組成部分,是土壤中產(chǎn)生專(zhuān)一生物化學(xué)反應(yīng)的生物催化劑,對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的變化反應(yīng)迅速,常被用來(lái)作為指示土壤環(huán)境質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)。
土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)
土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)主要包括土壤環(huán)境容量、重金屬全素含量、重金屬元素有效性、有機(jī)污染物(包括 農(nóng)藥)的殘留量、土壤 pH、土壤質(zhì)地等,但這些指標(biāo)均為土壤理化指標(biāo)。
研究發(fā)現(xiàn),與土壤理化指標(biāo)相比,土壤生物及生物化學(xué)指標(biāo)對(duì)土壤環(huán)境變化更為敏感,能夠比較迅速地評(píng)價(jià)土壤短時(shí)間內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量變化。
在土壤生物組分中,土壤微生物和土壤酶在土壤物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用,土壤微生物群落的變化能夠迅速反映外來(lái)異生物質(zhì)對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響,但是要獲得土壤微生物學(xué)的特征需要利用分子生物學(xué)技術(shù)和專(zhuān)業(yè)的微生物技術(shù),配備昂貴的試劑和精密的實(shí)驗(yàn)儀器,這無(wú)疑增加了大范圍土壤研究的難度,因此近些年來(lái),學(xué)者們開(kāi)始嘗試進(jìn)行土壤酶對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的指示作用研究。
為污染土壤的修復(fù)提供理論依據(jù)
土壤中的一切生物化學(xué)反應(yīng),實(shí)際上都是在酶的催化下進(jìn)行的,土壤酶活性反映了土壤中進(jìn)行的各種生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度和方向,是土壤的本質(zhì)屬性 之一。Dick 等在 1992 年就指出“土壤酶有助于描述和預(yù)測(cè)不同生態(tài)系統(tǒng)的功能、質(zhì)量及各系統(tǒng)間的相互作用”;1997 年 Dick又將土壤酶對(duì)維護(hù)土壤 功能的重要意義進(jìn)行了歸納,認(rèn)為土壤酶能夠分解外來(lái)有機(jī)質(zhì)、促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、將有機(jī)物分解為植物可利用的礦質(zhì)元素、參與 N2 固定、降解有害異物(人造化合物如殺蟲(chóng)劑、工業(yè)廢棄物等)、參與硝化和反硝化過(guò)程等;1999 年 Bandick 等的研究進(jìn)一步指出可以用土壤酶來(lái)表征土壤的動(dòng)態(tài)質(zhì)量,因?yàn)橥寥烂改艽呋寥赖酿B(yǎng)分循環(huán)過(guò)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)的循環(huán),并且與土壤生物有關(guān),容易測(cè)定,對(duì)土壤污染后的變化反應(yīng)迅速。目前以土壤酶作為土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的研究主要集中在污染土壤、擾動(dòng)土壤和農(nóng)業(yè)土壤中。污染物如農(nóng)業(yè)污染物、污水、 污泥、城市垃圾、重金屬等對(duì)土壤酶活的影響各不相同,因此,本文綜述土壤酶對(duì)土壤環(huán)境的指示作用,為污染土壤的修復(fù)提供理論依據(jù)。
土壤酶對(duì)農(nóng)業(yè)污染物的指示作用
農(nóng)業(yè)污染物如化肥、農(nóng)藥等進(jìn)入土壤時(shí),會(huì)對(duì)土壤生物學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響,土壤酶活性隨之發(fā)生變化, 其變化幅度和污染物的類(lèi)型、濃度、持續(xù)時(shí)間以及施用量等有一定關(guān)系,因此許多學(xué)者把土壤酶作為農(nóng)業(yè)污染的指示指標(biāo)。如 Gianfreda 等研究發(fā)現(xiàn), 中度或重度的有機(jī)污染土壤與正常耕地相比,土壤芳基硫酸酯酶、β-葡糖苷酶、磷酸酶、脲酶、脫氫酶、熒光素二乙酸水解酶活性降低或不表現(xiàn)酶活性;但也有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)農(nóng)業(yè)污染物的施用濃度較小時(shí),土壤酶活性不變或增加。
1土壤酶對(duì)化肥的指示作用
許多研究都表明,化肥的施用會(huì)影響土壤脲酶、磷酸酶、過(guò)氧化氫酶、熒光素水解酶、脫氫酶、芳基 硫酸酯酶、β-葡糖苷酶、轉(zhuǎn)化酶等的活性。
一般來(lái)說(shuō),當(dāng)化肥過(guò)量施用時(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤酶活性的降低。如 Dick 等發(fā)現(xiàn)化學(xué)肥料會(huì)抑制磷酸酶的活性。錢(qián)海燕等發(fā)現(xiàn)水田土壤中施用過(guò)量的氮肥會(huì)使土壤脲酶的活性受到抑制。李晨華等發(fā)現(xiàn)氮、磷、 鉀肥會(huì)導(dǎo)致土壤過(guò)氧化氫酶活性顯著降低。林天等發(fā)現(xiàn),在氮、磷、鉀肥基礎(chǔ)上添加鈣后土壤脫氫酶和芳基硫酸酯酶的活性降低,而土壤脲酶、熒光素水解酶、酸性磷酸酶的活性受到抑制。Graham 等發(fā)現(xiàn)甘蔗田土壤脫氫酶、堿性磷酸酶、芳基硫酸酯酶 和組氨酸酶的活性隨肥料施用量的增加而降低。
但有一些研究認(rèn)為化肥的施用會(huì)提高土壤某些酶的活性或?qū)ν寥烂富钚詻](méi)有影響。如 Ajwa 等、Acosta-Martinez 等的研究都表明,隨著氮肥施用的增加,土壤 β-葡糖苷酶、酸性磷酸酶、脫氫酶的活性隨之升高。柳燕蘭等發(fā)現(xiàn)單施氮肥土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶活性均增加。Russo 和 Bile發(fā)現(xiàn)在辣椒地中施加氮、磷、鉀混合肥,會(huì)使土壤 β-半乳糖苷酶活性增加或保持不變。也有研究發(fā)現(xiàn)肥料的增加可使酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶和蛋白酶活性升高。
2土壤酶對(duì)農(nóng)藥的指示作用
農(nóng)藥(殺蟲(chóng)劑、除草劑、殺菌劑)施用后會(huì)影響土壤微生物的生長(zhǎng)和活性,從而也對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影 響,大量研究表明,酶對(duì)農(nóng)藥的作用機(jī)制是通過(guò)抑制或誘導(dǎo)作用,調(diào)節(jié)、修改或控制合成酶的基因,通過(guò)土壤中不同濃度的農(nóng)藥來(lái)控制胞內(nèi)酶和胞外酶的產(chǎn) 物及其總量的變化。但以酶活性作為農(nóng)藥污染評(píng)價(jià)指標(biāo)因土壤、農(nóng)藥類(lèi)型不同而有較大差異。
殺蟲(chóng)劑類(lèi)影響
已有的研究表明,殺蟲(chóng)劑類(lèi)農(nóng)藥對(duì)土壤脲酶、脫 氫酶、纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶、磷酸酶、磷酸單酯酶、過(guò)氧化氫酶和熒光素二乙酸酯水解酶等有一定影響。
如除硫丹可激活脫氫酶活性之外,大多對(duì)其活性都有抑制作用。Rain 等發(fā)現(xiàn)脲酶和脫氫酶 對(duì)毒死蜱最為敏感,而纖維素酶、淀粉酶和蛋白酶的 活性在施用毒死蜱后逐漸產(chǎn)生抗性。也有研究發(fā)現(xiàn)土 壤磷酸酶活性隨毒死蜱濃度的增加而增加,但超過(guò)20 天后酶活性逐漸降低。而重復(fù)施用毒死蜱和喹 硫兩種農(nóng)藥后土壤磷酸酶活性受抑制。Yao 等研究發(fā)現(xiàn)施用啶蟲(chóng)脒后,土壤脫氫酶活性增強(qiáng),而土 壤脲酶和過(guò)氧化氫酶的變化較小。Kalyani 等和Perucci等發(fā)現(xiàn)咪唑啉和硫丹可激活熒光素二乙酸 酯水解酶的活性;Kalyani等和Dutta等發(fā)現(xiàn)毒死 蜱和乙硫磷也可激活熒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等發(fā)現(xiàn) 喹硫磷、久效磷、氯氰菊酯單獨(dú)或混合使用可提高脫 氫酶的活性;而 Fragoeiro和 Magan的研究表明, 西瑪津、氟樂(lè)靈、狄氏劑等農(nóng)藥的施用降低了土壤脫 氫酶的活性。Pandey 和 Singh及 Singh 等發(fā)現(xiàn)施 用蚍蟲(chóng)淋、林丹、二嗪磷后花生地堿性磷酸單酯酶和 脫氫酶活性先下降后升高,最后趨于穩(wěn)定。
除草劑類(lèi)影響
土壤轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶、脫氫酶、過(guò)氧化氫酶、脲酶等對(duì)除草劑施用的響應(yīng)不同。
如轉(zhuǎn)化酶活性受草甘 磷和百草枯激活,受西維因抑制,而脲酶活性不 受這兩種農(nóng)藥影響。土壤磷酸酶的活性受呋喃丹、 鐵滅克、天王星 3 種除草劑的抑制,脫氫酶活性受天王星、功夫、久效磷、氧化樂(lè)果、乙草胺等除草劑 的抑制。過(guò)氧化氫酶的活性受水稻除草劑苯噻草胺抑制,且濃度越大,抑制作用越強(qiáng)。草不綠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。
殺菌劑類(lèi)影響
對(duì)殺菌劑施用比較敏感的酶類(lèi)有土壤過(guò)氧化氫 酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶等。
土壤轉(zhuǎn)化酶活性受百菌清、多菌靈混劑、氯氰菊酯這 3種殺菌劑的抑制,但多菌靈、吡蟲(chóng)啉在低濃度時(shí)激活而高濃度時(shí)抑制轉(zhuǎn)化酶活性。過(guò)氧化氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性受到高濃度井岡素的抑制,而其低濃度對(duì)酶活性的影響較小。土壤酸性磷酸酶、堿性磷 酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶活性受百菌清的抑制。較高劑量的殺菌劑可抑制脫氫酶的活性。
土壤酶對(duì)工業(yè)污染物的指示作用
1土壤酶對(duì)污水、污泥污染的指示作用
工業(yè)污水、污泥由于其富含一些有價(jià)值的有機(jī)無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物,在處理后能夠改善土壤肥力,常應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行農(nóng)田的灌溉。研究發(fā)現(xiàn)污水污泥的應(yīng)用可以促進(jìn)土壤生物活性增加基底呼吸和微生物的生物量,從而引起酶活性也發(fā)生相應(yīng)的變化。如 Kizilkaya 等研究發(fā)現(xiàn)灌溉污水污泥的土壤,脲 酶、磷酸單酯酶、芳基硫酸酯酶的活性增加;大麥田污水污泥對(duì)土壤 BAA-蛋白酶、脲酶、磷酸酶和 β-葡糖苷酶活性有促進(jìn)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 等發(fā)現(xiàn)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等發(fā)現(xiàn)污泥處理后根際和非根際土壤的土壤脫氫酶活性都明顯降低。污水污泥對(duì)土壤酶活性的不同影響與其施用量和成分有密切關(guān)系,如有研究發(fā)現(xiàn)污水污泥中含有重金屬會(huì)嚴(yán)重抑制土壤脫氫酶的活性;Kannan 和 Oblisami發(fā)現(xiàn)用紙漿污染的水灌溉土壤會(huì)使土壤轉(zhuǎn)化酶和脫氫酶的活性升高;李慧等發(fā)現(xiàn)土壤脫氫酶、過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶活性與土壤中石油烴含量呈顯著正相關(guān),而土壤脲酶活性與土壤中石油烴含量呈顯著負(fù)相關(guān);何藝等也發(fā)現(xiàn)含油污的水對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶和脲酶均有一定程度的刺激作用。
2土壤酶對(duì)城市固體垃圾污染的指示作用
城市固體垃圾是人們?cè)谏a(chǎn)建設(shè)、日常生活和其他活動(dòng)中產(chǎn)生的廢棄物質(zhì),其中所含的有害物質(zhì)會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)和土質(zhì),影響土壤中微生物的活動(dòng),酶活性隨之變化。已有的研究表明,城市固體垃圾會(huì)影響土壤 β-葡糖苷酶、脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶、過(guò)氧化氫酶、纖維素酶、蛋白酶等的活性。如 Garcia Gil 等發(fā)現(xiàn)城市固體垃圾堆肥增加了農(nóng)田土壤脫 氫酶和過(guò)氧化氫酶的活性。李俊等發(fā)現(xiàn)隨著垃圾填埋深度的加深,土壤脲酶和纖維素酶的活性有下降的趨勢(shì),而過(guò)氧化氫酶和蛋白酶的活性變化不大。Felipe 等發(fā)現(xiàn)城市固體垃圾會(huì)導(dǎo)致 β-葡糖苷酶、堿 性磷酸酶活性增加。Carmine 等發(fā)現(xiàn)城市固體垃圾堆肥能增加土壤脫氫酶和硝酸還原酶活性。Claire等發(fā)現(xiàn)土壤中過(guò)氧化物酶的活性在城市固體垃圾堆肥污染后增加,但對(duì)酰胺酶和脲酶的影響不大。
3土壤酶對(duì)重金屬污染的指示作用
眾所周知,重金屬在生態(tài)系統(tǒng)中具有長(zhǎng)期的毒性作用且對(duì)土壤酶催化過(guò)程有著負(fù)面的影響。它們通過(guò)抑制其催化反應(yīng)活躍的基團(tuán)、改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象或與其他金屬共同參與破壞酶復(fù)合物的形成從而破壞土壤酶的活性。Marzadori及 Aoyama 和 Naguno指出, 土壤脲酶、酸性磷酸酶、脫氫酶都對(duì)土壤重金屬污染 比較敏感,是指示土壤重金屬污染的指標(biāo)。土壤脫氫 酶活性更易受到土壤 Pb 和 Cd 積累的影響,較適合 用于反映土壤中 Pb 和 Cd 污染程度。Pankhurst發(fā)現(xiàn)芳基硫酸酯酶可被用作土壤重金屬污染的敏感 指標(biāo)。還有研究發(fā)現(xiàn) L-谷氨酰胺酶、纖維素酶和 β-葡糖苷酶活性受 Hg、Ag、Cr 和 Cd 等金屬元素抑制。楊志新等發(fā)現(xiàn)中壤質(zhì)潮褐土中隨Cd、Zn復(fù)合濃度的增加,過(guò)氧化氫酶活性顯著降低。龍建等發(fā)現(xiàn)礦區(qū)紅壤受 Cu、Zn、Pb、Cd 混合污染后,土 壤多酚氧化酶活性降低。羅紅等對(duì) Ni、Cu、Cd 復(fù)合污染的深層紅壤進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn) Ni 濃度增加抑制 土壤轉(zhuǎn)化酶的活性,隨 Cu 濃度的增加蛋白酶活性顯著降低,Cd 對(duì)蛋白酶活性具有明顯抑制作用。Frankenberger 和 Tabatabai發(fā)現(xiàn)重金屬如 Hg、Ag、Cr、Cd 對(duì) L-天冬酰胺酶和硫酯酶均有抑制作用;Bardgett 等也發(fā)現(xiàn)這 4 種重金屬可抑制酸性磷酸酶和脲酶活性;Al-khafaji 和 Tabatabai也發(fā)現(xiàn) 其對(duì)芳基硫酸酯酶有抑制作用。Fu?sun 和 Esin發(fā)現(xiàn)芳基硫酸酯酶、堿性磷酸酶和脲酶的活性與 Pb、Cr、Mn 總含量呈顯著負(fù)相關(guān)。
但也有研究表明,土壤酶活性在重金屬污染土壤的修復(fù)中有一定的積極作用。如在 Cd、Zn、Pb 復(fù)合污染的中壤質(zhì)潮褐土中過(guò)氧化氫酶活性隨著 Pb 濃度增加而增加;Gao 等發(fā)現(xiàn) Cd、Cu、Ni 對(duì)磷酸酶活性均表現(xiàn)出一定的激活效應(yīng);Mikanova發(fā)現(xiàn)蛋白酶和脲酶活性受重金屬的抑制較弱。在紅壤中重金屬 Cu、Zn、Pb、Cd 污染對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶影響不大。
結(jié)論與展望
眾多的研究都表明,化肥、農(nóng)藥、污水污泥、城市固體垃圾和重金屬會(huì)對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生不同的影響,其作用表現(xiàn)為 3 種趨勢(shì),即促進(jìn)、抑制或沒(méi)有影響(表 1),同一種酶在同一類(lèi)污染物的作用下,也可能表現(xiàn)出相反的趨勢(shì),這是由于污染物濃度、持續(xù)時(shí)間、土壤類(lèi)型的差異造成的。在常涉及的 20 多種酶類(lèi)中,對(duì)各種污染物都較敏感的酶類(lèi)有脫氫酶、過(guò)氧化氫酶、磷酸酶、脲酶、β-葡糖苷酶(表 1)等,可以考慮用這些酶類(lèi)來(lái)指示污染后土壤環(huán)境質(zhì)量的變化,但目前的研究?jī)H限于酶活性的變化,對(duì)酶活性的作用機(jī)制較少涉及,能否真正用其來(lái)指示土壤環(huán)境質(zhì)量的變化可能還需要一些分子生物學(xué)機(jī)制的研究。
除此之外,土壤中還有大約 40 ~ 50 種酶類(lèi)的特性是我們所不了解的,這些酶類(lèi)是否對(duì)土壤環(huán)境有指示作用也有待于去研究發(fā)現(xiàn),弄清酶活性特征與土壤的關(guān)系,尋找一個(gè)敏感的、普遍適用的綜合指標(biāo),是土壤酶學(xué)主要的研究方向。
作者單位：邊雪廉,岳中輝,焦 浩,王慧一,隋海霞,趙文磊 哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 .黑龍江省普通高等學(xué)校植物生物學(xué) 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
中國(guó)鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)網(wǎng)轉(zhuǎn)自：《土壤》2015年第4期
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