對土壤環(huán)境質量的評估已成熱點
土壤是人類賴以生存的物質基礎,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濾器。當土壤受到某些有害物質的污染,且總量超過土壤自凈能力時,就會引起現(xiàn)存的或潛在的土壤環(huán)境質量惡化,從而導致農產品減產、 質量下降,并對人類的健康造成一定的危害,因此對土壤環(huán)境質量的評估已經成為環(huán)境科學工作者關注的熱點問題
土壤環(huán)境質量與土壤酶
土壤環(huán)境質量是土壤容納、吸收和降解各種環(huán)境污染的能力。各種污染物(農業(yè)、工業(yè))進入土壤后,都會對土壤的環(huán)境質量造成一定的影響。土壤酶作為土壤中的重要組成部分,是土壤中產生專一生物化學反應的生物催化劑,對土壤環(huán)境質量的變化反應迅速,常被用來作為指示土壤環(huán)境質量的生物學指標。
土壤環(huán)境質量指標
土壤環(huán)境質量指標主要包括土壤環(huán)境容量、重金屬全素含量、重金屬元素有效性、有機污染物(包括 農藥)的殘留量、土壤 pH、土壤質地等,但這些指標均為土壤理化指標。
研究發(fā)現(xiàn),與土壤理化指標相比,土壤生物及生物化學指標對土壤環(huán)境變化更為敏感,能夠比較迅速地評價土壤短時間內的環(huán)境質量變化。
在土壤生物組分中,土壤微生物和土壤酶在土壤物質和能量的轉化過程中起著至關重要的作用,土壤微生物群落的變化能夠迅速反映外來異生物質對土壤環(huán)境質量的影響,但是要獲得土壤微生物學的特征需要利用分子生物學技術和專業(yè)的微生物技術,配備昂貴的試劑和精密的實驗儀器,這無疑增加了大范圍土壤研究的難度,因此近些年來,學者們開始嘗試進行土壤酶對土壤環(huán)境質量的指示作用研究。
為污染土壤的修復提供理論依據
土壤中的一切生物化學反應,實際上都是在酶的催化下進行的,土壤酶活性反映了土壤中進行的各種生物化學過程的強度和方向,是土壤的本質屬性 之一。Dick 等在 1992 年就指出“土壤酶有助于描述和預測不同生態(tài)系統(tǒng)的功能、質量及各系統(tǒng)間的相互作用”;1997 年 Dick又將土壤酶對維護土壤 功能的重要意義進行了歸納,認為土壤酶能夠分解外來有機質、促進土壤有機質轉化、將有機物分解為植物可利用的礦質元素、參與 N2 固定、降解有害異物(人造化合物如殺蟲劑、工業(yè)廢棄物等)、參與硝化和反硝化過程等;1999 年 Bandick 等的研究進一步指出可以用土壤酶來表征土壤的動態(tài)質量,因為土壤酶能催化土壤的養(yǎng)分循環(huán)過程,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,容易測定,對土壤污染后的變化反應迅速。目前以土壤酶作為土壤環(huán)境質量指標的研究主要集中在污染土壤、擾動土壤和農業(yè)土壤中。污染物如農業(yè)污染物、污水、 污泥、城市垃圾、重金屬等對土壤酶活的影響各不相同,因此,本文綜述土壤酶對土壤環(huán)境的指示作用,為污染土壤的修復提供理論依據。
土壤酶對農業(yè)污染物的指示作用
農業(yè)污染物如化肥、農藥等進入土壤時,會對土壤生物學性質產生影響,土壤酶活性隨之發(fā)生變化, 其變化幅度和污染物的類型、濃度、持續(xù)時間以及施用量等有一定關系,因此許多學者把土壤酶作為農業(yè)污染的指示指標。如 Gianfreda 等研究發(fā)現(xiàn), 中度或重度的有機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),當農業(yè)污染物的施用濃度較小時,土壤酶活性不變或增加。
1土壤酶對化肥的指示作用
許多研究都表明,化肥的施用會影響土壤脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶、熒光素水解酶、脫氫酶、芳基 硫酸酯酶、β-葡糖苷酶、轉化酶等的活性。
一般來說,當化肥過量施用時會導致土壤酶活性的降低。如 Dick 等發(fā)現(xiàn)化學肥料會抑制磷酸酶的活性。錢海燕等發(fā)現(xiàn)水田土壤中施用過量的氮肥會使土壤脲酶的活性受到抑制。李晨華等發(fā)現(xiàn)氮、磷、 鉀肥會導致土壤過氧化氫酶活性顯著降低。林天等發(fā)現(xiàn),在氮、磷、鉀肥基礎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。
但有一些研究認為化肥的施用會提高土壤某些酶的活性或對土壤酶活性沒有影響。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、轉化酶和蛋白酶活性升高。
2土壤酶對農藥的指示作用
農藥(殺蟲劑、除草劑、殺菌劑)施用后會影響土壤微生物的生長和活性,從而也對土壤酶活性產生影 響,大量研究表明,酶對農藥的作用機制是通過抑制或誘導作用,調節(jié)、修改或控制合成酶的基因,通過土壤中不同濃度的農藥來控制胞內酶和胞外酶的產 物及其總量的變化。但以酶活性作為農藥污染評價指標因土壤、農藥類型不同而有較大差異。
殺蟲劑類影響
已有的研究表明,殺蟲劑類農藥對土壤脲酶、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,大多對其活性都有抑制作用。Rain 等發(fā)現(xiàn)脲酶和脫氫酶 對毒死蜱最為敏感,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20 天后酶活性逐漸降低。而重復施用毒死蜱和喹 硫兩種農藥后土壤磷酸酶活性受抑制。Yao 等研究發(fā)現(xiàn)施用啶蟲脒后,土壤脫氫酶活性增強,而土 壤脲酶和過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、氟樂靈、狄氏劑等農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。
除草劑類影響
土壤轉化酶、磷酸酶、脫氫酶、過氧化氫酶、脲酶等對除草劑施用的響應不同。
如轉化酶活性受草甘 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、氧化樂果、乙草胺等除草劑 的抑制。過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。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。
殺菌劑類影響
對殺菌劑施用比較敏感的酶類有土壤過氧化氫 酶、轉化酶、脲酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶等。
土壤轉化酶活性受百菌清、多菌靈混劑、氯氰菊酯這 3種殺菌劑的抑制,但多菌靈、吡蟲啉在低濃度時激活而高濃度時抑制轉化酶活性。過氧化氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性受到高濃度井岡素的抑制,而其低濃度對酶活性的影響較小。土壤酸性磷酸酶、堿性磷 酸酶、脲酶、過氧化氫酶、轉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。
土壤酶對工業(yè)污染物的指示作用
1土壤酶對污水、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值的有機無機營養(yǎng)物,在處理后能夠改善土壤肥力,常應用在農業(yè)領域進行農田的灌溉。研究發(fā)現(xiàn)污水污泥的應用可以促進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;大麥田污水污泥對土壤 BAA-蛋白酶、脲酶、磷酸酶和 β-葡糖苷酶活性有促進作用。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。污水污泥對土壤酶活性的不同影響與其施用量和成分有密切關系,如有研究發(fā)現(xiàn)污水污泥中含有重金屬會嚴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使土壤轉化酶和脫氫酶的活性升高;李慧等發(fā)現(xiàn)土壤脫氫酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性與土壤中石油烴含量呈顯著正相關,而土壤脲酶活性與土壤中石油烴含量呈顯著負相關;何藝等也發(fā)現(xiàn)含油污的水對土壤過氧化氫酶、多酚氧化酶和脲酶均有一定程度的刺激作用。
2土壤酶對城市固體垃圾污染的指示作用
城市固體垃圾是人們在生產建設、日常生活和其他活動中產生的廢棄物質,其中所含的有害物質會改變土壤結構和土質,影響土壤中微生物的活動,酶活性隨之變化。已有的研究表明,城市固體垃圾會影響土壤 β-葡糖苷酶、脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶、過氧化氫酶、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田土壤脫 氫酶和過氧化氫酶的活性。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,而過氧化氫酶和蛋白酶的活性變化不大。Felipe 等發(fā)現(xiàn)城市固體垃圾會導致 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)土壤中過氧化物酶的活性在城市固體垃圾堆肥污染后增加,但對酰胺酶和脲酶的影響不大。
3土壤酶對重金屬污染的指示作用
眾所周知,重金屬在生態(tài)系統(tǒng)中具有長期的毒性作用且對土壤酶催化過程有著負面的影響。它們通過抑制其催化反應活躍的基團、改變蛋白質的構象或與其他金屬共同參與破壞酶復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、脫氫酶都對土壤重金屬污染 比較敏感,是指示土壤重金屬污染的指標。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。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)中壤質潮褐土中隨Cd、Zn復合濃度的增加,過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 Ni、Cu、Cd 復合污染的深層紅壤進行研究,發(fā)現(xiàn) Ni 濃度增加抑制 土壤轉化酶的活性,隨 Cu 濃度的增加蛋白酶活性顯著降低,Cd 對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 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 總含量呈顯著負相關。
但也有研究表明,土壤酶活性在重金屬污染土壤的修復中有一定的積極作用。如在 Cd、Zn、Pb 復合污染的中壤質潮褐土中過氧化氫酶活性隨著 Pb 濃度增加而增加;Gao 等發(fā)現(xiàn) Cd、Cu、Ni 對磷酸酶活性均表現(xiàn)出一定的激活效應;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 污染對土壤轉化酶影響不大。
結論與展望
眾多的研究都表明,化肥、農藥、污水污泥、城市固體垃圾和重金屬會對土壤酶活性產生不同的影響,其作用表現(xiàn)為 3 種趨勢,即促進、抑制或沒有影響(表 1),同一種酶在同一類污染物的作用下,也可能表現(xiàn)出相反的趨勢,這是由于污染物濃度、持續(xù)時間、土壤類型的差異造成的。在常涉及的 20 多種酶類中,對各種污染物都較敏感的酶類有脫氫酶、過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶、β-葡糖苷酶(表 1)等,可以考慮用這些酶類來指示污染后土壤環(huán)境質量的變化,但目前的研究僅限于酶活性的變化,對酶活性的作用機制較少涉及,能否真正用其來指示土壤環(huán)境質量的變化可能還需要一些分子生物學機制的研究。
除此之外,土壤中還有大約 40 ~ 50 種酶類的特性是我們所不了解的,這些酶類是否對土壤環(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系,尋找一個敏感的、普遍適用的綜合指標,是土壤酶學主要的研究方向。
作者單位：邊雪廉,岳中輝,焦 浩,王慧一,隋海霞,趙文磊 哈爾濱師范大學生命科學與技術學院 .黑龍江省普通高等學校植物生物學 重點實驗室
中國鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)網轉自：《土壤》2015年第4期
(掃一掃，更多精彩內容！)
