重金屬污染對土壤酶活性的影響

費楊 王曉麗

摘要[目的]探求表征土壤重金屬污染的主要指示酶，為重金屬污染土壤環(huán)境質(zhì)量評價提供理論依據(jù)。[方法]以東北黑土為主要研究對象，采用實驗室模擬試驗，研究不同濃度重金屬Cu、Zn、Pb、Cd單因素污染對土壤中過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶和脫氫酶活性及微生物群落的影響。[結(jié)果]土壤脲酶活性與重金屬的污染程度呈良好的負相關(guān)關(guān)系，土壤過氧化氫酶活性對Cu、Zn含量的增加表現(xiàn)較敏感，土壤轉(zhuǎn)化酶活性對Cu非常敏感。[結(jié)論]土壤脲酶活性最適于作為土壤重金屬污染的敏感指標。

關(guān)鍵詞重金屬；黑土；脲酶；土壤酶活性；微生物群落

中圖分類號S151文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）01-00099-03

基金項目國家自然基金青年基金項目（41203049）；中國博士后科學基金（20110491289）。

作者簡介費楊（1990- ），男，山東臨邑人，碩士研究生，從事環(huán)境污染與控制研究。*通訊作者，講師，博士，從事環(huán)境污染與控制化學、污染物形態(tài)與遷移轉(zhuǎn)化研究，Email： wang_xl@jlu.edu.cn。

收稿日期20131129重金屬礦藏的大量開采，農(nóng)藥和化肥的不合理施用，工業(yè)“三廢”以及生活垃圾處置不當?shù)?，使得土壤重金屬污染問題越來越嚴重。土壤重金屬污染物可通過吸入、攝取、皮膚接觸等多種途徑危害人體健康。我國土壤重金屬污染問題十分突出。糧食、蔬菜、水果等食物重金屬超標問題嚴重。污染問題已引起社會對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題的普遍關(guān)注。

隨著人們生活水平的不斷提高，人們更關(guān)心土壤中重金屬的歸宿、生物毒性，因而土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測及生態(tài)恢復等問題引起人們的關(guān)注，土壤酶的研究逐漸被人們所重視。土壤酶活性可以作為一種指標，反映土壤受污染的程度[1-3]。同時，土壤酶是土壤生物化學反應的催化劑，參與土壤系統(tǒng)中許多重要的代謝過程，因而可用它來檢測土壤中重金屬的相對污染程度。因此，通過實驗室模擬試驗，以東北黑土為主要研究對象，研究不同濃度重金屬Cu、Zn、Pb、Cd單因素污染對土壤中過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶和脫氫酶活性及微生物群落的影響，以探求表征土壤重金屬污染的主要指示酶，為重金屬污染土壤環(huán)境質(zhì)量評價提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試土壤供試土壤為黑土，采自吉林省長春市吉林大學和平校區(qū)未受污染農(nóng)田表層（125.27°E， 43.91°N），采樣深度0～20 cm。采樣區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同期，年平均氣溫4.8 ℃，最高溫度39.5 ℃，最低溫度-39.8 ℃，日照時間2 688 h，年平均降水量522～615 mm。

1.2土壤預培養(yǎng)及重金屬的添加自土壤被運回實驗室后，在陰涼通風處自然晾干，并過5 mm篩，剔除大小礫石、動植物殘體等雜物。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB15618-1995），設(shè)定土壤中重金屬摻入量，以三級標準下土壤環(huán)境質(zhì)量標準值為1倍基值，分別設(shè)定1倍、2倍、4倍、6倍不同濃度梯度及對照（不摻重金屬）。以Cu（NO3）2·3H2O、Zn（NO3）2·6H2O、Pb（NO3）2、Cd（NO3）2·4H2O的水溶液形式，采用噴霧法逐步混勻，調(diào)節(jié)并保持土壤含水量在田間最大持水量（50%）的30%左右。室溫下培養(yǎng)10 d后取土樣，室內(nèi)自然風干，研磨，過1 mm篩，保存，以供土壤中過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶活性的測定，并且取新鮮土樣進行土壤脫氫酶活性的測定。

1.3土壤酶活性的測定方法土壤過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法[4-6]；土壤脲酶活性的測定采用苯酚鈉比色法[4-6]；土壤轉(zhuǎn)化酶活性的測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法[4-6]；土壤蛋白酶活性的測定采用茚三酮比色法[7]；土壤脫氫酶活性的測定采用TTC比色法[7]。

1.4土壤微生物群落計數(shù)方法微生物群落計數(shù)用平板涂抹法測定[8]，其中細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基測定，真菌采用馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基測定，放線菌采用高氏一號培養(yǎng)基測定。

1.5數(shù)據(jù)處理方法試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003進行處理和統(tǒng)計分析，并作圖。

2結(jié)果分析與討論

2.1重金屬Cu、Zn、Pb、Cd單因素多濃度污染對酶活性的影響從圖1可以看出，與未加重金屬的對照相比，不同摻雜量的重金屬進入土壤10 d之后，重金屬Pb、Cd污染土壤中過氧化氫酶活性基本不隨Pb、Cd濃度的改變而變化，說明重金屬Pb、Cd污染對過氧化氫酶活性的影響與濃度關(guān)系不大，只要超過污染基準值，土壤過氧化氫酶活性就保持在一個相對穩(wěn)定值。重金屬Cu、Zn處理的土壤中過氧化氫酶活性都有所下降，且隨著摻入量的增加，土壤過氧化氫酶活性呈不斷下降的趨勢，說明重金屬Cu、Zn污染對過氧化氫酶活性的抑制作用隨Cu、Zn濃度的增大而增強。在Cu、Zn摻入量為6倍基值處，過氧化氫酶活性分別下降了49.8%和31.0%，其中重金屬Cu污染對過氧化氫酶活性的抑制作用最大。但是，當Cu摻雜量為6倍基值時，土壤過氧化氫酶活性相比4倍基值Cu摻入量時略有升高，可能是由于一小部分微生物在高濃度的Cu污染下存活下來，產(chǎn)生抗性，并且自行繁殖，使得土壤過氧化氫酶活性升高。由此可知，土壤過氧化氫酶活性對重金屬Cu、Zn含量的增加表現(xiàn)較敏感，適于作為土壤Cu、Zn單一污染評價的敏感指標。

2.2 重金屬Cu、Zn、Pb、Cd單因素多濃度污染對土壤微生物群落的影響圖5～7分別為不同摻雜量的Cu、Zn、Pb、Cd進入土壤10 d之后土壤中細菌、真菌和放線菌總菌數(shù)的變化。從圖5可以看出，土壤Cu、Zn污染對其中的細菌菌落總數(shù)都有一定的抑制作用，且隨著Cu、Zn濃度的增加，細菌總菌數(shù)呈不斷下降的趨勢，在6倍基值處Cu、Zn污染土壤中細菌菌落總數(shù)分別比對照下降了59.6%、65.7%。這與前面Cu、Zn污染對土壤過氧化氫酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性的影響趨勢一樣。但是，土壤Pb、Cd污染與土壤細菌菌落總數(shù)沒有表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。

從圖6可以看出，除重金屬Cd外，Cu、Zn、Pb對土壤真菌數(shù)量都有一定的促進作用，其中Zn對真菌數(shù)量的促進作用最明顯，相關(guān)性最好，在4倍基值處，土壤真菌數(shù)量相比對照增加685.3%，而Cu、Pb含量與土壤真菌總數(shù)并沒有表現(xiàn)出良好的規(guī)律性，Cd污染土壤中真菌總數(shù)基本沒有變化。而圖7中土壤放線菌總數(shù)與重金屬含量也沒有良好的相關(guān)性。研究還表明，重金屬污染對土壤酶活性的抑制作用主要是通過抑制土壤中細菌的數(shù)量和活性，使得土壤酶的分泌、合成減少，從而土壤酶活性降低。

通過外源加入重金屬，研究Cu、Zn、Pb、Cd單因素多濃度污染對土壤過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶和脫氫酶活性以及微生物群落的影響。結(jié)果表明，土壤脲酶活性對重金屬污染最敏感，與重金屬的污染程度呈良好的負相關(guān)關(guān)系，最適于作為土壤重金屬污染的敏感指標；土壤過氧化氫酶活性對重金屬Cu、Zn含量的增加表現(xiàn)較敏感，適于作為土壤圖6重金屬Cu、Zn、Pb、Cd單因素多濃度污染對土壤真菌總菌數(shù)的影響圖7重金屬Cu、Zn、Pb、Cd單因素多濃度污染對土壤放線菌總菌數(shù)的影響Cu、Zn單一污染評價的敏感指標；Cu對轉(zhuǎn)化酶活性的抑制作用非常強烈，土壤轉(zhuǎn)化酶對金屬Cu非常敏感，可以作為土壤Cu污染評價的敏感指標。而土壤蛋白酶、脫氫酶與土壤重金屬污染程度沒有良好的相關(guān)關(guān)系，不適于作為土壤重金屬污染評價的指示酶。從微生物平板計數(shù)試驗可以看出，重金屬污染對土壤酶活性的抑制作用主要是通過抑制土壤中細菌的數(shù)量和活性，使得土壤酶的分泌、合成減少，從而土壤酶活性降低。

參考文獻

[1] 尹君，高如泰，劉文菊，等.土壤酶活性與土壤Cd污染評價指標[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，1999，18（3）：30-132.

[2] 李博文，劉樹慶.潮褐土鎘、鋅、鉛復合污染與土壤酶活性的研究[J].吉林農(nóng)業(yè)科學，2000，25（1）：38-41.

[3] 王廣林，王立龍，王育鵬，等.冶煉廠污灌區(qū)土壤銅和鋅污染與土壤酶活性[J].應用生態(tài)學報，2005，16（2）：328-331.

[4] 周禮愷，張志明.土壤酶活性的測定方法[J].土壤通報，1980（5）：37-38.

[5] 周禮愷.土壤酶學[M].北京：科學出版社，1987.

[6] 李振高，駱永明，滕應.土壤與環(huán)境微生物研究法[M].北京：科學出版社，2008.

[7] 關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1987.

[8] 沈萍，范秀容，李廣武.微生物學實驗[M].北京：高等教育出版社，2002.

[9] 吳金水，林啟美，黃巧云，等.土壤微生物生物量測定方法及其應用[M].