磷酸鹽氧同位素在有機(jī)磷降解研究中的應(yīng)用

張弛,季宏兵*,陳志剛

磷酸鹽氧同位素在有機(jī)磷降解研究中的應(yīng)用

張弛1,季宏兵1*,陳志剛2

1. 北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083 2. 廈門大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院, 福建 廈門 361005

磷的有機(jī)化合物廣泛分布于土壤和水體中，發(fā)揮著重要作用的同時(shí)，也給環(huán)境帶來(lái)潛在的污染。研究有機(jī)磷化合物的磷循環(huán)過程對(duì)于防控磷的污染有著重要作用。磷酸鹽中的氧同位素作為一種地球化學(xué)的示蹤劑，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于研究磷在自然界中的循環(huán)過程。本文總結(jié)了磷酸鹽中氧同位素的應(yīng)用原理以及其在有機(jī)磷降解和溯源方面的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上展望本領(lǐng)域下一步的工作重點(diǎn)。

磷酸鹽氧同位素; 有機(jī)磷; 降解

磷對(duì)于生命體來(lái)說是一種不可或缺的元素，參與了幾乎所有的生命循環(huán)形式[1]。磷的有機(jī)化合物種類繁多，與人們的生活息息相關(guān)。磷的有機(jī)化合物包括含有機(jī)基團(tuán)的磷酸衍生物和含有C-P鍵的化合物。前者包括DNA和RNA等，在生物體內(nèi)構(gòu)成了生命的基本物質(zhì)，后者主要為氯代烴類殺蟲劑的替代品，被廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。磷的有機(jī)化合物在發(fā)揮重要作用的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境有潛在的威脅。相對(duì)于其他大量元素，生物體對(duì)于磷的需求相對(duì)較小，C、N、P的需求比例為106:16:1[2]，農(nóng)業(yè)廢水和生活廢水中含有大量有機(jī)磷，排入湖泊中會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。有機(jī)磷農(nóng)藥排入環(huán)境中，會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體，在體內(nèi)富集，長(zhǎng)期威脅人體健康。因此，研究磷的有機(jī)化合物在自然界中的來(lái)源及循環(huán)過程對(duì)于有效防控磷的污染具有重要意義。

在自然界中，微生物和植物優(yōu)先利用無(wú)機(jī)磷酸鹽（PO4）進(jìn)行生命代謝活動(dòng)。但許多水體中的磷酸鹽含量極低，難以滿足生物的生長(zhǎng)代謝需要，發(fā)生“磷饑餓”現(xiàn)象[3]。此時(shí)，微生物會(huì)分泌多種酶來(lái)分解有機(jī)磷，生成磷酸鹽以滿足生長(zhǎng)代謝的需要。水體透光層中，在太陽(yáng)光中紫外線的作用下，有機(jī)磷會(huì)發(fā)生光解作用生成磷酸鹽，同時(shí)，自然界中廣泛存在的金屬氧化物也會(huì)大大提高有機(jī)磷光解的速率[4]。有機(jī)磷化合物在自然界中多種多樣的生物、非生物反應(yīng)途徑使得研究有機(jī)磷的來(lái)源，反應(yīng)路徑及循環(huán)過程變得十分困難。

穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)于研究自然界中元素的循環(huán)過程是一種極為有效的工具[5]。C、N、S等大量元素的穩(wěn)定同位素被廣泛用于研究其循環(huán)過程。穩(wěn)定同位素技術(shù)的使用，為研究元素循環(huán)過程開辟了全新的領(lǐng)域。但由于磷只有一種穩(wěn)定同位素31P，所以無(wú)法利用其穩(wěn)定同位素來(lái)研究磷的循環(huán)過程。在自然界中，磷主要以+5價(jià)的形式存在，并且絕大多數(shù)情況下以正磷酸鹽（PO4）形式存在[1,6]。

盡管磷只有一種穩(wěn)定同位素，氧卻有三種穩(wěn)定同位素16O、17O、18O[5]。在絕大多數(shù)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程中，磷總是與氧緊密相連[7-10]。P-O鍵在地表溫度下非常穩(wěn)定，在沒有生物活動(dòng)時(shí)，磷酸鹽中的氧幾乎不與周圍水中的氧進(jìn)行交換[11-15]。磷酸鹽中的氧同位素可以作為示蹤劑來(lái)研究磷的循環(huán)過程[16]。當(dāng)有生物活動(dòng)時(shí)，在酶的催化下，磷酸鹽和水中的氧會(huì)在酶的催化下進(jìn)行交換，并逐漸達(dá)到平衡分餾狀態(tài)。因此，氧同位素值也可以指示磷酸鹽被生物利用的程度和速率[17]。

利用磷酸鹽中氧同位素來(lái)研究有機(jī)磷的循環(huán)過程不同于無(wú)機(jī)磷酸鹽。無(wú)機(jī)磷酸鹽可以直接通過PO4中氧同位素值來(lái)研究其循環(huán)過程，而有機(jī)磷在降解生成磷酸鹽的過程中，可能會(huì)結(jié)合外源氧，因此在分析磷酸鹽氧同位素時(shí)，要同時(shí)考慮外源氧的數(shù)量和同位素分餾效應(yīng)的影響。在不同的降解途徑下，有機(jī)磷分解生成的磷酸鹽具有獨(dú)特的氧同位素分餾值和結(jié)合氧特性。因此，識(shí)別不同途徑下的氧同位素分餾特征是利用氧同位素對(duì)有機(jī)磷進(jìn)行示蹤、溯源的第一步。

本文綜述了有機(jī)磷在不同降解途徑下氧同位素特征的研究進(jìn)展。目前，氧同位素成為磷在自然界中生物地球化學(xué)循環(huán)速率和規(guī)模的重要指示劑[18-22]。磷酸鹽中的氧同位素方法在土壤[23-27]、水生系統(tǒng)[28-32]以及古氣候[33,34]研究中得到了一定應(yīng)用。在多種不同的反應(yīng)路徑下，磷酸鹽呈現(xiàn)獨(dú)特的氧同位素特征，這使得氧同位素值用于研究磷酸鹽的溯源、追蹤及循環(huán)成為可能。

1 磷酸鹽氧同位素應(yīng)用原理

自然界中氧有3種穩(wěn)定同位素（16O、17O、18O），其在地球圈中的相對(duì)豐度分別為99.762%，0.038％，0.2%，氧的同位素值計(jì)算方法表示如下：18O（‰）=（樣品/標(biāo)樣-1）×1000

樣品為測(cè)試樣品的18O/16O的比值；標(biāo)樣為氧同位素標(biāo)準(zhǔn)樣品的18O/16O比值，氧同位素標(biāo)準(zhǔn)為一般為標(biāo)準(zhǔn)大洋水（VSMOW）[5]。

在沒有生物的參與下，P-O鍵非常穩(wěn)定[35,36]。在10 ℃下，10%的磷酸鹽中的氧與水發(fā)生交換需要6000年[28]。在有生物參與的情況下，磷酸鹽和水中的氧會(huì)在酶的催化下進(jìn)行迅速的交換，逐漸達(dá)到平衡分餾。但Young等[37]研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)水體中的磷酸鹽沒有達(dá)到平衡分餾，因此水中的氧同位素值可以保留部分源頭的氧同位素特征。用磷酸鹽氧同位素示蹤其磷來(lái)源的一個(gè)重要前提是不同的磷酸鹽來(lái)源具有顯著的磷酸鹽氧同位素區(qū)別[38]。Young等[37]對(duì)土壤、污水處理廠、動(dòng)物糞便、磷礦等研究發(fā)現(xiàn)，盡管不同類別的來(lái)源之間存在重疊，但是這些不同來(lái)源的磷酸鹽中具有顯著不同的18Op值，其區(qū)間跨度也很大（8.4‰~24.9‰），因此可以認(rèn)為18Op可以用來(lái)確定水體的不同磷酸鹽來(lái)源。有機(jī)磷在自然界循環(huán)的過程中，經(jīng)歷了多種的生物、非生物反應(yīng)途徑，因此，了解各反應(yīng)途徑的磷酸鹽氧同位素特征是解析磷來(lái)源的必要措施之一。

2 磷酸鹽氧同位素特征

2.1 有機(jī)磷化學(xué)降解的磷酸鹽氧同位素特征

有機(jī)磷具有多種化學(xué)降解途徑。在淺水層，有機(jī)磷會(huì)受到紫外光的作用發(fā)生降解，自然界中廣泛存在的金屬氧化物作為催化劑會(huì)加速這一過程。同時(shí)，有機(jī)磷也可被硝酸消解。對(duì)于有機(jī)磷化學(xué)降解過程中的氧同位素特征研究近年來(lái)逐漸展開。

McLaughlin[39]用硝酸對(duì)不同的有機(jī)磷化合物（磷酸鉀、磷酸鈉、植酸、DNA、--磷脂酰膽堿、焦磷酸鈣、三聚磷酸鹽、ATP、2-氨乙基磷酸）在18Ow標(biāo)記水中進(jìn)行消解。磷酸鉀和磷酸鈉為已知18Op的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其18Op分別為11.3‰和20‰，在50 ℃硝酸溶液中進(jìn)行消解后，18Op并沒有發(fā)生變化，說明在50 ℃時(shí)，硝酸溶液不會(huì)對(duì)磷酸鹽中的氧同位素產(chǎn)生影響。硝酸對(duì)其他有機(jī)磷化合物進(jìn)行消解后，通過標(biāo)記水和非標(biāo)記水中磷酸鹽18Op分析發(fā)現(xiàn)，生成磷酸鹽中外源氧比例與根據(jù)化學(xué)式推算出的外源氧比例（原化合物中P基團(tuán)生成PO4所需結(jié)合氧的比例）基本保持一致。此一致性說明，標(biāo)記水與非標(biāo)記水中磷酸鹽18Op差異是由于外源氧（來(lái)自于水）的18Ow不同，而不是因?yàn)檠跬凰氐姆逐s。根據(jù)質(zhì)量守恒，可得出公式：18O標(biāo)記水中磷酸鹽=18O樣品+（1-）18O標(biāo)記水；18O非標(biāo)記水中磷酸鹽=18O樣品+（1-）18O非標(biāo)記水

由此可計(jì)算出有機(jī)磷中P基團(tuán)的18Op值：18O樣品=[（18O標(biāo)記水中磷酸鹽*18O非標(biāo)記水）-（18O標(biāo)記水*18O非標(biāo)記水中磷酸鹽）]/[（18O標(biāo)記水中磷酸鹽-18O非標(biāo)記水）-（18O標(biāo)記水-18O非標(biāo)記水中磷酸鹽）]

Yuhong Liang等[8]將α-D-葡萄糖-1-磷酸、-甘油磷酸鹽和5’-AMP分別溶解在18Ow為-5.5‰~99.8‰的水中，放置在500 W汞燈下進(jìn)行照射。對(duì)生成磷酸鹽18Op進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，添加H2O2對(duì)于水中磷酸鹽的18Op幾乎沒有影響。-5.5‰和99.8‰水中磷酸鹽的18Op差異在1.8‰左右，但相對(duì)于反應(yīng)水的18Ow跨度大于100‰，此差異可以忽略，由此可推斷其紫外光降解機(jī)制為：生成磷酸鹽中的四個(gè)氧都來(lái)自于反應(yīng)物本身且沒有發(fā)生同位素分餾。由此反應(yīng)機(jī)制可計(jì)算出-D-葡萄糖-1-磷酸、-甘油磷酸鹽和5’-AMP中-PO4基團(tuán)的18Op值分別為20±1‰，11±1‰和12±1‰。

Sandy等[4]將草甘膦和磷?；宜崛芙庠诓煌跬凰貥?biāo)記水中，放置在1200 W汞燈下進(jìn)行紫外光降解。對(duì)水的18Ow與生成磷酸鹽的18Op進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn)，草甘膦和磷?；宜峁饨馍闪姿猁}18Op與18Ow呈正相關(guān)，其斜率均為0.17左右。與其他研究結(jié)果相比較，草甘膦和磷?；宜釋儆陟⑺狨ィ?D-葡萄糖-1-磷酸（磷酸單酯）光解的18Op與18Ow的線性擬合斜率為0.01，DNA,RNA（磷酸雙酯）為0.11，不同有機(jī)磷的斜率不同源于其化學(xué)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)制的差異性，可能作為區(qū)別發(fā)生光降解反應(yīng)的物質(zhì)的特征之一。斜率0.17代表草甘膦和磷?；宜峤到馍傻牧姿猁}中有17%的氧來(lái)自于周圍的水。根據(jù)草甘膦和磷酰基乙酸的化學(xué)式可以得知，其分解生成磷酸鹽的外源結(jié)合氧應(yīng)該占PO4中氧的25%，17%的氧來(lái)自于水，Sandy推測(cè)另外8%的氧來(lái)自于周圍的氧氣。根據(jù)質(zhì)量守恒，在不考慮結(jié)合氧發(fā)生同位素分餾的情況下，可得到公式如下：

18O磷酸鹽=0.75*18O樣品+*18O水+（0.25-）*18O氧氣

已知周圍空氣18O約為23.5‰[40]，可計(jì)算得知草甘膦和磷?；宜嶂械?PO3基團(tuán)的18Op分別為4.73‰和-0.02‰。利用此反應(yīng)模型所計(jì)算出原始有機(jī)磷中的18Op值可以用來(lái)對(duì)草甘膦和膦?；宜徇M(jìn)行溯源。

Hui Li[41]等利用同位素標(biāo)記法來(lái)探究磷酸鹽中外源氧的來(lái)源。將草甘膦和氨甲基膦酸在水鈉錳礦（Kx(Mn4+,Mn3+)2O4）催化作用下進(jìn)行降解，分別在不同氧同位素標(biāo)記水，MnO2（18O=?3.69±0.03‰，55.31±0.02‰和94.79±0.02‰）和O2（18O=110.15±0.92‰，2082.41±2.37‰）中進(jìn)行反應(yīng)。通過對(duì)磷酸鹽18Op與18OMnO2、18OO2線性擬合分析發(fā)現(xiàn)，外源氧并非來(lái)自MnO2和O2。對(duì)磷酸鹽的18Op與18Ow進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)其18Op與18Ow線性擬合的斜率為0.21，說明生成的磷酸鹽中有21%氧來(lái)自于周圍的水中。作者將AMPA直接加入到TCEA中測(cè)得18O，根據(jù)公式：

=（18O磷酸鹽–0.75*18O樣品）/0.21-18O水

計(jì)算出AMPA在水鈉錳礦催化降解時(shí)，磷酸鹽的氧同位素動(dòng)力學(xué)分餾值為-11.81±4.14‰。目前，關(guān)于有機(jī)磷化學(xué)降解的研究仍然比較缺乏，為了更好的示蹤有機(jī)磷在水體中的循環(huán)過程，需要近一步的研究。

2.2 有機(jī)磷酶降解的磷酸鹽氧同位素特征

除了PPase外，胞外酶中常見的有酸性磷酸酶（Acid Phosphatase）和堿性磷酸酶（APase），5’-核苷酸酶，其產(chǎn)生的同位素效應(yīng)主要為動(dòng)力學(xué)分餾。Liang等[8]研究了堿性磷酸酶對(duì)磷酸單酯催化降解的磷酸鹽氧同位素特征。其用不同來(lái)源的APase（來(lái)源于牛腸、蝦和大腸桿菌）在氧同位素標(biāo)記水中催化降解磷酸單酯底物（-D-葡萄糖-1-磷酸、-甘油磷酸鹽和5’-AMP），不同底物降解生成磷酸鹽的18Op與18Ow線性擬合直線的斜率均在0.23~0.28之間。用5’-核苷酸酶在同樣條件下催化降解5’-AMP，其18Op與18Ow線性擬合斜率為0.25，由此證明APase和5’-核苷酸酶催化有機(jī)磷降解生成的磷酸鹽中有75%繼承自原底物，25%來(lái)自于水中。由此，根據(jù)質(zhì)量守恒，可得公式如下：

=4*（18O磷酸鹽–0.75*18O原始有機(jī)磷）-18O水

可計(jì)算出APase催化有機(jī)磷降解時(shí)生成磷酸鹽的動(dòng)力學(xué)分餾值為-30（±8）‰，5’-核苷酸酶催化降解5’-AMP的動(dòng)力學(xué)分餾值為-10（±1）‰，說明酶催化反應(yīng)時(shí)，水中的16O更易被結(jié)合入磷酸根中。研究發(fā)現(xiàn)，由酸性磷酸酶產(chǎn)生的氧同位素分餾為20~30‰，大于堿性磷酸酶的分餾值，可能是因?yàn)榻到鈾C(jī)制的不同[13]。

Liang等[3]研究了磷酸雙酯（DNA和RNA）被二酯酶（脫氧核糖核酸酶、磷酸二酯酶）和磷酸單酯酶（5’-核苷酸酶，堿性磷酸酶）催化降解的過程。DNA和RNA先由二酯酶分解為磷酸單酯，再由堿性磷酸酶分解為無(wú)機(jī)磷酸鹽。通過將磷酸鹽的18Op與18Ow進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn)，所有DNA的實(shí)驗(yàn)組（不同酶的組合），其斜率均為0.45（±0.02），說明兩步過程約有兩個(gè)水中的氧被結(jié)合到了生成的PO4中。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二酯酶（脫氧核糖核酸酶和磷酸二酯酶）產(chǎn)生的同位素分餾效應(yīng)相同，而不同單酯酶（堿性磷酸酶和5’-核苷酸酶）同位素分餾效應(yīng)不同。

磷酸二酯酶降解RNA的18Op與18Ow線性擬合斜率為0.66，推測(cè)RNA降解時(shí)存在兩種反應(yīng)途徑，一是磷酸二酯酶和5’核苷酸酶使得RNA降解生成PO4，有50%氧來(lái)自于水。二是購(gòu)買的磷酸二酯酶中含有少量的RNA水解酶，分解RNA生成了環(huán)2’3’-磷-雙酯中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物會(huì)與水生成3’-磷酸，此過程為可逆反應(yīng)，此可逆反應(yīng)促使-PO4基團(tuán)與水發(fā)生了完全的氧交換。3’-磷酸通過堿性磷酸酶降解生成PO4，其100%的氧都來(lái)自于水。由反應(yīng)機(jī)理可得出計(jì)算公式如下：1+0.5*（1-）=0.66

由此公式可計(jì)算出此實(shí)驗(yàn)有68%的RNA通過第一種途徑降解，32%通過第二種途徑降解。由此推導(dǎo)出公式如下：18O磷酸二酯酶=[18O磷酸鹽-0.32*0.25*（18O水-30）-0.32*0.75*18O平衡分餾值]/0.68。

由此公式可計(jì)算出RNA通過磷酸二酯酶降解的氧同位素值。磷酸二酯酶降解DNA產(chǎn)生的氧同位素分餾值為-20‰，降解RNA的氧同位素分餾值為+20‰，說明磷酸二酯降解DNA和RNA的反應(yīng)機(jī)制不同。磷酸鹽中氧同位素的應(yīng)用為降解途徑與降解機(jī)制的識(shí)別提供了新的可能。

C.von Sperber等[46]研究了不同植酸酶（提取自小麥和黑曲霉）和酸性磷酸酶（提取自麥芽和馬鈴薯）降解植酸的磷酸鹽氧同位素特征。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植酸酶降解植酸分子會(huì)釋放出66.6%的-PO4基團(tuán)。通過磷酸鹽氧同位素18Op與18Ow線性擬合斜率為0.23~0.24可知，植酸分子降解時(shí)P-O鍵斷裂，生成的PO4中有一個(gè)氧來(lái)自于水中。作者用紫外光降解完整植酸分子（肌醇六磷酸）和植酸酶催化降解后剩余肌醇二磷酸，C-O鍵斷裂，可分離出完整的-PO4基團(tuán)。根據(jù)Maclauglin公式[29]可計(jì)算出被植酸酶所分離的四個(gè)磷酸分子中的氧同位素值：18O肌醇六磷酸=2/3*18O四個(gè)磷酸分子+1/3*18O肌醇二磷酸

再根據(jù)如下公式，可計(jì)算出植酸酶降解的動(dòng)力學(xué)分餾值：

18O磷酸鹽=0.75*18O四個(gè)磷酸分子+（0.25*18O水+）

酶解出來(lái)的四個(gè)PO4分子中的氧同位素值為23.2±0.7‰，小麥植酸酶的氧同位素動(dòng)力學(xué)分餾值為6.4±2.9‰，黑曲霉植酸酶的氧同位素分餾值為6.7±3.4‰。麥芽酸性磷酸酶降解了約10%的植酸，馬鈴薯中的酸性磷酸酶活性較強(qiáng)，降解了40%，其氧同位素動(dòng)力學(xué)分餾值分別為0.9±0.6‰，7.2±2.9‰。

研究認(rèn)為焦磷酸酶使得PO4中的氧與周圍水進(jìn)行交換逐漸達(dá)到與溫度呈線性關(guān)系的氧同位素平衡分餾。為了精確測(cè)量氧同位素-溫度平衡分餾公式，Sae等[15]利用焦磷酸酶在3~37 ℃范圍內(nèi)對(duì)氧同位素標(biāo)記水中的PO4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PO4中的氧快速與水中的氧交換，在818 min內(nèi)就與水中的氧同位素達(dá)到了平衡分餾。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出3~37 ℃下的平衡分餾公式（開爾文溫度）為：

1000 lnPO4-H2O=14.43（±0.39）*1000/T–26.54（±1.33）2=0.99

2.3 有機(jī)磷微生物降解的磷酸鹽氧同位素特征

微生物降解有機(jī)磷的過程涉及不同酶的催化作用。自然界中，微生物優(yōu)先利用無(wú)機(jī)磷，但是水體中以有機(jī)磷為主，占總?cè)芙饬椎?0~99%[47]，相比之下，無(wú)機(jī)磷的含量很低，在表層土壤中約為1~10 μmol/L[38]，海水中為1~3 μmol/L[38,47]。因此，在大多數(shù)的水體中，有機(jī)磷是生物生長(zhǎng)所需磷的主要來(lái)源。在自然界的溫度和pH下，水體中的P-O鍵基本不受非生物作用的影響，只有在生物酶的作用下才會(huì)發(fā)生斷裂。有機(jī)磷在酶催化下分解為無(wú)機(jī)磷酸鹽，無(wú)機(jī)磷酸鹽被生物吸收利用，在體內(nèi)焦磷酸酶（PPase）的作用下，發(fā)生P-O鍵的斷裂[20]，與周圍的水發(fā)生氧交換，逐漸與周圍的水達(dá)到平衡分餾。Longinelli[48]通過大量研究，首先提出了磷酸鹽和水中氧同位素的平衡分餾公式：(℃)=111.4-4.3(18Op-18Ow)

公式中為水體的溫度，18Op為水體中磷酸鹽的氧同位素值，18Ow為周圍水的氧同位素值。

耶魯大學(xué)Blake[18]在實(shí)驗(yàn)室中模擬研究微生物降解有機(jī)磷化合物的磷酸鹽氧同位素特征。實(shí)驗(yàn)利用RNA為唯一磷源，在15~35 ℃下培養(yǎng)混合細(xì)菌，以模擬自然界中細(xì)菌生長(zhǎng)情況。發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌的作用下，生成的磷酸鹽氧同位素值有了較大改變，與水發(fā)生了氧交換，過程為平衡分餾而非動(dòng)力學(xué)分餾。-5.5‰，-6.6‰水中培養(yǎng)的RNA降解的磷酸鹽氧同位素值正好符合Longinelli的平衡分餾曲線，而其他18Ow水中生成的磷酸鹽氧同位素偏離平衡分餾曲線。推斷磷酸鹽中有50%的氧繼承自原來(lái)的RNA中，經(jīng)過校正后發(fā)現(xiàn)其余50%的氧同位素值符合平衡分餾值。Blake根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出細(xì)菌催化氧同位素平衡分餾公式如下：(℃) 155.8-6.4(18Op-18Ow)

Blake[19]以葡萄糖-1-磷酸為唯一碳源和磷源，利用克雷伯氏菌（Klebsiella aerogenes）對(duì)其進(jìn)行降解，發(fā)現(xiàn)生成的磷酸鹽氧同位素值沒有達(dá)到平衡分餾。根據(jù)葡萄糖-1-磷酸結(jié)構(gòu)式，假設(shè)磷酸鹽中有25%的氧來(lái)自于反應(yīng)物對(duì)其進(jìn)行校正，發(fā)現(xiàn)依然不符合平衡分餾曲線，推測(cè)克雷伯氏菌降解葡萄糖-1-磷酸有更復(fù)雜的降解機(jī)制。但總體來(lái)說，在克雷伯氏菌的作用下，生成的磷酸鹽與水發(fā)生了劇烈的氧交換。

Liang等[3]發(fā)現(xiàn)，用大腸桿菌降解RNA，生成的磷酸鹽18Op與水的18Ow線性擬合直線斜率為0.51(±0.07)。說明RNA降解生成的磷酸鹽中有兩個(gè)氧來(lái)自于水，與所預(yù)測(cè)的反應(yīng)模型相一致，所測(cè)氧同位素值與Blake培養(yǎng)混合菌降解RNA的氧同位素值只有1‰的差別。其磷酸鹽氧同位素值與磷酸二酯酶+5’-核苷酸酶的反應(yīng)模型計(jì)算出的結(jié)果相一致，說明盡管大腸桿菌的降解機(jī)制較為復(fù)雜，有多種酶的參與，但只有一種反應(yīng)途徑主導(dǎo)了生成磷酸鹽的氧同位素值。

3 結(jié)論和展望

磷酸鹽氧同位素已經(jīng)作為一種地球化學(xué)示蹤劑被應(yīng)用于古環(huán)境和水生生態(tài)系統(tǒng)中，成為研究生物地球化學(xué)循環(huán)過程有效手段。從上世紀(jì)起，國(guó)外許多實(shí)驗(yàn)室對(duì)于自然樣品的分離純化手段以及氧同位素樣品的測(cè)定作了許多改進(jìn)，奠定了本領(lǐng)域的基礎(chǔ)。之后對(duì)于自然樣品和實(shí)驗(yàn)室模擬有機(jī)磷的生物地球化學(xué)循環(huán)過程的氧同位素的特征都有了一定研究，使得磷酸鹽氧同位素的研究有了長(zhǎng)足進(jìn)展，使得其在溯源和研究磷循環(huán)方面成為可能。但是總體來(lái)說，磷酸鹽氧同位素研究還處于起步階段，國(guó)內(nèi)研究較少，主要集中在海水樣品的處理和分析方面，其余研究還基本處于空白狀態(tài)。在以后的研究中，還需要解決如下問題：

（1）磷酸鹽樣品的分離純化手段已經(jīng)得到了很大改進(jìn)。但目前的分離純化手段主要針對(duì)海水中的溶解磷酸鹽，對(duì)于淡水水體和天然土壤樣品[49]，由于其組成的復(fù)雜性，還缺少有效的分離純化手段，限制了樣品分析范圍。例如在處理土壤樣品時(shí)，土壤樣品中含有大量的生物酶，針對(duì)不同組分的土壤，如何處理才能避免有機(jī)質(zhì)發(fā)生分解以及在處理過程中是否會(huì)引起磷酸鹽的氧同位素分餾；

（2）生物活動(dòng)會(huì)引發(fā)磷酸鹽氧同位素的平衡分餾?，F(xiàn)在平衡分餾公式仍主要基于Longinelli在1973年提出的磷灰石與水發(fā)生平衡分餾時(shí)的公式，Sae對(duì)于這個(gè)公式進(jìn)行了補(bǔ)充，在2015年提出了3~37 ℃的磷酸鹽-水平衡分餾公式，但在其他溫度條件下發(fā)生的平衡分餾公式仍需進(jìn)行補(bǔ)充；

（3）國(guó)外許多研究者實(shí)驗(yàn)?zāi)M有機(jī)磷的生物地球化學(xué)循環(huán)過程，計(jì)算出氧同位素分餾值，提供了許多有價(jià)值的信息。但目前的研究主要集中于磷酸單酯和磷酸雙酯少數(shù)幾種有機(jī)磷化合物，對(duì)于膦酸酯等其他類型有機(jī)磷化合物研究較少；

（4）對(duì)于有機(jī)磷不同降解途徑的研究目前主要集中于酶催化降解，對(duì)于其他降解形式例如化學(xué)降解和微生物降解的氧同位素分餾機(jī)理還研究較少，限制了其在有機(jī)磷溯源和循環(huán)過程方面的應(yīng)用，以后應(yīng)該對(duì)有機(jī)磷在自然界生物地球化學(xué)循環(huán)過程中的氧同位素分餾機(jī)制進(jìn)行更全面和深入的研究；

（5）現(xiàn)在對(duì)有機(jī)磷在降解過程中的同位素分餾計(jì)算是基于有機(jī)磷的-PO4基團(tuán)中四個(gè)氧的氧同位素值一致，但對(duì)于含有C-O-P結(jié)構(gòu)的磷化合物來(lái)說，其C-O-P中的氧是否與P-O中的氧的同位素值有差異，對(duì)于同位素分餾值的計(jì)算來(lái)說是至關(guān)重要的。但目前并沒有可行的手段和方法能測(cè)定出其中單個(gè)鍵位的氧同位素值，在未來(lái)的研究中函待解決。

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The Application of Phosphate Oxygen Isotope in Organophosphorus Degradation

ZHANG Chi1, JI Hong-bing1*, CHEN Zhi-gang2

1.100083,2.361005,

Organophosphorus compounds are widedly spread in soils and waters, which plays an important role in natural environment as well as bring potential pollution. Therefore, research on phosphate cycling of Organophosphorus compound will plays an vital role in preventing phosphorus pollution. Recently, Oxygen Isotope in Phosphate, as a geochemical tracer, was widely used in research on cycling pathways of phosphate in the natural environment. This paper concludes the principle of application of Phosphate Oxygen Isotope and its function in research on Organophosphorus compounds degradation and source trace. Based on this, we give a prospect of the further study in this area.

Phosphate Oxygen Isotope; Organophosphorus; degradation

X131.3

A

1000-2324(2018)06-1008-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.021

2018-02-10

2018-03-12

中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金(41173113);中國(guó)環(huán)保部公益項(xiàng)目(201509049)

張弛(1987-),男,博士研究生,主要從事同位素地球化學(xué)方面的研究. E-mail:zhangchiustb@foxmail.com

Author for correspondence. E-mail:ji.hongbing@hotmail.com