淡水環(huán)境中磷酸酶的研究進展

張友　李干蓉　方小寧　匡飛　何慶文　楊李

摘 要：水體富營養(yǎng)化事關(guān)重要環(huán)境安全問題。而磷是水體富營養(yǎng)化的重要營養(yǎng)元素。當水生態(tài)環(huán)境中生物有效磷不能滿足植物的生長所需時，有機磷（OP）礦化水解就成為了IP的重要來源。磷酸酶作為OP轉(zhuǎn)化的重要媒介，參與有機磷的代謝，在有機物的轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)過程中具有重要作用。本文就磷酸酶的種類及功能，以及河流、湖泊中磷酸酶的研究作以下論述。

關(guān)鍵詞：磷酸酶;有機磷;濕地

當無機磷（IP）的含量不能提供生物的生長時，環(huán)境中的磷酸酶催化OP釋放無機磷供生物利用。磷酸酶的活性及其動力學特征是研究OP酶解反應(yīng)過程的重要的參數(shù)。磷酸酶的活性可以反映環(huán)境營養(yǎng)狀況及其生物量狀況，且葉綠素-a與浮游生物等富營化指標之間關(guān)系顯著。其次，磷酸酶動力學指標能夠揭示OP礦化率及其循環(huán)周期。所以，研究磷酸酶特征研究可以更好了解生態(tài)環(huán)境中營養(yǎng)鹽的狀態(tài)或營養(yǎng)鹽對初級生產(chǎn)力的調(diào)控機制，對揭示生態(tài)環(huán)境物質(zhì)的循環(huán)和能量流動機制都具有重要意義。

1 磷酸酶的分類

生態(tài)環(huán)境中OP礦化為IP才能供生物利用，磷酸酶催化OP轉(zhuǎn)化為IP直接參與OP的循環(huán)代謝，對生態(tài)系統(tǒng)中磷的轉(zhuǎn)化具有重要意義?？筛鶕?jù)分裂酯鍵作用植酸酶，磷酸單酯酶，磷酸二酯酶;可根據(jù)其最適pH值范圍可分為酸性磷酸酶、中性磷酸酶、堿性磷酸酶，其中，酸性磷酸酶的主要作用是催化細胞代謝，堿性磷酸酶主要作用向細胞提供磷營養(yǎng)[1]。

堿性磷酸酶是一種非特異性磷酸單脂酶，它存在于除高等植物外幾乎所有的生物體內(nèi)，可直接參加磷的代謝過程，在磷的消化、吸收、分泌等過程中發(fā)揮著重要作用。堿性磷酸酶活性（APA）可指示水生生態(tài)系統(tǒng)磷的豐缺，對水體內(nèi)源有機磷釋放及其富營養(yǎng)化都有重要影響[2]。APA的高低是系統(tǒng)磷限制的重要指標，同時可作為磷限制初級生產(chǎn)力的一個指標[3]。

磷酸二脂酶能夠較好的水解磷酸酯的二酯磷，核糖核酸酶能水解RNA磷酸二酯磷[4]。植酸酶可以將植酸分子中的磷酸基團分步水解，將植酸水解為肌醇五磷酸、肌醇四磷酸、肌醇三磷酸、肌醇二磷酸和肌醇一磷酸五種中間產(chǎn)物，在產(chǎn)物生成過程中IP被釋放出來。植酸酶可以水解所有的磷酯鍵。

2 磷酸酶的來源及影響因素

在環(huán)境中，磷酸酶主要來源有細菌和浮游動植物;酸性磷酸酶一般來源于藻類或者細菌的胞內(nèi)產(chǎn)生，細胞外產(chǎn)生堿性磷酸酶，而浮游動物則兩種酶都能釋放。磷酸酶的活性大小主要受pH值，溫度和金屬離子的影響[5]。Huber[6]等在對天然水體的系統(tǒng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)藻類磷酸酶的最佳溫度為25～50℃。顏思旭[7]發(fā)現(xiàn)魚類磷酸單酯酶的最佳溫度為41℃。磷酸單酯酶和磷酸二酯酶的最佳pH為9，植酸酶的最適ph為7。酶是由金屬離子構(gòu)成，金屬離子可以到抑制或激活酶的活性，Zn2+、Cu2+、Ag+、等重金屬離子對酶的活性有抑制作用，Mg2+、Co2+、Pb2+、Cr6+等金屬離子對酶活性有激活點作用[8]。另外，有研究表明光照也可以影響酶的活性[1]。

3 磷酸酶在淡水濕地的研究進展

近年來，商品化酶被廣泛應(yīng)用到濕地OP的研究中，酶水解技術(shù)最早用于研究土壤植酸磷生物有效性[9]。隨后，酶水解技術(shù)出現(xiàn)在濕地環(huán)境中OP生物有效性研究。He和Turner等[10，11]為水體有機磷的生物有效性作了大量研究，堿性磷酸酶可以水解聚合態(tài)磷和單脂磷，二脂酶能很好的水解磷酸二脂磷，植酸酶可水解所有的磷酯鍵。Hino在研究湖用凝膠過濾后的湖水樣品進行酶解時發(fā)使用單一酶時對OP的水解效果比用兩種酶或多種酶結(jié)合時水解效果差很多[12]。Zhu在研究所滇池沉積物有機磷的生物有效性時發(fā)現(xiàn)滇池沉積物中12%～27%的OP是能轉(zhuǎn)化為生物所吸收利用的磷。但酶水解技術(shù)容易受到其他因素的影響，導致最終的結(jié)果偏離實際[1]。

酶活性可指示水磷的豐缺，對湖泊內(nèi)源釋放和富營養(yǎng)化都有重要影響。酶活性高度是表征磷限制的重要指標。Perkins在研究原位營養(yǎng)添加中發(fā)現(xiàn)酶活性能很好地表征磷限制狀況[13]。曲博等研究也發(fā)現(xiàn)，添加外源磷酸酶能促進惰性有機磷向活性磷轉(zhuǎn)化[14]。當無機磷的濃度低于0.01μg/mL時，酶的活性顯著增加，而當無機磷濃度大于0.01μg/mL時，酶的活性則會顯著降低。孫善峰等[15]對太湖的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夏季堿性磷酸酶活性高于冬季，他認為這是由于不同季節(jié)沉積物溫度差異導致的結(jié)果。張萍等[16]也認為溫度是導致磷酸酶活性隨時間變化地主要原因[1]。

從磷酸酶動力學上講，Vmax為酶反應(yīng)特征參數(shù)，反映酶內(nèi)在催化速率，Vmax值愈大，磷酸酶的催化能力越強。米氏常數(shù)（Km）的物理意義是酶反應(yīng)速度達到最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度，Km表征酶與底物間親合力，如果Km值越小，則底物濃度越小，酶對底物的親合力就越大;反之，酶對底物的親合力越小[1]。Km與Vmax的比值表示OP的周轉(zhuǎn)周期。在太平洋的磷酸酶活性的研究發(fā)現(xiàn)，單酯酶和二脂酶的催化水解能夠為生物提供磷源，磷酸單酯磷周轉(zhuǎn)周期為7～14天，二酯磷周轉(zhuǎn)周期超過三個月[17]。高光在研究對太湖水體磷的礦化速率的發(fā)現(xiàn)太湖中有機磷的分解周期僅需數(shù)分鐘[18]。

4 展望

磷酸酶在生態(tài)環(huán)境中有機物的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起到重要作用，目前我們對磷酸酶的分類，主要功能以及在環(huán)境中的應(yīng)用有了一定的研究，但對于每種酶的組成、特性、生物分子結(jié)構(gòu)特征與生理代謝特性還有待進一步研究。就磷酸酶的動力學特征而言，單一的研究堿性磷酸酶的動力學較多，其他酶的動力學特征研究還比較薄弱，在內(nèi)源磷的釋放通量研究中，通過酶水解釋放的磷的比例是多大，還待進一步研究。在治理富營養(yǎng)化的過程中，更加注重控制有機磷的釋放。

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