微生物碳酸酐酶在巖溶發育中的研究現狀及展望

張小菊，楊翠珍，楊 娟

(華中科技大學武昌分校城市建設學院，湖北 武漢 430064)

我國是世界巖溶面積最大的國家[1]，其中尤以碳酸鹽巖分布廣泛，主要分布在貴州、云南、四川等省區，構成了這些省區特殊的地貌類型[2]。碳酸鹽巖地區生態環境脆弱，同時由于人們環保意識的淡漠，直接導致生態退化和經濟發展的落后，特別是2009年西南的特大干旱，更導致了石漠化的加劇。

巖溶發育越來越多地受到研究者的關注，越來越多的科學工作者對巖溶動力系統的驅動作用、驅動機理進行了深入的研究[3，4]，同時從植物、微生物入手，對生物巖溶微形貌形成機理進行了探討，重點就藻類和其它微生物對巖溶作用進行了研究和評價[5～8]。賈麗萍等[9]研究了細菌、真菌、放線菌等對碳酸鹽巖的溶蝕作用，并對它們的巖溶作用強度進行了對比。隨著巖溶研究的深入，碳酸酐酶(Carbonic anhydrase，CA)被證實在巖溶發育中扮演著重要的角色，碳酸酐酶與巖溶發育的關系備受關注。

作者在此主要綜述微生物碳酸酐酶在巖溶發育中的研究現狀及在環境治理中的應用價值，并對其研究進行了展望。

1 微生物碳酸酐酶在巖溶發育中的研究現狀

碳酸酐酶是生物體中普遍存在的一種金屬酶。有關植物碳酸酐酶的研究報道較多，大多數植物含有碳酸酐酶，碳酸酐酶在光合作用中起著重要作用[10，11]。碳酸酐酶的活性中心含有一個催化活性所必需的鋅原子，催化CO2進行可逆水合反應。其催化機理如下：

(1)

(2)

由式(1)、(2)可知，CO2的水合反應生成的H+會影響CaCO3的電離平衡，從而驅動碳酸鹽巖溶蝕溶解。即有：

(3)

因此，碳酸酐酶在生物巖溶中具有重要的地位和作用，能促進石灰巖的溶蝕，影響碳循環及喀斯特溶蝕地貌[12]。

李為等對碳酸酐酶在巖溶發育中的分布、活性、穩定性、與生態系統元素遷移之間的關系進行了探討。研究表明，植物的根系、土壤的有機組織等都是碳酸酐酶的重要來源，碳酸酐酶的活性與喀斯特巖溶地區的植被特征、地球化學環境等關聯性強[13]。

通過對巖溶地區的土壤微生物進行篩選，發現不少菌株能分泌胞外碳酸酐酶。通過對巖溶環境進行模擬，發現巖溶環境的偏堿性條件、金屬離子、陰離子均有利于碳酸酐酶活性的穩定[14]，其中，巖溶環境中篩選的放線菌有較高的胞內碳酸酐酶活性，而真菌具有較高的胞外碳酸酐酶活性[15]。通過土柱模擬實驗研究了不同類群微生物的碳酸酐酶對鈣、鎂、鋅三種元素遷移的影響，發現鈣鎂元素流失量與碳酸酐酶活性及生物量存在良好的正相關性[16，17]，進一步說明了碳酸酐酶在巖溶發育中的地位和作用。

碳酸鹽巖是喀斯特地區最廣泛存在的巖石類型，前期研究表明真菌對碳酸鹽巖溶蝕效果好[15]。為了深入研究微生物有機物對巖石的溶蝕情況，研究者對真菌菌絲、真菌有機酸物質、真菌碳酸酐酶引起的溶蝕作用進行了系統研究與對比[18～20]，結果表明，它們在石灰巖巖溶發育中均扮演重要角色，其影響程度大小依次為：真菌菌絲>真菌有機酸物質>真菌碳酸酐酶。這些研究為進一步研究微生物碳酸酐酶在巖溶發育中的作用奠定了基礎。

2 微生物碳酸酐酶在環境治理中的應用價值

2.1 微生物碳酸酐酶對碳循環的影響

研究碳酸酐酶在自然界的分布規律及微生物分泌碳酸酐酶的情況，是一條探索CO2減排的技術途徑。

2.2 微生物碳酸酐酶在石漠化治理中的作用

我國西南巖溶地區擁有世界上最大的連片裸露巖溶，生態環境脆弱。主要表現為：石漠化非常嚴重；水源漏失、耕地瘠薄且少而分散，土地生產效率極低；旱澇災害頻繁等[21]。

利用微生物碳酸酐酶對CO2的水合吸收作用以及引起的碳酸鹽巖的風化，對于石漠化治理具有重大意義。

此外，還可以通過測定相關微生物及植物中的碳酸酐酶的活性，確定石漠化地區適宜的生態生物，以改善石漠化地區的生態環境。

3 微生物碳酸酐酶在巖溶發育中的研究展望

微生物碳酸酐酶是巖溶動力系統的重要驅動力，喀斯特地貌蘊藏巨大的“碳封存”潛力，可通過人為干預，利用微生物碳酸酐酶，實現減排最大化。

目前，我國不少巖溶地區都面臨石漠化威脅，若利用微生物碳酸酐酶進行石漠化治理，改變土地利用方式，即可為巖溶增匯；同時，以土壤微生物碳酸酐酶的活性為重要參考指標，可以評價石漠化地區土壤的肥力。因此，應深入研究碳酸酐酶促進的CO2水合反應的可逆反應動力學、抑制劑、活性影響因素等，為石漠化治理、水華治理等提供依據，也為碳酸酐酶促進的礦化沉積、石質文物的保護、環境的生物修復奠定基礎。

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