重金屬Cd、Pb離子對(duì)土壤酶活性的抑制影響

楊廷章 李龍飛 譚添 姚菁華 肖雷

摘要：本文通過向土壤中添加不同濃度的重金屬Cd、Pb，采用模擬法研究了重金屬污染對(duì)土壤中脲酶、酸性磷酸酶活性的抑制影響作用。結(jié)果表明：不同濃度的Cd、Pb對(duì)土壤酶活性均有一定抑制作用，且隨著濃度的升高，抑制效果逐漸顯著，土壤酶活性也逐漸降低。其中，脲酶對(duì)于鎘污染的敏感程度最高，可以作為鎘污染的預(yù)警指標(biāo);酸性磷酸酶對(duì)于鉛污染的敏感程度最高，可以作為鉛污染的預(yù)警指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：重金屬污染;土壤酶活性;比色法;抑制率

基金項(xiàng)目：中國礦業(yè)大學(xué)雙一流建設(shè)自主創(chuàng)新項(xiàng)目-生態(tài)環(huán)境修復(fù)與保護(hù)（2018ZZCX12）

中圖分類號(hào)： x833 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2019.16.040

隨著礦工業(yè)的高速發(fā)展，有色金屬冶煉產(chǎn)量急劇擴(kuò)張，同時(shí)礦業(yè)廢棄物的排放和堆放使得重金屬污染問題愈發(fā)嚴(yán)重。在這樣的形勢(shì)下，土壤重金屬污染問題成為環(huán)境和土壤學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)。Chaney[1]利用超富集植物對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)化。Meshalikna等[2]研究了俄羅斯一硫酸生產(chǎn)廠周圍土壤中元素的污染及其空間變異后發(fā)現(xiàn)，在距煙囪1～2km外的土壤中仍能監(jiān)測(cè)到高含量的S、V和As。Kunkel等[3]研究汞污染土壤時(shí)發(fā)現(xiàn)， 土壤中超過99%的汞可通過電熱法在不超過土壤沸點(diǎn)的溫度下去除。王巧紅等[4]研究了四川地區(qū)紫色土、沖積土和黃壤酶活性對(duì)Cd污染的響應(yīng)特征， 發(fā)現(xiàn)Cd污染對(duì)紫色土、黃壤酶活性的影響較小，對(duì)沖積土酶活性影響較大， 且沖積土和黃壤中的重金屬元素更易被作物吸收。張曉宇等[5]研究發(fā)現(xiàn)，重金屬Cd污染條件下土壤各菌群活性抑制率由小到大為真菌<放線菌<細(xì)菌。土壤微生物的呼吸是土壤呼吸的一個(gè)重要的組成部分。沈秋悅等[6]的研究也表明， 過氧化氫酶活性對(duì)重金屬污染有強(qiáng)烈的反應(yīng)機(jī)制。

重金屬污染在我國形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響了植物生長、糧食安全及人體健康，而研究土壤中污染較嚴(yán)重的鎘和鉛，有助于人們了解重金屬污染土壤的相關(guān)性質(zhì)，為污染防治提供可能性手段，本文主要研究重金屬Cd、Pb對(duì)土壤酶活的抑制。一些文獻(xiàn)中[7-8]研究的冶煉廠、礦區(qū)附近的土壤樣品均是受到一定程度污染的，其中，鎘、鉛含量最大值分別為121.74mg/kg和67.36mg/kg。由于采用模擬法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考慮到采集的土壤并未靠近礦區(qū)等地，其中，重金屬含量僅在土壤背景值[9]附近，因而土壤微生物對(duì)重金屬的耐受力會(huì)相對(duì)較低。如果重金屬濃度過高，可能會(huì)導(dǎo)致土壤中的微生物直接死亡。因此，本實(shí)驗(yàn)研究的Cd、Pb濃度需要相對(duì)較低。

1 材料和方法

1.1材料的采集與預(yù)處理

1.1.1樣品來源 中國礦業(yè)大學(xué)不顯山土樣（未受污染土壤）。

1.1.2取樣方法 五點(diǎn)取樣法：在20m×20m的區(qū)域內(nèi)選取四角和中心點(diǎn)，取10～15cm深處的土壤，每點(diǎn)取兩袋樣品，每袋約200g，樣品放于無菌封口塑料袋中，貼好記錄標(biāo)簽，立即帶回實(shí)驗(yàn)室處理保存。

1.1.3土壤保存方法 將土樣混勻后過2mm孔隙篩，除去植物根系和石子等雜質(zhì)，平鋪在報(bào)紙上，放于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，避免陽光暴曬。待土壤水分完全蒸發(fā)掉之后，用研缽將土壤研磨碎，盛裝于樣品袋中密封好，用于配制含重金屬的受污染土壤以及測(cè)定土壤酶活性等實(shí)驗(yàn)操作。

1.2 模擬重金屬污染

1.2.1 鎘離子、鉛離子濃度梯度 為模擬礦區(qū)周圍鎘、鉛的污染情況，選擇鎘離子的濃度梯度為：11.20mg/kg、16.80mg/kg、22.40mg/kg、28.00mg/kg，鉛離子的濃度梯度為：10.35mg/kg、20.70mg/kg、31.05mg/kg、41.40mg/kg。

1.2.2 不同濃度梯度含鉛、鎘土壤的配制 首先分別配制0.5mol/L氯化鎘溶液和0.5mol/L乙酸鉛溶液各50mL，并于121℃，101MPa下滅菌20min。稱取100g風(fēng)干土樣于150mm培養(yǎng)皿中，加入0.5mL氯化鎘溶液，加水到將土壤完全浸沒即可，浸泡24h后，放于真空干燥箱中，80℃下烘干水分，取出后用研缽將土壤研磨粉碎，裝入樣品袋中備用，此土壤的鎘離子含量為280mg/kg。另外，稱取100g風(fēng)干土樣于150mm培養(yǎng)皿中，加入0.4mL乙酸鉛溶液，其余操作與配制含鎘土壤相同，此土壤鉛離子濃度為414mg/kg。

含Cd、Pb不同濃度土壤配制的原料比例如表1、表2。將配制好的土壤放于4℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3土壤酶活性測(cè)定方法

分別用靛酚藍(lán)比色法、磷酸苯二鈉比色法[10]研究不同濃度重金屬Cd、Pb對(duì)土壤中脲酶活性、酸性磷酸酶的影響。

1.4酶活性抑制率表征方法

為了定量反映不同濃度重金屬對(duì)于土壤酶活性的抑制程度，可以采用酶活性抑制率（簡稱定濃抑制率）來進(jìn)行表征[11]，計(jì)算公式見公式：

定濃抑制率=■ ? ? ? （1）

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd、Pb離子對(duì)土壤脲酶活性的影響

測(cè)得各土壤樣品的吸光值及脲酶活性，如表3：

由表3可知，培養(yǎng)24h后，與對(duì)照組比較，不同濃度的重金屬鎘離子和鉛離子對(duì)于土壤脲酶的活性均有不同程度的抑制。隨著鉛離子和鎘離子濃度的增加，土壤中脲酶活性均有下降，鎘離子影響較大，脲酶活性下降了近50%。高大翔[12]等人的研究也提及土壤脲酶活性可以作為重金屬汞及汞和鎘復(fù)合污染程度的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。可見，土壤中的脲酶對(duì)于鎘離子的敏感程度相當(dāng)高。