镉对土壤生态毒性影响及主控因子和抑制机制研究

发布时间：2020-08-29 08:46

　　镉污染已成为当今重金属污染中面积最广、危害最大的重金属之一，其不仅对动植物和人类健康产生潜在风险，也影响了土壤环境质量。土壤酶和微生物是有机碳和养分分解的先决条件，它能通过调节能源供应使土壤营养元素循环处于稳定状态，被认为是能够反映土壤健康和污染物毒性的综合性指标。前期试验表明以酶和微生物活性为终端获得Cd污染的生态剂量值差异显著，并且实验室测定的毒性远高于田间测定。但目前土壤性质如何影响土壤Cd对酶和微生物的毒性还没有明确的结论研究。因此研究Cd与土壤生化活性之间的关系和作用机理，以及土壤性质对Cd毒性的影响，对揭示Cd污染的危害、污染程度的监测及修复等具有重要理论意义和实践作用。本论文利用我国主要地区18种不同性质土壤，采用室内模拟方法，借助动力学及热力学手段，较为系统地研究了土壤主要生化活性与不同形态镉含量之间的关系，并通过典型污染区土壤酶活性和微生物代谢特征的研究，验证了二者关系。获得的主要结果如下：： 1.系统研究并量化了Cd毒性的生态剂量值（ED25和ED50）与土壤性质间的关系。通过外源添加Cd对土壤碱性磷酸酶毒性试验表明，在pH6.27土壤中，ED25T和ED50T（基于全量Cd计算）均随着pH的增加而升高，其控制回归模型变异的85%。在pH6.27土壤中，EDW（基于水溶态Cd计算）和EDT值均随着pH的增加而减少，其分别控制回归模型变异性的46%和82%。pH是控制水溶态Cd对脱氢酶（TTC法）毒性的主控因子，控制全量Cd对脱氢酶活性抑制作用最主要的因子为TOC。pH是控制水溶态Cd抑制脱氢酶（INT法）的主控因子，随着土壤pH含量的升高ED25W和ED50W值降低，两个因子分别只能控制回归模型变异的57%和42%；对全量Cd而言TOC为主控因子，其次为pH和CEC，三个因子能控制回归模型变异的93%。土壤硝化速率对Cd污染不够敏感，土壤Cd含量至少在28mg kg-1以上才能显著降低硝化速率。在添加重金属Cd后，不同土壤Cd对硝化速率的生态剂量相差很大。通过多元回归表明，土壤TOC、CEC和pH是影响外源Cd（全量和水溶态）毒性主控因子。 2.系统利用动力学和热力学手段阐明了Cd对碱性磷酸酶抑制机制。Cd对碱性磷酸酶米氏常数（Km）无影响，降低了最大反应速度（Vmax），表明Cd对碱性磷酸酶的抑制类型属于非竞争性抑制。在不同温度下（17、27、37、47℃），Cd对碱性磷酸酶抑制常数（Ki）分别在1.80～16.01、1.11～13.37、0.80～5.28、0.96～19.89mmol L-1之间。碱性土壤中CEC是控制Ki的主要因素，pH在酸性和中性土壤中起主要作用。低剂量的Cd能够增加土壤碱性磷酸酶对温度的响应，而高剂量时降低酶对温度的敏感性。Cd强烈影响指前因子Ａ，当Cd浓度上升至25mg kg-1时，大部分土壤碱性磷酸酶指前因子A下降到60%，随着Cd继续增加指前因子（A）仅为对照的5%。活化能（Ea）随着Cd浓度的增加而减小，同时Cd对土壤碱性磷酸酶活性的影响属于熵控过程。 3.首次采用动力学手段阐明了Cd对土壤脱氢酶抑制机制。Cd对云南赤红壤和辽宁棕壤脱氢酶为非竞争性抑制，然而在其他土壤，Cd对脱氢酶为线性混合型抑制。Cd对云南赤红壤和辽宁棕壤脱氢酶抑制常数（Ki）分别为12和4.7mmol L-1。Cd对其他土壤脱氢酶的Ki在0.67～4.2mmol L-1之间，Cd对脱氢酶的亲和力显著高于酶对底物（INT）的亲和力。 4.揭示Cd对游离态和吸附态碱性磷酸酶活性抑制机制。Cd浓度在0～2.5mg mL-1时，Cd对游离态碱性磷酸酶属于可逆抑制范畴；Cd浓度大于25mg mL-1时，属于不可逆抑制范畴。随着接触时间的延长，Cd对游离态和吸附态碱性磷酸酶的毒性增强，粘土矿物能够减弱Cd对碱性磷酸酶的毒性。 Cd对游离态和吸附态碱性磷酸酶的作用属于非竞争性抑制特征。Cd对游离酶、蒙脱石和针铁矿吸附态碱性磷酸酶Ki分别为2.3、2.3和2.6mmol L-1（17℃），且随温度升高而降低，活化能Ea同样随Cd浓度增加而减小，Cd对三种形态的酶最大抑制率分别为-24%、-71%和-23%。纯酶指前因子（A）在Cd浓度为0.25mg kg-1时下降55%，而吸附态酶均为升高；但Cd浓度在0.5mg kg-1时蒙脱石和针铁矿吸附态酶分别下降92%和84%。三种形态酶的活化自由能ΔG*随Cd浓度增加基本不变。在17～47℃下，Cd对纯酶ΔH*和ΔS*的平均抑制率分别在1.1%～-18%、0.56%～-12%之间；Cd对蒙脱石吸附态碱性磷酸酶的ΔH*和ΔS*的平均抑制率在24%～-67%、1.7%～-9%之间；Cd对针铁矿吸附态酶ΔH*和ΔS*的平均抑制率在10%～-19%、1.4%～-9%之间。 6.揭示长期Cd污染土壤酶活性和微生物群落代谢特征。长期重金属污染，土壤微生物群落代谢特征和酶活性受到重金属和土壤性质（pH和有机碳）的共同作用。在除去有机碳对土壤酶的影响后，土壤Cd、Zn全量与土壤相对酶活性呈显著负相关。采用相对酶活性建立的土壤酶多样性指标（TEI）能够很好的反映土壤重金属污染程度。Biolog分析表明长期Cd和Zn污染，重污染土壤微生物对C源利用模式产生明显变化，主要体现在对氨基酸类碳源的利用上。基于上述试验结果可以得出以下主要结论：（1）影响Cd对土壤生化活性毒性的主要因子为土壤TOC、CEC和pH，利用这些土壤性状可以很好地预测Cd对土壤生化活性生态剂量值；（2）Cd对碱性磷酸酶和脱氢酶的抑制机理为非竞争性抑制和线性混合性抑制，Cd对土壤碱性磷酸酶活性的影响属于熵控过程；（3）粘土矿物能够减弱Cd对碱性磷酸酶的毒性；（4）利用相对酶活性构建的土壤酶多样性指标（TEI）能够很好的反映长期Cd土壤污染程度。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X171.5
【部分图文】：

Cd含量,外源,土壤,金属毒物

图 2-1 添加不同浓度外源 Cd 土壤中水溶态 Cd 含量 (mg kg-1)Figure 2-1 Water-soluble Cd values in treatment rang (mg kg-1 soil)2.3.2 供试土壤酶活性2.3.2.1 土壤磷酸酶活性磷酸酶是催化磷酸酯和酸酐水解的一类酶总称，是土壤中磷素转化、循环的关键酶。由图 2-2 可知，土壤碱性磷酸酶活性范围为 1.4～154 μg g-1h-1，平均值 51 μg g-1h-1。当土壤 pH 低于 6.25 时，土壤碱性磷酸酶活性急剧降低，通过相关性分析表明，碱性磷酸酶活性与土壤 pH 达到显著正相关（n=18，r=0.722，p<0.01）。2.3.2.2 土壤脱氢酶活性脱氢酶在很大程度上反映了生物体的活性状态，对其活性的检测在评价化学和金属毒物的毒性以及土壤污染等领域中已成为一种重要的生化分析方法。目前，脱氢酶活性测定的常用方法有氯化三苯基四氮唑（TTC）法和碘硝基四氮唑紫（INT）法。由图 2-2可知，采用 TTC 法测定出土壤脱氢酶活性范围为 0.26～1.59 μg g-1h-1，平均值 0.81 μg g-1

脱氢酶,碱性磷酸酶,土样,酶活性

图 2-2 供试土样碱性磷酸酶和脱氢酶酶活性Figure 2-2 Alkaline phosphatase and dehydrogenase activities of 18 soils土壤酶活性的剂量-效应关系土壤碱性磷酸酶活性的剂量-效应关系2-3 可见，随着添加 Cd 浓度增大碱性磷酸酶活性逐渐降低。在 50碱性磷酸酶活性降幅达到 34%～86%，碱性土壤及安徽黄棕壤、性磷酸酶活性降幅较高均超过 50%，而其他酸性土壤和两个中性水稻土）降幅较低。18

剂量-效应曲线,剂量-效应曲线,土壤,土壤脱氢酶活性

图 2-3 Cd 对土壤碱性磷酸酶活性剂量-效应曲线Figure 2-3 Dose-response curves between Cd contents and soil alkaline phosphatase activities2.3.3.2 Cd 与土壤脱氢酶活性的剂量-效应关系由 TTC 法测定土壤脱氢酶活性与外源 Cd 剂量-效应曲线可得（图 2-5），随着添加Cd 浓度增大脱氢酶活性快速降低。在 500 mg kg-1处理时，河北潮土、甘肃淤灌土和重庆紫色土中已经不能检测出脱氢酶活性，所有土壤脱氢酶活性降幅达到 65%～100%，平均降幅为 86%。然而外源 Cd 对 INT 法测定土壤脱氢酶活性影响较小，随着 Cd 浓度增加脱氢酶活性降低相对缓慢（图 2-5）。在 500mg kg-1处理时，土壤脱氢酶活性降幅在27%～77%之间，平均降幅仅为 53%。该实验结果说明，在用 TTC-电子传递体系活性表征土壤受 Cd2+毒性的抑制时，其灵敏性大于 INT-电子传递体系活性。可能是由于 TTC 和 INT 从微生物氧化呼吸链上接受电子的部位不同所致。INT 较早地从呼吸链上接受电子。如果电子在细胞色素 b 以后的传递过程被阻断，INT-电子传递体系活性并不会受到影响，只有细胞色素 b 之前的电子传递过程被阻断后，其活性才

【参考文献】