土壤酶对As污染毒性响应及作用机理研究

发布时间：2017-12-26 14:43

  本文关键词：土壤酶对As污染毒性响应及作用机理研究　出处：《西北农林科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：As污染已成为现今分布最广、毒性最大的重金属污染之一。As污染不仅影响土壤正常生态功能,还通过食物链进入人体产生毒害,因而对土壤As污染风险评估及监测十分必要。土壤酶在土壤物质循环和生物化学过程中具有重要作用,是土壤污染监测的良好生物指标。研究土壤酶与As污染关系及作用机理,揭示As对土壤生态功能的影响,对As污染危害、污染监测及修复具有重要意义。本文研究了模拟As污染和矿区长期As污染对土壤酶活性的影响,探明了As对土壤酶的动力学、热力学作用机制和长期As污染土壤酶功能多样性与稳定性特征,通过模型计算得到了短期和长期As污染的毒性阈值,丰富和完善了重金属污染监测的土壤酶学理论。主要获得如下结论:(1)通过室内模拟试验研究了急性As污染对土壤酶活性抑制规律。模拟As污染对蔗糖酶活性作用较小;As(V)对脲酶活性影响不显著,高浓度As(Ⅲ)抑制脲酶活性;As(V)较强的抑制了碱性磷酸酶活性,而As(Ⅲ)对其影响很小;脱氢酶对As(V)和As(Ⅲ)均非常敏感。土壤肥力性状影响As对土壤酶的抑制。肥力高的土壤对As缓冲能力更强,As对酶活性抑制相对较小。(2)采用动力学和热力学手段研究了As对碱性磷酸酶和酸性磷酸酶的抑制机理。As对土壤碱性磷酸酶和酸性磷酸酶活性的抑制与底物浓度有关。相同As浓度处理下,增大底物浓度,抑制率降低。As污染下,土壤碱性磷酸酶动力学参数Vmax不变或高浓度下降低,Km随As浓度增加线性增大;其抑制属于竞争性抑制或包括竞争和非竞争的混合抑制,以竞争抑制类型为主。酸性磷酸酶动力学表现为Vmax降低,Km不变或线性增大;As对其抑制属于非竞争抑制或混合抑制,以非竞争抑制为主。As对碱性磷酸酶竞争性抑制常数Kic在0.17~0.70 mM之间,小于酶与底物亲和力常数Km;非竞争抑制常数Kiu在2.51-5.92 mM之间。酸性磷酸酶Kic在0.38~3.65 mM之间,Kiu在0.84~7.43 mM之间。Kic与Kiu决定了As与磷酸酶的亲和力以及结合方式,进而决定了As对磷酸酶的抑制机理和生态毒性。土壤性质通过影响As与土壤磷酸酶亲和力及结合方式,影响As对磷酸酶动力学抑制机理及生态毒性。其中pH、有机质、无定型Fe、CEC是主要影响因素。热力学研究表明,As污染使碱性磷酸酶Ea、ΔH*、?S*以及?G*等热力学参数值不同程度上增加,As对碱性磷酸酶抑制属于焓控过程。(3)研究了粘土矿物固定态碱性磷酸酶对As毒性的响应。结果表明,As对自由态和固定态碱性磷酸酶动力学和热力学参数抑制规律与土壤碱性磷酸酶类似,抑制机制属于竞争性抑制,在热力学上是一个焓控过程。蒙脱石和针铁矿降低了As对碱性磷酸酶活性的抑制,使酶动力学参数(Km、Vmax/Km)随As浓度增加变化减缓;蒙脱石降低了As对碱性磷酸酶酶Ea、ΔH*和?S*的影响,而针铁矿的作用则相反,显示不同粘土矿物对As抑制碱性磷酸酶热力学特征的影响不一致。总的来说,蒙脱石和针铁矿对酶的固定能够减轻As对碱性磷酸酶的抑制,对酶具有保护效应。(4)研究了石门雄黄矿区土壤As污染状况及其对土壤酶生态功能的影响。矿区土壤As含量普遍超标,最高达4008.5 mg kg-1,污染较为严重;土壤As主要以残渣态为主,水溶态、交换态、碳酸盐结合态As占总As比例较低,最高均不超过3%;As生物有效性系数较低,但由于污染土壤As含量特别高,导致土壤3种易迁移的形态As含量较高,其毒性风险很大。长期As污染土壤酶活性与As含量密切相关。除碱性磷酸酶外,β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、FDA水解酶以及脱氢酶与土壤不同形态As显著负相关。土壤β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶、脱氢酶动力学参数(Vmax、Vmax/Km)与土壤As显著负相关;碱性磷酸酶动力学参数则与As关系不显著。对土壤酶功能稳定研究表明,4种土壤酶热稳定性表现为脲酶β-葡萄糖苷酶酸性磷酸酶FDA水解酶。As污染使土壤酸性磷酸酶和FDA水解酶热稳定性降低;β-葡萄糖苷酶则表现为中等污染胁迫下热抵抗力最强。长期污染土壤酶活性、动力学以及稳定性不仅与As含量有关,同时受到土壤性质的影响。其中CEC、全氮以及pH是影响酶活性的主要因子;土壤酶动力学特征则与全氮、碱解氮、pH、CEC、速效磷显著相关,其中全氮、碱解氮是主要影响因子;土壤酶稳定性与全氮、碱解氮、pH以及速效磷显著相关。(5)计算了不同酶指标生态剂量ED10和ED50(使酶参数降低10%和50%对应As浓度)。室内模拟污染试验,碱性磷酸酶Vmax/Km生态剂量ED10和ED50分别为:7.4~37.3和66.9~335.6 mg kg-1,在所有酶参数中生态剂量值最低。在长期污染土壤中,脱氢酶对长期As污染最为敏感,脱氢酶活性、Vmax、Vmax/Km生态剂量ED10分别为71.9、55.8、34.9 mg kg-1;脱氢酶动力学参数Vmax/Km指标相比酶活性和Vmax指标更为灵敏,β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶也表现出相似规律。总体酶活性、几何平均以及加权平均等多样性指标评价效果弱于单一敏感酶指标。综上,As污染敏感酶动力学参数Vmax/Km是评价As污染较为理想的酶学指标,与传统酶活性指标相比,其对污染指示灵敏度更强。模拟污染外源As轻度污染临界值(ED10)为7.4 mg kg-1,可作为急性污染的毒性阈值。田间长期As污染下,As轻度污染临界值为35 mg kg-1,与土壤质量二级标准规定的As浓度一致,证实土壤酶是较为灵敏和准确的污染评价指标。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S154.2;X53
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本文编号：1337699