外来污染物对土壤磷酸酶影响的研究进展

外来污染物对土壤磷酸酶影响的研究进展

王黎明　徐冬梅　陈　波　刘广深3

(浙江大学环境科学研究所,杭州310029)

摘　要　磷酸酶在磷循环中占有重要地位,对植物有着非常重要的意义。根据几十年的国内外资料,本文概述了重金

属、农药、酸沉降以及其他各种外来污染物对土壤磷酸酶的影响,并探讨了磷酸酶作为表征土壤污染程度的指标的可行性。土壤磷酸酶与各种污染物的相互作用关系在环境中的应用方面还需进一步研究。

关键词　磷酸酶　外来污染物　影响　污染指标

E ffects of external contaminants on soil phosphatase

Wang Liming Xu D ongmei Chen Bo Liu G uangshen

(Environmental Science Institute of Zhejiang University ,Hangzhou 310029)

Abstract Phosphatase is very im portant in the cycle of phosphorus.It als o counts for much to plants.According to the domestic and international data of several decades ,the effects of external contaminants on phosphatase were summarized ,for instance ,heavy metals ,pesticides and acid rain.We als o discussed the feasibility of phosphatase as index of s oil pollution.The interactional relations between s oil phosphatase and external contaminants need to be fur 2ther researched in environmental applications.

K ey w ords phosphatase ;external contaminants ;effect ;contamination index

收稿日期:2003-04-04;修订日期:2003-05-16

作者简介:王黎明(1978～),女,硕士研究生,主要从事环境污染化

学方面的研究工作。E 2mail :wanglim ing @

3通讯联系人

土壤作为环境的主要组成部分,不仅提供人类生存所需的各种营养物质,而且接受来自工业和生

活废水、固体废物、农药、化肥及大气降尘等物质的污染。过量的污染物进入土壤会严重影响土壤的生理生化性质,使土壤丧失自身恢复能力,导致土壤质量恶化,并对土壤微生物和酶活性产生影响。酶[1]是土壤的重要组成部分,它直接参与了土壤中的生物化学反应,其活性高低可反映土壤营养物质转化、能量代谢和污染物降解等过程能力的强弱[2]。磷酸酶广泛存在于生物界,从低等生物大肠杆菌、酵母到高等动植物组织、体液以及人类肝脏、前列腺都发现有磷酸酶的存在。它能够催化磷酸单酯的水解及无机磷酸释放,是生物磷代谢的重要酶类[3,4]。土壤磷酸酶是对农业生产有重要影响的一种酶,在土壤磷素循环中起重要作用。研究表明,磷酸酶在土壤

和水生系统的磷转化[5]、有机磷农药污染的土壤生物修复[2]中尤为重要,因此,可以作为一些物质对生态系统有益或有害影响的指示物。

1　重金属对土壤磷酸酶活性的影响

重金属进入并污染土壤主要有2种途径。

111　工业污染源

含有重金属的工业粉尘、固体废弃物和废水通过各种不同方式进入土壤。工业废弃物在农业上用作肥料数量日益增加。含As 、Ba 、B 、Cd 、C o 、Cu 、Pb 、Cr 、

Mn 、Hg 、M o 、Ni 、Ag 、Sn 、V 和Zn 等一些化合物已作为肥料应用进入土壤。Pb 和V 等存在于燃烧油

和燃烧气中,它们最终也沉淀到土壤里。近年来,迫

于水资源短缺和农业增产的压力,我国工业废水和生活污水灌溉面积在不断扩大。据有关资料表明,

我国污灌面积已达130万hm 2

,64.8%的污灌农田遭

受重金属污染,已引起了人们的高度重视[6]。重金属是难于生物降解的物质,土壤一旦受到重金属污

染是难以彻底消除的。

112　农业污染源随着农药、化肥的大量施用,农业自身污染问题

也逐渐暴露出来,如有机汞农药、

含铜和汞磷肥的施用都可能造成土壤污染[7]

。第5卷第5期环境污染治理技术与设备

V ol .5,N o .52004年5月T echniques and Equipment for Environmental P ollution C ontrol

May 2004

重金属可使土壤胞外酶钝化,实验室条件下重金属加N、P和K处理土壤,酸性磷酸酶活性比单用N、P和K处理的为低,培养前后的测定结果趋势是一致的。培养20h,重金属加N、P和K处理的土壤酸性磷酸酶活性要多被钝化30%。同时发现,铜钝化酶活性也是明显的。研究表明,所有重金属都会抑制土壤中磷酸酶的活性,但抑制的程度与土壤类型和重金属浓度有关[8～10]。Juma等[11]证明,把20种重金属加到土壤中,所有重金属均不同程度抑制酸性、碱性磷酸酶活性。Hg2+、As5+、W6+和M o6+抑制酸性磷酸酶活性平均>50%。Ba2+、C o2+和As3+抑制效果最小(抑制率<10%)。其他元素:Cu+、Ag+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Sn2+、Ni2+、Pb2+、Fe2+、Cr3+、Fe3+、B3+、Al3+、V4+和Se4+也抑制酸性磷酸酶活性,抑制程度各不相同。Ag+、Cd2+、V4+和As5+最有效地抑制了碱性磷酸酶活性。所有抑制酸性磷酸酶活性的重金属元素也能抑制碱性磷酸酶活性,但是它们抑制有效性顺序是不同的。

YI M等[12]研究指出,施加标准强度含Cu2+、Zn2+、Cd2+、Cr3+和Ni2+废水的红树林土壤中碱性磷酸酶的活性和三磷酸腺苷(ATP)容量减少;施加相当于10倍标准强度的废水后,这些参数的减少量都超过了95%;微量毒性实验显示,施加超高强度废水的土壤具有最大的毒性(EC50=23%)。从这些结果可以看出,高强度废水中的高浓度重金属具有毒性,对土壤微生物和磷酸酶活性都有抑制作用。施加高浓度废水后红树土壤中的碱性磷酸酶活性显著下降,26个星期后已无活性。Hassan[13]研究发现, Cd2+浓度的增加会降低酶的活性,但是降低的量并不与Cd2+的加入量成比例,高浓度的Cd2+会强烈抑制碱性磷酸酶的活性,而且在砂质土壤中活性的降低要大于在黏性土壤中的情况。在美国马里兰的阿伯丁军队试验场研究了重金属对草地生态系统的土壤酸酶活性的影响,重金属(As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn)浓度范围为712～4811mm ol/kg。研究显示污染地区碱性磷酸酶的活性不易受影响,可能由于这些土壤中碱性磷酸酶的活性模式比其他酶更为复杂,因此它不与任一简单的土壤因素相关联。当金属总浓度上升到30～48mm ol/kg时,虽然总磷酸酶活性受到抑制,但碱性磷酸酶的活性反而上升[14]。这种现象反映了微生物群落构成的变化,可能是对重金属毒性抵抗的环境选择引起的[15]。从微生物量和酶活性的关系可以看出,酶活性的减少主要是由于污染土壤状态下微生物生长对酶的直接抑制,也有一部分是由于酶和重金属的直接作用造成的[16]。S peir等[17]考察了在0～100mm ol/kg(土)Cd2+、Cr3+、Cu2+、Ni2+、Pb2+和Zn2+的硝酸盐存在时,3种不同结构的新西兰土壤的磷酸酶活性变化情况。土壤中分别加入不同的重金属硝酸盐,它们都使土壤pH值降低,尤其是在溶液中强烈水解的金属(Cr3+、Cu2+和Pb2+),这一现象在质地粗糙的土壤(总C量和阳离子交换量(CEC)较低)中更为明显。对酶的生物化学活性分析结果显示,绝大部分的重金属对土壤的抑制是通过酸化引起的,而不是直接的金属作用。

将Na2H AsO4・H2O添加于3种新西兰的土壤(浓度范围0～50μm ol As[V]/g),3d和60d后,磷酸酶活性始终受到As[V]的抑制[18]。相对于重金属而言,As[V]并不是土壤生化特性的强抑制剂,E D50范围为 2.18～556μm ol As/g(土)(0.163～41.7g/kg)。但磷酸酶却对其非常敏感,磷酸酶的活性随着砷浓度的增加持续降低,表明磷酸酶受砷的抑制作用极为显著。与3d相比,60d后抑制作用减弱、磷酸酶活性增强。Juma等[11]发现,As[V]对酸性磷酸酶和碱性磷酸酶来说都是强抑制剂,发生这一竞争抑制可能是由于砷酸盐和磷酸盐的结构相似。有研究认为砷抑制了土壤酶的活性,且As[III]比As[V]作用更强[11,19～23]。一般来说,重金属对砂质土的生物化学特性有更强的抑制作用[11,19,20,24～26],主要是因为这些土壤有较小的表面积、较低的CEC和一般较低的有机质含量,使得它们对金属离子的溶解性增强。虽然As[V]是阴离子,但由于其与磷酸盐在土壤中的行为相似,使得它在表面积和有机质含量低的土壤中的溶解性也增强。

废水污泥作为一种废物处理在农业方面的应用越来越普遍。废水污泥具有高有机质植物养分含量,因此有增强土壤生产力的潜力。同时,由于污泥中有重金属和毒性有机质,它也可能给人体健康和生态系统造成危害。从1978年就有人研究,经城市污水和堆肥修正过的耕作土壤中Zn2+和Cu2+对酸性和碱性磷酸酶活性的影响,土壤中酶的活性受污泥中基质和痕量金属的影响[27]。Brookes等[28]曾报道了重金属对土壤微生物群落,尤其是微生物活性的影响。一般来说,低浓度的金属污泥对微生物量、有机碳和微生物活性有益;而高浓度的土壤重金属

21环境污染治理技术与设备第5卷