四氯化碳污染对土壤酶活性的影响.pdf

第3 7 卷第2 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．2 2 0 0 8 年3 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y M a r ．2 0 0 8 四氯化碳污染对土壤酶活性的影响 单爱琴，韩宝平，王爱宽，杨秀婧，刘敬 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 武，周海霞 2 2 1 1 1 6 摘要采用模拟实验方法，研究了四氯化碳 C C I 。 污染对土壤中蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶等主 要酶活性的影响．蛋白酶活性、脲酶活性、过氧化氢酶活性分别采用铜盐比色法、纳氏试剂分光光 度计法和高锰酸钾滴定测试．结果显示，四氯化碳浓度越高，对蛋白酶和脲酶活性的抑制越强，呈 现出先抑制后恢复的过程．w C C l 。 3 ．2 1 0 “时对土壤蛋白酶和脲酶均有明显的抑制；抑制强度第1 天为7 ．9 0 ％～3 8 ．8 6 ％，影响 时期长约5d ；对脲酶的抑制第1 天为5 1 ％～7 2 ％，影响期约1d ；四氯化碳对土壤过氧化氢酶的 活性没有显著性抑制，反而有微小的激活作用，四氯化碳污染 叫 C C l 。 一1 ．6 1 0 _ 6 ～1 6 ．O 1 0 - 6 的土壤微生物表现出较强的抵抗过氧化的防御能力．显然土壤脲酶对四氯化碳反应最敏 感．酶对四氯化碳污染的不同反应将影响污染区土壤的质量及性能． 关键词四氯化碳；抑制；酶活性；土壤 中图分类号S1 5 4 ．3 6文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 2 一0 2 0 7 一0 4 E f f e c t so fC a r b o nT e t r a c h l o r i d eC o n t a m i n a t i o no n E n z y m eA c t i v i t i e si nS o i l S H A NA i q i n ，H A NB a o p i n g ，W A N GA i k u a n ， Y A N GX i u j i n g ，L I UJ i n g - w u ，Z H O UH a i x i a S c h o o lo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e S p a t i a lI M o r m a t i c s 。C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u 。J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t U s i n gt h em e t h o do fs t i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ee f f e c t so fc a r b o nt e t r a c h l o r i d e C T c o n c e n t r a t i o n so nt h et h r e em a i ne n z y m ea c t i v i t i e si nt h es o i l p r o t e a s e ，u r e a s e ，c a t a l a s ew e r e s t u d i e d ．C o p p e rs a l t sa s s a y ，N e s s l e r ’Sr e a g e n ts p e c t r o p h o t o m e t e rm e t h o da n dp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t et i t r i m e t r i cm e t h o dw e r et a k e nt od e t e c t t h ea c t i v i t i e so fp r o t e a s e ，u r e a s ea n dc a t a - l a s e ．T h er e s u l t ss h o wt h a ti n c r e a s i n gi n i t i a lc o n c e n t r a t i o nr e s u l t e di nh i g h e ri n h i b i t i o nt op r o t e a s ea c t i v i t ya n du r e a s ea c t i v i t y ．T h ep r o c e s sw a si n h i b i t e df i r s t l ya n dt h e nr e c o v e r e d ．T h e p r o t e a s ea c t i v i t yw a sm o r eo b v i o u s l yi n h i b i t e db yC To f3 ．2 1 0 6b u tw a s n ’ti n h i b i t e db yC T o f1 ．6 1 0 一，t h i si n h i b i t i o nw a s7 ．9 0 ％～3 8 ．8 6 ％f i r s td a ya n dt h ei n h i b i t i o nt e r mw a sa b o u t 5d a y s ；A b o v e1 ．6 1 0 - 6o fC Th a dh i g h l ys i g n i f i c a n ti n h i b i t i o n 5 1 ％一7 2 ％ t ou r e a s ea c t i v i t yf i r s td a y 。t h ei n h i b i t i o nt e r mw a sa b o u t1d a y ．C To f1 ．6 1 0 6 1 6 ．O 1 0 6h a s n ’to b v i o u s i n h i b i t i o nt oc a t a l a s ea c t i v i t ya n de v e nh a dal i t t l ea c t i v a t i o n ．I ts h o w e dt h a t c a t a l a s eh a dg r e a t c a p a c i t yf r o mp e r o x i d a t i o n ．S o i lu r e a s ew a st h em o s ts e n s i t i v et oC T ．T h ed i f f e r e n te f f e c t so f d i f f e r e n te n z y m ec o u l da f f e c tt h ep r o p e r t i e sa n df u n c t i o no ft h eC Tc o n t a m i n a t i o ns o i l ． K e yw o r d s c a r b o nt e t r a c h l o r i d e ；i n h i b i t i o n ；e n z y m ea c t i v i t i e s ；s o i l 收稿日期2 0 0 7 0 3 0 3 基金项目国家自然科学基金项目 4 0 3 7 3 0 4 4 ；江苏省高等学校研究牛创新计划项目 2 0 0 5 7 0 作者简介单爱琴 1 9 6 6 一 ，女，山东省诸城市人，副教授，博士研究生，从事环境生物毒理及生态修复方面的研究． E - m a l l k l s a q 2 0 0 3 1 6 3 ．t o mT e l 1 5 9 9 6 9 7 3 9 4 5 万方数据 2 0 8中国矿业大学学报第3 7 卷 四氯化碳等氯代脂肪烃 C A H 在工业农业生 产中被广泛用作溶剂，如油脂清除剂、干洗剂、杀虫 剂和除草剂等等．由于储存或处置不当等原因，通 过挥发、泄漏、废水排放等途径进入土壤、地下水环 境，造成了土壤、地下水的有机污染，从而导致环境 微生态功能及组成的改变，比如微生物种群、数量、 酶的种类及活性的改变，影响土壤环境的质量，造 成生态破坏u J ． 土壤酶是由微生物、动植物活体分泌及由动植 物残体、遗骸分解释放在土壤中的一类具有催化能 力的生物活性物质．土壤酶在土壤碳、氮、磷循环过 程中具有重要的作用，它们参与土壤系统中许多重 要代谢过程．因此，研究土壤中酶活性变化对研究 土壤生态系统质量状况有重要的指示性意义口] ．污 染物对土壤酶活性的影响集中体现在酶活性与污 染物之间关系方面，土壤酶的活性反映了土壤中进 行的各种生物化学过程的强度和方向，它的活性易 受环境中物理、化学和生物等诸因素的影响[ 3 ] ． 据报道，氯代脂肪烃污染土壤及地下水在国外 及国内均时有发生．据监测，某市水源地补给区的 土壤已经受到了附近某农药厂四氯化碳的污 染L 4 - 6 ] ，该区土壤生态系统的代谢作用使四氯化碳 发生了降解，同时由于这一作用过程也影响了污染 区农作物的生长．目前，国外已对四氯化碳污染土 壤、地下水的污染现状、污染特征及治理技术进行 了大量研究[ 7 - 8 ] ，而国内对四氯化碳或氯仿等氯代 甲烷类污染问题的研究还比较少，且多集中在医学 毒性方面[ 9 ] ，四氯化碳污染对土壤微生物生态及酶 活性影响的研究尚未见报道．本文通过模拟试验， 研究了四氯化碳对土壤酶主要是蛋白酶、脲酶和过 氧化氢酶活性的影响，探讨了四氯化碳污染对酶的 生态毒理效应和敏感指示作用，以便为土壤四氯 化碳污染的生态风险评价和治理提供科学依 据． 1 材料与方法 1 ．1 供试土壤 ‘ 土壤选自江苏省徐州市中国矿业大学操场附 近一处未经污染的土地，土壤经风干后研磨，过 2m m 筛备用．土壤基本性质见表1 ． 表1供试土壤的基本性质 T a b l e1 P h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h es o i l i nt h ee x p e r i m e n t 1 ．2 室内酶培养实验 将过筛后的供试土壤按质量比1 ％加入葡萄 糖搅拌均匀后置于2 5 ℃的恒温培养箱预培养一 周，称取2 0 0g 于2 5 0m L 烧杯中，加入不同浓度的 四氯化碳溶液，分别调整其质量分数为0 0 8 ，1 ．6 1 0 6 1 8 ，3 ．2 1 0 6 2 8 ，6 ．4 1 0 6 3 8 ，9 ．6 x1 0 - 6 4 ，1 6 ．0 1 0 叫 5 8 四氯化碳污染土壤， 搅拌均匀，调节其含水量达到最大持水量的6 0 ％， 每处理作两个平行样，在 2 5 1 ℃的培养箱中培 养，分别在染毒后1 ，3 ，5 ，9 ，1 5d 取样进行酶活性 测定． 1 ．3 土壤酶活性的测定方法 蛋白酶、脲酶和过氧化氢酶活性测定采用关松 荫法[ 1 0 ] ． 2 结果与分析 实验结果采用S P S S l 3 ．0 软件，以0 8 空白样 为对照，对各初始浓度C C I t 污染土壤酶活性结果 进行独立样本t 检验，置信区间为9 5 ％． 2 ，1 四氯化碳对蛋白酶活性的影响 蛋白酶属于水解酶类，参与土壤中有机物质的 转化，把高分子含氮化合物水解为植物和微生物都 能利用的无机营养物质． 不同的C C l 。浓度下土壤蛋白酶活性值列于表 2 ．t 检验显示，18 与0 8 相比差异不显著，2 8 ，3 ”， 4 ，5 ”与0 8 相比差异显著． 表2 蛋白酶活性检测结果 T a b l e2 T e s t i n gr e s u l t so fp r o t e a s ea c t i v i t y 蛋白酶活性／ r a g k g 。h 。1 t 检验 仟俨一1 丁jc r 一5d 百。j 一1 5d ；『_ 一豆著性 0 2 ．6 52 ．5 32 ．6 33 ．0 2 2 ．8 9 1 3 ．1 52 ．5 13 ．1 33 ．2 03 ．0 10 ．1 3 9 不显著 2 2 ．4 41 ．1 91 ．8 32 ．2 1 2 ．5 1 0 ．0 2 6显著 3 1 ．8 61 ．6 81 ．5 02 ．8 72 ．1 90 ．0 2 3 显著 4 2 ．2 32 ．2 80 ．4 21 ．1 9 1 ．8 6 0 ．0 1 4 显著 5 1 ．6 21 ．4 60 ．0 50 ．3 51 ．0 90 ．0 0 05 很显著 注置信区间9 5 ％． 实验结果 表2 显示，w C C I 。 o ．0 5 ．而其他处理水平与空白样相比差别都有 万方数据 第2 期单爱琴等四氯化碳污染对土壤酶活性的影响 显著性意义，表明w C C I 。 在3 ．2 1 0 州～1 6 ．0 1 0 “之间对土壤蛋白酶有明显的抑制作用．第1 天，各样本蛋白酶活性比空白样低7 ．9 0 ％～ 3 8 ．8 6 ％；第3 天低1 0 ．0 0 ％～5 2 ．9 6 ％；第5 天，蛋 白酶活性达到最低值，此时四氯化碳对蛋白酶活性 的抑制作用最大，2 8 ～58 样本蛋白酶活性比空白 样依次低3 0 ．4 0 ％，4 2 ．9 6 ％，8 4 ．0 3 ％，9 8 ．1 0 ％，抑 制强度与四氯化碳的浓度正相关．5d 以后，所有 样本蛋白酶活性开始上升．2 8 样本到1 5d 就恢复 到空白水平．以上分析表明，叫 C C l 。 3 ．2 1 0 _ 6 时对土壤蛋白酶有明显的抑制作用，对 蛋白酶的作用期约5d ，随时间延长，呈现出抑制一 激活的现象 图1 ． ，5 ■ ‘4 掣 詈3 掣2 l i g 溢I 皿 响时期短 约1 ～3d ，作用强度大 第1 天5 1 ％～ 7 2 ％ ．四氯化碳浓度的增高使土壤脲酶活性表现 为显著下降，相关分析表明土壤脲酶与土壤有效四 氯化碳含量呈显著负相关．土壤脲酶活性与土壤氮 素循环直接有关，其活性高低将影响土壤营养物转 化能力、肥力水平【6 ] ．表明土壤受四氯化碳污染时， 土壤脲酶能指示污染程度． ； 蛋 挈 蚕 】i g 髓 鹭 染毒时闻，d ‘ 图2四氯化碳对脲酶活性的影响 F i g ．2 E f f e c t so fC To nu r e a s ea c t v i t y 表3 脲酶活性检测结果 T a b l e3 T e s t i n gr e s u l t so fu r e a s ea c t i v i t y 样本 脲酶活性／ r a g k g1 h 。 t 检验 第3 夭 1d3d5d9d1 5dP显著性 0 0 ．5 3 l0 ．6 6 30 ．5 8 60 ．6 2 30 ．6 8 2 1 0 ．1 9 10 ．6 8 70 ．6 0 30 ．5 9 60 ．6 9 9 0 ．5 4 3 不显著 2 0 ．1 2 10 ．5 1 20 ．4 8 90 ．5 2 30 ．6 2 20 ．1 0 8不显著 3 0 ．1 7 70 ．4 7 9 0 ．4 5 20 ．4 2 30 ．5 6 9 0 ．0 2 4 显著 4 0 ．2 6 00 ．1 0 90 ．2 1 30 ．3 2 5 0 ．4 1 20 ．0 0 03 很显著 5 4 0 ．1 6 90 ．3 4 20 ．2 5 60 ．3 2 10 ．2 9 8 0 ．0 0 00 很显著 注置信区间9 5 ％． 2 ．3四氯化碳对过氧化氢酶的影响 过氧化氢广泛存在于植物体和土壤中，它是由 生物呼吸过程和有机物的生物化学氧化反应产生 的，对生物和土壤均具有毒害作用．土壤中真菌、细 菌和植物根都能够分泌过氧化氢酶，将过氧化氢分 解为水和氧，从而解除过氧化氧的毒害．过氧化氢 酶是需氧生物所具有的防御过氧化损害的一种系 统酶，在土壤的物质和能量转化中占很重要的地 位‘1 1 。． 四氯化碳对过氧化氢酶活性的作用结果列于 表4 ，其影响如图3 所示． 表4 过氧化氢酶活性检测结果 室温。2 0m i n l T a b l e4 T e s t i n gr e s u l t so fa l b u m i n u r i ac a t a l a s ea c t i v i t y 注；1u 一1m LK M n 0 4 滴定鼍／g 土；置信区间9 5 ％． 万方数据 2 1 0 中国矿业大学学报第3 7 卷 量 蠢 蛹 嚣 捌 聚霉时间／d 图3四氯化碳对土壤中过氧化氢酶活性的影响 F i g ．3 E f f e c t so fC To nc a t a l a s ea c t i v i t y 独立样本t 检验显示，18 ～5 8 样本与空白样 本均无显著性差异，硼 C C l 。 在1 ．6 1 0 “～1 6 ．0 1 0 ．6 时对土壤过氧化氢酶的活性没有明显的抑 制作用，反而有微小的激活现象，土壤微生物表现 出较强的抵抗过氧化的防御能力． 3 结论 本文采用模拟实验方法，研究了四氯化碳污染 对土壤中蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶等主要酶活性 的影响强度，抑制作用时期，得出下列结论 1 w C C I 。 3 ．2 1 0 - 6 时对土壤 蛋白酶和脲酶均有明显的抑制作用； 2 四氯化碳对蛋白酶和脲酶的抑制强度随着 浓度的增加而增加；随着时间延长，酶活性呈现出 先抑制后激活的现象； 3 对蛋白酶作用时期长 约5d ，作用强度 第1 天7 ．9 0 ％～3 8 ．8 6 ％ 较弱，对脲酶影响时期 短 约1d ，作用强度大 第1 天5 1 ％～7 2 ％ ； 4 在实验浓度范围内，四氯化碳对土壤过氧 化氢酶的活性没有显著性抑制，后期反而有微小的 激活作用，土壤微生物表现出较强的抵抗过氧化的 防御能力． 5 四氯化碳对土壤过氧化氢酶活性的影响不 同于蛋白酶和脲酶．其中，土壤脲酶对四氯化碳反 应最敏感，土壤脲酶能敏感地指示土壤四氯化碳的 污染程度． 四氯化碳污染对各种酶的影响不同，将影响污 染区土壤的生态特征，包括营养物质、能源物质的 正常代谢，从而影响植物的生长发育以及作物质 量． 致谢本文得到中国矿业大学科技基金项目 2 0 0 6 8 0 2 1 的支持，特此感谢 参考文献 [ 1 3 S E M P R I N LL ，H O P K I N SGD ，M C C A R T YPL ，e t a 1 ．I n - s i t ut r a n s f o r m a t i o no fc a r b o nt e t r a c h l o r i d ea n d o t h e rh a l o g e n a t e dc o m p o u n d sr e s u t i n gf r o mb i o s t i m u - l a t i o nu n d e ra n o x i cc o n d i t i o n s [ J ] ．E n v i r o n m e n t a lS c i - e n c eT e c h n o l o g y ，1 9 9 2 2 6 2 4 5 4 - 2 4 6 1 ． [ 2 3M I NH ，Y EYF ，C H E NZY 。e ta 1 ．E f f e c t so fb u t a c h l o ro nm i c r o b i a lp o p u l a t i o n sa n de n z y m ea c t i v i t i e s i np a d d ys o i l [ J ] ．E n v i r o n m e n t ．a lS c i e n c eH e a l t h ， 2 0 0 1 ，b 3 6 5 5 8 1 5 9 5 ． [ 3 3M A R XMC ，W O O DM ，J A R V I SSC ．Am i c r o p l a t e f l u o r i m e t r i ca s s a yf o r t h es t u d yo fe n z y m ed i v e r s i t yi n s o i l s [ J ] ．S o i lB i o l o g y B i o c h e m i s t r y ，2 0 0 1 3 3 1 6 3 3 1 6 4 0 ． [ 4 3 韩宝平，朱雪强，孙晓菲，等．某岩溶水源地四氯化 碳污染途径分析口] ．中国矿业大学学报，2 0 0 6 ，3 5 1 6 1 - 6 5 ． H A NB a o - p i n g ，Z H UX u e - q i a n g ，S U NX i a o - f e i ，e t a 1 ．C a r b o nt e t r a c h l o r i d ep o l l u t i o np a t h w a y so fa k a r s t i cg r o u n d w a t e rs u p p l ys o u r c e [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n au n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，3 5 1 6 I - 6 5 ． [ 5 3B A G L E YDM ，L A L O N D EM ，K A S E R O SV ，e ta 1 ． A c c l i m a t i o no fa n a e r o b i cs y s t e m st Ob i o d e g r a d eT e t r a c h l o r o e t h e n ei nt h ep r e s e n s eo fc a r b o nt e t r a c h l o r i d e a n dc h l o r o f o r m [ J ] ．W a t e rR e s o u r c e s ，2 0 0 0 ，3 4 1 1 7 1 1 7 9 ． [ 6 ] T R A S A R - C E P E D AC ，L E l R O SMC ，S E O A N ES ， e ta 1 ．L i m i t a t i o n so fs o i le n z y m e sa si n d i c a t o r so fs o i l p o l l u t i o n [ J ] ．S o i lB i o l o g y ＆B i o c h e m i s t r y ，2 0 0 0 3 2 1 8 6 7 - 1 8 7 5 ． [ 7 3A N D R E W SEJ ，N O V A KPJ ．I n f l u e n c eo ff e r r o u s i r o na n dp Ho nc a r b o nt e t r a c h l o r i d ed e g r a d a t i o nb y M e t h a n o s a r c i n aT h e r m o p h i l a [ J ] ．W a t e rR e s o u r c e ， 2 0 0 1 ，3 5 9 2 3 0 7 2 3 1 3 ． [ 8 3A S S A F - A N I DN ，I A NKY ．C a r b o nt e t r a c h l o r i d er e - d u c t i o nb yF e z ，S z a n dF e Sw i t hv i t a m i nB 1 2a so r - g a n i ca m e n d m e n t [ J ] ．J o u r n a lo fE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 1 9 4 9 8 ． [ 9 ] 张馨木，常淑芳，张赢予，等．抑肽酶对大鼠实验性 慢性肝损伤的治疗作用[ J ] ．吉林大学学报医学版， 2 0 0 6 ，3 2 5 7 7 0 7 7 3 ． Z H A N GX i n - m u ．C H A N GS h u - f a n g ，Z H A N G Y i n g - y u ，e ta 1 ．T h er a p e u t i ce f f e c t so fa p r o t i n i no n e x p e r i m e n t a lc h r o n i ch e p a t i ci n j u r yi nr a t s [ J ] ．J o u r n a lo fJ i l i n U n i v e r s i t y M e d i c i n e E d i t i o n ，2 0 0 6 ，3 2 5 7 7 0 - 7 7 3 ． [ 1 0 ] 关松荫．土壤酶及其研究法[ M ] 。北京农业出版 社，1 9 8 6 5 6 9 8 ． [ 1 1 ] 孟紫强．环境毒理学[ M ] ．北京中国环境科学出 版杜，2 0 0 0 1 2 4 1 8 6 ． 责任编辑邓群 万方数据