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汞的生态毒理效应

2012-08-17 15:50 来源:生态学论文 人参与在线咨询

 

汞作为土壤重金属污染元素之一,且在生物体中易转化为毒性更大的甲基化合物,会引起诸如水俣病等灾害的发生,被EPA列为129种优先控制的污染物之一。据报道目前全球每年人为活动向大气的汞排放量有2000t,其中我国每年排放500~600t,占全球汞排放总量的1/4以上[1]。我国土壤中Hg含量范围为0.001~45.90mg•kg-1,高于世界土壤Hg自然含量的平均值,特别是在贵州等Hg污染严重的地区,土壤含量可达29.6~793mg•kg-1[2]。因此,汞的生态毒理效应研究一直是环境和土壤科学关注的重点,在理论和实践上具有十分重要的意义。

 

土壤酶作为土壤重要的组成部分,在营养物质转化、能量代谢、污染土壤修复等过程中发挥着重要作用,被称为土壤生态系统的中心[3]。近20年来国内外学者将其应用到土壤污染领域,由于土壤酶测定简便、快捷、准确,而且是土壤污染和性质共同作用的结果,作为监测指标优势明显,相继提出将土壤转化酶、磷酸酶、脱氢酶等作为污染监测指标[4-7]。由于土壤酶的种类、来源、功能不同,尽管单一酶活性可提供一些重要信息,但无法涵盖全部或整体酶活性的状态,因而利用不同地区土壤酶对重金属的反应并不一致;同时对汞污染的土壤酶效应方面研究报道相对较少,结果也有一定差异,如杨春璐、Oliveira等[4,8-10]分别认为脱氢酶、碱性磷酸酶、脲酶可作为土壤汞污染的指标;加之这些文献报道多局限在单一酶活性的研究上,鲜见几个酶类的综合分析。为此,本文以我国几种主要类型土壤为对象,采用室内模拟方法,研究影响C、N、P物质循环和微生物活性的土壤转化酶、脲酶、磷酸酶和脱氢酶活性的变化规律,并以这4种酶为基础,获得监测土壤汞污染土壤酶学指标,为环境保护和监测等提供依据。

 

1材料与方法

 

1.1供试土样

 

采自陕西省黄龙县的褐土(简育干润淋溶土,Hapli-UsticArgosols),杨凌区的塿土(土垫旱耕人为土EumOrthicAnthrosols),榆林市的风沙土(干旱砂质新成土,Aridi-SandicPrimosols)和江西省鹰潭市的红壤(简育湿润富铁土HapUdicFerrisols)。黄褐土、风沙土、塿土的主要矿物学类型为水云母-蛭石;红壤的为高岭-水云母[11]。采样时,先去除0~5cm的表土,取5~20cm土样,混匀风干,过1mm筛后备用。常规方法分析[12]土样的理化性质,结果见表1。

 

1.2试验方案

 

向5.00g土样中加入1mL甲苯,15mim后添加5mL不同质量浓度(0、0.25、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0Hg2+mg•kg-1)的HgCl2溶液,混匀30min后加入相应的底物和缓冲液,37℃培养,定期(8h或12h)取样,采用靛酚蓝、磷酸苯二钠、3,5-二硝基水杨酸和三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法分别测定土壤脲酶、碱性磷酸酶、转化酶和脱氢酶活性[13],其单位分别用NH3-N、ph(OH)、葡萄糖的量、三苯基甲臢(TPF)的量μg•g-1•h-1来表示。每处理重复3次,设无底物、无土壤处理作为对照。

 

1.3数据分析

 

采用Excel和DPS7.05软件对数据进行计算分析。相对活性=处理的酶活性/对照酶活性×100%生态剂量(Ecologicaldose)ED10和ED50分别是指土壤酶活性变化10%和50%时外界污染物的浓度,可表征土壤轻微和中度污染时的临界浓度[14]。总体酶活性参数按下式计算:TE(IThetotalenzymeindex)[15]=in=1ΣXi/X軍i其中Xi为第i种土壤酶活性,X軍i为第i种酶活性的平均值。

 

2结果与讨论

 

2.1Hg对土壤脲酶活性的影响

 

由表2可以看出:

 

(1)未添加Hg时,同一类型土壤的脲酶活性值随有机质含量升高而增加,且与有机质(r=0.72*)、全磷(r=0.71*)达显著正相关,这主要是由于土壤酶能与有机质等结合,以吸附态存在的缘故

 

(2)从不同土壤类型来看,汞对4种土壤中脲酶活性的抑制程度不同,这与土壤性质有关。加入相同浓度的Hg,表现出不同的生态效应与环境效应。如添加0.25mg•kg-1Hg2+后,除5号和9号外,其他土样脲酶活性变化较小,其中4、6号和7号土样脲酶活性略有增加,增幅分别为4%、23%和9%。一般认为土壤有机质含量和pH能够对重金属的毒性起缓冲作用,土壤有机质含量高,对酶的保护作用相对较大[17-18]。其原因是重金属极易与土壤组分(有机、无机颗粒)发生吸附络合、沉淀反应,Hg进入土壤后95%以上能迅速被土壤吸持或固定,从而降低Hg的生态毒性[16]。本文中5号土壤有机质含量最低,9号土壤pH最小且有机质含量也很少,因此这两种土壤受汞毒害作用最大,在0.5mg•kg-1Hg2+时脲酶完全被抑制。

 

(3)随Hg质量浓度增加,除4、6、7号0.25mg•kg-1和0.50mg•kg-1浓度外,土样脲酶活性受到抑制,且大部分浓度下的酶活性差异达到显著水平。当浓度增大到20.0mg•kg-1时,供试土样脲酶活性降幅达27%~100%。

 

(4)当Hg质量浓度≥0.5mg•kg-1时,红壤脲酶活性降幅远大于其他土壤。这可能是酸性土壤条件下Hg毒性较强的缘故,揭示出酸性土壤脲酶比碱性的更敏感。

 

(5)将Hg质量浓度(C)与脲酶活性(U)按U=A×ln(C)+B模型拟合[18],结果(表3)显示除5、8号土样外,其余均达显著或极显著负相关,揭示脲酶在一定程度上可表征土壤Hg污染程度的大小,这与SophieChaperon等的结果一致[19-21]。计算得到土壤Hg轻度污染的生态剂量ED10值为0.13~0.81mg•kg-1。

 

2.2Hg对土壤碱性磷酸酶活性的影响

 

表4可以看出:

 

(1)土壤磷酸酶活性与有机质(r=0.77*)和全磷(r=0.76*)呈显著正相关,佐证了土壤碱性磷酸酶活性可作为土壤肥力的指标[22]。

 

(2)总体上Hg抑制了土壤碱性磷酸酶活性,如加入Hg在20mg•kg-1时,4号土样降幅最小为1%,5号土样降幅最大达到41%。碱性土壤平均降幅为13%,而酸性土壤的降幅为23%。

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