重金属Cd、Pb离子对土壤酶活性的抑制影响

杨廷章 李龙飞 谭添 姚菁华 肖雷

摘要：本文通过向土壤中添加不同浓度的重金属Cd、Pb，采用模拟法研究了重金属污染对土壤中脲酶、酸性磷酸酶活性的抑制影响作用。结果表明：不同浓度的Cd、Pb对土壤酶活性均有一定抑制作用，且随着浓度的升高，抑制效果逐渐显著，土壤酶活性也逐渐降低。其中，脲酶对于镉污染的敏感程度最高，可以作为镉污染的预警指标;酸性磷酸酶对于铅污染的敏感程度最高，可以作为铅污染的预警指标。

关键词：重金属污染;土壤酶活性;比色法;抑制率

基金项目：中国矿业大学双一流建设自主创新项目-生态环境修复与保护（2018ZZCX12）

中图分类号： x833                                文献标识码：  A                        DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2019.16.040

随着矿工业的高速发展，有色金属冶炼产量急剧扩张，同时矿业废弃物的排放和堆放使得重金属污染问题愈发严重。在这样的形势下，土壤重金属污染问题成为环境和土壤学工作者的研究热点。Chaney[1]利用超富集植物对土壤中重金属进行吸收和转化。Meshalikna等[2]研究了俄罗斯一硫酸生产厂周围土壤中元素的污染及其空间变异后发现，在距烟囱1～2km外的土壤中仍能监测到高含量的S、V和As。Kunkel等[3]研究汞污染土壤时发现， 土壤中超过99%的汞可通过电热法在不超过土壤沸点的温度下去除。王巧红等[4]研究了四川地区紫色土、冲积土和黄壤酶活性对Cd污染的响应特征， 发现Cd污染对紫色土、黄壤酶活性的影响较小，对冲积土酶活性影响较大， 且冲积土和黄壤中的重金属元素更易被作物吸收。张晓宇等[5]研究发现，重金属Cd污染条件下土壤各菌群活性抑制率由小到大为真菌<放线菌<细菌。土壤微生物的呼吸是土壤呼吸的一个重要的组成部分。沈秋悦等[6]的研究也表明， 过氧化氢酶活性对重金属污染有强烈的反应机制。

重金属污染在我国形势越发严峻，严重影响了植物生长、粮食安全及人体健康，而研究土壤中污染较严重的镉和铅，有助于人们了解重金属污染土壤的相关性质，为污染防治提供可能性手段，本文主要研究重金属Cd、Pb对土壤酶活的抑制。一些文献中[7-8]研究的冶炼厂、矿区附近的土壤样品均是受到一定程度污染的，其中，镉、铅含量最大值分别为121.74mg/kg和67.36mg/kg。由于采用模拟法进行实验，考虑到采集的土壤并未靠近矿区等地，其中，重金属含量仅在土壤背景值[9]附近，因而土壤微生物对重金属的耐受力会相对较低。如果重金属浓度过高，可能会导致土壤中的微生物直接死亡。因此，本实验研究的Cd、Pb浓度需要相对较低。

1 材料和方法

1.1材料的采集与预处理

1.1.1样品来源 中国矿业大学不显山土样（未受污染土壤）。

1.1.2取样方法 五点取样法：在20m×20m的区域内选取四角和中心点，取10～15cm深处的土壤，每点取两袋样品，每袋约200g，样品放于无菌封口塑料袋中，贴好记录标签，立即带回实验室处理保存。

1.1.3土壤保存方法 将土样混匀后过2mm孔隙筛，除去植物根系和石子等杂质，平铺在报纸上，放于阴凉通风处自然风干，避免阳光暴晒。待土壤水分完全蒸发掉之后，用研钵将土壤研磨碎，盛装于样品袋中密封好，用于配制含重金属的受污染土壤以及测定土壤酶活性等实验操作。

1.2 模拟重金属污染

1.2.1 镉离子、铅离子浓度梯度 为模拟矿区周围镉、铅的污染情况，选择镉离子的浓度梯度为：11.20mg/kg、16.80mg/kg、22.40mg/kg、28.00mg/kg，铅离子的浓度梯度为：10.35mg/kg、20.70mg/kg、31.05mg/kg、41.40mg/kg。

1.2.2 不同浓度梯度含铅、镉土壤的配制 首先分别配制0.5mol/L氯化镉溶液和0.5mol/L乙酸鉛溶液各50mL，并于121℃，101MPa下灭菌20min。称取100g风干土样于150mm培养皿中，加入0.5mL氯化镉溶液，加水到将土壤完全浸没即可，浸泡24h后，放于真空干燥箱中，80℃下烘干水分，取出后用研钵将土壤研磨粉碎，装入样品袋中备用，此土壤的镉离子含量为280mg/kg。另外，称取100g风干土样于150mm培养皿中，加入0.4mL乙酸铅溶液，其余操作与配制含镉土壤相同，此土壤铅离子浓度为414mg/kg。

含Cd、Pb不同浓度土壤配制的原料比例如表1、表2。将配制好的土壤放于4℃冰箱中保存备用。

1.3土壤酶活性测定方法

分别用靛酚蓝比色法、磷酸苯二钠比色法[10]研究不同浓度重金属Cd、Pb对土壤中脲酶活性、酸性磷酸酶的影响。

1.4酶活性抑制率表征方法

为了定量反映不同浓度重金属对于土壤酶活性的抑制程度，可以采用酶活性抑制率（简称定浓抑制率）来进行表征[11]，计算公式见公式：

定浓抑制率=■       （1）

2 结果与分析

2.1 Cd、Pb离子对土壤脲酶活性的影响

测得各土壤样品的吸光值及脲酶活性，如表3：

由表3可知，培养24h后，与对照组比较，不同浓度的重金属镉离子和铅离子对于土壤脲酶的活性均有不同程度的抑制。随着铅离子和镉离子浓度的增加，土壤中脲酶活性均有下降，镉离子影响较大，脲酶活性下降了近50%。高大翔[12]等人的研究也提及土壤脲酶活性可以作为重金属汞及汞和镉复合污染程度的监测指标。可见，土壤中的脲酶对于镉离子的敏感程度相当高。