發(fā)布時(shí)間：2020-08-29 08:46

　　 鎘污染已成為當(dāng)今重金屬污染中面積最廣、危害最大的重金屬之一，其不僅對(duì)動(dòng)植物和人類健康產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)，也影響了土壤環(huán)境質(zhì)量。土壤酶和微生物是有機(jī)碳和養(yǎng)分分解的先決條件，它能通過(guò)調(diào)節(jié)能源供應(yīng)使土壤營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)處于穩(wěn)定狀態(tài)，被認(rèn)為是能夠反映土壤健康和污染物毒性的綜合性指標(biāo)。前期試驗(yàn)表明以酶和微生物活性為終端獲得Cd污染的生態(tài)劑量值差異顯著，并且實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的毒性遠(yuǎn)高于田間測(cè)定。但目前土壤性質(zhì)如何影響土壤Cd對(duì)酶和微生物的毒性還沒有明確的結(jié)論研究。因此研究Cd與土壤生化活性之間的關(guān)系和作用機(jī)理，以及土壤性質(zhì)對(duì)Cd毒性的影響，對(duì)揭示Cd污染的危害、污染程度的監(jiān)測(cè)及修復(fù)等具有重要理論意義和實(shí)踐作用。本論文利用我國(guó)主要地區(qū)18種不同性質(zhì)土壤，采用室內(nèi)模擬方法，借助動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)手段，較為系統(tǒng)地研究了土壤主要生化活性與不同形態(tài)鎘含量之間的關(guān)系，并通過(guò)典型污染區(qū)土壤酶活性和微生物代謝特征的研究，驗(yàn)證了二者關(guān)系。獲得的主要結(jié)果如下：： 1.系統(tǒng)研究并量化了Cd毒性的生態(tài)劑量值（ED25和ED50）與土壤性質(zhì)間的關(guān)系。通過(guò)外源添加Cd對(duì)土壤堿性磷酸酶毒性試驗(yàn)表明，在pH6.27土壤中，ED25T和ED50T（基于全量Cd計(jì)算）均隨著pH的增加而升高，其控制回歸模型變異的85%。在pH6.27土壤中，EDW（基于水溶態(tài)Cd計(jì)算）和EDT值均隨著pH的增加而減少，其分別控制回歸模型變異性的46%和82%。pH是控制水溶態(tài)Cd對(duì)脫氫酶（TTC法）毒性的主控因子，控制全量Cd對(duì)脫氫酶活性抑制作用最主要的因子為TOC。pH是控制水溶態(tài)Cd抑制脫氫酶（INT法）的主控因子，隨著土壤pH含量的升高ED25W和ED50W值降低，兩個(gè)因子分別只能控制回歸模型變異的57%和42%；對(duì)全量Cd而言TOC為主控因子，其次為pH和CEC，三個(gè)因子能控制回歸模型變異的93%。 土壤硝化速率對(duì)Cd污染不夠敏感，土壤Cd含量至少在28mg kg-1以上才能顯著降低硝化速率。在添加重金屬Cd后，不同土壤Cd對(duì)硝化速率的生態(tài)劑量相差很大。通過(guò)多元回歸表明，土壤TOC、CEC和pH是影響外源Cd（全量和水溶態(tài)）毒性主控因子。 2.系統(tǒng)利用動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)手段闡明了Cd對(duì)堿性磷酸酶抑制機(jī)制。Cd對(duì)堿性磷酸酶米氏常數(shù)（Km）無(wú)影響，降低了最大反應(yīng)速度（Vmax），表明Cd對(duì)堿性磷酸酶的抑制類型屬于非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。在不同溫度下（17、27、37、47℃），Cd對(duì)堿性磷酸酶抑制常數(shù)（Ki）分別在1.80～16.01、1.11～13.37、0.80～5.28、0.96～19.89mmol L-1之間。堿性土壤中CEC是控制Ki的主要因素，pH在酸性和中性土壤中起主要作用。 低劑量的Cd能夠增加土壤堿性磷酸酶對(duì)溫度的響應(yīng)，而高劑量時(shí)降低酶對(duì)溫度的敏感性。Cd強(qiáng)烈影響指前因子Ａ，當(dāng)Cd濃度上升至25mg kg-1時(shí)，大部分土壤堿性磷酸酶指前因子A下降到60%，隨著Cd繼續(xù)增加指前因子（A）僅為對(duì)照的5%�；罨埽‥a）隨著Cd濃度的增加而減小，同時(shí)Cd對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響屬于熵控過(guò)程。 3.首次采用動(dòng)力學(xué)手段闡明了Cd對(duì)土壤脫氫酶抑制機(jī)制。Cd對(duì)云南赤紅壤和遼寧棕壤脫氫酶為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制，然而在其他土壤，Cd對(duì)脫氫酶為線性混合型抑制。Cd對(duì)云南赤紅壤和遼寧棕壤脫氫酶抑制常數(shù)（Ki）分別為12和4.7mmol L-1。Cd對(duì)其他土壤脫氫酶的Ki在0.67～4.2mmol L-1之間，Cd對(duì)脫氫酶的親和力顯著高于酶對(duì)底物（INT）的親和力。 4.揭示Cd對(duì)游離態(tài)和吸附態(tài)堿性磷酸酶活性抑制機(jī)制。Cd濃度在0～2.5mg mL-1時(shí)，Cd對(duì)游離態(tài)堿性磷酸酶屬于可逆抑制范疇；Cd濃度大于25mg mL-1時(shí)，屬于不可逆抑制范疇。隨著接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，Cd對(duì)游離態(tài)和吸附態(tài)堿性磷酸酶的毒性增強(qiáng)，粘土礦物能夠減弱Cd對(duì)堿性磷酸酶的毒性。 Cd對(duì)游離態(tài)和吸附態(tài)堿性磷酸酶的作用屬于非競(jìng)爭(zhēng)性抑制特征。Cd對(duì)游離酶、蒙脫石和針鐵礦吸附態(tài)堿性磷酸酶Ki分別為2.3、2.3和2.6mmol L-1（17℃），且隨溫度升高而降低，活化能Ea同樣隨Cd濃度增加而減小，Cd對(duì)三種形態(tài)的酶最大抑制率分別為-24%、-71%和-23%。純酶指前因子（A）在Cd濃度為0.25mg kg-1時(shí)下降55%，而吸附態(tài)酶均為升高；但Cd濃度在0.5mg kg-1時(shí)蒙脫石和針鐵礦吸附態(tài)酶分別下降92%和84%。三種形態(tài)酶的活化自由能ΔG*隨Cd濃度增加基本不變。在17～47℃下，Cd對(duì)純酶ΔH*和ΔS*的平均抑制率分別在1.1%～-18%、0.56%～-12%之間；Cd對(duì)蒙脫石吸附態(tài)堿性磷酸酶的ΔH*和ΔS*的平均抑制率在24%～-67%、1.7%～-9%之間；Cd對(duì)針鐵礦吸附態(tài)酶ΔH*和ΔS*的平均抑制率在10%～-19%、1.4%～-9%之間。 6.揭示長(zhǎng)期Cd污染土壤酶活性和微生物群落代謝特征。長(zhǎng)期重金屬污染，土壤微生物群落代謝特征和酶活性受到重金屬和土壤性質(zhì)（pH和有機(jī)碳）的共同作用。在除去有機(jī)碳對(duì)土壤酶的影響后，土壤Cd、Zn全量與土壤相對(duì)酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)。采用相對(duì)酶活性建立的土壤酶多樣性指標(biāo)（TEI）能夠很好的反映土壤重金屬污染程度。Biolog分析表明長(zhǎng)期Cd和Zn污染，重污染土壤微生物對(duì)C源利用模式產(chǎn)生明顯變化，主要體現(xiàn)在對(duì)氨基酸類碳源的利用上。 基于上述試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下主要結(jié)論：（1）影響Cd對(duì)土壤生化活性毒性的主要因子為土壤TOC、CEC和pH，利用這些土壤性狀可以很好地預(yù)測(cè)Cd對(duì)土壤生化活性生態(tài)劑量值；（2）Cd對(duì)堿性磷酸酶和脫氫酶的抑制機(jī)理為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制和線性混合性抑制，Cd對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響屬于熵控過(guò)程；（3）粘土礦物能夠減弱Cd對(duì)堿性磷酸酶的毒性；（4）利用相對(duì)酶活性構(gòu)建的土壤酶多樣性指標(biāo)（TEI）能夠很好的反映長(zhǎng)期Cd土壤污染程度。
【學(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：X171.5
【部分圖文】：

圖 2-1 添加不同濃度外源 Cd 土壤中水溶態(tài) Cd 含量 (mg kg-1)Figure 2-1 Water-soluble Cd values in treatment rang (mg kg-1 soil)2.3.2 供試土壤酶活性2.3.2.1 土壤磷酸酶活性磷酸酶是催化磷酸酯和酸酐水解的一類酶總稱，是土壤中磷素轉(zhuǎn)化、循環(huán)的關(guān)鍵酶。由圖 2-2 可知，土壤堿性磷酸酶活性范圍為 1.4～154 μg g-1h-1，平均值 51 μg g-1h-1。當(dāng)土壤 pH 低于 6.25 時(shí)，土壤堿性磷酸酶活性急劇降低，通過(guò)相關(guān)性分析表明，堿性磷酸酶活性與土壤 pH 達(dá)到顯著正相關(guān)（n=18，r=0.722，p<0.01）。2.3.2.2 土壤脫氫酶活性脫氫酶在很大程度上反映了生物體的活性狀態(tài)，對(duì)其活性的檢測(cè)在評(píng)價(jià)化學(xué)和金屬毒物的毒性以及土壤污染等領(lǐng)域中已成為一種重要的生化分析方法。目前，脫氫酶活性測(cè)定的常用方法有氯化三苯基四氮唑（TTC）法和碘硝基四氮唑紫（INT）法。由圖 2-2可知，采用 TTC 法測(cè)定出土壤脫氫酶活性范圍為 0.26～1.59 μg g-1h-1，平均值 0.81 μg g-1

圖 2-2 供試土樣堿性磷酸酶和脫氫酶酶活性Figure 2-2 Alkaline phosphatase and dehydrogenase activities of 18 soils土壤酶活性的劑量-效應(yīng)關(guān)系土壤堿性磷酸酶活性的劑量-效應(yīng)關(guān)系2-3 可見，隨著添加 Cd 濃度增大堿性磷酸酶活性逐漸降低。在 50堿性磷酸酶活性降幅達(dá)到 34%～86%，堿性土壤及安徽黃棕壤、性磷酸酶活性降幅較高均超過(guò) 50%，而其他酸性土壤和兩個(gè)中性水稻土）降幅較低。18

圖 2-3 Cd 對(duì)土壤堿性磷酸酶活性劑量-效應(yīng)曲線Figure 2-3 Dose-response curves between Cd contents and soil alkaline phosphatase activities2.3.3.2 Cd 與土壤脫氫酶活性的劑量-效應(yīng)關(guān)系由 TTC 法測(cè)定土壤脫氫酶活性與外源 Cd 劑量-效應(yīng)曲線可得（圖 2-5），隨著添加Cd 濃度增大脫氫酶活性快速降低。在 500 mg kg-1處理時(shí)，河北潮土、甘肅淤灌土和重慶紫色土中已經(jīng)不能檢測(cè)出脫氫酶活性，所有土壤脫氫酶活性降幅達(dá)到 65%～100%，平均降幅為 86%。然而外源 Cd 對(duì) INT 法測(cè)定土壤脫氫酶活性影響較小，隨著 Cd 濃度增加脫氫酶活性降低相對(duì)緩慢（圖 2-5）。在 500mg kg-1處理時(shí)，土壤脫氫酶活性降幅在27%～77%之間，平均降幅僅為 53%。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在用 TTC-電子傳遞體系活性表征土壤受 Cd2+毒性的抑制時(shí)，其靈敏性大于 INT-電子傳遞體系活性�？赡苁怯捎� TTC 和 INT 從微生物氧化呼吸鏈上接受電子的部位不同所致。INT 較早地從呼吸鏈上接受電子。如果電子在細(xì)胞色素 b 以后的傳遞過(guò)程被阻斷，INT-電子傳遞體系活性并不會(huì)受到影響，只有細(xì)胞色素 b 之前的電子傳遞過(guò)程被阻斷后，其活性才

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 趙中秋,朱永官,蔡運(yùn)龍;鎘在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化及其影響因素[J];生態(tài)環(huán)境;2005年02期

2 楊志新,馮圣東,劉樹慶;鎘、鋅、鉛單元素及其復(fù)合污染與土壤過(guò)氧化氫酶活性關(guān)系的研究[J];中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào);2005年04期

本文編號(hào)：2808331