鎘污染已成為當今重金屬污染中面積最廣、危害最大的重金屬之一，其不僅對動植物和人類健康產(chǎn)生潛在風險，也影響了土壤環(huán)境質(zhì)量。土壤酶和微生物是有機碳和養(yǎng)分分解的先決條件，它能通過調(diào)節(jié)能源供應使土壤營養(yǎng)元素循環(huán)處于穩(wěn)定狀態(tài)，被認為是能夠反映土壤健康和污染物毒性的綜合性指標。前期試驗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，并且實驗室測定的毒性遠高于田間測定。但目前土壤性質(zhì)如何影響土壤Cd對酶和微生物的毒性還沒有明確的結論研究。因此研究Cd與土壤生化活性之間的關系和作用機理，以及土壤性質(zhì)對Cd毒性的影響，對揭示Cd污染的危害、污染程度的監(jiān)測及修復等具有重要理論意義和實踐作用。本論文利用我國主要地區(qū)18種不同性質(zhì)土壤，采用室內(nèi)模擬方法，借助動力學及熱力學手段，較為系統(tǒng)地研究了土壤主要生化活性與不同形態(tài)鎘含量之間的關系，并通過典型污染區(qū)土壤酶活性和微生物代謝特征的研究，驗證了二者關系。獲得的主要結果如下：： 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)間的關系。通過外源添加Cd對土壤堿性磷酸酶毒性試驗表明，在pH6.27土壤中，ED25T和ED50T（基于全量Cd計算）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對脫氫酶（TTC法）毒性的主控因子，控制全量Cd對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，兩個因子分別只能控制回歸模型變異的57%和42%；對全量Cd而言TOC為主控因子，其次為pH和CEC，三個因子能控制回歸模型變異的93%。 土壤硝化速率對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對硝化速率的生態(tài)劑量相差很大。通過多元回歸表明，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)利用動力學和熱力學手段闡明了Cd對堿性磷酸酶抑制機制。Cd對堿性磷酸酶米氏常數(shù)（Km）無影響，降低了最大反應速度（Vmax），表明Cd對堿性磷酸酶的抑制類型屬于非競爭性抑制。在不同溫度下（17、27、37、47℃），Cd對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溫度的響應，而高劑量時降低酶對溫度的敏感性。Cd強烈影響指前因子Ａ，當Cd濃度上升至25mg kg-1時，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）僅為對照的5%�；罨埽‥a）隨著Cd濃度的增加而減小，同時Cd對土壤堿性磷酸酶活性的影響屬于熵控過程。 3.首次采用動力學手段闡明了Cd對土壤脫氫酶抑制機制。Cd對云南赤紅壤和遼寧棕壤脫氫酶為非競爭性抑制，然而在其他土壤，Cd對脫氫酶為線性混合型抑制。Cd對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對其他土壤脫氫酶的Ki在0.67～4.2mmol L-1之間，Cd對脫氫酶的親和力顯著高于酶對底物（INT）的親和力。 4.揭示Cd對游離態(tài)和吸附態(tài)堿性磷酸酶活性抑制機制。Cd濃度在0～2.5mg mL-1時，Cd對游離態(tài)堿性磷酸酶屬于可逆抑制范疇；Cd濃度大于25mg mL-1時，屬于不可逆抑制范疇。隨著接觸時間的延長，Cd對游離態(tài)和吸附態(tài)堿性磷酸酶的毒性增強，粘土礦物能夠減弱Cd對堿性磷酸酶的毒性。 Cd對游離態(tài)和吸附態(tài)堿性磷酸酶的作用屬于非競爭性抑制特征。Cd對游離酶、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時下降55%，而吸附態(tài)酶均為升高；但Cd濃度在0.5mg kg-1時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對純酶ΔH*和ΔS*的平均抑制率分別在1.1%～-18%、0.56%～-12%之間；Cd對蒙脫石吸附態(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.揭示長期Cd污染土壤酶活性和微生物群落代謝特征。長期重金屬污染，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和有機碳）的共同作用。在除去有機碳對土壤酶的影響后，土壤Cd、Zn全量與土壤相對酶活性呈顯著負相關。采用相對酶活性建立的土壤酶多樣性指標（TEI）能夠很好的反映土壤重金屬污染程度。Biolog分析表明長期Cd和Zn污染，重污染土壤微生物對C源利用模式產(chǎn)生明顯變化，主要體現(xiàn)在對氨基酸類碳源的利用上。 基于上述試驗結果可以得出以下主要結論：（1）影響Cd對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測Cd對土壤生化活性生態(tài)劑量值；（2）Cd對堿性磷酸酶和脫氫酶的抑制機理為非競爭性抑制和線性混合性抑制，Cd對土壤堿性磷酸酶活性的影響屬于熵控過程；（3）粘土礦物能夠減弱Cd對堿性磷酸酶的毒性；（4）利用相對酶活性構建的土壤酶多樣性指標（TEI）能夠很好的反映長期Cd土壤污染程度。
【學位單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：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，是土壤中磷素轉化、循環(huán)的關鍵酶。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。當土壤 pH 低于 6.25 時，土壤堿性磷酸酶活性急劇降低，通過相關性分析表明，堿性磷酸酶活性與土壤 pH 達到顯著正相關（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)，對其活性的檢測在評價化學和金屬毒物的毒性以及土壤污染等領域中已成為一種重要的生化分析方法。目前，脫氫酶活性測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-效應關系土壤堿性磷酸酶活性的劑量-效應關系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 50%，而其他酸性土壤和兩個中性水稻土）降幅較低。18

圖 2-3 Cd 對土壤堿性磷酸酶活性劑量-效應曲線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-效應關系由 TTC 法測定土壤脫氫酶活性與外源 Cd 劑量-效應曲線可得（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，河北潮土、甘肅淤灌土和重慶紫色土中已經(jīng)不能檢測出脫氫酶活性，所有土壤脫氫酶活性降幅達到 65%～100%，平均降幅為 86%。然而外源 Cd 對 INT 法測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緩慢（圖 2-5）。在 500mg kg-1處理時，土壤脫氫酶活性降幅在27%～77%之間，平均降幅僅為 53%。該實驗結果說明，在用 TTC-電子傳遞體系活性表征土壤受 Cd2+毒性的抑制時，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。如果電子在細胞色素 b 以后的傳遞過程被阻斷，INT-電子傳遞體系活性并不會受到影響，只有細胞色素 b 之前的電子傳遞過程被阻斷后，其活性才

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

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

2 楊志新,馮圣東,劉樹慶;鎘、鋅、鉛單元素及其復合污染與土壤過氧化氫酶活性關系的研究[J];中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報;2005年04期

本文編號：2808331