微生物碳酸酐酶在岩溶发育中的研究现状及展望

张小菊，杨翠珍，杨 娟

(华中科技大学武昌分校城市建设学院，湖北 武汉 430064)

我国是世界岩溶面积最大的国家[1]，其中尤以碳酸盐岩分布广泛，主要分布在贵州、云南、四川等省区，构成了这些省区特殊的地貌类型[2]。碳酸盐岩地区生态环境脆弱，同时由于人们环保意识的淡漠，直接导致生态退化和经济发展的落后，特别是2009年西南的特大干旱，更导致了石漠化的加剧。

岩溶发育越来越多地受到研究者的关注，越来越多的科学工作者对岩溶动力系统的驱动作用、驱动机理进行了深入的研究[3，4]，同时从植物、微生物入手，对生物岩溶微形貌形成机理进行了探讨，重点就藻类和其它微生物对岩溶作用进行了研究和评价[5～8]。贾丽萍等[9]研究了细菌、真菌、放线菌等对碳酸盐岩的溶蚀作用，并对它们的岩溶作用强度进行了对比。随着岩溶研究的深入，碳酸酐酶(Carbonic anhydrase，CA)被证实在岩溶发育中扮演着重要的角色，碳酸酐酶与岩溶发育的关系备受关注。

作者在此主要综述微生物碳酸酐酶在岩溶发育中的研究现状及在环境治理中的应用价值，并对其研究进行了展望。

1 微生物碳酸酐酶在岩溶发育中的研究现状

碳酸酐酶是生物体中普遍存在的一种金属酶。有关植物碳酸酐酶的研究报道较多，大多数植物含有碳酸酐酶，碳酸酐酶在光合作用中起着重要作用[10，11]。碳酸酐酶的活性中心含有一个催化活性所必需的锌原子，催化CO2进行可逆水合反应。其催化机理如下：

(1)

(2)

由式(1)、(2)可知，CO2的水合反应生成的H+会影响CaCO3的电离平衡，从而驱动碳酸盐岩溶蚀溶解。即有：

(3)

因此，碳酸酐酶在生物岩溶中具有重要的地位和作用，能促进石灰岩的溶蚀，影响碳循环及喀斯特溶蚀地貌[12]。

李为等对碳酸酐酶在岩溶发育中的分布、活性、稳定性、与生态系统元素迁移之间的关系进行了探讨。研究表明，植物的根系、土壤的有机组织等都是碳酸酐酶的重要来源，碳酸酐酶的活性与喀斯特岩溶地区的植被特征、地球化学环境等关联性强[13]。

通过对岩溶地区的土壤微生物进行筛选，发现不少菌株能分泌胞外碳酸酐酶。通过对岩溶环境进行模拟，发现岩溶环境的偏碱性条件、金属离子、阴离子均有利于碳酸酐酶活性的稳定[14]，其中，岩溶环境中筛选的放线菌有较高的胞内碳酸酐酶活性，而真菌具有较高的胞外碳酸酐酶活性[15]。通过土柱模拟实验研究了不同类群微生物的碳酸酐酶对钙、镁、锌三种元素迁移的影响，发现钙镁元素流失量与碳酸酐酶活性及生物量存在良好的正相关性[16，17]，进一步说明了碳酸酐酶在岩溶发育中的地位和作用。

碳酸盐岩是喀斯特地区最广泛存在的岩石类型，前期研究表明真菌对碳酸盐岩溶蚀效果好[15]。为了深入研究微生物有机物对岩石的溶蚀情况，研究者对真菌菌丝、真菌有机酸物质、真菌碳酸酐酶引起的溶蚀作用进行了系统研究与对比[18～20]，结果表明，它们在石灰岩岩溶发育中均扮演重要角色，其影响程度大小依次为：真菌菌丝>真菌有机酸物质>真菌碳酸酐酶。这些研究为进一步研究微生物碳酸酐酶在岩溶发育中的作用奠定了基础。

2 微生物碳酸酐酶在环境治理中的应用价值

2.1 微生物碳酸酐酶对碳循环的影响

研究碳酸酐酶在自然界的分布规律及微生物分泌碳酸酐酶的情况，是一条探索CO2减排的技术途径。

2.2 微生物碳酸酐酶在石漠化治理中的作用

我国西南岩溶地区拥有世界上最大的连片裸露岩溶，生态环境脆弱。主要表现为：石漠化非常严重；水源漏失、耕地瘠薄且少而分散，土地生产效率极低；旱涝灾害频繁等[21]。

利用微生物碳酸酐酶对CO2的水合吸收作用以及引起的碳酸盐岩的风化，对于石漠化治理具有重大意义。

此外，还可以通过测定相关微生物及植物中的碳酸酐酶的活性，确定石漠化地区适宜的生态生物，以改善石漠化地区的生态环境。

3 微生物碳酸酐酶在岩溶发育中的研究展望

微生物碳酸酐酶是岩溶动力系统的重要驱动力，喀斯特地貌蕴藏巨大的“碳封存”潜力，可通过人为干预，利用微生物碳酸酐酶，实现减排最大化。

目前，我国不少岩溶地区都面临石漠化威胁，若利用微生物碳酸酐酶进行石漠化治理，改变土地利用方式，即可为岩溶增汇；同时，以土壤微生物碳酸酐酶的活性为重要参考指标，可以评价石漠化地区土壤的肥力。因此，应深入研究碳酸酐酶促进的CO2水合反应的可逆反应动力学、抑制剂、活性影响因素等，为石漠化治理、水华治理等提供依据，也为碳酸酐酶促进的矿化沉积、石质文物的保护、环境的生物修复奠定基础。

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