添加Se元素对Cu污染土壤磷酸酶活性的影响

2018-07-30王友保郭璐韵

渭南师范学院学报 2018年12期

李晶，王友保，王鑫，郭璐韵

（1.蚌埠医学院生物科学系，安徽蚌埠233000；2.安徽师范大学生命科学学院，安徽芜湖241000）

长期以来，随着工农业的大力发展，特别是其中金属的开采与冶炼、农田中化肥施用以及污水灌溉等人类活动导致土壤中重金属污染情况日趋严重，影响到人类的生产生活。重金属Cu污染是近年来较为严重的问题［1-2］，也是研究热点之一。安徽省铜陵市是重要产铜地区，铜矿大规模开采后形成很多尾矿，既占用了大量土地，也对附近环境造成一定污染。［3-4］土壤酶是土壤中的重要成分，各种生物化学过程以及物质转化都离不开酶的作用，土壤酶活性与土壤理化性质和肥力密切相关，同时也是土壤生物学性质的体现。［5-6］有报道指出，重金属污染土壤的土壤酶活性高低与污染程度呈一定负相关［7］，土壤酶活性变化可以作为土壤重金属污染评价的指标，其中，土壤Cu浓度增加可以显著抑制土壤磷酸酶活性。

Se是环境中的微量元素，在人体和动物代谢中具有多种生理功能，并且对重金属有重要的拮抗作用。［8-9］缺Se能引起大骨节病、癌症等多种疾病发生［10-11］，Se过量会产生毒害作用。施用Se肥对土壤磷酸酶、脲酶和转化酶活性有激活作用，能减少农作物体内自由基，从而提高作物的抗逆性。［12］由于Se主要通过酶的形式参与生物的生理作用［13］，因此Se和酶关系方面的研究进展备受关注，Se对生物体内酶的影响研究已有大量报道［11，14-15］，而Se与土壤磷酸酶活性关系的研究较少。本研究通过对不同程度Cu污染土壤中加入Se元素的试验，研究加Se浓度以及时间对Cu污染土壤磷酸酶活性的影响，以期得出改良Cu污染土壤的最适加Se浓度和时间，为铜尾矿区Cu污染土壤改良与再利用提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 供试土壤

土样采自安徽省芜湖市周边的农田土，采样时先去除0～5 cm表层后，取5～20 cm土样，保存备用。用土壤农化分析方法［16］测定土壤基本理化性质，结果如表1所示。

表1 供试土样的基本性质

1.2 实验方案

1.3 测定方法

土壤磷酸酶活性的测定采用比色法测定土壤磷酸酶活性［18］。以1 g土37℃下培养2 h后酚变化的mg数（折算为100 g土中P2O5mg）表示。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 16.0软件进行数据分析处理。

表2 加Se和Cu培养5 d对土壤磷酸酶活性的影响（mg／kg·h）

2 结果与分析

2.1 不同浓度Se对土壤磷酸酶活性的影响

从表2可得，培养5 d，土壤磷酸酶活性随土壤Cu含量的增加而减少，不加Se的土壤中，1 600 mg／kg Cu浓度的土壤磷酸酶活性较对照组下降率达到55.3%。这表明加入Cu尤其是高浓度Cu对土壤磷酸酶活性有着显著抑制作用。而不加Cu的对照组，Se浓度为0.25～1.00 mg／kg时，土壤磷酸酶的活性逐渐增加，Se浓度为1.00 mg／kg时土壤中磷酸酶的活性达到最高，是不加Se组的1.06倍，之后下降。各个Cu处理浓度下，土壤磷酸酶活性均在加Se浓度为1.00 mg／kg达到最大值。由此可见，培养5 d时，Se含量为1.00 mg／kg，对土壤磷酸酶活性有促进作用。Cu浓度升高，Se和Cu的拮抗作用表现就越显著，与不加Se土壤磷酸酶活性对比中就可以看出，差异逐渐增大。培养5 d土壤磷酸酶活性和Se浓度之间的回归分析如表3所示，不同Cu浓度下，土壤磷酸酶活性和Se浓度之间呈抛物线关系，Cu浓度为35 mg／kg时，没有得到合适的回归曲线。Cu浓度为100 mg／kg时，土壤磷酸酶活性和Se浓度之间呈显著相关（p＜0.05），Cu浓度为 400、800、1 600 mg／kg 时，呈极显著相关（p＜0.01）。

由表2和表3可得，随着土壤Cu浓度提高，土壤磷酸酶的活性明显受到抑制，培养5 d时，Se的加入能显著提高磷酸酶的活性，当Cu浓度大于400 mg／kg时，土壤磷酸酶活性与Se浓度呈极显著相关。

土样培养到25 d，随着加入 Cu的浓度升高，土壤磷酸酶活性出现明显下降（如表4所示）。1 600 mg／kg高Cu浓度时，土壤磷酸酶活性与对照组相比下降48.8%，抑制作用明显。各个Cu处理组土壤中，Se浓度为0～1.00 mg／kg时，土壤磷酸酶活性随Se浓度的增加而增大，Se浓度为1.0 mg／kg时达到最大值，显著高于不加Se土壤，之后各个Cu处理土壤磷酸酶略降低，仍大于不加Se土壤。

表3 土壤磷酸酶活性（y）与Se浓度（x）之间的关系

表4 加Se和Cu培养25 d对土壤磷酸酶活性的影响（mg／kg·h）

25 d时各Cu浓度下土壤磷酸酶活性和Se浓度之间都呈极显著相关（如表5所示）。各Cu浓度处理中，土壤磷酸酶活性达到最大的Se浓度均在1.21～1.50 mg／kg之间。由表4和表5可得，Se能够和重金属Cu产生拮抗，从而降低重金属Cu对于土壤磷酸酶活性抑制作用，同时单因素Se也能提高土壤磷酸酶活性。

表5 土壤磷酸酶活性（Y）与Se浓度（x）之间的关系

如表6，培养45 d不加Cu对照组在加Se浓度1.00 mg／kg时土壤磷酸酶活性有显著提高，2.50 mg／kg后又有所下降；各Cu浓度处理土壤中，加Se在一定范围内能提高土壤酶活性。Se浓度为1.00 mg／kg时，各 Cu 处理土壤磷酸酶活性分别是不加 Se 土壤的 1.13、1.13、1.17、1.22、1.43 和 1.62 倍，差异显著。 Se 浓度到 2.50 mg／kg 时，土壤磷酸酶活性分别是不加 Se 土壤的 1.00、0.93、1.08、1.16、1.17 和 1.44 倍，普遍高于不加Se土壤磷酸酶活性。因此在Cu污染较为严重的土壤中，加一定量的Se元素和Cu能产生拮抗作用，降低重金属Cu对土壤磷酸酶活性的抑制作用，有利于提高土壤肥力。表7为培养45 d时各Cu浓度处理下，土壤磷酸酶活性和Se浓度之间都呈极显著相关（p＜0.01）。经回归方程分析，Cu浓度在35、100、400、800、1 600 mg／kg 时，土壤磷酸酶活性达到最大值的 Se 浓度分别为 1.16、1.45、1.62、1.42、1.48 mg／kg。

表6 加Se和Cu培养45 d对土壤磷酸酶活性的影响（mg／kg·h）

培养到65 d，各Cu浓度处理中，加Se浓度为0～1.00 mg／kg的时候，土壤磷酸酶活性随Se浓度的增加而增加（如表8 所示），加 Se 浓度为2.00～2.50 mg／kg 时，土壤磷酸酶活性略有降低，2.50 mg／kg Se 浓度下的土壤磷酸酶活性仍然大于不加Se土壤的磷酸酶活性。表9所示，培养65 d时，各Cu浓度下土壤磷酸酶活性和Se浓度之间都呈显著或极显著相关性。Cu浓度为35、100、400、800、1 600 mg／kg时，达到最大土壤磷酸酶活性的加 Se 浓度分别为 1.50、1.61、1.52、1.42、1.66 mg／kg。总体来看，最适加 Se 浓度为1.00～2.00 mg／kg，这与培养45 d时一致。由表8和表9可见，随着Se浓度的增加，磷酸酶活性提高，但当Se浓度大于1.00 mg／kg时，土壤磷酸酶活性降低，且当Cu浓度大于100 mg／kg时，土壤磷酸酶活性与Se浓度呈极显著相关。

表7 土壤磷酸酶活性（y）与Se浓度（x）之间的关系

表8 加Se和Cu培养65 d对土壤磷酸酶活性的影响（mg／kg·h）

表9 土壤磷酸酶活性（y）与Se浓度（x）之间的关系

2.2 不同培养时间对土壤磷酸酶活性的影响

通过土样培养实验可得，各培养时间段Se对Cu污染土壤磷酸酶活性均具有一定的促进作用，将5 d的时间段作为起始点，分别用25 d、45 d和65 d中土壤磷酸酶活性相对于5 d时增长百分率的平均值，计算土壤磷酸酶活性变化幅度（如图1所示）。由图1得，Se浓度在0～2.50 mg／kg范围时，培养25 d相对于5 d土壤磷酸酶活性增加百分率有所提高，到培养45 d时增加百分率最高，各Se浓度增加率分别为21.80%、23.91%、21.46%、22.29%和21.10%，之后随着时间增加到 65 d 时，土壤中的磷酸酶活性增加率又有所下降。

图1 土壤磷酸酶活性增加的百分率

3 讨论

目前土壤酶作为一类土壤肥力评价的重要指标，在研究重金属对土壤影响中有着重要作用。其中土壤磷酸酶，在土壤中能催化磷酸二酯和磷酸单酯水解成为无机态的磷酸，土壤磷酸酶活性的高低影响土壤中有机磷的转化和生物有效性。［19］本研究结果表明，重金属Cu胁迫下，土壤中磷酸酶活性降低，土壤磷酸酶活性和Cu的浓度呈反比。这与冯丹等人［20］发现Cu显著抑制土壤磷酸酶活性的研究结果一致。土壤磷酸酶在一定程度上可以作为Cu对土壤污染的程度表征。

Se是人体和动物必需的元素，有研究表明，高浓度的Se对土壤磷酸酶具有显著的抑制作用［21］，因此可用土壤磷酸酶活性变化作为土壤Se污染参考依据。研究表明，Cu污染土壤中，磷酸酶活性与加入的Se浓度呈显著相关，加入一定量Se（2.0 mg／kg以内），可以提高土壤磷酸酶活性。Se可以促进酶和底物活化络合物的速度，增加酶和底物作用的亲和力［22］，同时Se和重金属有着一定的拮抗作用［23］，因而加入Se以后，Cu污染土壤的磷酸酶活性有所增加。

影响土壤酶活性的因素很多，培养土壤过程中，时间效应对于土壤酶活性的影响也不能忽视。在不同时间段土壤酶活性也会有所不同。和文祥等人［24］发现，将高浓度的As加入土壤中，在最初几个月中土壤酶活性变化没有什么规律，但当As培养到1年时，可以看到对土壤脲酶具有一定的激活作用；杨兰芳等人［5］研究发现，一定范围的Se在短时间内（10 d）可促进土壤蛋白酶活性，而长时间（30 d）加Se却抑制其活性。所以，研究重金属污染土壤的酶活性，不仅要研究在某个培养时间上的土壤酶变化情况，还应尽可能研究不同培养时间段土壤酶活性的变化情况。Nowak等人［25］通过对土壤添加不同浓度的H2SeO3，培养112 d以上研究土壤酶活性的变化，发现高浓度Se抑制土壤磷酸酶活性，而低浓度Se，土壤磷酸酶活性较对照前有所增加。本研究明，在Cu污染土壤中，加入Se的浓度为0～2.50 mg／kg范围时，培养时间25 d，相对于5 d，土壤磷酸酶活性增加百分率有所提高，培养45 d时增加百分率最高，这与Nowak等人的研究结果低浓度Se增加土壤磷酸酶活性一致。之后随着培养时间增加到65 d时，土壤中的磷酸酶活性增加率又有所下降。45 d时，Se和Cu拮抗作用最为显著，Cu对于土壤中磷酸酶活性的抑制作用降到最低点，磷酸酶活性增加幅度达到最大。65 d时，土壤磷酸酶活性降低，但相对于5 d时还是增加的。这可能是由于培养时间较长，Se对Cu的拮抗有所减弱，或者土壤中的微生物含量随着时间的增加而减少，加上重金属胁迫，导致磷酸酶活性下降。

有研究发现在铜陵尾矿区周围农田地受到Cu污染，土壤酶活性受到抑制［3，26］。采用一定的土壤改良的方法来治理被Cu严重污染的土壤刻不容缓，我国大部分地区土壤Se含量偏低，属于缺Se地区［27］，如果在Cu污染的土壤中适量添加Se元素，既补充Se元素，也降低了Cu污染。