淡水环境中磷酸酶的研究进展

张友　李干蓉　方小宁　匡飞　何庆文　杨李

摘 要：水体富营养化事关重要环境安全问题。而磷是水体富营养化的重要营养元素。当水生态环境中生物有效磷不能满足植物的生长所需时，有机磷（OP）矿化水解就成为了IP的重要来源。磷酸酶作为OP转化的重要媒介，参与有机磷的代谢，在有機物的转化和物质循环过程中具有重要作用。本文就磷酸酶的种类及功能，以及河流、湖泊中磷酸酶的研究作以下论述。

关键词：磷酸酶;有机磷;湿地

当无机磷（IP）的含量不能提供生物的生长时，环境中的磷酸酶催化OP释放无机磷供生物利用。磷酸酶的活性及其动力学特征是研究OP酶解反应过程的重要的参数。磷酸酶的活性可以反映环境营养状况及其生物量状况，且叶绿素-a与浮游生物等富营化指标之间关系显著。其次，磷酸酶动力学指标能够揭示OP矿化率及其循环周期。所以，研究磷酸酶特征研究可以更好了解生态环境中营养盐的状态或营养盐对初级生产力的调控机制，对揭示生态环境物质的循环和能量流动机制都具有重要意义。

1 磷酸酶的分类

生态环境中OP矿化为IP才能供生物利用，磷酸酶催化OP转化为IP直接参与OP的循环代谢，对生态系统中磷的转化具有重要意义。可根据分裂酯键作用植酸酶，磷酸单酯酶，磷酸二酯酶;可根据其最适pH值范围可分为酸性磷酸酶、中性磷酸酶、碱性磷酸酶，其中，酸性磷酸酶的主要作用是催化细胞代谢，碱性磷酸酶主要作用向细胞提供磷营养[1]。

碱性磷酸酶是一种非特异性磷酸单脂酶，它存在于除高等植物外几乎所有的生物体内，可直接参加磷的代谢过程，在磷的消化、吸收、分泌等过程中发挥着重要作用。碱性磷酸酶活性（APA）可指示水生生态系统磷的丰缺，对水体内源有机磷释放及其富营养化都有重要影响[2]。APA的高低是系统磷限制的重要指标，同时可作为磷限制初级生产力的一个指标[3]。

磷酸二脂酶能够较好的水解磷酸酯的二酯磷，核糖核酸酶能水解RNA磷酸二酯磷[4]。植酸酶可以将植酸分子中的磷酸基团分步水解，将植酸水解为肌醇五磷酸、肌醇四磷酸、肌醇三磷酸、肌醇二磷酸和肌醇一磷酸五种中间产物，在产物生成过程中IP被释放出来。植酸酶可以水解所有的磷酯键。

2 磷酸酶的来源及影响因素

在环境中，磷酸酶主要来源有细菌和浮游动植物;酸性磷酸酶一般来源于藻类或者细菌的胞内产生，细胞外产生碱性磷酸酶，而浮游动物则两种酶都能释放。磷酸酶的活性大小主要受pH值，温度和金属离子的影响[5]。Huber[6]等在对天然水体的系统调查后发现藻类磷酸酶的最佳温度为25～50℃。颜思旭[7]发现鱼类磷酸单酯酶的最佳温度为41℃。磷酸单酯酶和磷酸二酯酶的最佳pH为9，植酸酶的最适ph为7。酶是由金属离子构成，金属离子可以到抑制或激活酶的活性，Zn2+、Cu2+、Ag+、等重金属离子对酶的活性有抑制作用，Mg2+、Co2+、Pb2+、Cr6+等金属离子对酶活性有激活点作用[8]。另外，有研究表明光照也可以影响酶的活性[1]。

3 磷酸酶在淡水湿地的研究进展

近年来，商品化酶被广泛应用到湿地OP的研究中，酶水解技术最早用于研究土壤植酸磷生物有效性[9]。随后，酶水解技术出现在湿地环境中OP生物有效性研究。He和Turner等[10，11]为水体有机磷的生物有效性作了大量研究，碱性磷酸酶可以水解聚合态磷和单脂磷，二脂酶能很好的水解磷酸二脂磷，植酸酶可水解所有的磷酯键。Hino在研究湖用凝胶过滤后的湖水样品进行酶解时发使用单一酶时对OP的水解效果比用两种酶或多种酶结合时水解效果差很多[12]。Zhu在研究所滇池沉积物有机磷的生物有效性时发现滇池沉积物中12%～27%的OP是能转化为生物所吸收利用的磷。但酶水解技术容易受到其他因素的影响，导致最终的结果偏离实际[1]。

酶活性可指示水磷的丰缺，对湖泊内源释放和富营养化都有重要影响。酶活性高度是表征磷限制的重要指标。Perkins在研究原位营养添加中发现酶活性能很好地表征磷限制状况[13]。曲博等研究也发现，添加外源磷酸酶能促进惰性有机磷向活性磷转化[14]。当无机磷的浓度低于0.01μg/mL时，酶的活性显著增加，而当无机磷浓度大于0.01μg/mL时，酶的活性则会显著降低。孙善峰等[15]对太湖的研究结果发现，夏季碱性磷酸酶活性高于冬季，他认为这是由于不同季节沉积物温度差异导致的结果。张萍等[16]也认为温度是导致磷酸酶活性随时间变化地主要原因[1]。

从磷酸酶动力学上讲，Vmax为酶反应特征参数，反映酶内在催化速率，Vmax值愈大，磷酸酶的催化能力越强。米氏常数（Km）的物理意义是酶反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度，Km表征酶与底物间亲合力，如果Km值越小，则底物浓度越小，酶对底物的亲合力就越大;反之，酶对底物的亲合力越小[1]。Km与Vmax的比值表示OP的周转周期。在太平洋的磷酸酶活性的研究发现，单酯酶和二脂酶的催化水解能够为生物提供磷源，磷酸单酯磷周转周期为7～14天，二酯磷周转周期超过三个月[17]。高光在研究对太湖水体磷的矿化速率的发现太湖中有机磷的分解周期仅需数分钟[18]。

4 展望

磷酸酶在生态环境中有机物的物质循环和能量转化过程中起到重要作用，目前我们对磷酸酶的分类，主要功能以及在环境中的应用有了一定的研究，但对于每种酶的组成、特性、生物分子结构特征与生理代谢特性还有待进一步研究。就磷酸酶的动力学特征而言，单一的研究碱性磷酸酶的动力学较多，其他酶的动力学特征研究还比较薄弱，在内源磷的释放通量研究中，通过酶水解释放的磷的比例是多大，还待进一步研究。在治理富营养化的过程中，更加注重控制有机磷的释放。

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