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《南京农业大学》 2011年
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湿地、稻田土壤酶分布与活性及生态功能指示

严金龙  
【摘要】:全球碳循环已成为当前气候变化和区域可持续发展研究的核心。碳素循环的特点基本上能够反映生态系统物质循环的总体特征。土壤酶系土壤微生物、植物根系及动物等分泌释放,在土壤碳循环中起着重要的作用,它参与了土壤中一切复杂的生物化学过程,如土壤腐殖质组分的合成及其分解,有机物质、动植物和微生物残体的水解与转化以及土壤中氧化还原反应等。土壤有机质不仅是土壤酶促反应底物的主要供源,而且还可以作为土壤微生物、酶和矿物质的有机载体,是土壤固相中最复杂的系统,是土壤肥力的主要物质基础。 对不同造纸废水灌溉年限的盐城海涂芦苇湿地生态系统中表层土壤的理化性质进行了对比分析,并考察了长期污灌后以土壤酶活性为指标的土壤微生物学特征的变异规律。与对照区相比,污水灌溉区土壤pH值、电导率、总有机碳(TOC)、总凯氏氮(TKN)、有效磷和有效钾含量等理化指标值明显提高。弱碱性的造纸废水显著增加了湿地土壤中钠元素的含量,是土壤盐碱化加重的一个重要驱动因素,应引起高度重视。湿地土壤中重金属含量亦有明显增加的趋势。灌溉4a后的土壤中β-葡萄糖苷酶的活性提高显著(115.3%),酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性则分别增加了26.2%和45.9%,蛋白酶活性也增加了12.6%。然而脲酶活性却未发现有显著变化,可能与湿地土壤集聚的重金属元素抑制作用有关,尚需要进一步的深入探讨。湿地土壤短期灌溉实验研究发现:短期内(25 d)酶活性的应激行为表现出显著激活效应,并未出现活性抑制现象,且造纸废水灌溉CODCr值越高,各种酶的活性和土壤呼吸速率受刺激的程度越大,酶活性和土壤基础呼吸速率(R25)与土壤短期污灌强度之间具有良好的相关性,同时五种供试酶之间也密切相关,说明造纸废水灌溉下的土壤碳、氮和磷循环是协同与和谐的。因此,利用湿地生态系统处理造纸废水,必须加强控制进水水质。在关注湿地生态处理系统中氮、磷和CODCr等指标去除效率的同时,必须掌握湿地系统本身理化性质和微生物变异规律,密切关注湿地生态处理系统的能力和限度。 采用室内模拟恒温培养方法,研究了不同浓度、不同胁迫时间下重金属Cd2+和Hg2+对水稻土脲酶、蔗糖转化酶和淀粉酶活性的影响。结果表明,中高浓度的Cd2+和Hg2+可显著地抑制土壤脲酶,蔗糖转化酶和淀粉酶的活性,定浓度抑制率随着胁迫时间的延长和重金属胁迫浓度的增加而增大。运用对数方程可以很好的描述重金属胁迫浓度与三种酶活性抑制率之间的关系(r20.902)。考察了三种应试酶的生态剂量ED50值,发现不同处理时间脲酶的ED50值均低于蔗糖转化酶和淀粉酶的ED50值,说明不同土壤酶类对重金属的敏感性有明显差异,脲酶对重金属污染响应较为敏感。 各种土壤酶在土壤基质中的特定分布与土壤有机质组成、结构、质量及有机碳周转速率密切相关。以江苏宜兴水稻土为对象,运用土壤有机质物理分级方法,考察了不同土壤酶分布特点。结果表明:各种水解酶在土壤各级物理组分中呈现明显不同的分布特点。与颗粒态有机碳(POM)具有较快周转速率相一致的是土壤中多糖类降解酶在POM分级组分中具有最高的活性分布。过氧化氢酶,脱氢酶和蔗糖转化酶主要分布在POM和粘粒物理分级组分中,砂粒组分中活性最低。多酚氧化酶和脲酶参与了土壤有机质的腐殖化,最大活性分布是在粘粒中,且与有机碳周转速率较慢相一致。预示着土壤矿物组分对土壤酶的固定及有机质矿化的保护,可能是土壤有机质的腐殖进程和有机碳周转速率的重要影响因素。 土壤酶多以物理、化学方式吸附在土壤有机、无机胶体或有机-无机复合体表面,或与腐殖质形成配合物,其酶促反应动力学和热力学行为与游离酶有较大差异。为更好地认识酶在土壤颗粒胶体表面的吸附、固定机制与催化活性,详细研究了碳循环相关酶β-葡萄糖苷酶在水稻土土壤胶体颗粒(含有机质粗颗粒COP、无有机质粗颗粒CIP、含有机质细颗粒FOP及无有机质细颗粒FIP)表面的吸附和固定行为,考察了不同土壤颗粒固定化β-葡萄糖苷酶的底物催化生物化学反应的动力学和热力学特征。结果表明:由于FOP和FIP具有较大的比表面积和较高的铁氧化物含量,表现出较大的β-葡萄糖苷酶吸附量(q0)和较低的吸附亲和力(KL)。粗颗粒表面吸附的β-葡萄糖苷酶的脱附率达27.6-28.5%,高于细颗粒外表面的吸附β-葡萄糖苷酶的脱附率(17.520.2%)。COP和CIP固定化β-葡萄糖苷酶活性分别为游离酶的72.4和69.8%,而细颗粒吸附β-葡萄糖苷酶的活性达到游离酶的79-81%。基于水稻土土壤胶体颗粒支持保护作用,土壤胶体颗粒固定化酶活性对pH值和温度变化响应不如游离酶敏感。在25℃条件下,经过30 d的存储,游离β-葡萄糖苷酶能够保有其初期活性的66.2%,而土壤胶体颗粒固定化β-葡萄糖苷酶的活性仍有初期活性的77.1-82.4%。总体上说,土壤胶体颗粒固定化β-葡萄糖苷酶酶促反应动力学米氏常数Km值增大,而最大反应速度vmax值降低,可能是土壤胶体颗粒固定化作用改变了酶分子活性点的空间结构或土壤颗粒基质对底物的传质阻力增大的原因。土壤胶体颗粒固定化β-葡萄糖苷酶酶促反应热力学研究发现:固定化β-葡萄糖苷酶具有较低的Ea,ΔHa和Q10值,且Q10值介于1.32-1.50,也意味着不同土壤胶体粒子固定下的β-葡萄糖苷酶表现出较高的热稳定性,上述研究结果将有助于土壤碳循环和碳储存中酶促机制的进一步研究。
【学位授予单位】:南京农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X172

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【引证文献】
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