（生态学专业论文）河口潮滩湿地沉积物中胞外酶研究.pdf

华东师范大学博士学位论文摘要 摘要 本文以长江口典型湿地一崇明东滩为例，首次研究了沿高程梯度或沿植 被演替系列沉积物中碱性磷酸酶等五种胞外酶活性的空间分布规律，分析了 胞外酶活性与环境因子的相互关系及其产生机制，讨论了胞外酶活性在湿地 植被演替中的作用。同时以崇明东滩沉积物为对象，运用重金属离子的添加 和去除等方法，研究了重金属离子对沉积物中碱性磷酸酶活性的影响，利用 胞外酶活性的变化探讨了崇明东滩重金属污染的状况。此外，本文还研究了 横沙东滩吹泥试验工程对沉积物环境因子和胞外酶活性的影响并进行了对比 分析。上述工作的开展不仅有助于丰富湿地沉积物胞外酶的理论，理解湿地 生态系统的生态过程，而且对于河口湿地的保护和利用具有重要的现实意义 和应用价值。 主要研究结果如下 1 崇明东滩沉积物中胞外酶活性沿高程梯度或演替系列呈规律性变化， 沉积物理化性质影响着胞外酶活性的分布。 崇明东滩沉积物中沿高程梯度碱性磷酸酶活性有增加的趋势。而各植被 样带沉积物中碱性磷酸酶活性、v m a x 除在表层有一高值以外，各植被样带在 2 0 3 0 c m 处有一较高峰值，而i ( i 】值在该处有一较低值，说明除了表层之外， 在亚表层有一个令人注意的碱性磷酸酶活跃区。通过直线回归分析发现，碱 性磷酸酶活性与沉积物中粒径、溶解无机磷含量呈显著负相关，与总磷、有 机质、总氮含量呈显著正相关。最大反应速度v m a x 与环境因子的关系与有机 质、总氮呈正相关，而k m 则相反。说明有机质总氮含量是提高碱性磷酸酶活 性的重要因素，同时反映出碱性磷酸酶活性受底物和产物并存机制的诱导或 抑制，这种并存机制在其它土壤或沉积物碱性磷酸酶的研究中并不多见。 华东师范大学博士学位论文 摘要 过氧化氢酶活性随着演替的发展有逐渐增大的趋势。各植被带酶活性垂 直分布受环境因子的影响而没有统一的分布规律。无论是水平还是垂直样 品，沉积物过氧化氢酶活性与有机质、总氮、总磷呈正相关，与溶解无机磷 和沉积物粒径呈负相关。充分反映了随着演替的发展，沉积物的肥力逐渐增 高的特点，也反映了沿高程梯度沉积物生物氧化作用逐渐增强。 蛋白酶活性从光滩到芦苇带有降低的趋势，各植被样带垂直样品蛋白酶 活性低于表层。与环境因子分析表明，蛋白酶活性与有机质、总氮呈负相关， 而与溶解无机磷和沉积物粒径呈正相关。从光滩到芦苇带，硅藻数量逐渐降 低，导致沉积物中蛋白质含量降低，影响着蛋白酶的活性，也可能说明蛋白 酶主要来源于藻类，因此蛋白酶活性的高低更决定于有机质的类型而与有机 质总量无关。 转化酶活性从光滩到芦苇带变化并不明显，在海三棱蔗草带略高。垂直 分布在1 0 3 0 c m 处有较高的值。与环境因子无显著的相关关系。转化酶活性 的大小与分布可能与有机物组成有关。 崇明东滩沉积物中脲酶活性很低甚至难以检出，与各环境因子无显著 相关关系。 2 向沉积物中添加金属离子实验发现，重金属离子对崇明东滩沉积物 中碱性磷酸酶的作用方式有两种：、c d 、p b 、c u 等离子对碱性磷酸酶有抑 制作用，通过生态剂量分析，四种金属离子对碱性磷酸酶的抑制作用强弱存 在差异，顺序为h 9 2 c u ” p b ” c d ”：z n 和m n 离子在低浓度下激活碱性磷酸酶 的活性，而在高浓度下则起抑制作用，说明崇明东滩z n 和m n 的污染性不大。 通过向不同植被带沉积物样品中添加螯合剂e d t a 以消除重金属离子，发现在 各样带沉积物碱性磷酸酶活性最高时相对应的e d t a 添加量不同，海三棱蔗草 带低于混合带和芦苇带，与各样带重金属的累积含量相一致，e d t a 的添加量 能够综合反映潮滩湿地重金属的污染程度，由于对酶起作用的重金属形态为 华东师范大学博士学位论文 摘要 离子态，因此利用胞外酶活性来评价沉积物重金属的污染状况更具实践意义。 3 横沙东滩沉积物中存在c d 、s n 、p b 等重金属元素为主的污染，吹泥 后沉积物粒径减小，总磷含量明显增加，重金属污染有增加的趋势。尤其是 s n 。站位最为明显，这与s n 。站位处于深槽，积累了大量的吹泥原土有关。吹 泥后碱性磷酸酶活性显著低于吹泥前。原因在于重金属尤其是z n 的抑制作 用。而过氧化氢酶在重金属含量较高的站位具有较高的酶活性，说明了微生 物应激反应的存在，过氧化氢酶活性能反映出水域沉积物中污染的程度。转 化酶、蛋白酶、脲酶活性无显著变化。因此，碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性 对环境变化有较好的指示作用。以上说明吹泥对横沙东滩底质环境造成较大 的影响，长期影响需进一步跟踪研究。 总之，潮滩湿地高程和沉积物粒径影响着物质的积累和群落的演替，从 而决定着胞外酶活性的变化。胞外酶对环境因素的变化具有敏感性决定了 其活性可以作为环境变化的评价指标。 关键词：河口，潮滩湿地，胞外酶，分布，重金属，指标，吹泥试验 华东师范大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h e p a p e rs t u d i e dt h r e ea s p e c t so f e x t r a e e l l u a re n z y m e si ns e d i m e n t so ft h et i d a l f l a t w e t l a n d ，n a m e l y1 ) t h ed i s t i b u t i o no ff i v e s o r t so fe x t r a c c l l u l a r e n z y m e si n s e d i m e n t si nt h ee a s te n do fc h o n g r n i n gi s l a n da l o n gt h ee l e v a t i o n g r a d i e n t o r c o m m u n i t ys u c c e s s i o ns e r i e s ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ea c t i v i t i e so f g n z y n - l e sa n d t h e e c o l o g i c a lf a c t o r s ，a n df u n c t i o n so fe x t r a c e l l u l a re n z y m e si nt h e p r o c e s so f c o m m u n i t ys u c c e s s i o n ；2 ) t h ee f f e c t so ft h eh e a v ym e t a li o t i sa n de d t ao nt h e a c t i v i t yo f a l k a l i n ep h o s p h a t a s e i ns e d i m e n t so f t h ee a s te n d o fc h o n g m i n gi s l a n db y a d d i n g a n d r e m o v i n g o fh e a v ym e t a l i o n s ，d i s c u s s i n gw h e t h e rt h e a c t i v i t i e so f e x t r a c e l l u l a re n z y m e sc o u l db et a k e na st h ei n d i c a t o r sf o rt h ee n v i r o n m e n t a l s t a a l s ；3 ) t h ev a r i a t i o n so ft h ea c t i v i t i e so fe x t r a c e l l u l a r e n z y m e s i ns e d i m e n t si nt h ee a s te n d o f h e n g s h a i s l a n da f t e rt h ed i s c a r d i n g c l a y t h e s es t u d i e sw o u l de n r i c ht h ek n o w l e d g eo f t h ee x t r a c e l l u l a re n z y m e s ，h e l pu st oa n d e r s t u dt h ee c o l o g i c a lp r o c e s s e so fw e t l a n d e c o s y s t e ma n db ei m p o r t a n tp r a c t i c et od i r e c tt h ec o n s e r v a t i o na n dd e v e l o p m e n to f t h ee s t u a r i n et i d a lf i a tw e t l a n d s t h em a j o rc o n c l u s i o n sd r e wo nt h i ss t u d i e sa r e 1 t h ea c t i v i t i e so fe x t r a c e l l u l a re n z y m e si ns e d i m e n ti nt h ee a s te n d o f c h o n g m i n g i s l a n d c h a n g e dr e g u l a r l ya l o n gt h ee l e v a t i o ng r a d i e n t ，t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a l f a c t o ma f f e c t e dt h ea c t i v i t i e so fe x t r a c e l l u l a re n z y m e s a l o n gt h ee l e v a t i o ng r a d i e n to rs u c c e s s i o ns e r i e s m e a c t i v i t y o fa l k a l i n e p h o s p h a t a s ei n c r e a s e dg r a d u a l l y b e s i d e st h es u r f a c es e d i m e n t s a l k a l i n e p h o s p h a t a s e o fs e d i m e n t si ne v e r y v e g e t a t i o na r e ah a sh i g h e rp e a ka c t i v i t ya n dv m a x ，b u tal o w e r k ma tt h ed e p t ho f2 0 - 3 0 c m i tw a s p r o v e dt h a tt h e r ew a sar e m a r k a b l ya c t i v ez o n eo f t h ea l k a l i n ep h o s p h a t a s ei nt h es e d i m e n t sb e s i d e st h es u r f a c el a y e r t h ea c t i v i t yo f a l k a l i n ep h o s p h a t a s ew a s s i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e dt ot h ep a r t i c l es i z ea n dd i s s o t v e d i n o r g a n i cp h o s p h o r u sn e g a t i v e l yb u to p p o s i t et oo r g a n i cm a t t e r sa n dt o t a l n i t r o g e n v m a xh a das a l l l et r e n da sa c t i v i t yo f a l k a l i n ep h o s p h a t a s e ，b u to p p o s i t et ok m ，t h e 华东师范大学博士学位论文 a b s t r a c t r e s u l t ss u g g e s t e dt h a to r g a n i cm a t t e ra n dt o t a ln i t r o g e nc o u l di n c r e a s et h ea c t i v i t yo f a l k a l i n ep h o s p h a t a s e ，a n dt h a tt h ea c t i v i t yo fa l k a l i n ep h o s p h a t a s ew a sa c t i v a t e do r i n h i b i t e db ys u b s t r a t ea n d p r o d u c t d u et oc o - e x i s t e n c e 删sm e c h a n i s mw a s r e p o r t e d p o o r l yi nt h ew e t l a n ds e d i m e n t so r s o i l s w i t hs u c c e s s i o no f c o m m u n i t y , t h ea c t i v i t yo f c a t a l a s ei n c r e a s e dg r a d u a l l y , a n d t h ev e r t i c a lv a r i a t i o no ft h ea c t i v i t yw a sa f f e c t e db ye n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n dd i d n t s h o wi d e n t i c a lr u l e n om a t t e rw h a tk i n d so fs a m p l e ，i n c l u d i n gt h eh o r i z o n t a la n d v e r t i c a l ，t h ea c t i v i t yo fc a t a l a s ew a sc o r r e l a t e dt oo r g a n i cm a t t e r , t o t a ln i t r o g e na n d t o t a l p h o s p h o r u sp o s i t i v e l y , b u to p p o s i t e t od i s s o l v e di n o r g a n i cp h o s p h o r u sa n d p a r t i c l e s i z eo fs e d i m e n t s i ts u g g e s t e dt h a tt h ef e r t i l i t yo fs e d i m e n ta n db i o l o g i c a l o x i d a t i o nw a si m p r o v e dw i t hs u c c e s s i o n t h ea c t i v i t yo f p r o t e i n a s ed e c r e a s e df r o mb a r ef i a tt or e e dz o n e ，a n dt h ea c t i v i t y i nd e e p e rs e d i m e n tw a sl o w e rt h a ns u r f a c es e d i m e n t t h ea c t i v i t yo f p r o t e i n a s ew a s c o r r e l a t e dt oo r g a n i cm a t t e r sa n dt o t a ln i t r o g e nn e g a t i v e l y , b u to p p o s i t et od i s s o l v e d i n o r g a n i cp h o s p h o r u s f r o m b a r ef i a tt or e e dz o n e ，t h e c o n c e n t r a t i o no fp r o t e i n d e c l i n e dw i 也d i a t o m q u a n t i t yw h i c h i n f l u e n c e dt h ea c t i v i t yo f p r o t e i n a s e i ts u g g e s t e d t h a tp r o t e i n a s ei nt h es e d i m e n t sw a s p r o b a b l yp r o d u c e db yd i a t o m ，a n dt h ea c t i v i t y o f p r o t e i n a s ew a sd e c i d e db yt h et y p e so fo r g a n i cm a t t e rb u t n o tt h ec o n c e n t r a t i o no f o r g a n i cm a t t e r f r o mb a r ef l a tt or e e dz o n e ，t h ea c t i v i t yo fs u c r a s ec h a n g e d i n s i g n i f i c a n t l y , t h e r e w a sah i g l e r a c t i v i t y i n t r i a n g l es u l b u s h ( s c i r p u sm a r i q u e t e r ) z o n e t h a no t h e r v e g e t a t i o nz o n e s t ot h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o n , t h e r ew a sh i 曲e ra c t i v i t ya t lo - 3 0 e r a d e p t h t h ea c t i v i t yo f $ a c r a s eh a di n s i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nt o t h ee n v i r o n m e n t a l f a c t o r s i tm a y m a i n l yd e p e n do nt h ec o m p o s i t i o no fo r g a n i cm a t t e rm o r et h a nt h e o r g a n i cm a t t e r t h ea c t i v i t yo fu r e a s ei st o ol o wt od e t e c tn e a r l ya n di th a dn oc o r r e l a t i o nw i t h e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s 2 t h e e x p e r i m e n to fh e a v y m e t a l sa d d i t i o ns u g g e s t e dt h a th e a v ym e t a l si n f l u e n c e d t h ea c t i v i t yo f a l k a l i n ep h o s p h a t a s eb yt w od i f f e r e n tw a y s n ei o n so f r i g ，c d ，p ba n d c uc o u l di n h i b i t e dt h ea c t i v i t y , t h es e q u e n c eo fi n h i b i t i o nw a s h 矿+ c u 2 * p b 2 + c d h v i i 华东师范大学博士学位论文a b s t m c t t h ei o n so fz na n dm nc o u l da c t i v a t et h ea l k a l i n ep h o s p h a t a s ei nl o w e rc o n c e n t r a t i o n a n di n h i b i t e dt h ea c t i v i t yi nh i g h e rc o n c e n t r a t i o n ，w h i c hs u g g e s t e dt h a tp o l l u t i o no f z na n dm no fs e d i m e n t so ft h ee a s te n do fc h o n g m i n gi s l a n dw a sn o ts e r i o u s t h e e x p e r i m e n t so f ae d t aa d d i t i o ns h o w e dt h a tt h ea d d i n gc o n c e n t r a t i o no fe d t aw a s d i f f e r e n tf o rd i f f e r e n t v e g e t a t i o n z o n ew h e nt h e a c t i v i t y o fa l k a l i n e p h o s p h a t a s e a r r i v e di t sp e a k t h ea d d i n gc o n c e n t r a t i o no fe d t aa tt h eh i g h e s ta c t i v i t yo fa l k a l i n e p h o s p h a t a s ef o rt h es e d i m e n to ft r i a n g l es u l b u s h ( s c i r p u sm a r i q u e t e r ) z o n ew a sg r e a t e r t h a nt h em i x e dz o n ea n dr e e dz o n e w h i c hw a sc o n s i s t e n tw i t l lt h eh e a v ym e t a l s c o n c e n 订a t i o ni nt h es e d i m e n t s s ot h ea d d i n gc o n c e n t r a t i o no fe d t ac o u l di n d i c a t e t h eh e a v ym e t a l sp o l l u t i o n o fs e d i m e n t s i tw a s p r o v e dt h a tt h ea c t i v i t yo fe n z y m e c a n b eu s e dt oe s t i m a t et h ec o n t a m i n a t i v es t a t u so f h e a v ym e t a l s 3 t h es e d i m e n ti nt h ee a s te n do f h e n g s h a i s l a n dw a s p o l l u t e db y t h eh e a v ym e t a l s ( c d 、s n 、p b ) a f t e rd i s c a r d i n ge n g i n e e r i n g ，t h ec o n c e n t r a t i o no f t o t a lp h o s p h o r u s i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya n dt h ep o l l u t i o no f h e a v ym e t a l sb e c a m es e r i o u s e s p e c i a l l y t h es i t es n ui sr e m a r k a b l e ，b e c a u s ei tw a si nd e e ps l o ta n da c c u m u l a t e dag r e a td e a l o fd i s c a r d e dc l a y t h ea c t i v i t yo fa l k a l i n ep h o s p h a t a s ed e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yo w i n g t ot h ei n h i b i t i o no f h e a v ym e t a l s ，e s p e c i a l l yz n t h ea c t i v i t yo f c a t a l a s ew a s h i g h e ri n t h es i t e sp o l l u t e ds e r i o u s l yb y h e a v y m e t a l s i ts u g g e s t e dt h a tp o l l u t a n t sc o u l ds t i rt h e a c t i v i t y a n dt h e a c t i 、r i 斟o fc a t a l a s e c o u l di n d i c a t et h ed e g r e eo fp o l l u t i o n t h e a c t i v i t i e so fs u c t a s e p r o t e i n a s ea n du r e a s ed i d n ，ts h o wt h ea n yc h a n g e sc a u s e db y d i s c a r d i n g b a s e do nt h e s er e s u l t s ，w ec o u l dd r a wac o n c l u s i o nt h a td i s c a r d i n g - c l a y i n f l u e n c e dt h eq u a l i t yo f t h es e d i m e n te n v i r o n m e n to f t h ee a s te n d o f h e n g s h ai s l a n d ， t h ee x t r a c e l l u l a re n z m e sc o u l db es u i t a b l ei n d i c a t o r sf o re n v i r o n m e n t b e c a u s ee l e v a t i o na n dp a r t i c l es i z ea f f e c t e dt h ea c c u m u l a t i o no fs u b s t a n c ea n d c o m m u n i t ys u c c e s s i o n , t h e yw e r et h ep r e c o n d i t i o nf o rt h ea c t i v i t i e so fe x t r a c e l l u l a r e n z y m e s t h ea c t i v i t i e s o fe x l r a c e l l u l a re n z y m e sw a ss e n s i t i v et oe n v i r o n m e n t a l f a c t o r s ，t h e yc o u l db et h eg o o di n d i c a t o r sf o rt h ee n v i r o n m e n t a la s s e s s m e n t k e y w o r d s ：e s t u a r y , t i d a l f l a tw e t l a n d ，e x t r a e e l l u l a re n z y m e , d i s t r i b u t i o n ， h e a v ym e t a l ，i n d i c a t o r , t e s to fd i s c a r d i n gc l a y 华东师范大学博士学位论文缩写符号及其古义 缩写符号及含义 c g ：崇明东滩光滩藻类盐渍带； c b ：崇明东滩海三棱蔗草植被带； c m ：崇明东滩海三棱蔗草及互花米草混合植被带； c l ：崇明东滩芦苇植被带； s ： 崇明东滩水平取样样点； n s ：横沙东滩吹泥区站位； v m a x = 酶学动力学参数一最大反应速度： k m ：酶学动力学参数一米氏常数。 e d * ：生态学剂量，酶活降低5 0 时所对应的影响因子浓度 华东师范大学博士学位论文第一章研究背景 第一章研究背景 i i 湿地土壤或沉积物中胞外酶研究现状 1 1 1 胞外酶及其研究意义 胞外酶是指在细胞内合成后穿过细胞质膜的酶，它们有些镶嵌在质膜上有些 存在于质膜周腔( e c t o e n z y m e ) ，有些则完全脱离其生产者，扩散到环境中 ( e x t r a c e l l u l a re n z y m e ) 。细菌、真菌、湿地物种的植物根系都能够合成胞外 酶并释放到细胞外。土壤或沉积物中的胞外酶的活性非常稳定，在一年或更多时 间内不失去活性( k is s ，e ta 1 ，1 9 7 5 ) 。胞外酶种类繁多，与碳循环有关的酶 有葡萄糖苷酶、乳糖苷酶、几丁质酶、脂肪酶等；与氦循环有关的酶有反硝化酶、 蛋白酶、脲酶等；与磷循环有关的酶有磷酸酶( 包括磷酸单酯酶和磷酸二酯酶) ； 与硫循环有关的酶有硫酸酯酶：此外还有与其它物质氧化有关的酶如酚氧化酶， 过氧化氢酶，过氧化物酶等。 湿地生态系统普遍被认为具有营养汇的功能( m i t s c h ，1 9 9 5 ) ，因此湿地土 壤或沉积物中存在大量的高分子量的有机物，但只有一小部分才能被微生物所利 用( b e r n n e r ，1 9 8 4 ；c h r o s t ，1 9 9 1 ) 。结构复杂的化合物必须通过胞外酶的分解 作用才能转化成低分子量化合物。因为只有低分子量的化合物才能被运输到细胞 内进行氧化并作为能量来源( c h r o s t ，1 9 9 1 ) 或身体的组成部分。胞外酶的分解 作用普遍被认为是有机物质整个分解过程中的限制性步骤( s i n s a b a u g h ，1 9 9 3 ) ， 控制着湿地生态系统的物质循环。因此胞外酶活性的大小影响着湿地生态系统的 功能，常常作为湿地物质的分解循环过程很重要的指标( m c l a t c h e y ，1 9 9 8 ) 。 1 1 2 湿地土壤或沉积物中酶活性的测定方法 酶活性的测定是根据在最适温度、p h 、基质浓度和土壤或沉积物重量的条件 下，反应过程中转化的基质或生成的产物来进行定量测定。定量测定酶活性可采 用化学的、光度计的、比色的、旋光计的和色层分离等方法( 中x 哈兹耶夫，1 9 8 0 ) 。 这些传统的测定方法底物或基质常常没有经过修饰，测定结果灵敏度低，比较耗 华东师范大学博士学位论文 第一章研究背景 时。测定酶活性另外的方法是底物和荧光物质结合形成荧光底物，测定荧光强度 的变化来表示酶活性的变化( k a n g ，1 9 9 7 ) 。k a n g 等( 1 9 9 8 a ) 利用4 一甲基伞形 酮( m e t h y l u m b e l l i f e r y l ) 与底物结合，创造一系列荧光底物放入同一湿地土壤样 品中进行酶学反应，然后用液相色谱仪分离各个荧光产物组分进行多种酶( 硫酸 酯酶、b 一葡萄糖苷酶、木质素酶、酯酶) 活性的测定。这种方法相对传统技术 操作简便、省时，对于测定湿地沉积物中的低酶活性更为适合。 1 1 3 湿地土壤或沉积物中胞外酶活性的时空分布 湿地土壤或沉积物中胞外酶具有时空变化，在不同纬度带和不同类型的湿地 具有不同的特征。英国低位泥炭沼泽湿地( f e n ) 显示出了最高的酶活性。磷酸 酶活性从5 月到9 月逐渐上升，随后降低。在高位泥炭沼泽湿地( b o g ) 磷酸酶 活性在夏季( 7 9 月) 显示出最高酶活性。而以莎草科植物为主的沼泽湿地 ( s w a m p ) 季节间无明显变化。对于芳香基硫酸酯酶，莎草科为主的沼泽7 月活 性最高，而低位沼泽在4 月和5 月显示出较低的活性，在高位沼泽里变化不明显 ( k a n g ，1 9 9 9 ) 。在佛罗里达e v e r g l a d e s 湿地土壤中，蛋白酶的活性在8 月最高， 而酚氧化酶的含量则没有季节性变化( w r i g h t ，2 0 0 1 ) 。张银龙等( 1 9 9 9 ) 研究 了秋茄红树林土壤中土壤酶的活性，发现水解酶类以夏秋两季较高，而冬季酶活 性最低，并进一步认为酶活性的这种季节变化是与植物的生长节律及由此带动起 来的土壤微生物和细根生物量的变化一致。而在光滩的土壤酶活性季节变化很 小，说明了植物根系及土壤微生物是土壤酶的主要来源。v e n k a t e s w a r a n 等( 1 9 8 3 ) 在p o l on o v o 海岸浅滩沉积物中也发现夏季高的碱性磷酸酶活性。在浅水湖泊 ( 武汉东湖) 表层沉积物中碱性磷酸酶在夏季有最大的v m a x 和较小的k m ，说 明夏季对底物有最大的亲和力，原因在于春季水华藻类的降解积累了大量的有机 质诱导的结果( z h o u ，2 0 0 2 ) 。 8 0 s c h k e r 等( 1 9 9 8 ) 研究了荷兰g o o i m e e r 湖滨岸区沉积物中胞外酶活性的 水平分布，在该区域从芦苇外滩到芦苇带沉积物中存在一个有机物含量的梯度。 研究发现在芦苇床内外胞外酶的分布存在明显的差异。在芦苇带内部的沉积物 中，分解多聚糖为主的酶类为主，如b 一葡萄糖苷酶、e x o - - 葡聚糖酶、木质素 酶。而在芦苇带以外，酶类以甘露糖苷酶为主，并且与分解蛋白相关的酶类占主 导地位。在红树林湿地，由红树林内滩、中潍到外滩土壤酶活性逐渐降低，与红 华束师范大学博士学位论文第一章研究背景 树林土壤的呼吸强度相一致( 张银龙，1 9 9 6 ) 。孙炳寅等( 1 9 8 9 ) 也报道了互花 米草带脲酶和过氧化氢酶活性比光濉的酶活性要强。说明湿地土壤或沉积物中胞 外酶种类和活性与有机物的含量和物质组成相关。湿地沉积物中胞外酶活性垂直 分布大多是表层最高，随着深度的加深而降低( 张银龙，1 9 9 6 ；w r i g h t ，2 0 0 1 ) ， 与随着深度的增加，有机质含量、氧的含量等环境因子的降低有关。但也有例外， 有学者发现在湖泊沉积物的亚表层是碱性磷酸酶的活跃区域( z h o u ，2 0 0 1 ) ，说 明在沉积物亚表层存在者无机磷的释放源，因此受到极大的关注。 1 1 4 湿地中胞外酶活性与环境因子之间的关系 ( 1 ) 有机物的物质组成。有机物的物质组成是影响湿地沉积物中胞外酶活 性的重要因素。b o s c h k e r 等( 1 9 9 8 ) 发现不同的植物群落下的沉积物中胞外酶 活性有明显差异。在芦苇床内部的沉积物中，分解多聚糖为主的酶类为主，如0 一葡萄糖苷酶，e x o - 葡聚糖酶，木质素酶。而在芦苇带外，酶类以甘露糖苷酶 为主，并且与分解蛋白相关的酶类占主导地位。因为芦苇带外大叶水生植物碎屑 物主要有木质索、纤维素、和半纤维素( 如木聚糖) 组成，含有较低的蛋白质； 而藻类和蓝细菌有相当高的蛋白质含量，并具有较低的多糖含量，进而导致酶活 性间的差异。而进一步的补加实验也证实了这一结论。即向芦苇床内的沉积物中 添加浮游生物残体，发现多糖分解酶的活性显著降低而肽酶活性显著增高。向芦 苇床外沉积物中添加芦苇碎屑物，通过1 0 - 2 0 天的孵育，e x o 一葡聚糖酶，0 一木 质素酶升高。这种现象在深海沉积物添加不同的有机物中也得到证实( b o e t i u s ， 1 9 9 6 ) 。所以，酶活性的分布格局可以推测生态系统沉积物中有机物质的组成。 ( 2 ) 有机质。有机质可以作为胞外酶的底物，又可以为微生物的繁殖和生 长提供碳源，因此有机物的含量影响着酶活性的高低。湿地( 芦苇) 沉积物中绝 对酶活性与有机质含量成正比。这种关系不仅表现为水平的分布，也表现为垂直 分布。并发现在大的范围内微生物群落维持酶活性和底物浓度之间存在一个常量 比( b o s c h k e r ，1 9 9 8 ) 。通过添加有机质的实验表明，有机质的增加能够按比例 的增加降解多糖的酶( g - - 葡萄糖苷酶和几丁质酶) 活性，但微生物生物量没有 增加，并因此证明酶活性的增加并不是因为微生物生长引起的( b o e t i u s 。1 9 9 4 ) 。 现场测定表明酚氧化酶的活性与有机质的含量呈正比( j a c k s o n ，1 9 9 5 ) ，而b 一 华东师范大学博士学位论文第一掌研究背景 葡萄糖苷酶活性则在富营养的环境下与有机碳呈正比。 ( 3 ) 酸碱度( p h ) 。由于土壤条件的影响，实测活性和酶本身存在差异。 实验条件应和研究的目的保持一致。在湿地沉积物中胞外酶研究中最具意义的是 p h 。氢离子浓度会使各种酶产生离子化或引起不可逆酶抑制。除此之外，p h 还 能够改变酶与底物之间的相互作用( 如腐殖质和黏土) ，并因此改变了土壤酶的 活性。据报道与黏土一酶复合物中的酶与自由酶的最适p h 是不同的，并且认为低 的p h 是湿地低分解率的主要原因。湿地p h 的提高会加速有机磷的矿化，因此可 以提高微生物和有机体的营养供给( k a n g ，1 9 9 9 ) 。 ( 4 ) 淹水条件与电子受体。人们普遍接受淹水条件是调节湿地生物地球化 学的主要因子。在湿地中土壤淹水条件创造了一系列反应而形成还原性土壤条 件。这些反应包括各种物理、化学和对湿地植物有重要作用的生物过程。淹水条 件最显著的特征是因氧的限制而产生低氧化还原电位，低的氧化还原电位抑制了 酶活性。m c l a t c h e y 等( 19 9 8 ) 发现酚氧化酶只有在好氧条件下才能检测得到。 淹水条件改变了酶反应过程中胞外酶所需的电子受体从而影响湿地土壤或沉积 物中胞外酶的活性和有机物的矿化( p u l f o r d ，1 9 8 8 ；s a v a n t ，1 9 8 5 ；n e w m a n ， 1 9 9 3 ) 。电子受体( 0 2 ，n o ，s o h c o ：) 的补加实验表明低的氧化还原电位能 够降低胞外酶的活性，从而降低有机物的矿化率( m c l a t c h e y ，1 9 9 8 ) 。p u l f o r d 等( 1 9 8 8 ) 也证实葡萄糖苷酶活性与氧化还原电位呈负相关。有些学者( k a n g ， 1 9 9 9 ：d e b u s k ，1 9 9 6 ) 观察到地下水面的降低会导致磷酸酶和芳香硫酸酯酶的活 性，并导致抑制物如铁离子和酚的减少，加快有机物的矿化。因此湿地的淹水条 件和电子受体的种类和浓度是维持湿地生态系统功能的重要因素。 1 1 5 外源营养物质的输入对湿地沉积物中胞外酶活性的影响 大多湿地都接受邻近水域或城市区域营养物质的输入，营养物质大量的输入 影响着湿地的结构和功能。比如磷的大量输入影响着植被的格局，泥炭的沉积率 和沉积物的其他物理化学特性。w r i g h t 和r e d d y ( 2 0 0 1 ) 研究了不同磷负荷对 e v e r g l a d e s 湿地土壤胞外酶活性的影响。研究发现仅碱性磷酸酶活性受到磷负 荷的影响，碱性磷酸酶活性随着磷含量的变化而变化，但与植被类型不相关。 e v e r g l a d e s 湿地土壤中碱性磷酸酶活性显著增高，甚至高于农业生态系统的土 壤中的酶活性，说明高的有机物含量能够加强微生物和酶活性。w h i t e 和r e d d y 华东师范太学博士学位论文第一章研究背景 ( 2 0 0 0 ) 发现磷的补加没有对反硝化酶产生影响。而n 0 。的补加提高了反硝化酶 的活性，说明不同的营养负荷对土壤中胞外酶活性的影响是不同的。 1 _ 1 6 湿地沉积物中胞外酶活性是湿地净化功能的重要指示 湿地具有明显的净化水质的功能，是由于湿地沉积物中常年浸泡在水中，有 机物低分解率的结果( b r i n s o n ，1 9 8 1 ) 。以磷为例，在英国a p o p k a 湿地与s u n n y h i l 】农场湿地沉积物中，磷酸单酯的含量分别占总磷含量的5 9 与5 1 ( r o b i n s o n ，1 9 9 8 ) ，盛长海草的海洋湿地沉积物中可在4 月和8 月释放有机磷。 这就是说，作为磷酸酶天然底物的磷酸酯类能大量吸附于湿地中并以整体形式适 时释放而未遭酶解。由上述事实说明湿地沉积物中极低的矿化