（环境工程专业论文）复合重金属对土壤酶活性及生菜富集量影响研究.pdf

论文题目：复合重金属对土壤酶活性及生菜富集量影响研究 专业： 硕士生： 指导教师： 环境工程 刘齐 贾锐鱼 摘要 ( 签名) ( 签名) 本文通过在土壤中添加外源重金属的室外瓮栽试验，研究了重金属单因子及复合因 子影响下，土壤酶活性和生菜对重金属累积吸收的变化规律及作用机理，并通过图表直 观表现出二者的变化趋势。由土壤酶活性受抑制影响程度，可以准确、快速地预测及评 价土壤中重金属的污染程度，为日后环境影响评价以及土壤重金属污染防治工作，提供 了初步的科学依据，本次研究结论如下： 1 在单因子重金属污染条件下，土壤中重金属p b 对脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶活 性等三种酶都表现为极显著的抑制作用；z n 对过氧化氢酶、多酚氧化酶活性表现为极 显著的抑制作用，对脲酶表现为显著的抑制作用；c d 对过氧化氢酶、脲酶、活性有极 显著的抑制作用，对磷酸酶、多酚氧化酶有显著的抑制作用，因此，可以选择相应土壤 酶作为单因子重金属污染程度指标。 2 在重金属复合污染条件下，土壤中p b 、c d 与过氧化氢酶活性的相关性达到极显 著水平，p b 、z n 、c d 含量与脲酶活性呈极显著相关，p b 的含量与磷酸酶活性为极显 著相关，土壤中c d 的含量与磷酸酶活性为显著相关，p b 、c d 的含量与多酚氧化酶活性 为极显著相关，通过相关关系的显著性确定上述土壤酶作为相应重金属的评价指标。 3 单独一种土壤酶一般情况下只能作为土壤重金属复合污染的一个概况的评价，而 不能作为复合污染中各个重金属污染程度的评价指标，因此，可以通过试验研究，得出 多种重金属和其他土壤酶活性之间的相关关系，形成一个土壤酶活性对土壤重金属复合 污染的评价体系，既可以反应土壤重金属的复合效应，又能反应土壤重金属的含量，对 于评价土壤重金属污染有一定的可行性。 4 在生菜生长期，较低土壤重金属含量情况下，比较生菜重金属含量与土壤重金属 含量拟合方程斜率，p b 、z n 、c d 分别为0 4 9 5 、0 2 8 7 、0 5 0 2 ，说明在土壤重金属含量 较低情况下，对所研究的重金属吸收速度为z n p b c d 。在较高土壤重金属含量情况下， 比较生菜重金属含量与土壤重金属含量拟合方程斜率，p b 、z n 、c d 分别为0 6 6 2 、0 9 0 1 、 1 8 0 8 ，说明在土壤重金属较高情况下，生菜对所研究重金属的吸收速度为p b p b 。 6 复合污染条件下，只有土壤中c d 的含量与生菜可食部z n 含量相关关系达到了显 著以上水平，c d 的p 值为0 0 0 4 ，重金属c d 对生菜可食部z n 含量的影响系数是负值， 说明土壤中c d 的存在抑制了生菜可食部z n 含量的增加。 7 通过重金属对生菜毒理表征的研究发现，生菜对不同重金属富集后，产生的毒害 作用有着各自的特点，因此，可以利用生菜的毒理特征作为土壤重金属灾害的指示特征， 来及时判断受污土壤中含有的重金属种类及大致含有量。 关键词：土壤污染；生菜；土壤酶；重金属 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：s t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fs o i le n z y m ea c t i v i t ya n dl e t t u c e e n r i c h m e n tc a p a c i t yt oc o m p o u n dh e a v ym e t a l s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e：l i uq i i n s t r u c t o r ：j i ar u i y u a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t ur e ) 胁敛 t h i sp a p e rw i l la n a l y z et h el a wo fc h a n g ea n dm e c h a n i s mo fa c t i o na b s o r p t i o na n d a c c u m u l a t i o no fs o i le n z y m ea c t i v i t ya n dl e t t u c et oh e a v ym e t a lb yt h ei n f l u e n c eo fb o t h s i n g l e f a c t o ra n dc o m p o s i t ef a c t o rt h r o u g ht h eo u t d o o rp o te x p e r i m e n to fa d d i n ge x o g e n o u s h e a v ym e t a li nt h es o i l a n ds h o w t h ev a r i a t i o nt e n d e n c yo ft h e md i r e c t l yb yi n t u i t i v ec h a r t s 1 1 1 ed e g r e eo fh e a v ym e t a lp o l l u t i o nc a nb ep r e d i c t e da n de v a l u a t e df a s ta n da c c u r a t e l yb yt h e i n h i b i t i o ne f f e c td e g r e eo ft h es o i le n z y m ea c t i v i t i e s ，w h i c hw i l lb et h es c i e n t i f i cb a s i so ft h e p r e v e n t i o na n d c u r et a s ko nh e a v ym e t a lp o l l u t i o na n dt h ee v a l u a t i o no ne f f e c to fe n v i r o n m e n t l a t e r ，t h ec o n c l u s i o no ft h es t u d ya r e a sf o l l o w s ： 1 i nt h ee n v i r o n m e n to fs i n g l e - f a c t o rh e a v y - m e t a lp o l l u t i o n ，h e a v ym e t a l sp bi nt h es o i l p l a y sa ns i g n i f i c a n c er o l e o nt h et h r e ee n z y m e si n c l u d i n gu r e a s e ，p h o s p h a t a s ep o l y p h e n o l o x i d a s ea c t i v i t yw i t he x t r e m e l ys i g n i f i c a n c el e v e l ；z nc a nb e t t e ri n h i b i tc a t a l a s e ，p o l y p h e n o l o x i d a s ea c t i v i t yw i me x t r e m e l ys i g n i f i c a n c el e v e l ，i n h i b i tu r e a s ea c t i v i t yw i t hs i g n i f i c a n c e l e v e l ；c dc a l li n h i b i tc a t a l a s e ，u r e a s ea c t i v i t yw i t he x t r e m e l ys i g n i f i c a n c el e v e l ，a n di n h i b i t p h o s p h a t a s e ，p o l y p h e n o lo x i d a s ea c t i v i t y w i t h s i g n i f i c a n c e l e v e l w ec a ns e l e c tt h e a p p r o p r i a t es o i le n z y m e si n h i b i t i o na sas i n g l ef a c t o ro fh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni n d i c a t o r s t h r o u g ht h ei n h i b i t i o nr a t eo ft h e s eh e a v em e t a lt h a ta r er e l a t e da b o v e 2 i nt h ee n v i r o n m e n to fn oh e a v em e t a lm u l t i p l ep o l l u t i o n ，t h er e l e v a n c ea m o n gp b ，c d a n dc a t a l a s ea c t i v i t yi nt h es o i lw i l lr e a c hae x t r e m e l ys i g n i f i c a n c el e v e l ；t h er e l e v a n c ea m o n g p b ，z n ，c dc o n c e n t r a t i o na n du r e a s ea c t i v i t yw i l lr e a c hae x t r e m e l ys i g n i f i c a n c el e v e l ；t h e r e l e v a n c eb e t w e e np bc o n t e n ta n dp h o s p h a t a s ea c t i v i t yi nt h es o i lw i l lr e a c hae x t r e m e l y s i g n i f i c a n c el e v e l ；t h er e l e v a n c eb e t w e e nc dc o n t e n ta n dp h o s p h a t a s ea c t i v i t yw i l lr e a c ha e x t r e m e l ys i g n i f i c a n c el e v e l ；t h er e l e v a n c ea m o n gp b ，c dc o n t e n ta n dp o l y p h e n o lo x i d a s e a c t i v i t yw i l lr e a c hae x t r e m e l ys i g n i f i c a n c el e v e l w ec a nd e t e r m i n et h es o i le n z y m e sr e l a t e d a b o v ea st h ee v a l u a t i n gn o r mo f h e a v ym e t a l 3 i ng e n e r a lc a s e ，as e p a r a t es o i le n z y m e sc a no n l yb eo n es u m m a r ye v a l u a t i o no fh e a v e m e t a lp o l l u t i o ni nt h es o i l ，n o tt h ee v a l u a t i n gn o r mo nt h ep o l l u t i o nd e g r e eo fe v e r yh e a v y m e t a li n m u l t i p l ep o l l u t i o n t h e r e f o r e ，t h r o u g he x p e r i m e n t ，w e c a ng e tt h er e l e v a n t r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e v e r a lh e a v ym e t a l sa n do t h e rs o i le n z y m ea c t i v i t ya n df o r mah e a v y m e t a lm u l t i p l ep o l l u t i o ne v a l u a t i n gs y s t e mt os o i le n z y m ea c t i v i t y a l lt h e s ec a nn o to n l y r e f l e c tt h ec o m p l e xe f f e c to fh e a v ym e t a li nt h es o i l ，b u ta l s or e s p o n s et h ec o n t e n t so fh e a v y m e t a li nt h es o i l ，w h i c hh a sac e r t a i nf e a s i b i l i t yt oe v a l u a t eh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni nt h es o i l 4 i nt h ec a s eo fl o wq u a n t i t yc o n t e n t so fh e a v ym e t a li nt h es o i li ng r o w i n gp e r i o do f v e g e t a b l e s i fw ec o m p a r et h ef i t t i n ge q u a t i o no fh e a v ym e t a lc o n t e n to fl e t t u c ew i t hs o i l h e a v ym e t a lc o n t e n to ft h es l o p e ，p b ，z n ，c da r e0 4 9 5 ，0 2 8 7 ，0 5 0 2 ，w h i c hi l l u s t r a t e si nt h e c a s eo fl o wq u a n t i t yc o n t e n t so fh e a v ym e t a li nt h es o i l ，t h ea b s o r b i n gr a t e so ft h e s et h r e e h e a v ym e t a l sa r ez n p b c d i nt h ec a s eo fh i g hq u a n t i t yc o n t e n t so fh e a v ym e t a li nt h es o i l ， i fw ec o m p a r et h ef i t t i n ge q u a t i o no fh e a v ym e t a lc o n t e n to fl e t t u c ew i t hi l h e a v ym e t a l c o n t e n to ft h es l o p e ，p b ，z n ，c da r e0 6 6 2 ，0 9 01 ，1 8 0 8 ，w h i c hi l l u s t r a t e si nt h ec a s eo fh i g h q u a n t i t yc o n t e n t so fh e a v ym e t a li nt h es o i l ，t h ea b s o r b i n gr a t e so ft h e s et h r e eh e a v ym e t a l s a r ep b p bi nt h es c o p eo fe x p e r i e n c e 6 i nt h ec o m p l e xp o l l u t i o nc i r c u m s t a n c e ，o n l yt h er e l e v a n tr e l a t i o n s h i po fc o n t e n t so fc d i nt h es o i la n dt h ec o n t e n t so fz ni nt h ee d i b l ep a r to fl e t t u c er e a c h e st h es i g n i f i c a n c el e v e l w i t ht h ep v a l u eo f0 0 0 4 ，w h i l et h ec di n f l u e n c ei n d e xt ot h ec o n t e n t so fz ni nt h ee d i b l ep a r t o fl e t t u c ei sn e g a t i v e i ti l l u s t r a t e st h a te x i s t i n go fc ds u p p r e s s e st h ei n c r e a s eo ft h ec o n t e n t s o fz ni nt h ee d i b l ep a r to fl e t t u c e 7 w ef i n dt h a tt h et o x i ca c t i o nb yt h ee n r i c h m e n to fd i f f e r e n th e a v ym e t a l sh a v e i n d i v i d u a lc h a r a c t e r i s t i c st h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h eh e a v ym e t a lt o x i ct o k e n t h e r e f o r e ，w e c a nd e t e r m i n et h et y p e sa n dc o n t e n t so fh e a v ym e t a li nt h ep o l l u t e ds o i lo nt i m eb y u s i n gt h e t o x i cc h a r a c t e r i s t i c so fl e t t u c ea st h ei n d i c a t i n gf e a t u r eo ft h eh e a v ym e t a ld i s a s t e ri nt h es o i l k e yw o r d s ：s o i lp o l l u t i o n l e t t u c es o i le n z y m e h e a v ym e t a l t h e s i s：m e c h a n i s ms t u d y 要科技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究丁作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 躲啪眺一严叫 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 舭训南燃乏拳篙日 i 绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 1 绪论 土壤作为一种人类赖以生存的自然资源，其重要性是不言而喻的。土壤作为作物的 载体，其环境质量直接影响了农产品安全，进而影响到人类身体健康。但是另一方面， 土壤的污染又具有隐蔽性( 潜伏性) 、不可逆性、长期性和后果严重等诸多特点，因此 土壤污染较大气污染或水环境污染形式更加严峻，一旦土壤遭受大面积的污染，后果往 往是灾难性的，仅仅依靠切断污染源的方法则往往很难恢复，有时要靠换土、淋洗土壤 等方法才能解决问题，其他治理技术可能见效较慢。因此，治理污染土壤通常成本较高、 治理周期较长。 鉴于土壤污染难于治理，而土壤污染问题的产生又具有明显的隐蔽性 和滞后性等特点，因此土壤污染问题一般都不太容易受到重视【1 七】。 依据有关资料公布，我国土壤污染己非常严重，目前全国受污染的耕地约有1 5 亿 亩，污水灌溉污染耕地3 2 5 0 万亩，固体废弃物堆存占地和毁田2 0 0 万亩，合计约占耕 地总面积的1 1 0 以上，其中多数集中在经济较发达的地区。土壤污染危害巨大，据估算， 全国每年因重金属污染的粮食达1 2 0 0 力吨，造成的直接经济损失超过2 0 0 亿元。土壤 污染造成有害物质在农作物中积累，并通过食物链进入人体，引发各种疾病，最终危害 人体健康。土壤污染直接影响土壤生态系统的结构和功能，最终将对生态安全构成威胁 h 5 】。土壤污染防治基础薄弱。目前，全国土壤污染的面积、分布和程度不清，导致防 治措施缺乏针对性；防治土壤污染的法律还是空白，土壤环境标准体系也未形成；资金 投入有限，土壤科学研究难以深入进行；另外，人们对土壤污染的严重性和危害性缺乏 认识，没有危机感和紧迫感1 6 喵j 。 土壤污染物有下列4 类：化学污染物，包括无机污染物和有机污染物。前者如汞、 镉、铅、砷等重金属，过量的氮、磷植物营养元素以及氧化物和硫化物等：后者如各种化 学农药、石油及其裂解产物，以及其他各类有机合成产物等。物理污染物，指来自工厂、 矿山的固体废弃物如尾矿、废石、粉煤灰和工业垃圾等。生物污染物，指带有各种病 菌的城市垃圾和由卫生设施( 包括医院) 排出的废水、废物以及厩肥等。放射性污染 物，主要存在于核原料开采和大气层核爆炸地区，以锶和铯等在土壤中生存期长的放射 性元素为主【9 - 1 1 1 。 其中，化学污染中的重金属污染已尤为突出。重金属系指密度4 0 以上约6 0 种元素 或密度在5 o 以上的4 5 种元素。砷、硒是非金属，但是它的毒性及某些性质与重金属相 西安科技大学硕士学位论文 似，所以将砷、硒列入重金属污染物范围内。环境污染方面所指的重金属主要是指生物 毒性显著的汞、镉、铅、铬以及类金属砷，还包括具有毒性的重金属铅、锌、铜、钴、 镍、锡、钒等污染物【1 2 , 1 3 1 。 随着全球经济化的迅速发展，含重金属的污染物通过各种途径进入土壤，造成土壤 严重污染。土壤重金属污染可影响农作物产量和质量的下降，并可通过食物链危害人类 的健康，也可以导致大气和水环境质量的进一步恶化。因此引起世界各国的广泛重视。 目前，世界各国土壤存在不同程度的重金属污染，全世界平均每年排放h g 约1 5 万t 、 c u 为3 4 0 万t 、p b 为5 0 0 万t 、m n 为1 5 0 0 万t 、n i 为1 0 0 力t l j 和川。 而随着我国工农业的迅速发展，大量含有重金属的废水，废渣通过各种途径污染农 田。由于其在土壤植物系统中产生污染的过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特 点，所以当重金属通过在土壤植物中迁移转化，经过食物链的积累和放大作用，将 对生物产生更大毒害。中国北方大城市的蔬菜基地和部分商品粮基地也存在着不同程度 的重金属污染，如北京、天津、西安、沈阳、济南、长春、郑州等地。南方相对较轻， 如福州、宁波、上海、武汉、成都等地。土壤重会属污染将会造成生态系统的严重破坏。 从中国土壤资源状况看，到2 0 0 0 年底中国人均耕地仅为o 1h m 2 ，而且随着今后中国经 济社会的发展如生态退耕、农业结构调整及自然灾害损毁等，土壤资源将进一步减少。 因此，如何有效地控制及治理土壤重金属的污染，改良土壤质量，将成为生态环境保护工 作中十分重要的一项内容【1 睨1 1 。 1 1 2 研究意义 我国的土壤污染典型地区的调查结果表明，我国的土壤污染问题已经相当严重，并 且对水环境质量和农产品质量构成明显的威胁。但是目前对土壤污染问题并没有象大气 污染和水污染那样重视。近年来，我国在“三废 处理、污灌控制、低毒新农药应用等 方面做出了显著的成绩，但是预期在近期内土壤污染问题，尤其是在城郊和乡镇企业密 集区和化肥、农药用量较大的地区仍将呈逐渐加重的趋势。因此，国家和有关管理部门 对土壤污染问题严重性和治理工作的紧迫性就显得尤为重要【2 2 。2 3 】。 西安市是陕西省政治、经济、文化中心，也是陕西省省会所在地。全市面积9 9 8 3h m 2 ， 人口7 4 1 1 万。2 0 0 6 年，全市蔬菜播种面积7 8 9 2 万亩，在农作物总播种面积中占到了 1 0 5 ，比1 9 9 6 年提高了3 4 个百分点：蔬菜产值2 5 0 6 亿元，占农林牧渔业总产值的 2 2 ，比1 9 9 6 年增加6 2 个百分点；蔬菜产量2 0 8 3 9 万吨，较1 9 9 6 年的1 3 8 0 1 万吨增 长5 1 o ，年均递增4 2 ，虽然西安市的蔬菜播种面积、产量和消费量都稳步上升， 但2 0 0 6 年无公害蔬菜只占1 0 。西安市蔬菜污染问题严重，其中重金属、硝酸盐和农药 的污染最为突出。西安市是陕西省蔬菜重金属污染最为严重的地区，超标率已达到1 0 7 ， 其中p b 超标率达7 5 t 2 4 j 。 2 1 绪论 0 4 5 0 4 o 3 5 0 3 0 2 5 0 2 0 1 5 0 1 0 0 5 o 西安成阳宝鸡汉中渭南铜川 图1 1 ：陕西六大城市p b 含量( m g k g ) 对比 由图1 1 可以看出，在陕西六大城市p b 含量对比中，西安市的土壤p b 含量已经超 过0 4 m g k g ，远超过其他5 城市，在西安蔬菜产量稳步提高的背景下，提高蔬菜质量问 题已刻不容缓【2 础0 。 土壤受重金属污染指标研究方面，国内外学者先后提出采用土壤重金属的总量、有效 量指标及综合指标、生物指标等来表征和预报土壤污染水平，尽管它们在一定限度内可 反映土壤的污染程度，但仍存在结果可比性较差、操作技能和设备条件要求较高等缺陷。 较难推广应用，尤其在多种重金属同时存在的条件下，土壤酶活性指标变化规律不易得 出，复合重金属对土壤酶活性指标的影响在我国研究的相关领域处于起步阶段，相关基 础科学数据较少。因此可以看出土壤酶活性指标研究在国内应该向着结果科学，操作简 便，设备简单继续发展 2 7 - 2 9 】。本文正是基于国内土壤酶指标发展方向及理念，对多种重 金属复合污染的条件下土壤酶活性变化进行基础性试验研究，得出科学数据，分析影响 因素及机理总结试验结果，为将来的科学试验和农业生产提供基础研究资料。土壤重金 属复合污染对土壤酶活性产生的影响进行深入研究，最终结果可以直观的表现出在不同 浓度重金属复合污染的条件下土壤酶活性变化，由土壤酶活性受影响程度，快速、可靠 地预测和评价土壤中重金属的污染，为日后的环境影响评价以及土壤重金属复合污染防 治提供了初步的科学依据。 1 2 国内外研究的进展 1 2 1 土壤酶研究历史及发展现状 土壤酶是指在土壤中能催化土壤生物化学反应的一类蛋白。土壤酶来源于土壤微生 物和植物根系，也来自土壤动物和进入土壤的动、植物残体。土壤酶是土壤的重要组分 之一，数量少，作用大。土壤酶参与完成了土壤中生物化学过程，其活性反映了土壤生 3 西安科技大学硕士学位论文 物化学过程的方向和强度【3 0 。3 3 】。土壤酶按存在状态分为胞内酶和胞外酶，本论文涉及的 酶均属胞外酶。 w o o d s1 8 9 8 年首次从土壤中检测出酶活性。土壤酶学早期主要是运用微生物学研究 材料和方法，探讨土壤酶与土壤微生物的关系1 3 引。2 0 世纪5 0 年代以后，生物化学、分 子生物学等学科在理论和技术上的发展，极大地推动了土壤酶学的研究，研究重点转向 土壤酶检测手段的改进、土壤酶的来源和性质、土壤酶活性与土壤状况的相互关系以及 土壤活性与土壤肥力因子的关系方面，到8 0 年代中期，土壤酶学的理论和体系逐渐完 善。到8 0 年代后期至今，土壤酶的检测技术、土壤酶活性对干扰的响应和土壤酶功能 重要性等方面的研究成为研究者感兴趣的研究内容1 3 5 。 我国对土壤酶的研究始于2 0 世纪6 0 年代初期，主要研究土壤酶与土壤微生物的关 系、耕作技术对土壤酶的影响及土壤酶与植物生长的关系，仅发表少量研究报告。从1 9 7 0 年开始，土壤酶研究涉及的土壤有白浆土、黑土、棕壤、褐土、栗钙土、黑垆土、灰钙 土、潮土、黄棕壤、红壤、黄壤、紫色土、石灰岩土和水稻土等十几种土壤，研究内容 既联系微生物性质研究土壤酶活性，也特别注意研究一些土壤积累酶的特性，探讨了土 壤酶与其它肥力因素的关系，同时用土壤酶评价农业管理措施的效果，鉴别土壤类型和 肥力水平 3 6 , 3 7 】。酶分为水解酶、裂解酶、氧化还原酶、转移酶、异构酶和连接酶六大类； 脲酶和磷酸酶属水解酶类，过氧化氢酶和多酚氧化酶属氧化还原酶类。2 0 世纪8 0 年代 中期以后，随着环境科学的发展，土壤酶对废水、废物的降解作用受到普遍关注，金属 元素对土壤酶的影响也备受生态学家的重视。 1 2 2 重金属对土壤酶活性的影响 关于土壤酶学在环境科学研究中的应用，并以土壤酶活性作为重金属污染程度预测 评价指标是最近才为人注目的课题。目前已有人发现用脲酶、过氧化氢酶活性可作为判 断土壤中全量c d 、p b 污染程度的主要生化指标。p e r e g 等的试验表明，a g 、h g 能强烈 抑制土壤氧化还原酶活性，且其毒性具有累加作用，不同酶活性在重金属临界浓度范围 内其抑制率为：脲酶 碱性磷酸酶 蛋白酶。重金属对土壤酶活性的抑制作用随重金属浓 度的增大而增强，且随着h g c d p b 的顺序减弱。s i o c n i s t t 发现瑞典北部土壤酸性磷 酸酶及脱氢酶活性对c d ，z n 污染最敏感。有研究表明，低浓度的p b 、c d 对脲酶有一 定的刺激作用，但随着其添加量的增加，脉酶活性呈现降低趋势。t y l e r 还研究了c d + z n 复合污染对脲酶、酸性磷酸酶的重要影响【3 8 , 3 9 l 。 重金属与土壤酶活性的关系会受到土壤质地的影响。有机质和粘粒质量分数越高， 吸附能力就越强，重金属的生物毒性就越弱，即有机质和粘粒对重金属的缓冲作用就越 强。f r a n k e n h e r g e r 的试验表明，砂质土壤的酶活性受重金属的抑制作用比粘质土壤更强 烈【4 0 ，4 1 1 。 4 1 绪论 1 2 3 土壤酶研究手段的进展 土壤酶检测技术的创新是土壤酶学得以发展的前提和基础。早期的土壤酶研究主要 是运用微生物学研究材料和方法，2 0 世纪5 0 年代以后，滴定、比色法等广泛用于土壤 酶的测赳4 2 , 4 3 1 。近年来，由于生物化学、分子生物学技术的飞速发展，土壤酶的检测技 术也取得了长足的进展。透射电子显微镜技术( t r a n m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 用于 研究土壤酶对枯落物的分解作用及过程，观测叶肉组织超微结构变化的同时可以定位研 究胞内酶活性的变化。荧光微型板酶检测技术( m i c r o p l a t ef l u o r i m e t r i ca u s s a y ) 被广泛用来 研究土壤酶多样性及其功能多样性。土壤酶活性测试盒( s o i le n z y m ea c t i v i t yt e s tk i t ) 在土 壤酶野外快速测定上具有极好的应用前景。凝胶电泳( e l e c t r o p h o r e s i s ) 不仅可以测定胞内 酶活性，分析同工酶的差异，并可用于某些酶的分类。另外，超声波降解法超速离心技 术和高压液相色谱( h p l c ) 等也应用于土壤酶活性的测定畔舶】。在与动植物、微生物相结 合的研究领域，p c r 、r a p d 、r f l p 等以被广泛应用于探讨土壤生物多样性与土壤酶的 关系、土壤酶的分子特征及土壤酶的合成和利用等方面；在研究土壤酶对物质循环的作 用和土壤酶的来源等方面已开始采用同位素示踪技术【4 7 】。对于土壤酶活性的检测中设计 的土样保存、p h 、缓冲剂以及抑制剂的使用等方面均进行了有效的研究。将分子生物学 技术用于土壤酶的研究是未来土壤酶研究的重要方向之一，对于探讨土壤酶来源及功能 本质有很大帮助。 1 3 研究思路和内容 1 3 1 研究思路 土壤酶学研究在环境科学中的应用是近期才出现的新课题。目前国内外对此有过一 些研究，大部分只限于单一重金属元素对土壤酶活性影响的研究；而实际上，土壤污染 通常是多元素的复合污染。由于我国工农业迅速发展，污水灌溉、农药化肥的大量施用， 加剧了复合污染的进程，特别是重金属复合污染以显得尤为突出，而且有持续加剧的特 征。 另外，据相关资料报告，对西安市郊9 种蔬菜5 0 个样本的可食部重金属含量的检 测，探明了蔬菜中各种重金属的含量及分布特征，结果表明p b 是西安市郊蔬菜的主要 污染重金属，在检测的9 种蔬菜中，p b 的超标率为4 8 0 ，最高超标6 9 1 倍，c d 也 在多种蔬菜中含量超标，超标率为2 o ，最高超标1 3 2 倍，而随着我省橡胶、合金、 电池、电镀、漂白等工业发展，z n 也成为西安市及周边潜在污染物。因此本次研究重 金属选择西安市郊土壤中较为典型的p b 、z n 、c d 三种重金属【4 8 】。 铅一种柔软略带灰白色的重金属，熔点为3 2 7 ，沸点为5 2 5 。加热到4 0 0 5 0 0 5 西安科技大学硕士学位论文 时即有大量铅蒸汽逸出，在空气中迅速氧化，冷凝成铅烟。铅的氧化物多以粉末状态 存在，它在酸性条件下溶解度升高。汽油中添加的抗暴剂烷基铅会随汽车尾气污染公路 两侧l o o m 范围内的土壤。另外，铅冶炼厂、铅字印刷厂、铅采矿场等也是重要的污染 源。长期接触铅及其化合物会导致心悸，易激动，血象红细胞增多。铅侵犯神经系统后， 出现失眠、多梦、记忆减退、疲乏，进而发展为狂躁、失明、神志模糊、昏迷，最后因 脑血管缺氧而死亡。血铅水平往往要高于2 1 6 微摩尔升时，才会出现临床症状，因此 许多儿章体内血铅水平虽然偏高，但却没有特别的不适，轻度智力或行为上的改变也难 以被家长或医生发现。 锌一种蓝白色金属，密度为7 1 4 9 m 3 ，熔点为4 1 9 5 室温下，质地较脆；1 0 0 1 5 0 时，变软：超过2 0 0 后，又变脆。锌的化学性质活泼，在常温空气中，表面生着一层 薄而致密的碱式碳酸锌膜，可阻止进一步氧化；当温度达到2 2 5 时，锌氧化激烈；燃烧 时，发出蓝绿色火焰。锌易溶于酸，也易从溶液中置换金、银、铜等。在自然界中，多 以硫化物状态存在。锌常用在铸件、油漆工业中，橡胶和塑料工业中常应用氧化锌做填 料。污染环境的锌主要是各工业生产部门排出的含锌废水。锌中毒可能发生于治疗中过 量涂布或服用锌剂及锌容器储存食品时，中毒的表征和体片为恶心、呕吐、急性腹痛、 腹泻和发热。给试验动物以大剂量的锌，可产生贫血、生长停滞和突然死亡。锌中毒通 常在停止锌的接触或摄入后，症状短期内即可消失。 镉一种微蓝色的银白色金属，熔点为3 2 1 1 ，沸点为7 6 5 ，溶于酸，不溶于碱。 镉是金属污染中常见的元素，自然环境中主要以二价形式存在，大致可分为水溶性镉、 吸附性镉和难溶性镉。镉的污染途径有采矿、冶炼、燃煤、镀锅工业、化学工业、肥料 制造、垃圾焚化处理、冶金厂废渣等。工业化程度越高的地区，土壤重金属含量越高。 镉会对呼吸道产生刺激，长期暴露会造成嗅觉丧失症、牙龈黄斑或渐成黄圈，镉化合物 不易被肠道吸收，但可经呼吸被体内吸收，积存于肝或肾脏造成危害，尤以对肾脏损害 最为明显。还可导致骨质疏松和软化j 。 重金属一般先通过各种途径进入土壤并积累造成土壤污染，然后通过根系的吸收富 集重金属进入蔬菜，大气中气态重金属元素也可通过叶片直接进入蔬菜。不同种类蔬菜 对重金属的吸收富集能力不同。总体来看，蔬菜对重余属的富集以菠菜、芹菜、油菜、韭 菜和白菜为最高；莴笋、马铃薯、萝卜、蕃茄和洋葱次之；黄瓜、椰菜花和冬瓜最低。 本次研究选择对p b 、z n 、c d 三种重金属富集较高，叶绿素含量大，北方常见的典型叶 菜类蔬菜生菜作为试验对象。 本次研究采用室外盆栽试验，生菜生长期为4 5 d ，取土壤样品测定过氧化氢酶、脲 酶、磷酸酶和多酚氧化酶的活性，同时段测定蔬菜中重金属的含量；对重金属复合污染 采用三因子五水平设计方案。 6 1 绪论 1 3 2 技术路线 7 西安科技大学硕士学位论文 1 3 3 研究内容 本论文主要从四个方面进行研究： 重金属铅、锌、镉对土壤酶活性影响； 重金属铅、锌、镉复合污染对土壤酶活性影响； 生菜对土壤中重金属铅、锌、镉的富集吸收； 铅、锌、镉复合污染下生菜对重金属的富集吸收。 8 2 重金属铅、锌、镉对土壤酶活性的影响 2 重金属铅、锌、镉对土壤酶活性的影响 本研究在重金属p b 、z n 、c d 单因子影响下，土壤酶活性的变化情况，通过加入外 源重金属p b 、z n 、c d 达到试验预设土壤重金属浓度值。采用室外盆栽试验，土壤重金 属p b 、z n 、c d 在不同浓度下，测定土壤中过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶的 活性。较为系统地研究了单因子重金属对土壤酶影响程度之间的定量关系，利用土壤酶 活性变化可以监测及评价工业污染区、矿物采集区、污灌区的土壤重金属污染状况，并 且可以作为重金属污染土壤修复的生物活性指标。 2 1 材料与方法 2 1 1 供试材料 供试土壤为菜园土，采自西安市南郊东杨万村蔬菜基地。采集0 - 2 0 c m 表层土壤， 风干、弃去沙石和植物残体，再过2 0 目筛，备用土壤的基本理化性质见下表2 1 。 表2 1 供试土壤的理化性质 蔬菜种子由以下单位提供，美国大速生菜：由青县现代农业技术推广中心提供，执行 标准g b l 6 7 1 5 5 1 9 9 9 ，生产许可证：农种生许字( 2 0 0 4 ) 第0 0 1 2 号。 土壤中添加的重金属试剂为： 乙酸铅分子式p b ( c h 3 c o o ) 2 3 h 2 0 ，分子量3 7 9 3 3 ，分析纯，上海试剂四厂； 乙酸锌分子式z n ( c h 3 c o o ) 2 2 h e o ，分子量2 1 9 5 0 ，分析纯，天津市耀华化学 试剂有限责任公司； 硝酸镉分子式c d ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 ，分子量3 0 8 4 8 ，分析纯，天津市苏庄化学试剂 厂。 9 耋耋釜查兰叠：耋竺兰耋 瑟：嚣! ：一 零霉：带、芝譬 | 菇爹f 誉j 渤 聱球 舞黛孓：l 蕊镳毫 黼 羹。1 。0 裂 筵窭每彩蠹0 ， 。 ? “：。a o 。搿 。0 媾 2 1 2 试验设计 图2 1 采样现场 衰2 2 土壤样品重金属含量水平 挂：c k 旷1 25 8 3 ，c k 办- - 2 5 5 7 ，c k t 户0 2 4 0 本试验共涉及铅、锌、镉三个因子，每个因子分五个水平，水平设置 s o l 如表2 2 。 根据以上数据进行计算分别称取乙酸铅o g 、0 6 9 3 9 、1 3 8 6 9 、20 7 9 8 、27 7 2 9 放入烧杯， 加入去离子水溶解，依次加入盆p b 舯p b l 、p b 2 、p b 3 、p b 4 ；分别称取乙酸锌o g 、o 9 9 8 9 、 2 0 0 9 9 ，3 0 2 0 9 、40 3 1 9 依次加入盆西h 、z n l 、z n 2 、五3 、z l l 4 ；分别称取硝酸铺o g 、 0 0 8 3 9 、0 1 2 5 9 、0 1 6 6 9 、0 , 2 0 2 9 依次加入盆c d 、c d l 、c d 2 、c 山、c 0 4 。每组分别做 一组相应平行样，陈化一周，并且保持土壤含水量为田间的6 0 。 ! 兰耋量竺：兰：兰：圭釜竺兰兰兰兰望 救黼幽甏基 一一一 ；：， 霸捌圈，硼- _ _ _ 删霹_ 一 图2 2 试验基地现场 2 1 3 测试方法 在生菜采摘期，取土壤样品，对样品进行预处理，依照土壤酶测定方法测定土壤过 氧化氢酶、腺酶、磷酸酶、多酚氧化酶活性。 土壤酶活性的测定削： ( 一) 过氧化氢酶( c a m l a s e ) 活性的测定 采用高锰酸钾滴定法： 方法原理本法是基于用高锰酸钾滴定酶促反应前后，过氧化氲的量，由二者之 间的差求出分解h 2 0 2 的量，以此来表示酶的活性。 2 k m n 0 4 + 5 h 2 0 2 + 3 h 2 8 0 4 = 2 m n s 0 4 + k 2 s 0 4 + 8 h 2 0 + 5 0 2 试剂配制 l 酶促反应试剂：( 1 ) 3 h 2 0 2 磷酸缓冲液：0 l m o f ln a 2 h p 0 4 1 75 m l + 0 1 m o f l k 2 h i ? 0