（环境工程专业论文）洱海水体及沉积物酶活性的时空变化及其影响因素的研究.pdf

摘要 摘要 微生物能够合成分泌胞外酶将环境中的高分子量颗粒态的有机物质催化降 解为能被其直接吸收利用的低分子量的溶解态物质。在水生生态系统中，酶的 催化降解作用被认为是有机质降解和矿化的初始步骤，并且是限制性步骤。对 于沉积物酶活性的研究，有助于进一步了解沉积物的生物地球化学过程。本研 究以洱海水体及沉积物为研究对象，旨在揭示环境理化因子对洱海水体及沉积 物酶活性的影响机制，以期为洱海富营养化的治理提供理论依据： 论文主要结论如下： ( 1 ) 洱海沉积物中转化酶、多酚氧化酶、过氧化物酶、蛋白酶、脲酶、碱 性磷酸酶的活性呈明显的季节变化，并且他们的季节变化规律相似，即秋季( 1 1 月份) 冬季( 2 月份) 春季( 5 月份) 夏季( 8 月份) 。沉积物酶活性的季节 变化主要受温度的控制，并且水体中藻类生长过程中产生的分泌物及外源营养 物质向沉积物的输入都对酶活性的季节变化有重要的影响； ( 2 ) 沉积物酶活性的空间分布呈现明显的差异，并且沉积物六种酶的空间 分布规律都非常相似，通常洱海北部e h 2 、e h 4 的酶活性最高，南部湖心平台 的e h 8 、e h 9 次之，湖中部的e h 5 、e h 6 的酶活性最低。其次，沉积物酶活性 与沉积物的理化性质关系密切。其中，转化酶、多酚氧化酶、过氧化物酶与沉 积物蹦( o m ) 呈极显著相关关系；蛋白酶、脲酶与沉积物o j ( t n ) 呈极显著 相关关系；碱性磷酸酶与沉积物搿( t p ) 和( o p ) 没有明显的相关关系，而 与有机磷占总磷的质量分数( o p ) o ( t p ) 呈现极显著正相关关系。沉积物 的营养状况对沉积物酶活性的空间分布有着重要的影响，同时沉积物的酶活性 可以作为一个有效的指示因子来指示沉积物受到的污染状况； ( 3 ) 洱海沉积物中的六种酶的活性都与水体中的t n 、c o d m n 呈显著的相 关关系，这说明了沉积物的酶活性对沉积物营养物质的内源释放有着一定的贡 献，较高的酶活性可能会加剧内源营养的释放过程； ( 4 ) 洱海水体中的碱性磷酸酶活性呈现明显的季节变化，碱性磷酸酶的活 性呈先下降后上升的趋势。其中5 月份活性最高为4 0 1 8g m o l l h - 1 , 9 月份最低 为1 2 3 0l a m 0 1 lh 。藻类碱性磷酸酶是水体碱性磷酸酶的主要来源。水体中碱 性磷酸酶的活性受到水体正磷酸盐浓度调控：当水体中的正磷酸盐含量较低的 摘要 时候，水体中的微生物和藻类就会大量的合成分泌碱性磷酸酶，以提高水体中 正磷酸盐的含量；当水体中的正磷酸盐的浓度过高时，碱性磷酸酶的活性就会 受到抑制； ( 5 ) 溶解态有机磷在藻类生长繁殖的过程中起着重要的作用，它是藻类的 主要磷源，在藻类水华爆发前藻类可以通过大量合成分泌碱性磷酸酶来水解水 体中的溶解态有机磷，与此同时藻类除了通过碱性磷酸酶的分解作用之外还会 通过其他途经利用水体中的溶解态有机磷； ( 6 ) 模拟实验上覆水中的碱性磷酸酶的活性呈现先上升后下降的变化趋 势，在p h 8 条件下表现出的活性最高，p h 6 条件次之，p i l l 0 条件下的活性最低。 微生物在不同p h 条件下的适应作用以及上覆水中的s r p 浓度是导致碱性磷酸 酶的活性在不同p h 条件下表现各异的主要原因；上覆水中的碱性磷酸酶在好氧 处理条件下的活性要高于厌氧处理下的活性，这说好氧条件下更有利于上覆水 中细菌的生长； ( 7 ) 模拟实验沉积物中碱性磷酸酶活性在p h 8 条件下的活性最高，p h 6 条 件次之，p i l l 0 条件下的活性最低。这与沉积物中微生物的群体组成有关；上覆 水的溶解氧状态对沉积物碱性磷酸酶活性的影响较小，除了p h 8 条件下厌氧处 理沉积物中的碱性磷酸酶活性要略高于好氧处理的活性以外，其余p h 条件下好 氧或厌氧处理下的碱性磷酸酶活性的几乎没有差别。 关键词：洱海：沉积物；酶活性；影响因素 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o b i a lc e l l sa r ea b l et os y n t h e s i sa n ds e c r e t i o ne x t r a c e l l u l a re n z y m e st o c a t a l y z e da n dh y d r o l y s i st h eh i g hm o l e c u l a rw e i g h tp a r t i c u l a t eo r g a n i cs u b s t a n c e s i n t ol o wm o l e c u l a rw e i g h to fd i s s o l v e ds u b s t a n c e s ，w h i c hc o u l db ed i r e c t l yu t i l i z e db y m i c r o b i a lc e l l s i na q u a t i ce c o s y s t e m s ，e n z y m a t i ca r et h r o u g ht ob et h ei n i t i a l ， r a t e - l i m i t i n gs t e po fd e c o m p o s i t i o na n d m i n e r a l i z a t i o no fo r g a n i cm a t t e r s t u d yo nt h e e x t r a c e l l u l a re n z y m ea c t i v i t yo fs e d i m e n ta c t i v i t yc o u l dh e l pu st of u r t h e ru n d e r s t a n d t h eb i o g e o c h e m i c a lp r o c e s s e so ft h es e d i m e n t i nt h i ss t u d y , t h ew a t e rc l o u m na n d s e d i m e n to ft h ee r h a il a k ea st h eo b j e c to ft h i sr e s e a r c h ，a i m st oa n a l y z et h ei m p a c to f t h ee n v i r o n m e n tf a c t o r s 、p h y s i c a la n dc h e m i c a lf a c t o r so nt h ee x t m c e l l u l a re n z y m e s a c t i v i t yo ft h ee r h a iw a t e rc o l u m na n ds e d i m e n t ，i no r d e rt op r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i s f o rt h et r e a t m e n to fe u t r o p h i c a t i o ni ne r h a il a k e ： t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h es e d i m e n to fe r h a il a k e ，i n v e r t a s e 、p o l y p h e n o lo x i d a s e 、p e r o x i d a s e 、 p r o t e a s e 、u r e a s e 、a l k a l i n ep h o s p h a t a s ea c t i v i t yw a s o fs i g n i f i c a n ts e a s o n a lv a r i a t i o n ， a n dt h e i rs e a s o n a lv a r i a t i o ni sv e r ys i m i l a r , t h eo r d e ra r ea u t u m n ( n o v e m b e r ) w i n t e r ( f e b r u a r y ) s p r i n g ( m a y ) s u m m e r ( a u g u s t ) t h es e a s o n a lv a r i a t i o no ft h es e d i m e n t e x t r a c e l l u l a re n z y m e sa c t i v i t ya r ec o n t r o l e db yt e m p e r a t u r e ，a n dt h ei n p u to fa l g a e s e c r e t i o n sa n dt h ea l l o c h t h o n o u sn u t r i e n t st ot h es e d i m e n th a v ea ni m p o r t a n t i n f l u e n c eo nt h ea c t i v i t yo ft h es e d i m e n te x t r a c e l l u l a re n z y m e sa c t i v i t y ； ( 2 ) t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h es e d i m e n te x t r a c e l l u l a re n z y m e sa c t i v i t ya r e s i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t ，t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h es i xe n z y m e sa r es i m i l a r , n o r m a l l y t h ee n z y m e sa c t i v i t yo fe h 2 、e h 4i st h eh i g h e s ti ne r h a il a k e ，f o l l o w e db ye h 8 、 e h 9i ns o u t h e r np l a t f o r mo ft h el a k e ，t h ee n z y m e sa c t i v i t yo fe h 5 、e h 6a r et h e l o w e s t a n dt h e ns e d i m e n te x t r a c e l l u l a re n z y m e sh a v eac l o s er e l a t i o n s h i pw i t h p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h es e d i m e n t s ，a m o n gt h e m ，i n v e r t a s e ，p o l y p h e n o l o x i d a s e ，p e r o x i d a s e w a s h i 曲l ys i g n i f i c a n t l y c o r r e l a t e dw i ms e d i m e n t ( o m ) ；p r o t e a s e ，u r e a s e ，w a sh i g h l ys i g n i f i c a n t l y c o r r e l a t e dw i t hs e d i m e n t ( t n ) ；a l k a l i n ep h o s p h a t a s ei s n oo b v i o u sc o r r e l a t e dw i t hs e d i m e n t s ( t p ) a n d 1 1 1 a b s t r a c t ( o p ) ，b u th i g h l ys i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e d 晰t l l ( o p ) o ( t p ) t h en u t r i t i o n a ls t a t u so ft h e s e d i m e n th a sa ni m p o r t a n ti m p a c to nt h ed i s t r i b u t i o no fs e d i m e n te x t r a c e l l u l a r e n z y m e sa c t i v i t y , s ot h ee n z y m ea c t i v i t yo ft h es e d i m e n t sc a nb eu s e da sav a l i d i n d i c a t o rf a c t o rt oi n d i c a t et h ed e g r e eo fp o l l u t i o no fs e d i m e n t ( 3 ) 7 f h ea l ls i xe x t r a c e l l u l a re n z y m e sa c t i v i t yo ft h e s e d i m e n ti ne r h a il a k ea r e s i g n i f i c a n tc o r r e l a t e d 谢t 1 1t n ，c o d m ni nw a t e rc o l u m n ，i n d i c a t i n gt h a tt h e r ei s a c e r t a i nc o n t r i b u t i o nf o rt h ea c t i v i t yo ft h es e d i m e n te x t r a c e l l u l a re n z y m e st ot h e r e l e a s eo fe n d o g e n o u sn u t r i e n t sf r o mt h es e d i m e n t ，h i g h e re n z y m ea c t i v i t ym a yb e a g g r a v a t e dt h ee n d o g e n o u sr e l e a s ep r o c e s s ； ( 4 ) t h ea l k a l i n ep h o s p h a t a s ea c t i v i t yi ne r h a il a k ew a t e rc o l u m ns h o w e d o b v i o u ss e a s o n a lc h a n g e s ，t h ea l k a l i n ep h o s p h a t a s ea c t i v i t yw o l u dd e c r e a s ea tf i r s t a n dt h e ni n c r e a s e d t h ea l k a l i n ep h o s p h a t a s es h o wt h eh i g h e s ta c t i v i t yw i t h 4 0 1 8 9 m o l l h 。1a tm a y , t h el o w e s tw i m1 2 3 0 i _ t m o l l h 叫a ts e p t e m b e r a l g a ea l k a l i n e p h o s p h a t a s ei st h em a i ns o u r c eo fa l k a l i n ep h o s p h a t a s ei nw a t e rc o l u m n t h e a l k a l i n e p h o s p h a m s ea c t i v i t yi sr e g u l a t e db yt h ec o n c e n t r a t i o no fo r t h o p h o s p h a t e ：w h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fo r t h o p h o s p h a t ei sl o w , m i c r o b i a lc e l l sa n da l g a ew i l lb es y n t h e s i sa n d s e c r e t i o nal a r g en u m b e ro fa l k a l i n ep h o s p h a t a s e ，i no r d e rt oi m p r o v et h e c o n c e n t r a t i o no fo r t h o p h o s p h a t ei nw a t e rc o l u m n ；w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f o r t h o p h o s p h a t ei sh i g h ，t h ea l k a l i n ep h o s p h a t a s ea c t i v i t yw i l lb ei n h i b i t e d ； ( 5 ) d i s s o l v e do r g a n i cp h o s p h o r u sp l a yai m p o r t a n tp a r ti nt h ea l g a eg r o w t ha n d r e p r o d u c t i o n ，i ti st h em a i ns o u r c eo fp h o s p h o r u sf o ra l g a e ，b e f o r et h ea l g a lb l o o m s ， t h ea l g a ec a ns y n t h e s i sa n ds e c r e t ea l k a l i n ep h o s p h a t a s et oh y d r o l y s i sd i s s o l v e d o r g a n i cp h o s p h o r u si nw a t e rc o l u m n a tt h es a m et i m ea l g a ec a nu t i l i z e d i s s o l v e d o r g a n i cp h o s p h o r u si nm a n yw a y sb e s i d e st h r o u g hs y n t h e s i sa l k a l i n ep h o s p h a t a s e ( 6 ) i nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h et r e n d so f t h ea l k a l i n ep h o s p h a t a s ea c t i v i t y i no v e r l y i n gw a t e ra r ei n c r e a s e da tf i r s t ，a n dt h e nd e c r e a s e d i ts h o wt h eh i g h e s t a c t i v i t y a tp h 8c o n d i t i o n s ，f o l l o w e db yt h ep h 6c o n d i t i o n s ，a l k a l i n ep h o s p h a t a s e a c t i v i t ys h o wt h el o w e s ta c t i v i t ya tp i l l0 t h ea d a p t a t i o no fm i c r o o r g a n i s ma n dt h e d i f f e r e n c e so ft h es r pc o n c e n t r a t i o ni no v e r l y i n gw a t e ri st h em a j o rr e a s o n st ol e d t h a tr e s u l t t h ea l k a l i n ep h o s p h a t a s ei no v e r l y i n gw a t e rs h o wh i g h e ra c t i v i t yi n a e r o b i ct r e a t m e n tc o n d i t i o n st h a ni na n a e r o b i ct r e a t m e n tc o n d i t i o n s ，i n d i c a t i n gt h a t 1 v a b s t r a c t b a c t e r i a lw i l lg r o w t hb e t t e ru n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n s ； ( 7 ) i nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h es e d i m e n ta l k a l i n ep h o s p h a t a s ea c t i v i t y s h o wt h eh i g h e s ta c t i v i t ya tp h 8c o n d i t i o n s ，f o l l o w e db yt h ep h 6c o n d i t i o n s ，a l k a l i n e p h o s p h a t a s ea c t i v i t ys h o wt h el o w e s ta c t i v i t ya tp i l l0 ，t h i sr e s u l ti sr e l e v a n tw i t h m i c r o b i a lc o m p o s i t i o no ft h es e d i m e n t ；t h ed i s s o l v e do x y g e ns t a t eo fo v e r l y i n gw a t e r h a v el i t t e ri m p a c to ns e d i m e n ta l k a l i n ep h o s p h a t a s ea c t i v i t y , t h es e d i m e n t sa l k a l i n e p h o s p h a t a s ea c t i v i t yi ss l i g h t l yh i g h e ru n d e ra n a e r o b i ct r e a t m e n tt h a nu n d e ra e r o b i c t r e a t m e n ta tp h 8c o n d i t i o n s ，b u ta l k a l i n ep h o s p h a t a s ea c t i v i t yi sa l m o s ts h o wn o d i f f e r e n c eb e t w e e na e r o b i ca n da n a e r o b i ct r e a t m e n ta tt h er e s to fp hc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：e r h a il a k e ；s e d i m e n t ；e x t r a c e l l u l a re n z y m e sa c t i v i t y ；i n f l u e n c i n gf a c t o r s v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 水体富营养化是湖泊分类和演化学的一个概念，是指湖泊、水库和河流中 接纳过多的氮和磷等营养物质，使水体的生态结构与功能发生变化，导致藻类 特别是蓝藻的异常繁殖生长而出现的蓝藻水华现象。当藻类腐烂分解时又更大 的消耗溶解氧，溶解氧耗尽后，有机物通过水中厌氧微生物的分解引起腐败现 象，产生甲烷、硫化氢、硫醇等有毒恶臭物，使水体发臭变质，不仅给水资源 的利用造成破坏，而且给湖泊环境及其生态系统带来严重后果【l j 。 水体富营养化分为天然和人为两种。天然宫营养化是湖泊水体生长、发育、 老化、消亡整个生命史中必经的天然过程。这个过程极其漫长，常常需要以地 质年代或世纪来描述其进程。人为富营养化则是因人为排放含营养物质的工业 废水和生活污水等所引起的水体富营养化现象，它演变的速度非常快，可以在 短时期内使水体由贫营养状态变为富营养状态。随着人口的增加和工农业生产 的迅速发展，大量含有氮、磷营养物质的生活污水和工业污水排入湖泊、河流 和水库，大大加速了湖泊富营养化的进程，所以前者称为自然富营养化，后者 称为人为富营养化【l j 。到2 0 世纪中后期，当富营养化及其影响成为人们关注的 问题时，其所指的是人为富营养化【lj 。 我国是一个多湖泊国家，1 平方公里以上的湖泊约有2 万多个。近3 0 年来 与经济快速发展相对应，我国湖泊富营养化呈现高速发展的态势。据统计，2 0 世纪7 0 年代至今的4 0 年期间，湖泊富营养化面积已由1 3 5 平方公里发展到8 7 0 0 平方公里，全国湖泊富营养化面积增长了约6 0 倍。并且湖泊富营养化逐渐由面 积较小的城市湖泊扩展到大面积的自然湖泊。东部平原和云贵高原湖区是我国 湖泊富营养化重灾区。2 0 0 0 年以后，太湖、巢湖、滇池等大型天然湖泊出现大 面积水华，导致全国湖泊的富营养化面积急剧增加。以太湖为例，近2 0 年来太 湖水污染严重，上世纪8 0 年代还是以二类水为主，到2 0 0 0 年以后水体已是五 类至劣五类为主，水华占到总面积三分之一。现在太湖、巢湖已是中度富营养 化，洞庭湖、鄱阳湖也具备一定程度的富营养化条件，城市湖泊均己处于重富 营养或异常营养状态。目前，湖泊富营养化严重影响了人们的正常生活，已成 第一章绪论 为制约我国地区经济快速发展的重大水环境问题。控制湖泊富营养化进程，改 善湖泊水质，恢复湖泊生态系统健康是国家和地区经济发展的重大需求。 沉积物是湖泊营养物质的储存库，沉积物中的有机质为微生物提供了生长 所需的能量和营养物质。水体或沉积物中的微生物可以直接吸收利用低分子量 溶解态有机质，而高分子量的颗粒有机质由于无法穿透细胞膜不能被微生物直 接利用1 2j 。而在水生生态系统中，大部分的有机质是以高分子多聚物的形式存在 【3 】。因此，为了获得生长所需的各种营养物质，微生物通过合成分泌胞外酶( 下 文将简称酶) 将周围环境中的高分子量的有机质催化降解成能被其吸收利用的 小分子的物质1 2 j 。这也反映了酶在有机质的降解及转化的过程中扮演着重要的作 用【4 】。也正因为如此，酶的催化作用也被认为是有机质降解及矿化过程的初始步 骤和限制性步骤【5 ，6 】。因此，对于水体及沉积物酶活性的研究有着重要的意义。 洱海位于云南省大理白族自治州境内，北纬2 5 0 2 5 - 2 6 0 1 0 ，n ，东经 9 9 0 3 2 ， 1 0 0 0 2 7 ，e 之间，流域面积2 5 6 5 k m = ，湖面面积2 4 9 8 k i n 2 。在大理州的经 济发展中发挥着供水，发电，渔业，船运，旅游和调节气候诸多功能。上个世 纪7 0 年代以前，洱海水量充沛，水质优良，生物多样性丰富。但是，近年来随 着人口的增长和区域经济实力的增强，加大了湖泊自然资源开发利用的广度和 深度，使得洱海受到不同程度的污染，湖区局部生态环境恶化，富营养化进程 加剧，洱海水质呈下降趋势。1 9 9 6 年和1 9 9 8 年秋季暴发了大面积蓝藻水华。水 华发生其间，透明度有3 3 m 骤降到1 5 m ，水质环境急剧恶化，影响了湖泊多种 功能的正常发挥。目前，洱海水质稳定在i i 类和i i i 类水质水平之间，处于富营 养化初期发展阶段。与此同时，洱海作为大理市的重要水源，其生态环境的状 况直接关系到湖泊周边的生态安全。洱海目前的污染源主要来自非点源污染， 包括湖区农田灌溉、牲畜粪便、生活污水等都是引起洱海污染的重要原因。并 且随着污染的加剧，洱海湖滨带的生态环境也已经遭到了严重破坏，水生植被 大面积退化。而水生植物死亡后留下的残体含有大量的n 、p 等营养元素，他们 的存在是洱海富营养化的重要隐患。微生物可以通过酶的催化分解作用将这些 植被残体中的有机物质组分转化成无机物质，而这些物质在一定的条件下会释 放到水体中从而加剧湖泊水体的富营养化程度。 2 第一章绪论 1 2 水体及沉积物酶活性的研究进展 1 2 1 水生生态系统中酶的来源、存在形式及其分类 水生生态系统中的酶来源于微生物( 主要有细菌和真菌) 、浮游动植物、水 生植物根系、底栖动物等。在沉积物中，酶主要来源于微生物，微生物死亡后 其体内的酶会随着细胞的裂解而溢出。藻类等浮游植物会在生长过程中分泌碱 性磷酸酶【7 、脲酶【8 j 等一系列的水解酶，将水体中的有机磷、有机氮等有机物转 化为能被其直接吸收利用的无机营养物质。浮游动物在其生长的过程中也会分 泌酶，并且在一些特定的环境条件下，浮游动物可以成为水体中碱性磷酸酶的 主要来源【9 】。水生植物的根系是酶的重要来源，一方面植物的根系可以直接合成 分泌各种酶，另一方面植物根系的分泌物可以作为微生物生长的营养物质，刺 激微生物的生长，促使其合成分泌更多的酶 1 们。 由活着的细胞分泌出体外的酶，或由新近死亡的微生物、浮游动植物或植物 等生物有机体体内的细胞经裂解而溢出的酶，他们在环境中以溶解态的形式存 在，这些酶被称为游离态酶。与之对应的为颗粒态酶，这些酶主要附着在微生 物的细胞壁上。无论是游离态酶还是颗粒态酶，他们都广泛的存在于水体或沉 积物的间隙水中，他们都在营养物质的循化转化过程中起着重要的作用。 由微生物、浮游植物等生物有机体产生的游离态酶都具有一定的稳定性，如 磷酸酶在甲苯饱和的水中经历1 0 d 之后，酶的活性尚可以保留8 0 以上 7 1 。通常， 游离态的酶会与沉积物中的胶体、矿物颗粒、腐殖质等结合。形成有机酶、无 机酶或有机一无机酶复合体。酶与一些矿物结合后，其性质会变得更稳定，因 为矿物颗粒可以防止酶蛋白被其他肽酶水解。与此同时，与矿物颗粒结合后酶 的动力学特性就会降低，这会导致了酶的催化速率下降【1 1 1 。沉积物中的腐殖质 在一定程度上可以稳定酶的活性。一些研究发现【12 1 ，过氧化物酶可以与沉积物 中腐殖质形成稳定的络合物，这有助于过氧化物酶的活性在沉积物中的积累。 而腐殖质在保持脲酶的稳定性上具有积极的作用，l i a nh u ad o n g ! ”】发现在碱性 条件下胡敏酸可以对脲酶起到保护的作用，使其不易被氧化降解，并且还可以 保证其不被其他金属离子抑制。 通常，酶可以根据其主导的化学反应来进行分类”4 1 。在土壤或沉积物中，酶 参与了包括植物残体及凋落物、微生物细胞壁的降解，腐殖质的形成，有机n 、 p 的矿化等作用。将这些酶根据其参加的催化水解反应的类型进行大致的区分， 第一章绪论 1 2 水体及沉积物酶活性的研究进展 1 2 1 水生生态系统中酶的来源、存在形式及其分类 水生生态系统中的酶来源于微生物( 主要有细菌和真菌) 、浮游动植物、水 生植物根系、底栖动物等。在沉积物中，酶主要来源于微生物，微生物死亡后 其体内的酶会随着细胞的裂解而溢出。藻类等浮游植物会在生长过程中分泌碱 性磷酸酶【7 、脲酶【8 j 等一系列的水解酶，将水体中的有机磷、有机氮等有机物转 化为能被其直接吸收利用的无机营养物质。浮游动物在其生长的过程中也会分 泌酶，并且在一些特定的环境条件下，浮游动物可以成为水体中碱性磷酸酶的 主要来源【9 】。水生植物的根系是酶的重要来源，一方面植物的根系可以直接合成 分泌各种酶，另一方面植物根系的分泌物可以作为微生物生长的营养物质，刺 激微生物的生长，促使其合成分泌更多的酶 1 们。 由活着的细胞分泌出体外的酶，或由新近死亡的微生物、浮游动植物或植物 等生物有机体体内的细胞经裂解而溢出的酶，他们在环境中以溶解态的形式存 在，这些酶被称为游离态酶。与之对应的为颗粒态酶，这些酶主要附着在微生 物的细胞壁上。无论是游离态酶还是颗粒态酶，他们都广泛的存在于水体或沉 积物的间隙水中，他们都在营养物质的循化转化过程中起着重要的作用。 由微生物、浮游植物等生物有机体产生的游离态酶都具有一定的稳定性，如 磷酸酶在甲苯饱和的水中经历1 0 d 之后，酶的活性尚可以保留8 0 以上 7 1 。通常， 游离态的酶会与沉积物中的胶体、矿物颗粒、腐殖质等结合。形成有机酶、无 机酶或有机一无机酶复合体。酶与一些矿物结合后，其性质会变得更稳定，因 为矿物颗粒可以防止酶蛋白被其他肽酶水解。与此同时，与矿物颗粒结合后酶 的动力学特性就会降低，这会导致了酶的催化速率下降【1 1 1 。沉积物中的腐殖质 在一定程度上可以稳定酶的活性。一些研究发现【12 1 ，过氧化物酶可以与沉积物 中腐殖质形成稳定的络合物，这有助于过氧化物酶的活性在沉积物中的积累。 而腐殖质在保持脲酶的稳定性上具有积极的作用，l i a nh u ad o n g ! ”】发现在碱性 条件下胡敏酸可以对脲酶起到保护的作用，使其不易被氧化降解，并且还可以 保证其不被其他金属离子抑制。 通常，酶可以根据其主导的化学反应来进行分类”4 1 。在土壤或沉积物中，酶 参与了包括植物残体及凋落物、微生物细胞壁的降解，腐殖质的形成，有机n 、 p 的矿化等作用。将这些酶根据其参加的催化水解反应的类型进行大致的区分， 第一章绪论 比如裂解哪些连接单体分子的c o 键和c - n 键的酶称为水解酶( 如糖苷酶，肽 酶，酯酶) ；而哪些作用于c c 和c 0 c 键，进行催化氧化的酶称为氧化酶。水 解酶还可以根据起作用的点位进行进一步的划分，比如作用于多聚物链条末端 并在水解后释放出单体分子的酶称为外切水解酶；而作用于多聚物内部键位的 水解酶称为内切水解酶。氧化酶可根据其在催化反应过程中所利用的电子受体 的不同划分为氧酶和过氧化物酶，其中氧酶的电子受体为氧分子而过氧化物酶 的电子受体为过氧化物。 1 2 2 水生生态系统中酶活性的影响因素 1 2 2 1 微生物与水体及沉积物酶活性的关系 微生物是水体及沉积物酶的重要来源，微生物通过合成分泌酶将环境中的 大分子量的有机物质催化降解为能被其直接吸收利用的小分子无机物。因此， 酶在微生物的生长代谢中起着非常关键的作用。在众多的研究中【6 ，”，16 | ，随着微 生物的生物量的增长、微生物活性的提升，酶的活性也会随之相应的提升。同 时，微生物的群体组成对酶的活性也有着显著的影响。m p w a l d r o p 1 7 】利用磷脂 脂肪酸分析法对土壤中的微生物群体进行了分析后发现，土壤中微生物生物量、 微生物的群体组成在不同季节表现出不同的特征。并且微生物的群体组成与土 壤中的特异酶的活性呈现出非常高的相关性。一些特定的微生物会产生在结构 和性质上特异的同工酶，如细菌c i t r o b a c t e rs p 会合成两种不同的酸性磷酸酶( 同 工酶) 【1 8 一。e s c h e r i c h i a c o l i 碱性磷酸酶的同工酶具有较为复杂的钝化机制【1 9 1 。夏 卓英发现【2o | ，半胱氨酸对太湖不同采样点以及不同湖泊沉积物的碱性磷酸酶活 性的抑制f 效应各不相同，巯基乙醇对不同湖泊沉积物中碱性磷酸酶活性有着不 同的作用方式。这也说明了微生物通过合成同工酶来提高他们对于环境变化的 适宜能力。 1 2 2 2 营养物质对酶活性的影响 营养物质对酶的活性具有极为重要的调节作用。一般认为，在水生生态系 统中有机营养物质的输入会诱导微生物合成分泌更多的酶，而作为酶解产物的 无机营养物质的增多会抑制酶的活性，即存在所谓的“抑制诱导 机制调节酶 的活性。这也说明了酶的活性可以作为一个反映营养水平的重要指标。 在陆地、湿地及水生生态系统中，微生物群体在营养循环及有机质的降解 4 第一章绪论 过程中扮演着至关重要的作用。而环境和资源条件控制着微生物群体的数量及 其生理状况( 包括酶活性、微生物呼吸、微生物c 、n 、p 等指标) 。富营养化过 程会导致湿地生态系统发生大范围的植物群体的替换( 如本土植被的大量死亡， 外来植被的入侵) ，进而导致了整个生态系统环境的改变。一方面富营养化使得 的生态系统中的各种营养物质的生物有效性发生了变化，同时植物群体结构发 生改变，这也会进一步导致环境中植被掉落物的数量及其性质发生变化【2 。另 一方面营养的富集通常会导致该区域微生物的群体数量【2 2 j 及其生理状况发生变 化【2 3 1 。总的来说，外源营养物质的输入缓和了生态系统因某种营养元素的缺乏 而导致的营养限制状态，同时也直接影响了微生物群体的数量及其生理状态( 包 括酶活性) 。 因为酶的合成需要消耗大量的氮素和能量，微生物会在环境中的有效营养 物质缺乏的情况下，通过消耗生长代谢过程中产生的能量及营养物质来合成分 泌酶【2 4 】。通常有效营养物质的浓度常常与酶活性呈现负相关关系【2 5 1 ，如在土壤 中施用磷肥会抑制磷酸酶的活性。另一方面，当有效营养物质的浓度偏低时， 微生物会合成分泌酶，通过酶的催化分解作用从哪些性质复杂的有机物质中获 得各种生长所需的营养物质1 2 6 1 。 微生物还可以合成组成酶，用以“检测 环境中性质复杂的营养基质【2 5 1 。 当环境中有大量复杂的基质存在的时候，这些组成酶可以作用产生含量低、能 被微生物利用的酶解产物，使微生物拥有更多的资源用于酶的合成。一旦酶解 产物的浓度提高到足够的水平，酶的合成就会受到抑制，使得酶的活性又逐渐 下降了原有的水平【2 5 1 。这也反映了酶的活性受到“诱导反馈”机制的调节作用。 s t e v e n 2 7 1 发现，向土壤分别单独加入c 、n 、p 基质时，土壤中的1 3 葡萄糖苷酶、 氨基肽酶、酸性磷酸酶的活性都没有明显的提升，并认为这是因为土壤中的有 效氮匮乏，使得微生物没有足够的n 素用于酶的合成。而当向土壤同时加入c 、 n 基质是时，土壤中的磷酸酶活性刁1 有明显的提升。这说明了充足的有效c 、n 素是酶合成的先决条件。而微生物只有通过合成大量的酶才能使其获得其生长 所需的能量和营养。 沉积物中的有机质为微生物提供了其生长所需的能量、c 素、n 素和p 素， 同时有机质又是酶的底物，因此有机质的含量对酶活性有着重要的影响，通常 有机质含量越高酶的活性就越高【1 2 , 2 8 1 。酶的活性受到有机质的质量和数量的控 制，而有机质又受到水体的水动力条件及沉积物渗透性的影响。河流及湖泊的 5 第一章绪论 有机质主要有两个来源：内源和外源。内源有机质主要有藻类的分泌物及其残 体，外源有机质主要来源于陆生植物的凋落物，人类排放的污染物等。有机质 的性质、组成与温度、p h 值一样，都有明显的季节性变化。在温带内陆水体中， 藻类的分泌物、碎屑在春季和夏季拥有更高的含量。藻类的分泌物更容易被降 解，因此它更容易被水体及沉积物中的细菌等微生物利用【2 9 】。到了秋季，植被 凋落物随洪水一同进入水体，此时外源输入有机质的含量更高【16 | 。在一年当中， 不同来源的物质补充着沉积物中的有机质库。 有机质组成及性质的季节变化也影响着酶的活性。外源有机质比内源有机 质拥有更高的c n 比 3 0 1 ，外源有机质可能更容易被c 降解酶( 降解碳水化合物 的酶) 利用，而不是降解蛋白质的肽酶。一些研究显示，q 葡萄糖苷酶和b 葡萄糖苷酶的活性与大颗粒的有机质含量显著相关【3 1 | ，亮氨酸氨基肽酶的活性 与藻类释放的有机质含量相关，说明了藻类和细菌的密切联系。在沉积物中， 蛋白质含量与蛋白酶活性正相关，磷酸酶活性与有机磷和活性有机磷含量负相 关【1 6 】。 1 2 2 3 植物对沉积物酶活性的影响 植物对沉积物中的酶活性的影响主要体现在植物的根系可以分泌产生酶， 包括磷酸酶、转化酶、淀粉酶、蛋白酬1 0 j 。当植物处于低p 环境是，它会诱导 合成磷酸酶，并通过根系向周围释放，促使根系周围的磷酸酶活性提升1 3 2 。这 些磷酸酶将土壤或沉积物中的有机磷水解为无机的正磷酸盐，以供植物生长利 用。 另一方面，植物的根系产生的分泌物会影响微生物的生长，进而影响酶的 活性。檀物在生长的过程中会通过根系向周围分泌一些营养物质( 包括有机物 和无机物) ，以及相应的一些生长激素，这些物质都不仅可以成为微生物生长所 需的营养物质和能源物质【3 3 】，同时他们又可以作为酶促反应的底物。植物根系 的分泌物增强了其周围微生物的代谢活力和微生物的生物量，促使微生物合成 分泌更多的酶。另一方面，在植物的生长过程中，植物自身的根系可以不断的 ，向周围的介质中分泌质子、离子、有机物等物质。这些由根系分泌出的粘胶质、 分泌物、渗出物、脱落物等，其化学成分主要为有机酸、氨基酸等口4 l 。一些研 究发现，植物残体可以直接促进土壤中的微生物合成分泌更多的酶，从而提升 酶的活性【1 们。另一方面，植物根系作为一种活体物质不仅可以向土壤中提供酶， 6 第一章绪论 而且也使得根系周围的酶活性要高于其他非根系区域的酶活性【35 l 。l i n gk o n g 【3 6 j 等发现，不同种类植物的根活性与土壤中的磷酸酶、脲酶、蛋白酶和纤维素酶 的活性呈