（环境科学专业论文）阿特拉津和乙草胺对土壤酶的影响.pdf

浙江大学硕士学位论文 剂存在的情况下，结果正好相反。而且特别的是当土样中有高浓度的除草剂时 这种对激活效应的增强作用非常明显。 从活体实验，可以发现无论是阿特拉津还是乙草胺都对过氧化氢酶活性没有 大的影响。过氧化氢酶对这两种除草剂并不敏感。但是当除草剂为高剂量时，还 是表现出对过氧化氢酶有一定的激活作用。不过，这种激活效应并不强烈。 从动力学结果可以发现，阿特拉津和乙草胺可能会对过氧化氢酶产生抑制， 这种抑制来自除草剂分子和酶底物分子的结合。但是考虑到实际的情况，可以 确定无论阿特拉津还是乙草胺都对过氧化氢酶没有明显的抑制，过氧化氨酶对这 两种除草剂并不敏感，这和以前的实验结论还是相符的。至于高剂量的除草剂对 过氧化氢酶活性有激活作用，这可能是因为这些除草剂可以被微生物作为碳源， 刺激了微生物的活动，而表现出一定的激活效应。 总而言之，阿特拉津和乙草胺在推荐用量的范围内施用，对土壤脱氢酶和过 氧化氢酶没有负效应，对土壤生态环境还是相对安全的。 关键词：阿特拉津；乙草胺；脱氢酶；过氧化氢酶；动力学方法 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t r a z i n ea n da c e t o c h l o ra r et w ok i n d so fs e l e c t i v eh e r b i c i d e sw i d e l ya p p l i e dn o to n l y i nc h i n ab u ta l s oa l lo v e rt h ew o r l df o rc o n t r o lo fw e e d si nc o r n ，s o y b e a n s ，a n do t h e r r o wc r o p sa sar e s u l to f t h e s eh e r b i c i d e su s e dw i d e l ya n dh e a v i l yf o rt h el a s td e c a d e s ， t h es o i la n dw a t e rc o n t a m i n a t i o n b y t h e mi sm o r ea n dm o r eo fa p u b l i cc o n c e r n t h ei n f l u e n c eo ft h e s et w oh e r b i c i d e st os o i le n z y m e sw e r ec h o s e nf o rt h i ss t u d y a s g o o dr e p r e s e n t a t i v ee n z y m e si n t e g r a t i n gt h ei n f o r m a t i o nf o r mm i b c r o b i a ls t a t u sa n d s o i l p h y s i c o c h e m i c a lc o n i d t i o n ，w h i c h i n d i c a t et h e p o t e n t i a l o fs o i lt o s u p p o r t b i o c h e m i c a lp r o c e s s e sa n dm a i n t a i nf e r t i l i t y , s o i ld e h y d r o g e n a s ea n dc a t a l s ew e r e s e l e c t e d r e g a r d i n g t h ed e h y d r o g e n a s e ，t h i sr e s e a r c hw a sf o c u s e do nt h ei n f l u e n c eo f h e r b i c i d eu s i n ga n ds o i lp r o p e r t i e st oi t sa c t i v i t y h o wt h ee n z y m ea c t i v i t yr e s p o n d e d t oh e r b i c i d ea p p l i e ds e p a r a t e l ya n d j o i n t l y , a n dt ot h e d i v e r s es o i lc o n d i t i o n sa st ot h e c a t a l a s e ，h o wi tr e s p o n d e d t oa t r a z i n ea n da c e t o c h l o r , a n dw h e t h e ri tw a si n h i b i t e db y t h et w oh e r b i c i d e st h r o u g hk i n e t i cm e a s u r e m e n t ，a r ei n c l u d e di nt h er e s e a r c hi n t e r e s t s f r o mt h er e s u l t so ft h es t u d y ，i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fh e r b i c i d e p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ea n d i tw a st h ek e yf a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h ee n z y m ea c t i v i t y m o s ta m o n gt h ea s s e s s e df a c t o r s a t r a z i n ea n da c e t o c h l o ro fh i g hc o n c e n t r a t i o n ( 5 p g gs o i l ) s t i m u l a t e ds o i ld e h y d r o g e n a s ea c t i v i t ys i g n i f i c a n t l y ( pso 0 1 ) a n di n t e n s e l y a n dt h e r ew a sn os i g n i f i c a n t ( p 0 0 5 ) d i f f e r e n c ef o u n db e t w e e nt h ee f f e c t so f t h et w o h e r b i c i d e s h o w e v e r , w h e nt h e yw e r ea d d e dt o g e t h e rt o as o i l s a m p l e ，t h e yd i d n t i n f l u e n c et h ee n z y m ea c t i v i t yi n d e p e n d e n t l y a f t e ra p p l i e dt h eh e r b i c i d ej o i n t l y , t h e v a l u eo f e n z y m e a c t i v i t yo b s e r v e dw a s n o te q u a lt ot h es u mo f v a l u e sa c c o u n t e df r o m t h e e x p e r i m e n to f0 t r a z i n e a n da c e t o c h l o ra p p l i e d s e p a r a t e l y w h e nt h ea t r a z i n e a m o n gt h e h e r b i c i d e c o m p o u n dw a sa p p l i e d i n h i g hc l o s e ( t h e c o n c e n t r a t i o no f a t r a z i n ei s10 “gs o i l ) ，s y n e r g i s mw a so b s e r v e d i tp r o b a b l yr e s u l t e df r o mt h eh i g h i b 浙江大学硕士学位论文 h a l f q i f eo f a t r a z i n eh o w e v e r , t h e r ew a sn o a n t a g o r t i s mo b s e r v e d d e s p i t et h eh e r b i c i d e s ，s o i lp r o p e r t i e sc o u l da f f e c tt h ea c t i v i t yo f t h ee n z y m ea sw e l l h o w e v e r , i ti sd i f f e r e n ti na b s e n c ef r o mp r e s e n c eo f h e r b i c i d ei na b s e n c eo fh e r b i c i d e h i g h e rt e m p e r a t u r e ( 3 0 c ) a n dl o w e r m o i s t u r ec o n t e n to f s o i l ( 4 0 删c ) l e a d e dt ol o w d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yh o w e v e r , i n c o r p o r a t e d w i t h h e r b i c i d e ，t h e y w o r k e d c o n v e r s e l ya n dp o t e n t i a t i o nw a sp r o d u c e d a st ot h ec a t a l a s e i tw a so b s e r v e dt h a tt h ee n z y m ew a sn o ts e n s h i v et oa t r a z i n eo r a c e t o c h l o r t h e s et w oh e r b i c i d e sh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nt h e e n z y m ea c t i v i t y h o w e v e r , w h e na t r a z i n eo ra c e t o c h l o rw a sa p p l i e di nh i g hd o s e ( 1 0 g gs o i l ) ，t h e y b o t hc o u l ds t i m u l a t ec a t a l a s ea c t i v i t yt h es t i m u l a t i o nw a sn o ts t r o n ga n dd i d n tl a s t f o rl o n gt i m e f r o mt h ek i n e t i cm e a s u r e m e n t a t r a z i n ea n da c e t o c h l o rw a sa b l et oi n h i b i tt h ee n z y m e a c t i v i t y a st h e yc o u l da f f e c tt h ea c t i v ec o m p l e x ( e n z y m e s u b s t r a t e ) h o w e v e r ，i ti s n o tc o n v e n i e n tf o rt h e s eh e r b i c i d e st od os oi na c t u a le n v i r o n m e n tt h e r e f o r e ，n e i t h e r a t r a z i n en o ra c e t o c h l o rw i l li n h i b i tc a t a l a s ea n dt h ee n z y m ew a sn o ts e n s i t i v et ot h e s e h e r b i c i d e st h u sw a sc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u h so fe x p e r i m e n ta b o v ea sf o rt h e e x p l a n a t i o n o ft h es t i m u l a t i o na b o v e i t p o s s i b l y a c c o u n t sf o ri tt h a tt h e s et w o h e r b i c i d e sc o u l db eu s e da sc a r b o nr e s o u r c eb ym i c r o b e sa n dt h u sa c t i v a t e d t h e o r g a n i s ma n du l t i m a t e l ye n h a n c e d t h ee n z y m ea c t i v i t y g e n e r a l l ys p e a k i n g ，a t r a z i n ea n da c e t o c h l o ga p p l i e di nr e c o m m e n dd o s e ，d i d n l th a v e n e g a t i v ee f f e c t so ns o i ld e h y d r o g e n a s ea n dc a t a l a s e t h e s eh e r b i c i d e sa r ef r i e n d l yt o e n v i r o n m e n to fs o i ls y s t e m k e y w o r d s ：a t r a z i n e ；a c e t o c h l o r ；d e h y d r o g e n a s e ；c a t a l a s e ；k i n e t i c m e a s u r e m e n t 1 v 浙江大学硕士学位论文 1 研究背景 第一章研究背景、现状及意义 农药( p e s t i c i d e ) ，作为人类文明进步的必然产物，为加强社会稳定、解决人 类温饱、促进人类健康作出了不可磨灭的贡献。尤其是2 0 世纪二三十年代，有机 合成农药的成功发现，为控制害虫的危害提供了有效的工作。上世纪中叶，为了 提高面积上的粮食产量，又相继开发了许多新农药。粮食生产率得以大幅度提高。 特别是除草剂的使用，极大的减轻了劳动强度，直接或间接的提高了农业的生产 水平。随着社会的发展和农业现代化的要求，对农药的需求不断增加，在今后相 当长的时间内，农药在提高单位面积产量中的作用仍是不能代替的。 但是大量的事实表明，农药( 主要是化学农药) 的广泛使用已经成为造成环 境污染的重要因素之一。农药是一类环境行为比较复杂的有机物质，不仅施用之 后，会对作物和土壤产生一定的危害，并且还会随着土壤生态环境中的一些物质 循环过程而进入地表水体、地下水体以及海洋中，严重危害到人类的生存和身体 健康。根据美国环保局对4 5 个州6 8 8 2 4 口井地下水的监测分析和统计结果，有 1 0 0 0 0 口井的地下水中农药含量超过健康标准，有1 3 0 种农药及其代谢物被监测 出，其中3 5 种超过健康标准。我国珠江三角洲一些城市水体的监测结果表明， 几种有机氯农药虽然已经停止生产多年，但在污水及河水中仍有残留【2 l 。美国科 学院在1 9 9 3 年7 月提交的一份报告中，对目前食品中的农药残留量以及农药对儿 童健康提出质疑，呼吁人们加强对农药的进一步研究和了解i ”。农药所产生的环 境问题和对人类健康的危害日益暴露出来，人们已经认识到问题的严重性。 土壤做为人类赖以生存的主要自然资源之，同时是生态环境的重要组成部 分，也是生物化学循环的储库，对人类的生存和发展具有很重大的意义。没有健 康的土壤就不可能有清洁的空气和水源( 包括地表水和地下水) ，就不可能有安 全的食品。因此，土壤生态环境的保护已引起人们的普遍关注。 浙江大学硕士学位论文 2 阿特拉津及乙草胺 上世纪中叶，为了提高单位面积上的粮食产量，各种农药相继被开发出来。 但是，很快就发现许多农药稳定性强、残留期长并且难于降解。通过食物链的传 递会对人体健康带来影响。因此，很多农药已被淘汰。例如：日本于1 9 7 1 年开 始全面地禁止和使用d d t 、六六六、对硫磷及2 ，4 一d 。在欧美各国也己禁止 使用或者规定了严格的使用规程。一些污染性强的农药被淘汰，同时一些低毒、 高效、性能优良的农药不断被开发出来。三嗪类和氯乙酰苯胺类就是其中两类重 要的除草剂。 2 1 阿特拉津 阿特拉津( a t r a z i n e ) ，分子结构式如下图。纯品为为无色结晶，熔点1 7 3 1 7 5 ， 2 0 时蒸气压为30 + 1 0 7 毫米汞柱。2 5 时在水中溶解度为3 3 p p m 。 阿特拉津是三嗪类除草剂中应用最广泛的一种，是在1 9 5 2 年由g e 蟾y 化学 公司开发的一种除草剂，1 9 5 8 年申请瑞士专利，1 9 5 9 被年投入商业生产h 1 。 阿特拉津是选择性内吸传导型苗前、苗后除草剂。根吸收为主，茎叶吸收很 少，迅速传导到植物分生组织及叶部，干扰光合作用，使杂草致死。在玉米等抗 性作物体内，被玉米酮酶分解生成无毒物质，因而对作物安全。杀草作用和选择 性同西玛津，易被雨水淋洗至较深层，致使对某些深根性杂革有抑制作用。在土 壤中可被微生物分解，残效期视用药剂量、土壤质地等因素影响，可长达半年左 右。 c i i n 冬n c ：h 5 n h 八n 久n h c h ( c h 3 ) ： 阿特拉律( a t r a z i n e ) 2 乙草胺( a c e t o c h l o r ) h 3 h 2 c 浙江大学硕士学位论文 2 2 乙草胺 乙草胺( a c e t o c h l o r ) ，分子结构式如上图。原药外观为淡黄色至紫色液体， 含乙草胺9 3 ，2 5 时比重1 1 2 3 ，沸点1 6 2 。c ，熔点 o 。水中溶解度2 3 0 毫米 升( 2 5 ) ，易溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醇、三氯甲烷( 氯仿) 和甲烷。 乙草胺是有孟山都公司在1 9 8 0 年开发的【”，是氯乙酰苯胺类除草剂中应用 很广泛的一种。乙草胺是选择性芽前除草剂，可被植物幼芽吸收。单子叶植物通 过芽鞘吸收。双子叶植物下胚轴吸收传导。必须在杂草出土前旌药，有效成分在 植物体内干扰核酸代谢及蛋白质合成，使幼芽、幼根停止生长。如果田间水分适 宜，幼芽未出土即被杀死。适用于大豆、花生、玉米、油菜、甘蔗、棉花、马铃 薯及十字花科( 白菜、萝 、甘蓝、花椰菜) 、茄科( 番茄、辣椒、茄子) 伞型 花科( 芹菜、胡萝h 等) 、菊科、豆科蔬菜、柑桔、葡萄、果园等旱田作物芽前 防除一年生禾本科杂草及某些双子叶杂草。 三嗪类和氯乙酰苯胺类除草剂是应用最为广泛的两类除草剂。在我国截至 2 0 0 0 年8 月，注册登记的这两类除草剂品种占到了2 2 个，占注册登记除草剂总 品种的2 l6 1 6 。而阿特拉津和乙草胺则是这两类除草剂中应用最广、用量最大 的两种除草剂。两者加在一起占到了除草剂总用量的7 5 ，占总处理面积的6 0 i ”。阿特拉津从他阎世开始，已在世界各国得到了大面积的推广使用，是世界 上产量最大的除草剂品种【”。例如，在美国阿特拉津曾被列为使用最广泛的除草 剂之一。在八十年代中期，其每年喷洒量达到8 千万磅1 9 1 ，占其除草剂使用量的 6 0 i ”l 。至今三嗪类除草剂仍为世界除草剂中重要品种，包括与磺酰脲类结合 的新颖、超高教除草剂，都在不断发展。同样，乙草胺也是一个大品种。尽管乙 草胺在1 9 9 4 年才在美国施用，当时其处理的面积仅仅占总处理面积的7 ，但 是到了1 9 9 6 年的时候，就已经达到2 2 f 7 】增长速度非常迅速。在我国，截至 2 0 0 0 年8 月，光是登记生产乙草胺的厂家有1 4 3 家，占总厂家的3 9 左右f 6 1 。 除此之外，为了提高药效，还有商品化的阿特拉津一乙草胺混合制剂，这又进一 步推广了阿特拉津和乙草胺的应用范围，增加两者的使用量。 浙江大学硕士学位论文 3 阿特拉津、乙草胺的环境生物危害 尽管三嗪类和氯乙酰苯胺类除草剂是作为低毒、高效、性能优良的农药被开 发出来的，但是由于阿特拉津和乙草胺常年的大量施用，他们对环境有着很大的 危害。 3 1 阿特拉津、乙草胺对作物的危害 阿特拉津和乙草胺的生物危害一方面体现在对作物的危害，尤其是后茬作 物。我国曾经多次发生由于施用阿特拉津、乙草胺引起的污染事故。如1 9 8 8 、 1 9 9 2 和1 9 9 3 年，洋河流域张家口市的宜化、下花园、怀来和涿鹿等区、县曾经 先后共发生了三次大面积的水稻受害事件，总受害面积约l o 万亩，直接经济损 失达3 0 0 0 万元。这三次水稻受害的原因既不是天灾、病害和虫害，也不是种植 操作的失误，而是由于农田浇灌了宣化区所排含阿特拉津和乙革胺污水污染了的 洋河水造成的污染事故i “】。1 9 8 7 年天津市静海县大邱庄首次实行化学除草，于6 月下旬对4 0 0 0 亩玉米机械喷洒阿特拉津( 国产4 0 胶悬剂) ，用量约2 5 0 3 0 0 克 亩。施药后除草效果显著，玉米长势良好。于9 月下旬在玉米茬播种冬小麦 2 0 0 0 亩，出苗后发现小麦普遍长势弱、叶色浅、分菜少，缺苗断垄，其中2 0 0 0 亩因死苗严重而毁耕f 1 2 】。1 9 9 7 年5 月末6 月初，辽宁省昌图县的平安堡、八面 城、曲家店、前双井、宝力、长发、七家子等9 个乡镇场的部分水稻由于灌溉了 被阿特拉津污染的河水而相继出现不同受害症状，轻者停止生长，重者全部枯死。 受害面积2 8 3 5 公顷，经济损失4 2 1 8 万元l l 。 乙草胺主要抑制根与幼芽生长，造成幼苗矮化与畸形，幼芽和幼叶不能完全 展开。药害症状出现于作物萌芽与幼苗期l l4 1 。土壤施用乙草胺达0l m g k g 时就 可对青菜造成危害，且危害程度随浓度的增加而增强【l ”。5 - 1 0 m g k g 时可使受试 青菜茎部折断，植株倒伏，植株逐渐死亡：低浓度的乙草胺( 01 - 1o m g k g ) 抑制 青菜生长，使植株矮化，可使青菜叶片的绿色变浅，受害叶片的叶脉相对于叶片 浙江大学硕士学位论文 的其它部位颜色较深。乙草胺可加重大豆根腐病的发生1 1 6 】，在施药初期( 1 0 天左 右) 土壤中各种真菌( f u s a r i u m ，p y t h i u m ，r h i z o c t o n ia p e n i c i l l i u m ) 被抑制而细菌数量 增加；后期f u s a r i u m ，r h i z o c t o n i a 数量有所增加，p e n i c i l l i u m 和细菌的的活性被抑 制。而且，乙草胺对萌发期水稻的呼吸作用有抑制作用【1 7 l 。还有，如果使用不 当，乙草胺对棉花还可能出现类似苗床立枯病的药害症状，对油菜”】、大豆l 】9 】、 向日葵1 2 0 1 等也都有药害作用。 3 2 阿特拉津、乙草胺对环境的生物危害 另一方面，尽管阿特拉津和乙草胺的生物降解速率都比较快，通常氯乙酰苯 胺粪除草剂的半衰期是1 5 3 0 天，三嗪类除草剂的半衰期是3 0 6 0 天( 当然从 【5 月川到5 年都有报道) ，但他们的残余物还是经常被检测到1 2 3 2 42 剐。在阿 待拉津投入商业使用的4 0 多年中，在一些地区地表水及地下水中阿持拉津的残 留物达到3 p p b 以上。实验证实，3 p p b 的阿待拉津可使仓鼠染色体破裂【2 6 1 ，杀死 水底节肢动物l ”1 ，破坏水体生态平衡。而且阿特拉津还被发现跟其他农药有联 合毒性作用【2 8 1 ：在和其他的有机磷杀虫剂的联合作用下，阿特拉津对蚊子幼虫 ( c h i r o n o m u st e n t a n s ) 乙酰胆碱酯酶的半抑制浓度( e c 5 0 ) 降低2 - 4 个数量级。 乙草胺对土壤微生物种群数量有一定的抑制作用，抑制作用随浓度的提高而 增强。药剂对土壤中细菌、真菌、放线菌生长均有一定的抑制作用2 ”，当乙草 胺浓度达6 25 1 2 5 m g k g 时，对土壤微生物呼吸作用具有一定抑制作用。乙草胺 除了对作物具有潜在危害之外i ”圳，b a l i n o v a 等人1 3 2 j j 丕发现其具有高渗滤性， 可以进入土壤深层，表面及地下水。从而可能产生更严重的危害，因为它被怀疑 具有致癌性口3 l 以及遗传毒性【3 4 】【”j ，它对血红细胞微核及核异常有明显的诱发作 用。随着近几十年来这两种除草剂使用范围的扩大和使用量的增加，由他们引起 的土壤和水污染也越来越引起人们的重视。 浙江大学硕士学位论文 4 土壤酶的研究 土壤微生物和植物根作为其生理活动的一部分不断向土壤中释放各种酶，通 过种类繁多的酶的作用吸收各种营养成分。这些由微生物( 包括细菌、真菌等等) 和植物根系释放于土壤中的游离酶即所谓的土壤酶，也称之为细胞外酶。如磷酸 酶、脲酶和纤维素酶等等。而另外一类则是细胞内酶，这种酶与微生物本身的关 联更密切。比如脱氢酶，产生脱氢酶活性的主要部位是细菌的质膜或真菌的线粒 体膜中【3 6 ”1 。土壤酶活性存在于土壤各状态的所有部位，可以把土壤理解为能 够进行物质代谢的生物体，即高等植物、动物以及微生物的遗体源源不断地供给 土壤有机物。这些有机物主要靠微生物分泌的各种土壤酶的作用进行分解代谢， 最终矿化为简单的无机物，其中的一部分再被植物吸收利用排出体外，可以说在 自然界的物质循环中参与土壤有机物分解的土壤酶具有十分重要的作用。 土壤酶的研究是以w o o d1 8 9 9 年发现土壤中存在过氧化氢酶活性为开端， 此后几乎一直是处于停滞状态，其原因主要是由于一直没有找到能够圆满回答下 述问题的相应的酶活性测定方法。即：土壤酶的分布及存在部位如何? 土壤 酶稳定性的机制如何? 土壤酶的起源? 土壤酶在植物生长中起怎样的作 用? 在土壤有机物的分解和腐殖化过程中土壤酶的作用如何? 等等。诸如此类 的问题，随着5 0 年代以后生物化学的飞速发展和相应酶化学的进步，依次得以 解决。 对土壤酶的研究已经是现代农业、环境科学研究中一个非常重要的内容。因 为土壤酶提供了有关土壤的生物学活性的资料，通过对土壤酶的研究，可以预示 土壤生态系统维持和继续土壤生物化学过程的能力，也就是说预示土壤肥力和土 壤健康的一种状态和趋势，从而更好的指导实际的农业活动或者对潜在的环 境危害采取及时的措施。 4 1 脱氢酶的研究 脱氢酶，脱氢酶的正式命名应是a h ：b 氧化还原酶，它能自一定的基质中 浙江大学硕士学位论文 析出氢而进行氧化作用。脱氢酶的种类因电子供给体和接受体的特异性而有不 同，某些脱氢酶能将氢直接传递给分子态氧，而另一些则是传递给某些受体，如 次甲基蓝、甲基蓝等。其总反应式表示为：丸甜，旦斗m + 2 h + + 2 e 通常认为，具有活性的脱氢酶是以完整细胞的组成部分的形成存在土壤里， 目前还不曾发现游离活体的土壤脱氢酶，它是一种细胞内酶。产生脱氢酶活性的 主要部位是细菌的质膜或真菌的线粒体膜中。在土壤有机物氧化过程的起始阶段 起着重要的作用口9 1 ，它可以催化加速氢从基质转移到受体的过程，而这一过程 往往也被认为是污染物发生降解的第一步。因此，脱氢酶的活性，一定程度上反 应的是污染物被降解的程度。很多细胞内酶或者酶系统对土壤脱氢酶的总活性都 有贡献，而且总活性往往与活体细胞的活性有关1 4 0 1 。具有以上的一些特点，使 得土壤脱氢酶活性经常被用作衡量由于除草剂、痕量元素( 主要是重金属元素) 或耕作方式所导致的对土壤生态环境影响的一种尺度。 4 1 4 2 4 3 1 脱氢酶的活性与土壤有机质的含量有关，并随土层深度的增加而减弱。土壤 中的f e 2 0 3 ，m n 0 2 ，s 0 4 离子，p 0 4 离子和c i 离子等都能增强土壤脱氢酶的活性， 而硝酸离子，和亚硝酸离子则有抑制作用，这种抑制作用可能是由于所述化合物 反应中成了电子受体。酶的活性主要显现o ：含量不足的地方随着土壤结构单位的 体积的增大，即比表面的减小，脱氢酶的活性也跟着降低。土壤中的脱氢酶能被 粘粒和粉砂吸附，其总活性的9 0 与粘粒有关。t a r a f d a r 等1 4 4 】发现添加了粉末状麦 杆的土样在培养后2 1 天，脱氢酶的活性达到最高点。并且酶的活性随着麦杆的尺 寸的增加而降低。土壤脱氢酶活性高低常常与污染物的种类有关，比如在纸浆和 造纸厂流出物污染的土壤中，其脱氢酶的活性相对比较高【4 ”，废水的底泥则能 提高脱氨酶的活性达到18 2 5 【4 6 】。而在飞灰污染的土壤中则比较低【”1 。污染物的 浓度对脱氢酶活性的影响也是很显著的，一般是在低剂量的农药存在下，脱氢酶 的活性相对较高4 。此外土壤类型对脱氢酶活性也是起到很显著的作用4 9 ”i 。 除了以上一些因素外，其他条件也可能对脱氢酶的活性产生影响。比如：土壤温 度、湿度，这些因子可以影响土壤的理化性质，影响土壤生物生存的外部环境， 从而影响土壤生理一生化过程，影响了土壤生物，( 主要是微生物) 的活性、生物 量以及生理功能 5 2 5 3 “5 55 6 5 ”。任何土壤生物( 主要是微生物) 的一些异常 都可能反映在土壤酶活性水平上f 5 “。 浙江大学硕士学位论文 脱氢酶，由于其具有完整的信息，是土壤生态系统一个很好的“传感器”， 一一方面它反映了土壤微生物的生存状况，另一方面也反映了土壤生理一化学状况。 而且，土壤酶活性的测定比较简单，无需昂贵、复杂的设备i ”1 。因此在土壤生 态系统的研究以及环境科学的研究中具有非常有用的价值。 4 2 过氧化氢酶的研究 土壤过氧化氢酶，是一种细胞外酶，也是一种氧化还原酶，是由植物根系或 者土壤生物、微生物分泌的。过氧化氢酶广泛分布于动植物组织中，哺乳动物的 肝脏、红细胞、植物的叶绿体中等大量的含有此酶，溶壁小球菌( m i c r o c o c c u s l y s c d e i k t i c u s ) 等的细菌中也较多。过氧化氢酶( c a t a l a s e ，c a t ) ( ec 11 1 1 6 ) 是铁 卟呤酶，一个分子中含有4 个铁原子，其活性中心是血红素( 见图1 ) ，不管什么 来源的过氧化氢酶，其分子量都在2 2 2 5 万道尔顿，它主要催化参与h 2 0 2 的分 解：h 2 0 2 4 - h 2 0 2 2 h 2 0 + 0 2 。 最适p h 为6 8 左右，以下物质对该反应有抑皋蛴u 作用：氰化合物( k c n ) 、 苯酚类、叠氮化物( n a n 3 ) 、碱( n h 2 0 h ) 、( n a a s z o 。) 。过氧化氢酶在机体内与d 一 氨基酸氧化酶，尿酸氧化酶，黄嘌呤氧化酶，l a 一羟基酸氧化酶等产生h 2 0 ： 的酶系相偶联，促进d 一氨基酸，尿酸，l a 一氧酸等有害而无用的物质代谢，起 着过氧化物酶性的作用，在h 2 0 ：存在下进行乙醇、亚硝酸、酚等的分解，因而 是机体防御机制上重要的酶，具有保护酶的作用，对动植物的生长发育和代谢活 动具有重要意义1 5 8 j f 5 9 】。 h o o c c h 2 c hz c h z c h ：c o o l 4 图1 f e ( i i i ) 一原卟啉的结构式 浙江大学硕士学位论文 过氧化氢酶的活性与土壤有机质的含量有关，并随土层深度而减弱。积累枯 枝落叶较多的表层和a 层土壤( 耕作层) 有机质含量高，过氧化氢活性也最高， 深层土壤酶活性则明显减弱。酶的活性随季节而变化，并受植物被复的影响，发 现秋季过氧化氢酶活性有时增高，但是不同季节酶活性变化通常不明显。同时还 发现碱性土壤和石灰性土壤的过氧化氢酶活性比酸性土壤的要强。在土壤各种性 质中，土壤含氮量对土壤过氧化氢酶活性及其动力学特征影响最大【6 。土壤过 氧化氢酶总量和酶反应速度分别与土壤含氮量和土壤有机质含量成显著相关水 平，而酶化物结合牢固程度与土壤性质未达到显著水平。人们很早就建议用土壤 过氧化氢酶的活性作为土壤肥力指标。 土壤中过氧化氢酶的活性与微生物数量和植物有关。但有学者指出土壤过氧 化氢酶与微生物的数量没有多大关系。土壤中过氧化氢酶又与非生物的无机及有 机催化剂有关。土壤中过氧化物分解催化类型有一大部分是非酶促作用。高压灭 菌土壤只能略微减弱过氧化物分解能力。所谓总过氧化氢酶活性的4 0 以上可能 是耐热的，即非生物的。主要是由土壤中锰或铁的化合物引起。 5污染物对土壤酶脱氢酶和过氧化氢酶的影响 在环境科学领域中，有机物( 主要是农药) 和重金属是两类研究比较集中的 土壤环境的污染物。两者对土壤环境的影响，具体点，就是对土壤酶的影响具有 共同的特征，也有不同的地方。 5 1农药对土壤脱氢酶和过氧化氢酶的影响 很多农药对土壤酶的影响都是符合计量一效应关系的，即高剂量对应高效应。 二甲戊乐灵对脱氢酶的活性有一定的激括作用，其激活强度和作用时间随处理浓 度升高而加剧和延长；二甲戊乐灵对土壤脲酶的影响表现出先抑制后激活的现 象，抑制和激活的程度及持续的时间与处理浓度成正比【6 “。其中，效应有正效 应，即农药的添加激活的酶的活性；比如二甲戊乐灵对脱氢酶的活性有一定的激 活作用。这种现象在以往的就农药对土壤酶的活性的研究当中还是相对比较少 浙江大学硕士学位论文 的。 也有负效应的，即农药的添加抑制了酶的活性。很多以往被研究的农药都显 示出了具有这种特性。如苯噻草胺的浓度对土壤中过氧化氢酶的活性有明显影 响，浓度愈大，对土壤中过氧化氢酶活性的抑制愈大6 2 1 。土壤酸性磷酸酶，碱 性磷酸酶和脱氢酶的活性在开始施用毒死蜱后( 土壤中毒死蜱有效浓度分别为 2 0 ，35 ，5 0 和1 0o k g h a ) 显著被抑制，随后大约在1 4 天左右回复到对照水平 1 6 3 1 。甲草胺( a l a c h l o r ) 对脱氢酶活性的影响也是先抑制，后回复【“1 。 但是上述的被抑制或者被激活的现象都是般出现在用药之初，随着时间的 推移，农药的降解，这种效应会逐渐减弱，最终回复到没有用药的水平。 有时候在这期间还会出现一个效应反相的现象，即在土样培养实验的过程 中，呈现出先抑制后激活的现象。这跟农药的性质有关，可能适量的该种农药可 被土壤微生物利用作为碳源而增加了酶的活性。甲胺磷对脱氢酶的活性的影响就 可归纳为“抑制一恢复与激活一再抑制一恢复稳定”的过程。其中后一次抑制现 象的出现可能是甲胺磷分解产物的影响所至1 6 “。 效应反相不仅仅出现在土样培养取样过程中，有时候外源物质的添加剂量对 土壤酶的影响也会出现的现象。比如在低剂量的情况下，外援物质对土壤酶有激 活作用，但是剂量增加到一定值的时候，就会出现抑制现象。比如b a r d g e t t 【6 6 】 等人发现在添加了饲料流出物之后，土壤脱氢酶活性明显增强，并且随着添加的 量的增加而显著增强，但是当剂量达到1 5v m 2 以上，又表现出明显的被抑制效 应。而在随后的取样时间内脱氢酶活性开始下降并最后回落到对照水平。这可能 过多的外援物质阻碍了酶和底物接触的机会。 不同的农药对土壤酶的影响是不同的，而且有时候同种农药对不同的土壤酶 的影响也呈现出不同的效应。即农药对一种土壤酶产生抑制，但是对另外一种或 者几种土壤酶并不表现出具有抑制效应，甚至还表现出激活作用。比如在脱氢酶， 酸性磷酸酶，碱性磷酸酶，和b 埔i 糖苷酶中，脱氢酶对杀菌剂m e f e n o x a m 最为 敏感，杀菌剂m e f e n o x a m 和m e t a l a x y l 对脱氢酶有长效的抑制作用，而对其他土 壤酶则没有类似的情况【6 7 i 。当施用了l o 倍，1 0 0 倍田间推荐施用量的嘧磺隆 f r i m s u l f u r o n ) 后，土壤脱氢酶活性受到抑制，而过氧化氢酶的活性却受到激活 6 。 这些一个农药对不同酶所表现出的差异主要是由于农药分子结构的特性所导致 浙江大学硕士学位论文 的，因为同一底物对不同酶的作用可能是不同的。农药分子可能是某种酶的最适 底物，也可能是另外一种酶的天然抑制剂。 除此之外还有很多因素影响着不同的农药对土壤酶的作用。郭明等6 9 1 通过 实验发现施入土壤中的农药天王星、功夫、久效磷、氧化乐果4 种农药对土壤脱 氢酶活性具有抑制作用，抑制程度的大小随外界环境的变化而变化。当底物浓度 相同时，酶活性随农药用量的增加而不断下降；并随时间的延长，4 种农药对脱 氢酶活性的抑制作用具有一定的波动性；不同土样用量条件下，4 种农药对土壤 脱氢酶的抑制效果随农药种类不同而各有不同趋势。不同种类的农药对脱氢酶的 影响不问。农药种类不同，分子结构存在差异，可能农药分子结构是影响酶活性 的内在因素。 5 2 重金属对土壤脱氢酶和过氧化氢酶的影响 重金属对土壤酶的影响也基本是符合计量一效应关系的，但是与有机物不同 的是重金属对酶的活性没有激活效应，即重金属更多的是表现出对土壤酶的抑制 作用。土壤酶对重金属的变化较为敏感，且具有良好的时效性特点，史长青【7 0 l 通过重金属元素台量和过氧化氢酶、脉酶的相关分析，得出了两种酶均与重金属 污染程度呈显著负相关的结论刘树庆1 7 1 1 对保定市污灌区土壤的p b 、c d 污染与 土壤酶活性关系的研究发现，土壤脲酶和过氧化氢酶活性随着p b 、c d 含量的增 加有明显的降低。当被污染土壤中镍、铅和镉的浓度范围分别达到1 _ 4 ，5 8 4 1 6 ， 3 09 3 5 5 4 和o 一1 2 m g k g 干土时，其中脲酶和脱氢酶分别被抑制3 1 和5 0 【“l 。 当然环境因素的不同，重金属对土壤酶的影响也会不同。特别是不同的土壤 类型对重金属的环境行为影响很大。王秀丽等【73 l 发现在浙江省富阳市环山乡遭受 铜锌重金属复合污染的土壤，两种金属污染物对土壤磷酸酶和过氧化氢酶活性具 有彳i 同程度的抑制作用。但是过氧化氢酶和磷酸酶与有效铜、辞均末达到显著负 相关。这可能与壤类型有关p “，由于该土壤为水稻土，其阳离子交换量和有 机质含量都较高，能通过络合和吸附反应钝化重金属的活性。g hh a s s a nd a r 1 7 5 1 发现在含c d 为5 0 m gg 。的土样中，土壤脱氢酶和碱性磷酸酶的活性被强烈抑制， 并且在砂质土壤中这种抑带4 尤为弱显。 重金属对土壤酶的抑制作用可能是因为重金属抑制了与酶活性息息相关的 浙江大学硕士学位论文 微生物的生长代谢等生理活动有关。但也有人认为，酶活性受重金属污染的抑制 主要通过重金属与底物的结合、重金属和酶蛋白的活性部位结合，或者重金属与 酶一底物复合体的结合。 与有机物不同还有一点是随着时间的推移，这种抑制效应的衰减不很明显。 这主要是因为重金属元素很难被微生物或着动植物利用而被降解。 6 研究意义及目的 阿特拉津和乙草胺是我国乃至世界应用最为广泛的两种除草剂。尽管这两种 除草剂最初是被作为低毒除草剂开发出来的，但是常年的实践和研究表明这两种 除草剂对土壤及水生生物有比较明显的危害作用，破坏生态系统。并且由于常年 的大量使用该除草剂，土壤以及相关的水体环境中都能检测到相关的残留，这对 土壤及水体环境具有比较大的危害作用。 而土壤酶作为土壤生态系统的一种很好的感应器，能够及时、准确的反映出 土壤生理一生态变化，预示出土壤肥力和土壤的健康状况。研究除草剂对土壤酶 的影响是研究除草剂对土壤生态系统影响的一神既简便、准确又经济的方法。 尽管国内、国际上有很多关于此类的研究但是考虑到实际的农业操作和具体 的环境条件，以及在联合施用的情况下，对两种除草剂对土壤酶活性的影响，以 及相关的机理研究还未见报道。因此，研究在环境因素的影响下，除草剂阿特拉 津和乙草胺在单用及混用的条件下对土壤酶的活性影响是有一定现实意义的。 首先研究这两种除草剂分别对土壤酶的影响可以了解到他们对土壤生态环 境所产生的影响。其次，不单单考虑这两种除草剂单独作用下，酶活性变化的情 况。还要考察这两种除草剂在混用的条件下，其对土壤酶的影响作用是否一致， 因为阿特拉津己被发现和其他农药具有联合毒性作用。b e l d e n “1 等人就发现阿特 拉津与有机磷杀虫剂毒死蜱( c h l o r p y r i f o s ) 、甲基对硫磷( m e t h y lp a r a t h i o n ) 对蚊子 ( c h i r o n o m u s t e t a n s ) 的乙酰胆碱酯酶具有联合毒性。这样不仅仅可以了解到阿特拉 津一乙草胺这种混合剂型对土壤可能产生的影响，同时还可以了解到环境中残留 的阿特拉津和乙草胺可能产生的真正影响，因为两者可能并非是相互独立的。再 浙江大学硕士学位论文 次，将环境因素考虑在内，可以更加准确的描述该除草剂在土壤中实际影响。环 境因素不仅仅可以改变外源物质在土壤环境中的迁移转化规律，还可以直接或者 间接的影响土壤生物和微生物的生理活动情况。综合了这些因素才可以比较