全氟辛酸铵盐(PFOA)对土壤酶活性影响的初步研究.pdf

农业环境科学学报2 0 1 0 2 9 5 9 3 6 9 4 1 J o u r n a lo fA g r o E n v ir o n m e n tS cie n ce 全氟辛酸铵盐 P F O A 对土壤酶活性影响的初步研究 田海霞 和文祥 孔龙 高亚军 西北农林科技大学资源环境学院 陕西杨凌7 1 2 1 0 0 摘要 全氟辛酸及其盐类 P F O A 是新近认定的持久性有机污染物之一 虽然对环境的危害愈来愈严重 但鲜见其土壤生态毒理 的研究报道 为此采用室内模拟的方法 对P F O A 与土壤酶 脲酶 脱氢酶 过氧化氢酶 活性间的剂量一效应关系进行了研究 结果 表明 P F O A 可显著抑制土壤脱氢酶活性 除5 号土样外 二者关系达显著或极显著负相关 揭示出土壤脱氢酶活性可表征土壤 P F O A 污染的程度 供试土样P F O A 轻度和中度污染时的生态剂量E D o 和E D 5 0 值分别为3 1H 唱 k g 和1 5 1m g k g 而且酸性土壤 比碱性土壤对P F O A 反应更敏感 表明土壤p H 对P F O A 的生态毒性有重要影响 P F O A 对纯脲酶 土壤脲酶和过氧化氢酶活性影 响规律性不明显 总体呈波动性变化 有待进一步研究 关键词 P F O A 脱氢酶 土壤酶 生态剂量 土壤p H 中图分类号 X 5 3文献标志码 A文章编号 1 6 7 2 2 0 4 3 2 0 1 0 0 5 0 9 3 6 0 6 T h eE 饪b cto fP e r f l u o r o o ct a n o icA cidA m m o n iu mS a l to nS o ilE n z y m eA ct iv it ie s T I A NH a i x ia H EW e n x ia n g K O N GL o n g G A OY a j u n C o l l e g eo f R e s o u r ce sa n d E n v ir o n m e n t N o r t h w e s t A g r icu l t u r a l F o r e s t U n iv e r s it y Y a n g l in 9 7 1 2 1 0 0 C h in a A b s t r a ct P e r f l u o r o o ct a n o ica cid P F O A a n dit ss a l t sa r eco n s id e r e dt oap e r s is t e n to r g a n icp o l l u t a n t P O P I t sh a r mt ot h ee n v ir o n m e n th a s b e co m es e l l o u s h o w e v e rt h e r ea l ef e wr e p o t so nit se e o t o x icit y 1 1 1 ed o s e r e s p o n s er e l a t io n s h ipb e t w e e nP F O Aa n ds o ile n z y m e s u r e a s e d e h y d m g e n a s e ca t a l a s e w a sin v e s t ig a t e dinal a b o r a t o r ys t u d y R e s u l t ss h o w e dt h a tP F O Aco u l ds ig n if ica n t l yin h ib its o ild e h y d r o g e n a s e a e t iv it yina l lb u tt h e5 t hs o ils a m p l e T h isin d ica t e dt l a ts o ild e h y d r o g e n a s ea ct iv it yco u l db eu s e da sa l lin d e xo fs o ilp o l l u t io nb yP F O A T h e cr it ica lP F O Aco n ce n t r a t io n sw e r e3 1m g k g f o rs l ig l f l yp o l l u t e ds o ila n d1 5 1m g k g f o rm o d e r a t e l yp o l l u t e d I na d d it io n s o ild e h y d r o g e n a s ea e t iv it yina cids o f t sw a sm o r es e n s it iv et h a l la l k a l in es o il st oP F O A T h isin d ica t e dt h eim p o r t a n tin f l u e n ceo fs o ilp Ho nP F O At o x icit v P F O Ah a dn os ig n if ica n tin f l u e n ceo nt h ea ct iv it yo fia ck b e a nu r e a s e s o ilu l t 屯a s e ca t a l a s e K e y w o r d s P F O A d e h y d r o g e n a s e s o ile n z y m e s e co l o g ica ld o s e p H 全氟辛酸及其盐类 P F O A 具有低表面张力 高 表面活性的特性 作为重要的有机中间体可合成含氟 憎水 憎油剂和皮革整理剂等产品 而且氟取代多聚 物生产中 尚未找到合适替代品 近年来随着分析手 段的不断提高 对其环境行为的研究日益深入 表明 其具有难降解性 生物蓄积性和可沿食物链在生物体 内富集的作用 而且进入大气后可远距离迁移 并随 干湿沉降到达地面 进入水体和土壤 造成的环境污 染已遍及全球1 1 5 1 如南极等地已检测出P F O A 的存 收稿日期 2 0 0 9 一l o 1 1 基金项目 农业部公益性行业 农业 科研专项 2 0 0 8 0 3 0 2 9 一1 3 西北 农林科技大学 青年学术骨干人才支持 计划项目 作者简介 田海霞 1 9 8 4 一 女 硕士 E m a il j in g y i一1 8 0 1 6 3 co r n 通讯作者 和文祥E m a il w x h e l 9 6 8 1 6 3 t o m 在 其已被认定为新的持久性污染物 因此监测其在 土壤中的含量 了解生态毒理效应等是当前农业和环 境科学等关注的热点课题之一网 土壤酶作为土壤的重要组成部分 参与土壤中几 乎所有的生物化学过程阳 在污染物质的监测及净化 方面也发挥着重要的作用阳0 1 脲酶是影响N 素循环 的主要土壤酶类 是唯一一种对尿素肥料起作用的酶 类 土壤脱氢酶是土壤微生物活性的量度 过氧化 氢酶与土壤呼吸作用和土壤微生物活动息息相关 其 可分解H 2 0 而降低对生物的毒害 同时与土壤有机 质含量密切相关 是表征土壤生物学特性的重要酶 类 1 1 I 国内外许多学者对不同污染物的土壤酶效应 进行了大量研究 提出土壤酶在一定程度上可表征 环境污染程度的大小 1 2 1 4 1 但目前国内外对P F O A 的 第2 9 卷第5 期农业环境科学学报 9 3 7 研究多集中在生物 如鱼类等 毒性及其环境行为方 面 1 5 1 7 J 从土壤酶的角度探讨P F O A 的土壤生态毒理 效应尚属空白 为此本文拟采用室内模拟方法 初步 探讨P F O A 对土壤脲酶 脱氢酶和过氧化氢酶3 类酶 活性的影响 以期为环境监测和保护等提供依据 1 材料与方法 1 1 供试土样 采自陕西省黄龙县的褐土 简育干润淋溶土 H a p l i U s t icA r g o s o l s 杨凌区的壤土 土垫旱耕人为 土E u mO r t h icA n t h r o s o l s 榆林市的风沙土 干旱砂 质新成土 A r id i S a n d icP r im o s o l s 和江西省鹰潭市的 红壤 简育湿润富铁土H a pU d icF e r r is o l s 采样时 先去除0 5e l n 的表土 取5 2 0 a m 土样 混匀风干 过lm il l 筛后备用 常规方法分析1 1 S l 土样的理化性质 结果见表l 1 2 试剂 P F O A 纯洋刀豆脲酶 J a e k b e a nu r e a s e 购自S ig I n a A l d r ich 公司 1 3 试验方案 向5 0 0g 土样中加入1m L 甲苯 1 5m in 后添加 5m L 不同质量浓度 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 m g k g 1 的P F O A 溶液 混匀维持3 0m in 后 加入相 应的底物和缓冲液 3 7 培养 定期取样 采用靛酚 蓝 三苯基四氮唑氯化物 r I I 比色法和容量法分别 测定土壤脲酶 脱氢酶和过氧化氢酶活性川 单位分别 用N H 一N 三苯基甲膜 1 1 P F 的量斗g g 1 h 一和消耗 的K M n 0 4 毫升数m L g h 卅来表示 每处理重复3 次 设无底物 无土壤处理作为对照 1 4 数据分析 采用E x ce l 和D P S 7 0 5 软件对数据进行计算分 析 相对活性 处理的酶活性 对照酶活性x 1 0 0 生态剂量 E co l o g ica ld o s e E D l o 和E D 5 0 分别是指 土壤酶活性变化1 0 和5 0 时外界污染物的浓度 可表征土壤轻微和中度污染时的临界浓度1 2 0 l 2 结果分析 2 1P F O A 对土样脲酶活性的影响 由供试土样脲酶活性 图1 和表2 可看出 1 未添加P F O A 时 同一类型土壤的脲酶活性值 随有 机质含量的增加而明显增大 其与有机质 r 0 7 2 全磷 r o 7 l 呈显著正相关 这主要是由于土壤酶是 以吸附态与有机质等结合存在的缘故闱 2 P F O A 的 加入 纯脲酶活性总体呈现抑制作用 除2 0 0m g k g 1 外 其余降幅为9 2 4 但随P F O A 浓度增加 纯脲 l2345789 供试土样s o il 图1 供试土壤脲酶活性 F ig u r e1U r e a s ea ct iv it yo fs o il st e s t e d 表1 供试土样的理化性质 T a b l elT h ep h y s ic ch e m ica lp r o p e r t ie so fs o il st e s t e d 注 褐士 风沙土 埂土的主要矿物学类型为水云母一蛭石 红壤的为高岭土一水云母 J 9 1 加 如 加 m O 号I 暑 蛊Tl 譬芑日 委j掣蜒龌隧 9 3 8田海霞等 全氟辛酸铵盐 P F O A 对土壤酶活性影响的初步研究2 0 1 0 年5 月 注 A 为酶活性 R 为相对活性 同行不同字母 a b 等 表明差异显著 尸锄 0 5 下同 酶活性变化规律性不明显 3 P F O A 加入对土壤脲酶 活性影响较大 其中5 个土样酶活性减小 4 个增大 一方面 由于土壤脲酶受到有机质等的保护作用 另 一方面 土壤中的某些矿物质可能吸附了P F O A 使土 壤脲酶对P F O A 的反应不敏感 表现出的规律性更 差 4 随P F O A 质量浓度增加 同一种土样脲酶活性 呈波动性变化 并均未达到显著水平 反映出供试土 样脲酶与P F O A 的关系较为复杂 有待进一步研究 2 2P F O A 对土样脱氢酶活性的影响 由表3 可看出 1 供试土壤脱氢酶活性与有机 质 r 0 8 6 全磷 r 0 8 1 碱解氮 r 0 7 4 达显著 或极显著正相关 表明在未污染的土壤中 有机质含 量越高 土壤越肥沃 土壤微生物数量和活性越大 2 P F O A 的加入导致了土壤脱氢酶活性减小 表明 P F O A 抑制脱氢酶活性 3 随P F O A 质量浓度的增 加 脱氢酶活性值持续减小 且大多数处理间均达到 显著差异水平 反映出其抑制作用增强 如当P F O A 质量浓度由0 增加到5 0m g k g l 时 脱氢酶活性降幅 为4 3 4 当浓度增加至4 0 0m g k g 一时 1 6 号土 样的脱氢酶活性降幅为3 2 6 9 红壤的降幅高达 9 7 1 0 0 脱氢酶受到完全抑制 同时揭示出酸性 土壤中的脱氢酶比碱性土壤的对P F O A 污染更敏感 侧面反映P F O A 的毒害作用更强 4 P F O A 质量浓 度 C 与脱氢酶活性 u 线性拟合结果 表4 显示 除 5 号土样外 其余均达显著或极显著负相关 揭示脱 氢酶在一定程度上可表征土壤P F O A 污染程度的大 小 5 计算得到了污染的生态剂量值E D 和E D 卯分 别为3 1 1 m g k g l 和1 5 3 5 5 4 r a g k g I o 表明酸性土 壤轻度和中度污染时P F O A 临界浓度分别为3 1 和 1 5 3n a g k g 碱性土壤轻度和中度污染时P F O A 临界 浓度分别为5 5 和2 7 7m g k g 一 6 酸性土壤E D E D 卯值最小值分别为碱性土壤的5 6 4 和5 5 2 证 明酸性土壤比碱性土壤对P F O A 的污染反应更敏感 2 3P F O A 对土样过氧化氢酶活性的影响 由表5 看出 1 在未添加P F O A 时 同一类型土 壤的过氧化氢酶活性 随有机质含量的增加而明显增 大 其与有机质 棚 7 7 全磷 栅 8 2 呈极显著正 相关 与脲酶和脱氢酶的结果类似 2 当加入P F O A 后 土壤过氧化氢酶活性变化幅度很小 随着P F O A 质量浓度的增加 过氧化氢酶活性呈现出波动性变 第2 9 卷第5 期农业环境科学学报 9 3 9 表4 土壤脱氢酶活性与P F O A 质量浓度的线性拟合 T a b l e4T h er e g r e s s io ne q u a t io n sb e t w e e ns o ild e h y d r o g e n a s e a ct iv it ya n dco n ce n t r a t io no fP F O A 化 在供试P F O A 浓度范围内 碱性土壤酶活性的变 幅为一3 2 9 酸性土壤的为一2 3 17 揭示土壤 过氧化氢酶对P F O A 不敏感 3 讨论 土壤矿物质种类多 化学组成复杂 而全氟辛酸 铵盐 P F O A 溶于水后 可完全电离为P F O 一和N 心 当 它进入土壤后 土壤中的有机 无机矿物质会影响到 它在其中的存在和转化 试验发现 P F O A 对于纯脲酶的影响总体上表现 为抑制作用 而对土壤脲酶的影响则表现为有的抑 制 有的激活 这可能是因为土壤中的有机 无机矿物 质对脲酶的保护和对P F O A 的吸附作用 P F O A 可以显著地抑制土壤脱氢酶活性 可能是 由于P F O A 与脱氢酶争夺底物 也可能是对微生物产 生了毒害作用 具体机理还有待进一步研究 7 号土样 的有机质含量相对较高 对脱氢酶有相对较大的保护 作用 对P F O A 的缓冲作用比较强 即对P F O A 的污 染反应不敏感 但是试验表明它对P F O A 的污染较敏 感 说明p H 是P F O A 对土壤脱氢酶影响中比较重要 的因子 H ig g in s 等1 2 l 研究也表明 沉积物中的有机碳 是主要的影响全氟化合物吸附沉积物特性的参数 这 种吸附随p H 降低而增加 静电作用起着重要作用 获得了供试土样中度污染时P F O A 浓度为1 5 3 5 5 4m g k g O l s o n 等l 复I 用F is h e r 大鼠研究P F O A 的 急性毒性 证明P F O A 经口染毒的急性毒性作用较 弱 雄性和雌性大鼠的半数致死量 L D 卯 分别为 5 0 0 r n g k g 一和2 5 0 5 0 0m g k g 1 而本文得出的酸性和碱 性土壤中度污染的临界浓度分别为1 5 3m g k g 和 2 7 7m g k g 揭示出采用土壤酶活性来探讨P F O A 的 生态毒理效应更敏感 由于供试土样过氧化氢酶对P F O A 不敏感 不能 用来表征P F O A 的污染 9 4 0 田海霞等 全氟辛酸铵盐 P F O A 对土壤酶活性影响的初步研究 2 0 1 0 年5 月 4 结论 1 土壤脲酶 脱氢酶和过氧化氢酶活性在一定 水平上都可以用以表征土壤有机质含量水平 2 供试P F O A 浓度下土样脲酶和过氧化氢酶活 性变化规律不明显 有的酶活性增加 有的则减小 3 P F O A 显著抑制土壤脱氢酶活性 除5 号土 样外 其余均达显著或极显著负相关 揭示出土壤脱 氢酶活性可表征土壤P F O A 污染的程度 4 计算得到供试土样轻度和中度P F O A 污染时 的生态剂量E D o 和E D 分别为3 1m g k g 和1 5 3 m g k g 1 5 相对碱性土样而言 酸性土壤对P F O A 的毒 害反应更敏感 表明土壤p H 对P F O A 的生态毒性有 重要影响 参考文献 l 1 C a l a f a tAM N e e d l m mL LK u l d e n y ikZ e la 1 P e r f l u o r in a t e dch e m ica l s ins e l e ct e dr e s id e n mo f t h eA l n e r ica nco n t in e n t J C h e m o s p h e r e m 2 0 0 6 6 3 4 4 9 0 4 9 6 f 2 K a a n a nKT a oL S in cl a irE e ta 1 P e r f l u o r in a t e dco m p o u n d sina q u a t ic o 瑁m is 璐a tv a r io u st r o p h iel e v e l sina G r e a tL a k e sf o o dch a i I 叨 A r ch E n v ir o nC o n t a inT o x ic 2 0 Q 5 4 8 4 5 5 9 5 6 6 3 S m it h w ie kM M u irDC M a b u r ySA e la 1 P e r t h u r o a l k y le o n t a m in t m t s inl iv e rt is s u ef r o mE a s tG r e e n l a n dp o l a rb e a r s U r s u sm a r it im u s f J E n v ir o nT ico lC h e m 2 0 0 5 2 4 4 9 8 1 9 8 6 4 T o m yGT B u d a k o w s k iW H a l l d o r s o nT e ta 1 F l u o r in a t e do r g a n icco in p o u n d sina l le a s t e r nA r ct icm a l in ef o o dw e b l J E n v ir o nS ciT e ch n o l 2 0 0 4 3 8 2 4 6 4 7 5 6 4 8 1 5 K a n n a nK C h o iJW I s e k iN e ta 1 C o n ce n t r a t io n so fp e r f l u o r in a t e d a cid sinl iv e r so fb ir d sf r o mJ a p a na n dK o r e a J C h e m o s J 咖e m 2 0 0 2 4 9 3 2 2 5 2 3 I 6 6W a s h in g t o nJW M a t t h e wH e n d e r s o nM J a ck s o nE l l in g t o nJ e ta 1 A n a l y s iso fp e r f l u o r in a t e de a r b e x y l ica cid sins o il s1 I O p t im iz a t io no f ch r o m a t o g r a p h ya n de x t r a ct io n J J o u r n do fC h r o m a t o g r a p h yA 2 0 0 8 1 1 8 1 1 之 2 l 一3 2 川关松荫 土壤酶及其研究法 M I 北京 农业出版社 1 9 8 6 G U A NS o n s y 1 S o ile n z y m ea n dit sr e s e a r chm e t I I o d s M B e ij in g C h in aA g r icu l t u r eP r e s s 1 9 8 6 8 周礼恺 土壤酶学 M 北京 科学出版社 1 9 8 7 Z H O UL i k a i S o il e n z y m o l o g y M B e ij in g S cie n ceP r e s s 1 9 8 7 9 G ia n f r e d aL R a oM A P o t e n t ia lo fe x t r ace l l u l a re n z y m e sinr e m e d ia t io n o fp o l l u t e d il s Ar e v ie w J E n z y m ea n dM icr o b ia lT e ch n o l o g y 2 0 0 4 3 5 4 3 3 9 3 5 4 1 0 C a l d w e l iBA E n z y m ea ct iv it ie sa saco m p o n e n to fs o ilb io d iv e r s it y A r e v ie w J P e d o b o l o a 2 0 0 5 4 9 6 6 3 7 6 4 4 1l L e t t in g aG F ie l dJ V a nL e ta 1 A d v 觚ce da n a e r o b icw a s t e w a t e rt r e a t m e r itint h en e a r f u t u r e J W a rS ciT e ch 1 9 9 7 3 5 1 0 5 1 2 l2 和文祥 陈会明 冯贵颖 等 汞铬砷元素污染土壤的酶监测研究 J 第2 9 卷第5 期农业 环 境科学学报 9 4 1 环境科学学报 2 0 0 0 2 0 3 3 3 8 3 4 3 2 8 9 2 0 6 8 2 0 7 3 H EW e n x ia n g C H E N GH u i m in g F E N GG u i y in g e ta 1 S t u d y0 1 1 e n z y m ein d e xins o il sp o l l u t e db ym e r cu r y ch r o m iu ma n da r s e n ic J A ct a S c n t ia eC ir cu m s t t t ia e 2 0 0 0 2 0 3 3 3 8 3 4 3 1 3 H in o j o s aMB C a r r e ir aJA R o d f l g u e z M a r o t oJM e ta 1 E f f e ct so f p y r it es l u d g ep o l l u t io no ns o ile n z y m ea ct iv it ie s E co l o g ica ld o s e r e s p o n s em o d e l J S c e n ceo f t h eT o t a lE n v ir o n m e n t 2 0 0 8 3 9 6 2 3 8 9 9 9 1 4 Y a n gZ h i x in L iuS h u q in g Z h e n gD a w e i e ta 1 E f f e ct so fca d iu m z in ca n dl e a do ns o ile n z y m ea ct iv it ie s J J o u r n do f E n v ir o n m e n t a ls c扣 e l ce s 2 0 0 6 1 8 6 1 1 3 5 一1 1 4 1 1 5 周启星 胡献刚 P F O S P F O A 环境污染行为与毒性效应及机理研 究进展 J 环境科学 2 0 0 7 2 8 1 0 2 1 5 3 2 1 6 2 Z H O UQ i x in g H UX ia n g a n g R e s e a r ch in gp r o g r e s s e sine n v ir o n m e n t a lp o l l u t io nb e h a v io r t o x ice f f e ct sa n dm e ch a n is m so fP F O S f P F O A m E n v ir o n m e n t a l S c e e 2 0 0 7 2 8 1 0 2 1 5 3 2 1 6 2 1 6 刘薇 金一和 全燮 等 沈阳市降雪中P F O S 和P F O A 污染现 状调查 J 环境科学 2 0 0 7 2 8 9 2 0 6 8 2 0 7 3 L I UW e i J I NY i h e Q U A NX ie e t a 1 I n v e s t ig a t io no f P F O Sa n dP F O A p o l l u t io nins n o winS h e n y a n g C h in a J I E n v ir o n m e n t a lS cie n ce 2 0 0 7 1 7 H a n s e nKJ J o h s o nHO E l d r id g eJS Q u a n t it a t iv ech