土壤矿物的吸附作用在土壤有机碳的稳定性中起着重要作用。铁铝矿物是土壤常见的次生矿物,其表面活性高,对土壤各组分有吸附作用。近些年来,土壤铁铝矿物对土壤有机碳的稳定作用被越来越多的学者所重视。本文从矿物吸附作用对可溶性有机碳(DOC)的矿化影响和对酶的催化特性影响两个角度出发,研究铁铝矿物吸附作用对土壤有机碳稳定性的影响。前人研究结果显示,铁铝矿物对土壤DOC有吸附作用,尤其对DOC疏水性组分、芳香性组分更具亲和性。被吸附的DOC相比于自由态的DOC,其生物降解性显著降低。但是大多数研究忽略了矿物在土壤中的存在情况,铁铝矿物在土壤中分布是不均匀的,这就使得吸附发生时矿物与DOc有着不同的接触面积。磷在矿物吸附DOC的过程中能够与DOC竞争矿物表面的吸附点位,因此,当不同面积的矿物表面与DOC发生吸附时,磷等竞争因素的竞争强度不同,会影响到矿物表面与DOC的结合强度。本文研究了在不同矿物表面积条件下,在磷离子等对矿物表面吸附点位的竞争条件下,铁铝矿物吸附作用对DOC的矿化影响,以评价铁铝矿物对DOC的吸附稳定性。试验中选用了五种常见的的铁铝矿物和两种性状不同的DOC(提取自林地凋落物和水稻秸秆的DOC)。土壤酶驱动着有机碳的循环转化过程。土壤有机碳组分中难溶性组分在微生物酶的作用下氧化或水解,从高分子转化为低分子可溶性物质并为微生物所利用,形成了土壤有机碳矿化的过程。微生物合成酶类并将其释放到土壤环境后,酶以各种方式与粘粒矿物、有机质等形成复合体存在于土壤。本文研究土壤铁铝氧化物对酶的吸附特性及其对酶的催化特性影响。通过对比矿物吸附态酶和自由态酶的催化特征(包括酶活性、酶动力学、pH和温度稳定性、抗蛋白水解和腐殖酸性、活力持续性)来研究铁铝矿物的吸附作用对酶催化特性的影响,进而评价土壤铁铝矿物对酶的吸附作用对于土壤不同有机碳组分的酶促降解的潜在影响。根据土壤有机碳降解难易度,可将有机碳分为易降解有机碳、慢降解有机碳和难降解有机碳。对于不同组分,土壤微生物会合成不同酶类来进行催化降解。根据上述有机碳分类,本文选择3种酶类作为研究对象：蔗糖酶、木聚糖酶和漆酶,分别对应于分解易降解的蔗糖、慢降解的木聚糖和难降解的多酚类物质。研究结果如下：1土壤铁铝矿物DOC有吸附作用,并抑制了其矿化,说明铁铝矿物对DOC有吸附稳定作用。但是吸附态DOc的矿化速率并不是随着矿物吸附的DOc量的增大而增大,而是与吸附过程中矿物表面积的大小相关,并且磷在矿物对DOC的吸附稳定性中起着极其重要的作用。吸附过程中矿物表面积越小,磷在矿物表面对吸附点位竞争越强,矿物与DOC结合力较弱,形成的吸附态DOC的矿化速率越高；相反,矿物表面积越大,磷在矿物表面对吸附点位竞争越弱,矿物与DOC结合力强,形成的吸附态DOC的矿化速率越低。相比高矿物表面积吸附下形成的吸附态DOC,低矿物表面积吸附下形成的吸附态DOC含有更高比例的活性组分,具有更高的矿化速率、更短的半衰期和平均保留时间。铝矿物对DOC吸附稳定作用强于铁矿物。2土壤铁铝矿物均对漆酶、木聚糖酶和蔗糖酶有着强烈的吸附性,但吸附量的大小与矿物比表面积无关。土壤铁铝矿物吸附作用对不同酶类的催化特性影响不同：2.1土壤铁铝矿物吸附作用对漆酶的催化特性影响吸附作用导致了漆酶与底物亲和力下降,在被针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝吸附后,漆酶的Km值分别为自由态漆酶的1.48、1.39、1.74、1.97倍,以及最大反应速率的显著降低,使得吸附于针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝表面的漆酶的Vmax值分别为自由态漆酶的67%、40%、28%、39%。无定形铝、三水铝石、纤铁矿和针铁矿吸附态漆酶的活性分别为自由态漆酶活性的26%、31%、36%和64%,因此,矿物的吸附显著降低或者抑制了漆酶的活性,且铝矿物对漆酶的抑制作用高于铁氧化物。相比自由态漆酶,矿物吸附态酶的活化能与活化焓的升高,吸附于针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝表面的漆酶的活化能值分别为自由态漆酶的1.58、1.57、1.23、1.32倍,活化焓值分别为自由态漆酶的1.68、1.66、1.27、1.37倍。同时,吸附态漆酶的温度稳定性下降,这就使得矿物吸附态酶需要更大的能量来启动催化反应,并只能在较窄的温度范围内进行催化反应,不利于漆酶对底物的催化。但是,矿物对漆酶的吸附增强了漆酶的pH稳定性和抗蛋白水解能力并延长了其转化周期,吸附于针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝表面的漆酶的半衰期分别为自由态漆酶的3.31、2.38、1.60、1.41倍。综合评价,虽然矿物对漆酶的吸附增强了漆酶的pH稳定性、抗蛋白水解能力并延长了其转化周期,但是吸附态酶的温度稳定性显著下降且酶活性保持在较低水平,导致漆酶的催化效率较低。作者认为土壤铁铝矿物对漆酶吸附作用不利于土壤木质素、多酚类复杂有机碳的酶促降解。2.2土壤铁铝矿物吸附作用对木聚糖酶的催化特性影响吸附作用导致了木聚糖酶与底物亲和力下降,在被针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝吸附后,木聚糖酶的Km值分别为自由态木聚糖酶的1.67、1.79、1.36、1.47倍。最大反应速率降低,吸附于针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝表面的木聚糖酶的Vmax值分别为自由态木聚糖酶的72%、57%、84%、78%。纤铁矿、针铁矿、无定形铝和三水铝石吸附态木聚糖酶的活性分别为自由态木聚糖酶活性的41%、55%、64%和75%,,虽然矿物的吸附在一定程度上抑制了木聚糖酶的活性,但是吸附于铁铝矿物的木聚糖酶的活性被较多的保留下来,且铝矿物吸附态木聚糖酶活性高于铁矿物吸附态木聚糖酶活性。相比自由态木聚糖酶,矿物吸附态酶的pH和温度稳定性增强,抗蛋白水解能力增强,酶转化周期延长,吸附于针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝表面的木聚糖酶的半衰期分别为自由态木聚糖酶的2.12、1.80、1.61、1.45倍。吸附态木聚糖酶的活化能与活化焓降低,吸附于针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝表面的木聚糖酶的活化能值分别为自由态木聚糖酶的41%、44%、62%、56%,活化焓值分别为自由态木聚糖酶的38%、42%、61%、54%,这就使得催化反应能够更高效地进行。综合评价,作者认为土壤铁铝矿物对木聚糖酶吸附作用有利于土壤纤维素、半纤维素等有机碳组分的催化降解。2.3土壤铁铝矿物吸附作用对蔗糖酶的催化特性影响吸附作用导致了蔗糖酶与底物亲和力下降,在被针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝吸附后,蔗糖酶的Km值分别为自由态蔗糖酶的1.20、1.14、1.32、1.28倍,以及最大反应速率的显著降低,吸附于针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝表面的蔗糖酶的Vmax值分别为自由态蔗糖酶的39%、43%、34%、36%。三水铝石、无定形铝、针铁矿和纤铁矿吸附态蔗糖酶的活性分别为自由态蔗糖酶活性的30.21%、33.09%、41.10%和42.46%,因此,矿物的吸附显著降低或者抑制了蔗糖酶的活性,且铝矿物对蔗糖酶的抑制作用高于铁氧化物。相比自由态蔗糖酶,矿物吸附态酶的活化能与活化焓的升高,吸附于针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝表面的蔗糖酶的活化能值分别为自由态蔗糖酶的1.38、1.30、1.22、1-31,活化焓值分别为自由态蔗糖酶的1.41、1.33、1.24、1.34。吸附态蔗糖酶温度稳定性下降,使得矿物吸附态酶需要更大的能量来启动催化反应,并只能在较窄的温度范围内进行催化反应,不利于蔗糖酶对底物的催化。但是,矿物对蔗糖酶的吸附增强了蔗糖酶的pH稳定性、抗蛋白水解和腐殖酸抑活能力并延长了其转化周期,吸附于针铁矿、纤铁矿、三水铝石、无定形铝表面的蔗糖酶的半衰期分别为自由态蔗糖酶的3.09、2.58、1.77、1.89倍。综合评价,虽然矿物对蔗糖酶的吸附增强了蔗糖酶的pH稳定性、抗蛋白水解和腐殖酸抑活能力并延长了其转化周期,但是吸附态酶的温度稳定性显著下降且酶活性保持在较低水平,导致蔗糖酶的催化效率较低。作者认为土壤铁铝矿物对蔗糖酶吸附作用不利于土壤蔗糖等多糖物质的催化降解。本文通过对矿物吸附DOC和酶的研究,揭示了土壤铁铝矿物在土壤碳循环转化中的作用,为土壤有机碳转化过程的研究提供了理论基础。