Cd2+、Pb2+、Cr6+对崇明东滩湿地沉积物脲酶活性的Hormesis效应研究

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滨海湿地是海陆交互作用的敏感地带,随着沿海经济的高速发展及滨海湿地地理位置的特殊性,大量的陆源污染物,包括重金属等在湿地积累、转化、迁移,并产生显著的环境效应。以往有关重金属对沉积物土壤酶的影响取得了十分重要的进展,然而,不难发现,这些研究大多关注于重金属的对酶的抑制效应,有关低剂量刺激效应(Hormesis)的研究还很少报道。  本研究以崇明岛东滩湿地为原型区域,采集湿地沉积物样品,分别添加Cd2+(0.001~2.0 mg/kg)、Pb2+(0.5~1000 mg/kg)、Cr6+(0.4~800 mg/kg)等不同剂量的重金属,在不同培养时间观测沉积物脲酶(Urease)活性及其酶促反应动力学参数的变化,揭示重金属-Urease的hormesis现象;同步研究三种重金属对Urease标准酶活性及其酶促反应动力学参数的影响,探索酶活性对重金属响应的应激机制;研究Hormesis效应剂量水平下小麦种子发芽率与生物量等的变化,评估土壤酶Hormesis效应的传递及可能存在的风险。项目研究将为土壤酶是否存在Hormesis效应提供直接证据,也无疑有助于湿地重金属环境效应的科学评估。  研究结果表明:  (1) Cd2+、Pb2+对沉积物Urease活性均存在明显的Hormesis效应,二者对Urease Hormesis效应的剂量区间为0.001-0.01mg/kg(Cd2+)和0.5 mg/kg(Pb2+),酶活性分别高于CK16.1~38.2%(Cd2+)和15.0%(Pb2+),明显的Hormesis效应出现的时间在培养后的48 h。Cd2+添加量为0.1mg/kg、Pb2+添加量为5.0-50 mg/kg时,沉积物Urease活性与CK无显著差异。可以认为,该剂量是Urease的无效应浓度。相比较而言,Cr6+对沉积物Urease活性不存在明显的Hormesis效应。  (2)Urease标准酶对重金属添加的响应表现为,随着重金属添加量的增加,标准酶活性均呈现递减趋势。添加Cd2+时,标准酶的活性随着培养时间的延长,出现先下降后升高的U型曲线;添加Pb2+、Cr6+时,标准酶活性均未随培养时间延长产生相似变化。这表明,Urease本身对三种重金属离子并不存在直接应激反应,沉积物Urease对Cd2+、Pb2+的hormesis效应机制可能存在其他间接作用。  (3)沉积物Urease及标准酶酶促反应动力学结果表明,三种重金属离子添加后,Km值较CK下降幅度分别为6.3-57.1%(Cd2+)、6.3-57.1%(Pb2+)和34.8-90.1%(Cr6+);与此同时,Vmax也显著下降,降低幅度分别为48.2%(Cd2+)、8.2-62.2%(Pb2+)、26.1-93.0%(Cr6+)。这表明,尽管重金属添加改善了酶与底物的亲和力,但可能显著降低了沉积物Urease的数量。因此,沉积物脲酶的hormesis效应并非重金属加入改善了酶与底物的亲和力所致。  (4)重金属添加下小麦发芽与生物量的响应实验结果表明,三种重金属离子的添加,无论剂量高低,都显著的降低了小麦的发芽率。这表明,三种重金属对Urease存在的Hormesis效应并没有显著的传递到小麦-沉积物生态系统尺度,进而表现在对小麦发芽率的促进;三种重金属的添加均对发芽种子的生物量产生影响,除了Cd2+(2.0 mg/kg),重金属离子的胁迫均增加了发芽种子的生物量;种了萌发后,三种重金属离子的Hormesis剂量水平下Urease的活性均未明显高于CK,说明三种重金属离子对脲酶的Hormesis效应,并没有显著的传递到生态系统尺度。  因此,Cd2+、Pb2+对滨海湿地沉积物中Urease活性均具有明显的Hormesis效应,但Hormesis效应的发生并不因为低剂量重金属的添加改善了沉积物Urease与底物的亲和力,也不是因为酶本身的改变所致。沉积物体系中微生物相关的土壤化学-生物学级联机制可能是Urease Hormesis效应的驱动机制。此外,重金属Urease的Hormesis效应并不显著的传递到沉积物-小麦生态系统尺度。
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