土壤pH条件下磷酸酶对砷污染的毒性响应及机理研究

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砷污染是我国当前较为严重的重金属污染问题之一,其在土壤中的迁移、转化及生物毒性受土壤环境的制约。磷酸酶在土壤磷素循环过程中至关重要,可催化有机磷水解矿化释放无机磷,其活性在一定程度上反映了土壤磷素有效化的程度。磷酸酶对重金属污染较为敏感,是土壤重金属污染监测的重要生物指标。本文在土壤pH缓冲条件下,研究了实际环境中砷污染对土壤磷酸酶活性的影响,并借助动力学与热力学方法深入分析了砷对土壤磷酸酶的作用机制,以探究在土壤pH和最适pH缓冲体系下土壤磷酸酶对砷污染的响应及机理上的差异,最终为环境污染的监测、修复等提供依据。主要获得以下结论:(1)在土壤pH缓冲体系中,五价砷污染后土壤磷酸酶活性显著受到抑制,抑制程度与砷含量、土壤肥力性状有关,碱性土壤的磷酸酶活性及其抑制率低于酸性土壤;实地砷污染土壤中,砷含量较高的土壤磷酸酶活性较低,总砷及各砷形态含量与实地污染土壤磷酸酶活性呈显著的负指数函数关系。(2)动力学研究表明,土壤pH缓冲体系中,五价砷污染后碱性土壤磷酸酶Km呈上升的趋势,Vmax变化趋势较小。酸性土壤磷酸酶的Km的变化趋势为上升、下降或不变,Vmax下降。所有土壤磷酸酶的Vmax/Km均呈下降趋势。碱性土壤为竞争性抑制或线性混合抑制类型,酸性土壤较为复杂。土壤肥力性状可显著影响砷与酶、酶-底物复合物的结合能力。与五价砷污染试验结果相比,实地砷污染土壤磷酸酶的Vmax较高,Km范围较小,Vmax/Km较低。五价砷污染与实地砷污染试验表明,Vmax/Km是较为灵敏的砷污染评价指标。五价砷污染与实地砷污染的热力学研究表明,土壤磷酸酶的酶促反应是需要从外界吸收热量的非自发反应。(3)与最适pH缓冲体系相比,五价砷污染下,土壤pH缓冲体系中土壤磷酸酶活性及其抑制率碱性土壤较低,酸性土壤较高,动力学参数相差较大,抑制常数较高。两种缓冲体系下,碱性土壤均以竞争性抑制为主;实地砷污染下,与最适pH缓冲体系相比,土壤pH缓冲体系中砷与土壤磷酸酶活性的关系更为明显;土壤磷酸酶Vmax与Vmax/Km值较高,Km范围较大。采用土壤pH缓冲体系,可以更准确地利用磷酸酶来评价砷的毒性。
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