張小菊，楊翠珍，楊 娟

(華中科技大學武昌分校城市建設學院，湖北 武漢 430064)

我國是世界巖溶面積最大的國家[1]，其中尤以碳酸鹽巖分布廣泛，主要分布在貴州、云南、四川等省區(qū)，構成了這些省區(qū)特殊的地貌類型[2]。碳酸鹽巖地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，同時由于人們環(huán)保意識的淡漠，直接導致生態(tài)退化和經濟發(fā)展的落后，特別是2009年西南的特大干旱，更導致了石漠化的加劇。

巖溶發(fā)育越來越多地受到研究者的關注，越來越多的科學工作者對巖溶動力系統(tǒng)的驅動作用、驅動機理進行了深入的研究[3，4]，同時從植物、微生物入手，對生物巖溶微形貌形成機理進行了探討，重點就藻類和其它微生物對巖溶作用進行了研究和評價[5～8]。賈麗萍等[9]研究了細菌、真菌、放線菌等對碳酸鹽巖的溶蝕作用，并對它們的巖溶作用強度進行了對比。隨著巖溶研究的深入，碳酸酐酶(Carbonic anhydrase，CA)被證實在巖溶發(fā)育中扮演著重要的角色，碳酸酐酶與巖溶發(fā)育的關系備受關注。

作者在此主要綜述微生物碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的研究現狀及在環(huán)境治理中的應用價值，并對其研究進行了展望。

1 微生物碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的研究現狀

碳酸酐酶是生物體中普遍存在的一種金屬酶。有關植物碳酸酐酶的研究報道較多，大多數植物含有碳酸酐酶，碳酸酐酶在光合作用中起著重要作用[10，11]。碳酸酐酶的活性中心含有一個催化活性所必需的鋅原子，催化CO2進行可逆水合反應。其催化機理如下：

(1)

(2)

由式(1)、(2)可知，CO2的水合反應生成的H+會影響CaCO3的電離平衡，從而驅動碳酸鹽巖溶蝕溶解。即有：

(3)

因此，碳酸酐酶在生物巖溶中具有重要的地位和作用，能促進石灰?guī)r的溶蝕，影響碳循環(huán)及喀斯特溶蝕地貌[12]。

李為等對碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的分布、活性、穩(wěn)定性、與生態(tài)系統(tǒng)元素遷移之間的關系進行了探討。研究表明，植物的根系、土壤的有機組織等都是碳酸酐酶的重要來源，碳酸酐酶的活性與喀斯特巖溶地區(qū)的植被特征、地球化學環(huán)境等關聯(lián)性強[13]。

通過對巖溶地區(qū)的土壤微生物進行篩選，發(fā)現不少菌株能分泌胞外碳酸酐酶。通過對巖溶環(huán)境進行模擬，發(fā)現巖溶環(huán)境的偏堿性條件、金屬離子、陰離子均有利于碳酸酐酶活性的穩(wěn)定[14]，其中，巖溶環(huán)境中篩選的放線菌有較高的胞內碳酸酐酶活性，而真菌具有較高的胞外碳酸酐酶活性[15]。通過土柱模擬實驗研究了不同類群微生物的碳酸酐酶對鈣、鎂、鋅三種元素遷移的影響，發(fā)現鈣鎂元素流失量與碳酸酐酶活性及生物量存在良好的正相關性[16，17]，進一步說明了碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的地位和作用。

碳酸鹽巖是喀斯特地區(qū)最廣泛存在的巖石類型，前期研究表明真菌對碳酸鹽巖溶蝕效果好[15]。為了深入研究微生物有機物對巖石的溶蝕情況，研究者對真菌菌絲、真菌有機酸物質、真菌碳酸酐酶引起的溶蝕作用進行了系統(tǒng)研究與對比[18～20]，結果表明，它們在石灰?guī)r巖溶發(fā)育中均扮演重要角色，其影響程度大小依次為：真菌菌絲>真菌有機酸物質>真菌碳酸酐酶。這些研究為進一步研究微生物碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的作用奠定了基礎。

2 微生物碳酸酐酶在環(huán)境治理中的應用價值

2.1 微生物碳酸酐酶對碳循環(huán)的影響

研究碳酸酐酶在自然界的分布規(guī)律及微生物分泌碳酸酐酶的情況，是一條探索CO2減排的技術途徑。

2.2 微生物碳酸酐酶在石漠化治理中的作用

我國西南巖溶地區(qū)擁有世界上最大的連片裸露巖溶，生態(tài)環(huán)境脆弱。主要表現為：石漠化非常嚴重；水源漏失、耕地瘠薄且少而分散，土地生產效率極低；旱澇災害頻繁等[21]。

利用微生物碳酸酐酶對CO2的水合吸收作用以及引起的碳酸鹽巖的風化，對于石漠化治理具有重大意義。

此外，還可以通過測定相關微生物及植物中的碳酸酐酶的活性，確定石漠化地區(qū)適宜的生態(tài)生物，以改善石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

3 微生物碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的研究展望

微生物碳酸酐酶是巖溶動力系統(tǒng)的重要驅動力，喀斯特地貌蘊藏巨大的“碳封存”潛力，可通過人為干預，利用微生物碳酸酐酶，實現減排最大化。

目前，我國不少巖溶地區(qū)都面臨石漠化威脅，若利用微生物碳酸酐酶進行石漠化治理，改變土地利用方式，即可為巖溶增匯；同時，以土壤微生物碳酸酐酶的活性為重要參考指標，可以評價石漠化地區(qū)土壤的肥力。因此，應深入研究碳酸酐酶促進的CO2水合反應的可逆反應動力學、抑制劑、活性影響因素等，為石漠化治理、水華治理等提供依據，也為碳酸酐酶促進的礦化沉積、石質文物的保護、環(huán)境的生物修復奠定基礎。

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