賈崢嶸等

摘 要：為了研究膨潤土對銅污染土壤的修復機理，通過油菜盆栽試驗研究了粘土礦物膨潤土對銅污染土壤酶活性的影響。結果表明：隨著銅污染程度的增加，土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、硝酸還原酶的活性都受到不同程度的抑制。膨潤土的施加能顯著提高銅污染的土壤酶活性，土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、硝酸還原酶的活性分別提高了6.4%～15.4%、4.0%～19.3%、1.26%～1.85%和4.6%～10.9%，且對4種酶活性的增加幅度為：堿性磷酸酶>脲酶>硝酸還原酶>過氧化氫酶，并表現(xiàn)出在高污染下對土壤脲酶和堿性磷酸酶的增幅大于低濃度污染，在低濃度污染下對土壤過氧化氫酶和硝酸還原酶的增幅大于高濃度銅污染。說明膨潤土對銅污染的土壤有一定的修復能力。

關鍵詞：膨潤土；銅污染；土壤酶

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A 論文編號：2013-0881

Effects of Bentonite on Soil Enzyme Activity in Copper Contaminated Soil

Jia Zhengrong1， Li Yongshan1， Hao Jiali1， Yang Zhiguo1， Liu Xiuzhen2， Bu Yushan2

（1Cotton Research Institute， Shanxi Academy of Agricultural Sciences， Yuncheng 044000， Shanxi， China；

2College of Resource and Environment Science， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801， Shanxi， China）

Abstract： In order to study on the remediation mechanism of bentonite on copper contaminated soil， a pot experiment of rape was conducted to study the effects of clay minerals about bentonite on soil enzyme activity of copper contaminated soil. The results showed that： activities of urease， alkaline phosphatase， catalase and nitrate reductase in soil were significantly restrained with increase of concentration of copper in contaminated soil. Bentonite significantly increased activities of urease， alkaline phosphatase， catalase and nitrate reductase by 6.4%-15.4%， 4.0%-19.3%， 1.26%-1.85%， 4.6%-10.9% in the copper contaminated soil， respectively and the increase rates of 4 enzyme activity were in order： alkaline phosphatase>urease>nitrate reductase>catalase. Increase rates of urease and alkaline phosphatase activities were greater in high concentration copper contaminated soils than in the low concentration of copper contaminated soils， but catalase and nitrate reductase activities were greater in low concentration than in high concentration of copper contaminated soils. Therefore， bentonite could amend copper contaminated soils.

Key words： Bentonite； Copper Contamination； Soil Enzyme Activity

0 引言

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量含有重金屬的廢水、廢渣進入農(nóng)田，導致土壤環(huán)境質(zhì)量進一步惡化[1]。土壤重金屬污染修復是當前土壤學和環(huán)境科學面臨的挑戰(zhàn)之一。土壤酶活性作為表征土壤質(zhì)量變化的重要指標[2]，可用于評價土壤銅污染狀況。銅作為典型的土壤重金屬污染元素之一，是當今研究的熱點之一，相關銅污染對土壤酶活性的影響，目前的研究報道較少。陳懷滿[3]研究表明，重金屬可通過破壞酶的活性位點和空間結構，導致土壤中酶的活性下降；也可以通過抑制微生物的生長、繁殖，減少微生物體內(nèi)酶的合成和分泌，最終使單位土壤中酶的活性降低。然而，與銅污染密切相關的脲酶、硝酸還原酶、過氧化氫酶、纖維素酶、磷酸酶、水解酶等大多土壤酶，其活性大都受到銅的抑制[4-5]。研究認為，重金屬銅在含量較高和較低時都可對土壤酶活性產(chǎn)生鈍化或抑制作用，前者可能是大量銅離子與酶蛋白的沉淀所致[6]；而含量較低時的抑制作用，可能是因為金屬離子與某些酶分子的巰基、胺基和羧基的結合[7]。因此，利用土壤中的酶活性來評價土壤銅污染的修復效果是科學合理的方法。

粘土礦物膨潤土是一種具有較強吸附性、陽離子交換性、粘著性等特性的環(huán)保材料[8]，當前被廣泛用于重金屬污染的土壤和水體的環(huán)境治理。筆者通過膨潤土對銅污染土壤酶活性的影響，以期為膨潤土修復重金屬污染土壤提供一定的參考價值和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

盆栽試驗于2012年4月在山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院試驗基地大棚內(nèi)進行，室內(nèi)分析測定于2012年5月20日在山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院環(huán)境監(jiān)測實驗室進行。

1.2 試驗材料

盆栽試驗用土為山西省太谷縣石灰性褐土；供試膨潤土采自山西省渾源縣；供試作物為油菜（Brassica campestris L. ssp. chinensis L.），品種為‘四月蔓，生育期45天。

供試肥料為尿素（含N量為46%）、KH2PO4（含P2O5量為52.2%，含K2O量為34.6%）和K2SO4（含K2O量為64.4%），供試銅源為CuSO4·5H2O（含Cu量為25.6%）。供試土壤和膨潤土基本理化性質(zhì)見表1。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗在山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院試驗基地大棚內(nèi)用盆栽法進行，采用2因素6水平完全組合設計，因素1為膨潤土施用量，設0 g/kg（-P）和30 g/kg（+P）土2個水平；因素2銅施用量，設0、200、300、400、500、600 mg/kg 6個水平，以代表不同銅污染程度。完全組合共12個處理，4次重復。盆缽采用22 cm×18 cm塑料盆，每盆裝風干土5 kg，底部裝入石礫1 kg，在石礫中插入1根PVC管用于生育期灌水。每盆以尿素、KH2PO4和K2SO4施入N 0.2 g/（kg·土）、P2O5 0.261 g/（kg·土）、K2O 0.272 g/（kg·土）作為基肥。外源銅為CuSO4·5H2O，按試驗設計以溶液形式施入，施入膨潤土，與土壤混勻后澆水平衡1個月。

油菜于2012年4月5日種植，待油菜生長到2～ 3 cm時，每盆選擇長勢基本一致的幼苗定植10株，生長期間保持田間持水量的80%，并依次輪換盆缽位置，按常規(guī)方法管理。于2012年5月20日收獲后，采集土樣用于土壤酶分析。

1.3.2 測定方法 土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定[9]；土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[9]；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定[9]；土壤硝酸還原酶活性采用酚二黃酸比色法測定[10]。

1.3.3 統(tǒng)計分析 測定數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05版軟件進行處理和分析，多重比較采用Duncan新復極差法。

2 結果與分析

2.1 膨潤土對銅污染土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶廣泛存在于土壤微生物、動物和植物中，是土壤中的主要酶類之一。早期的一些研究表明：土壤脲酶活性與銅濃度呈顯著負相關，在50～100 mg/kg的銅對脲酶的抑制率大于25%，超過100 mg/kg時，銅對土壤脲酶的抑制更加明顯。李東坡等[11]認為，土壤脲酶活性及其動態(tài)變化可以反映土壤的健康狀況及營養(yǎng)水平，且脲酶活性越高土壤健康狀況越好，也可作為評價健康土壤的生物學指標。

試驗結果表明，隨著銅污染程度的增加，土壤脲酶活性呈逐漸降低的趨勢，施加膨潤土能顯著提高土壤脲酶活性（見圖1）。在未施加膨潤土條件下，隨著銅污染程度的增加，土壤脲酶活性分別比空白對照降低了11.3%、19.6%、26.7%、36.5%、41.2%，差異達到顯著水平；施加膨潤土處理土壤脲酶活性相比未施加膨潤土增幅分別為9.1%、6.4%、7.1%、8.4%、15.4%、13.0%，差異極顯著。在銅0 mg/kg時，土壤并未污染，但是施加膨潤土能增加土壤脲酶的活性，這可能與膨潤土的土壤保肥、保水性能有關。在200～500 mg/kg時，土壤脲酶增幅逐漸增大，到600 mg/kg時，增幅有所降低，表現(xiàn)出在較高銅污染下對土壤脲酶的增幅大于低濃度污染。

2.2 膨潤土對銅污染土壤磷酸酶活性的影響

土壤磷酸酶是一種由細菌、放線菌和真菌產(chǎn)生的一類催化土壤有機磷化合物礦化，或無機磷酸鹽轉(zhuǎn)化為植物可吸收磷的酶，是評價土壤中磷素生物轉(zhuǎn)化方向和強度的重要指標，其活性大小直接影響著土壤中有機磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性。

試驗結果表明，土壤堿性磷酸酶總體上隨銅污染程度的增加呈先升高后降低趨勢，施加膨潤土能極顯著提高土壤堿性磷酸酶活性（見圖2）。

在未施加膨潤土處理在銅200 mg/kg時，土壤堿性磷酸酶的活性比0 mg/kg提高了4.8%，差異顯著?？梢姷蜐舛鹊你~含量可激活磷酸酶的活性，但隨著銅濃度的進一步增加，土壤磷酸酶活性受抑明顯，分別比對照降低了9.08%、18.9%、32.2%、38.0%。施加膨潤土處理相比未施加膨潤土均能顯著提高土壤磷酸酶的活性，分別增加為14.8%、4.0%、9.5%、14.3%、19.3%、14.4%。說明定量膨潤土對高濃度銅污染下的磷酸酶修復效果大于低濃度銅污染。

2.3 膨潤土對銅污染土壤過氧化氫酶活性的影響

過氧化氫酶是氧化還原酶類重要的酶之一，廣泛的存在于土壤和生物體內(nèi)，與土壤有機質(zhì)和土壤微生物數(shù)量關系密切，在土壤物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化過程中占用重要的地位，能促進過氧化氫分解為水和氧，降低由生物呼吸過程和有機物生物反應過程產(chǎn)生的過氧化氫毒害作用。常用來研究土壤的生物化學性質(zhì)、有機質(zhì)的積累程度和腐殖質(zhì)礦化強度，也是表征土壤微生物學強度的重要指標，更有評價土壤受重金屬污染的預警作用。

試驗結果表明，隨著銅污染程度的增加，土壤過氧化氫酶活性呈逐漸降低的趨勢，在同一污染水平下，施加膨潤土能顯著的提高土壤過氧化氫酶的活性（見圖3）。在未施加膨潤土條件下，隨著銅污染程度的增加，土壤過氧化氫酶活性分別比空白對照降低了3.26%、4.07%、5.13%、6.17%、6.47%，差異達到顯著水平；施加膨潤土相比未施加膨潤土處理在200～600 mg/kg的土壤過氧化氫酶活性的增幅分別為1.59%、1.42%、1.67%、1.85%、1.26%，差異極顯著。在0 mg/kg時，施加膨潤土的土壤過氧化氫酶略有降低，差異不顯著。總的來說膨潤土能有效緩解土壤銅污染，提高了土壤中過氧化氫酶的活性。

2.4 膨潤土對銅污染土壤硝酸還原酶活性的影響

硝酸還原酶是一種重要的專性酶類，參與土壤的反硝化全過程，促進土壤中的硝態(tài)氮還原成氨氣，能在厭氣條件下還原硝酸鹽為亞硝酸鹽，一般對硝酸還原酶的測定介于植物體內(nèi)，文獻中較少報道土壤中硝酸還原酶。但硝酸還原酶活性除可用于合理施肥和氮素損失研究外，也是評價土壤銅污染的指標之一，魏威等[1]研究報道，硝酸還原酶在土壤銅鉻單一和復合污染下酶活性下降明顯，可用于表征土壤的銅污染狀況。

試驗結果表明，土壤硝酸還原酶活性隨銅污染程度的增加呈先升高后降低的趨勢，施加膨潤土能極顯著的提高土壤硝酸還原酶活性（見圖4）。在銅 200 mg/kg濃度時，土壤硝酸還原酶活性比對照提高了7.13%。說明低濃度的銅污染可以激活硝酸還原酶的活性。銅超過200 mg/kg土壤硝酸還原酶活性分別降低了10.8%、20.2%、26.0%、36.9%，與對照差異達顯著水平；施加膨潤土與未施加膨潤土相比能顯著提高土壤硝酸還原酶的活性，在銅200～600 mg/kg時，施加膨潤土相比未施加膨潤土處理土壤硝酸還原酶活性增幅分別為4.6%、9.2%、10.9%、7.0%、8.0%，差異極顯著?？梢?，膨潤土在較低濃度銅污染下施加更有利于硝酸還原酶活性的提高。

3 結論與討論

有關膨潤土等粘土礦物對土壤酶活性的影響報道并不多見，Sundaram等[12]認為粘土礦物高嶺石可顯著增加土壤脲酶的活性。崔立莉等[13]認為，膨潤土可降低土壤中有機物料的分解速率，提高腐殖化系數(shù)和有機質(zhì)含量。在砂土中，施加膨潤土還可顯著增加土壤過氧化氫酶的活性，并有著很高的相關性。郝秀珍等[14]用蒙脫石配施稻草修復銅尾礦砂和菜園的混合土，發(fā)現(xiàn)其可提高土壤脲酶活性。黃震等[15]也通過試驗，證實環(huán)境材料（主要是粘土礦物膨潤土等）能顯著降低重金屬對土壤酶活性的抑制效應。

本試驗得出，相比未施加膨潤土處理，膨潤土的施入能顯著提高土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶、硝酸還原酶的活性，4種酶活性的增加幅度為：堿性磷酸酶>脲酶>硝酸還原酶>過氧化氫酶。其原因可能是膨潤土的施入，通過離子交換吸附結合了銅離子，致使原本與土壤酶蛋白結合或與酶分子巰基、胺基和羧基的結合銅離子減少，從而較少了銅對土壤酶的抑制作用，提高了土壤酶活性。黃巧云等[16]也從側(cè)面證實了粘粒礦物吸附酶蛋白的數(shù)量非常有限，有時即使吸附形成粘粒礦物-酶復合體也不一定會對酶活性產(chǎn)生影響?？梢娭饕桥驖櫷廖解g化了銅離子，減輕了銅毒害，從而使土壤酶活性增加。

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