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土壤酶学研究的新近进展土壤酶学研究的新近进展周礼恺，陈冠雄，陈利军，武志杰( 中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳1 1 0 0 1 6 )土壤酶学研究可追溯至1 8 9 9 年W o o d s 论及的腐解植物根系释出的过氧化物酶在土壤中的存活与功能2 0 世纪5 0 年代一7 0 年代，该研究有了长足的进展S o i lE n z y r m e s ”( B u r n s ；A c a d e m i cP r e s s ，1 9 7 8 ) 和“S y s t e m a t i cE c o l o g i c a lA n a l y s i so fS o i lE n z y m eA c t i v i t i e s ”( H a z i e v ，A c a d e m i cP r e s so fS o v i e tU n i o n ，i nR u s s i a n ，1 9 8 2 ) 两部专著较为全面地总结了这一时期的研究成果我国的土壤酶学研究大致始予上世纪7 0 年代，涉及的主要内容，有土壤酶的种类、在土层中的分布与存在部位、测定方法、与土壤肥力和土壤污染的关系、酶反应的动力学特征，以及酶抑制剂在缓释肥料中的应用。

所获成果，多汇集于“土壤酶及其研究法”( 关松荫，农业出版社，1 9 8 6 ) 、“土壤酶学”( 周札恺，科学出版社，1 9 8 7 ) 及“全国土壤酶学研究文集”( 中国科学院林业土壤研究所，中国农业科学院土壤肥料研究所，吉林农业大学编，辽宁科学技术出版社，1 9 8 8 ) 里1 9 9 9 年7 月，在西班牙G r a n a d a 召开的“环境中的酶”的国际学术会议上，交流了近年来土壤环境和水生环境的酶学研究成果，提出 了环境酶学( 生态酶学) 的概念与研究内容，并指出了研究酶一微生物——底物的交互 作用对深刻了解陆生和水生生态系统的功能多样性的重要意义( “E n z y m e si nt h eE n v i —r o n m e n t ：A c t i v i t y ，E c o l o g ya n dA p p l i c a t i o n s ”，B u r n sa n dD i c k ，M a r c e lD e k k e r ，I n c ．，2 0 0 2 ) 本文将概述土壤酶学研究的新近进展，并对我国的有关研究提出几点刍议1土壤酶活性与土壤微生物的生物多样性和功能多样性在土壤酶学研究中，一直关注的是土壤贮积酶，其理论依据是：土壤生物释出的酶极易遭致钝化和酶解，而贮积酶则能保持较长时间的活性。

但是，越来越多的研究结果表明，在测得的土壤酶活性值中，活体微生物生成和释出的酶具有一定的贡献例如N o r 8 t a d t [ 1 】接种真菌M a r a s m u so r e ．$ d e $ ( B o l t ) 后测定土壤的脲酶活性时发现，接种环内的脲酶活性值高出对照1 0 ％～4 0 ％，且环内的腐殖质含量有所降低；P a u l s o n [ 2 j 测定- f a n 有碳源和氮源的土壤微生物总数，尿素分解微生物数及脲酶活性，通过逐步回归，得出测得的土壤脲酶活性值中，1 0 ％一2 0 ％是来自微生物的贡献；另一些学者【3 ’4 t 5 ．6 J 基于土壤微生物对添加底物的响应，用酶活性值一微生物量作图，根据截距来区分贮积酶与微生物酶的各自贡献由此，对土壤微生物酶的研究成了土壤酶学研究的主要内容其重要意义在于：土壤微生物的生物多样性决定了它的功能多样性；而由土壤微生物媒介、由其生成和释出的酶酶促的诸多生物化学过程，是土壤的功能多样性的基石：·4 4 ·面向农业与环境的土壤科学酶活性贮积酶L／～微生物量‘竺类烹上的要黛与堂业燃一功奏萎瓢遗传学上的多样性)B I O L O G 法曾用于研究土壤微生物的分类学上的多样性，现亦用于不同生境，不同作物管理及不同污染情况下的土壤微生物的功能多样性。

该法虽有简单快速，重现性好及生境专性等优点，但只能提供可培养微生物的有关信息，且在培养过程中可能发生微生物群社的结构变化对此，M a w d s l e v [ 7 ] 和N a s c b y 【8 ] 曾通过测定胞表酶的活性来研究遗传改 性微生物对土壤代谢的影响2 土壤酶活性与根际微生物和AM 真菌随着生物技术，特别是D N A 重组技术的飞速发展，目前已能将有益微生物遗传改性，并使之在根际定殖，增强其与土著微生物的竞争能力与此相应的，根际酶学的研究也有了新的进展下述图式或能说明根际遗传改性微生物( R h i z o s p ，h e r i cG M M ) 对土壤功能的影响：一口w ^ R h i z o s h p h e r i cG M M 一基因( D N A ) 2 竺= ；基因产物( 酶) 一土壤功能N a s e b y [ 9 J 通过酶活性测定，结合微生物计数，研究了能抗卡拉霉素和利用乳糖的 G M MP ．厂l ∞r ∞倒l s ( F 1 1 3 ) 对根际微生物区系和酶活性的影响其结果表明，添加卡拉霉素和乳糖均能增多包括F 1 1 3 在内的整个可培养细菌的数量，而卡拉霉索仅使缓慢生长的细菌群社有所改变；接种F 1 1 3 导致了根际土壤的碱性磷酸酶、磷酸二酯酶及芳基硫酸酯酶活性的增强和8 一糖苷酶，8 一半乳糖苷酶及N 一乙酰基氨基葡糖酶活性的减弱； 就根际土壤的碳素组分而言，F 1 1 3 处理的可溶性碳水化合物及水溶性碳的含量均有了显著的增多。

这些结果表明，G MM 生成的酶对土壤的碳、磷转化具有重要的作用它们也表明，与重要营养物质转化有关的根际土壤酶活性的测定，是评价干扰情况下的土壤功能的有用指标根际土壤酶活性的研究也用于评价遗传改性植物对于土壤生物化学特性的影响N a s e b y ( 私人通讯，1 9 9 9 ) 的研究表明，遗传改性油菜根际土壤的碱性磷酸酶活性和硝酸盐 含量与对照有显著的差异；在不同的遗传改性油菜品系( 表达D m A M P I 基因或A c e A M P l基因) 间，测得的根际土壤的多种酶活性和有效营养物质含量也有明显的差别根际酶的生物修复和生物刺激功能同样引起了学者的关注前者涉及了多种有机污染物和重金属／准金属的解毒【1 0 1 ；后者涉及了对植物的生长刺激作用[ 1 1 , 1 2 ] ·4 5 ·土壤酶学研究的新近进展尽管人们业已熟知，A M 真菌能改善植物的磷营养，但并不清楚A M 酶在土壤磷的活 化与真菌值物的磷吸收中的作用近来有研究表明，A M 磷酸酶能矿化土壤有机 磷【1 3 , 1 4 , 1 5 3 ；由A M 谷酰胺合成酶和谷酰胺脱氢酶酶促的A M 真菌对氨态氮和硝态氮的同化，也改善了植物的磷营养【1 6 l 。

3 土壤矿物表面的酶吸附与酶活性土壤矿物表面对酶的吸附，通常是一种不可逆的强吸附它不仅影响吸附酶的移动，也影响酶的存活与活性人们曾观测到，带负电荷粘土矿物表面对酶的吸附，会使酶的最适活性偏向较高的p H 范围；在酶的等电点附近，有酶的最大吸附但是，直至本世纪9 0 年代，才对此进行了机理性的研究一些学者【1 7 , 1 8 , 1 9 J 采用核磁共振( N M R ) 和付里叶转变红夕b ( F T I R ) 光谱技术，分别研究了蛋白质吸附时粘土矿物表面的界面变化和吸附酶蛋 白的二级结构的构型改变，在一定程度上阐释了前述二现象的机理4 土壤污染的酶修复污染土壤的生物修复，是包括土壤学者在内的环境学者当前研究的热点研究得最 多的是通过接种外源微生物来降解土中的有机污染物和使无机污染物解毒，但因诸多原因而收效不大：( 1 ) 接种微生物因土壤毒素或土著微生物而失活；( 2 ) 接种微生物更多地是用土壤本源有机物，而不是污染物作为底物；( 3 ) 由于污染物在土中的非连续分布，接种微生物的趋向运动常受到阻碍；( 4 ) 接种微生物难与土著微生物竞争与污染土壤的微生物修复相比，酶修复具有如下优点：( 1 ) 酶对底物的转化具有专性；( 2 ) 酶在不利于微生物生长的土壤环境中仍具活性；( 3 ) 酶通常不受噬菌者或某些微生物代谢抑制剂的影响；( 4 ) 酶对微生物间的竞争不敏感；( 5 ) 微生物对有机污染物的降解能力不及专性酶，因为前者在有机污染物的浓度很低时可利用其他的碳源。

因此，人们对污染土壤的酶修复进行了较多的研究 4 ．1 土壤有机污染的酶修复M u n n e c k e [ 2 0 , 2 1 j 和C a l d w e l l E 2 2 】分别用固定化的对硫磷水解酶和磷酸三酪酶，在流化床反应器中处理有机磷农药污染的污水，污染物( 包括甲基对硫磷、乙基对硫磷、对氧磷、二嗪农及蝇毒磷) 的去除率达到了9 0 ％以上；另有学者【2 3 - 2 7 】用游离的或固定化的多酚氧化酶和过氧化物酶去除不同类型工业废水中的酚类化合物，并取得了良好的效果也有学者【2 8 , 2 9 】用游离的或固定化的虫漆酶和过氧化物酶解毒土壤中的氯酚在低有机质含量的土壤中，所述酶类能去除6 0 ％的氯酚；土壤有机质含量的增多，则对所述酶的活性有抑制作用M a s a p h y [ 驯模拟土壤环境，将X a n t h o m o n a ss p ．的粗酶提取物附着 在蒙脱石上，研究了对硫磷的酶促降解C e r v e U i T M 】将吸附在烧结粘土上的p 一糖苷酶和 酸性磷酸酶加入部分灭菌和完全灭菌的土壤，发现在随后的8 天里，这些酶仍保持了8 0 ％以上的活性，从而可用于土壤解毒。

4 ．2 土壤重金属／准金属污染的酶修复S c 、A 8 、C r 、H g 是国际上列为优先的重金属／准金属污染物它们在土中的生物学毒 性，取决于其存在的价态，而后者在一定程度上与诸多的生物化学过程( 氧化、还原、甲基·4 6 ·面向农业与环境的土壤科学化和去甲基化) 有关因此，曾进行过许多土壤微生物学的解毒机理的研究，而利用氧化态重金属／准金属至不溶态或挥发态重金属／准金属的微生物学转化来修复污染土壤，更 是当前研究的一项新兴内容在这些研究中，曾零星地提到了有关酶的作用但遗憾的是，还不曾看到有关的酶修复的报道5 土壤质量的酶学评价土壤质量是指土壤在一定的生态系统边界范围内，保证生物生产力、大气和水环境质量及人类与动植物健康的能力从可持续性的观点看，高质量的土壤应能持续地生产出高量的健康植物产品，并能有效地去除流经其中的水和降解投入的有害有机物，其排放出 的气体量不致有损于大气环境因此，供肥能力与自净能力是土壤质量评价的两个主要方面，而对人为干预和环境胁迫较为敏感的土壤生物和生物化学特性，则是土壤质量评价的更有用的指标( 生物指标，B i o i n d i c a t o r ) 。

5 ．1 指标的选择土壤微生物量曾被看作是土壤中所有有机物必定最后通过的“针眼”和其转化的重要 驱动者[ 3 2 ] ，众多学者均用它作为评价土壤肥力和土壤健康的重要指标但值得注意的是，许多污染物能负面地影响土壤的生物学功能，却对微生物量的多少很少影响：一些污染物更多地影响微生物量的呼吸熵，却很少影响微生物量值( 3 3 ] 为此，在选择土壤微生物量作为评价土壤健康的生物指标时需倍加小心 一些土壤酶类也用于评价土壤质量：水解酶类：木聚糖酶、纤维素酶、蔗糖酶、8 一糖苷酶、p 一半乳糖酶； 朊酶( 酪朊水解酶) 、二酞酶、精氨酸脱氨基酶、L 一天冬酰胺酶、酰胺酶、L 一谷酰胺酶、脲酶、硝酸还原酶；碱性磷酸酶、中性磷酸酶、酸性磷酸酶、磷脂酶C ；芳基硫酸酯酶氧化还原酶类：脱氢酶、过氧化物酶、多酚氧化酶将土壤酶活性用作生物指标的主要问题是，在土壤样本的处理方式、灭菌剂和缓冲液的是否使用、培养温度的设定范围、以及测定方法的选择等方面，不同学者不尽相同，从而所获结果也就缺少了可比性。