全 文 ：不同粒径红壤胶体颗粒对 DNA的吸附特性*
廖摇 敏1,2摇 谢晓梅1,2**摇 方摇 舒1,2摇 裘晓白1,2摇 陈摇 娜1,2摇 徐雅倩1,2摇 姜春燕3摇 陈雪芳3
( 1浙江大学环境与资源学院, 杭州 310058; 2浙江省亚热带土壤与植物营养重点实验室, 杭州 310058; 3浙江省海盐县环境监
测站, 浙江海盐 314300)
摘摇 要摇 采用平衡法研究了含有机质粗粘粒、去有机质粗粘粒、含有机质细粘粒和去有机质
细粘粒 4 种红壤胶粒对 DNA 的吸附特征及其热力学特性.结果表明: 4 种红壤胶粒对 DNA
的吸附是快反应过程,Langmuir 吸附方程可较好地描述 4 种红壤胶体对 DNA的等温吸附,相
应拟合的相关系数 r2分别为 0. 974、0. 991、0. 958 和 0. 975.最大吸附量表现为含有机质细粘
粒>去有机质细粘粒>含有机质粗粘粒>去有机质粗粘粒. 电解质浓度和种类及吸附体系 pH
是影响红壤胶体对 DNA吸附的重要因子,一定电解质浓度范围(NaCl<60 mmol·L-1,CaCl2 <
10 mmol·L-1)内,DNA在红壤胶体表面的吸附量随电解质浓度的增大而显著增加,其中钙离
子的促进作用大于钠离子,但随着吸附体系 pH 的上升而显著降低.含有机质胶粒对 DNA 的
吸附过程是吸热反应,而去有机质胶粒对 DNA 的吸附过程是放热反应,红壤胶粒对 DNA 的
吸附反应过程是一个熵增过程.
关键词摇 吸附摇 DNA摇 土壤胶体
*浙江省自然科学基金项目(Y3110055)和国家公益性行业(农业)科研专项(201003059、201203045)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xiexiaomei@zju. edu. cn
2012鄄06鄄15 收稿,2012鄄12鄄29 接受.
文章编号摇 1001-9332(2013)03-0764-07摇 中图分类号摇 S153. 3摇 文献标识码摇 A
Characteristics of DNA adsorption on different sizes red soil colloidal particles. LIAO Min1,2,
XIE Xiao鄄mei1,2, FANG Shu1,2, QIU Xiao鄄bai1,2, CHEN Na1,2, XU Ya鄄qian1,2, JIANG Chun鄄
yan3, CHEN Xue鄄fang3 ( 1College of Environmental and Resource Science, Zhejiang University,
Hangzhou 310058, China; 2Zhejiang Provincial Key Laboratory of Subtropic Soil and Plant Nutri鄄
tion, Hangzhou 310058, China; 3 Haiyan Station of Environmental Monitoring, Haiyan 314300,
Zhejiang, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(3): 764-770.
Abstract: By using balance reaction method, this paper studied the adsorption characteristics and
thermodynamic properties of DNA on four kinds of red soil colloids (organic matter鄄contained coarse
clay, organic matter鄄removed coarse clay, organic matter鄄contained fine clay, and organic matter鄄
removed fine clay). The DNA adsorption on the four red soil colloids was a process of fast reaction,
and the adsorption isotherms were conformed to the Langmuir equation, with the corresponding cor鄄
relation coefficient ( r2) being 0. 974, 0. 991, 0. 958, and 0. 975, respectively. The maximum ad鄄
sorption amount of DNA on the colloidal particles followed the order of organic matter鄄contained fine
clay > organic matter鄄removed fine clay > organic matter鄄contained coarse clay > organic matter鄄re鄄
moved coarse clay, implying that the size and organic matter content of colloidal particles played an
important role in DNA adsorption. Electrolyte concentration and type and adsorption system pH
were the main factors affecting the DNA adsorption on the four soil colloids. Within a definite elec鄄
trolyte concentration range (NaCl < 60 mmol·L-1 and CaCl2 <10 mmol·L-1), the adsorption
amount of DNA on the red soil colloids increased significantly with the increase of electrolyte con鄄
centration. As compared with sodium ion, calcium ion had a greater promotion effect on the DNA
adsorption, but the effect decreased significantly with the increase of adsorption system pH. The
DNA adsorption on the organic matter鄄contained red soil colloids was an endothermic reaction,
while the DNA adsorption on the organic matter鄄removed red soil colloids was an exothermic reac鄄
tion. The DNA adsorption on the red soil colloids was a process of entropy increase.
Key words: adsorption; DNA; soil colloid.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 3 月摇 第 24 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2013,24(3): 764-770
摇 摇 土壤是一种类似生物细胞组织的生命有机体,
富含 DNA、酶等生物活性物质.土壤中的 DNA 来源
是由动植物和微生物细胞主动分泌或细胞死亡裂解
释放[1] .过去人们一直认为,从死亡细胞或代谢性
微生物体内释放到土壤环境中的 DNA,很快就会被
微生物分泌的核酸酶降解[2] . 然而,最近的研究表
明,来自不同生物的核酸物质 DNA,缺少合适宿主
而存在于胞外时,能被土壤活性组分———土壤胶体
吸附固定,使其对核酸酶的反应特性和敏感性发生
改变,不被核酸酶降解,因此获得对生物降解的抗性
而能在自然环境中持久存在,并且能被某些合适的
宿主细胞所接受[3] .被土壤固定的 DNA 被称作“环
境中的隐性基因冶,因为常规的生物学方法检测不
到它们的存在,但是一旦遇到合适的宿主,其编码的
基因很快就能表达[4] . 可见,土壤,特别是土壤活性
组分———土壤胶体对 DNA的固定,使得土壤成为遗
传物质活性保存的载体和储备库以及基因转移的重
要媒介.
近年来,随着转基因动植物和微生物商业化进
程的加速,由转基因工程生物引起的生物安全问题
已受到人们的高度关注.国际上有关 DNA与土壤组
分相互作用的研究已取得一定的成果,而在国内相
关研究则刚刚起步[5-6] .已有研究表明,DNA在土壤
胶体上的吸附受到诸多因素的影响,如体系的 pH、
介质的离子强度、粘土矿物类型以及 DNA分子构型
和性质等[7-8] . 同时,土壤环境中的 DNA 分子在微
生物的遗传进化、生物多样性及活性方面起着重要
作用[3-4],外源基因不仅可以通过重组、复制、转导、
转化和转位等途径在微生物之间相互转移,而且在
作物与微生物之间也会发生转移[9] . 因此,研究遗
传物质 DNA在土壤中的固定、降解及转化等特性,
对揭示 DNA进入土壤后成为“环境中的隐性基因冶
及其在微生物的遗传进化和基因转移的生态安全机
制等方面具有重要意义. 为此,本研究选择土壤胶
体,即直径为 0郾 001 ~ 2 滋m 的土壤颗粒,研究 DNA
在土壤胶体表面的吸附特征,以期为阐明土壤中
DNA分子存在状态和归宿,以及感受态细胞转化的
有效性和基因转移的生态安全评价提供科学基础.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试 DNA
供试 DNA 样品购自德国 Sigma Chemical Co.
St. Louis, Mo. 公司生产的鲑鱼精子双链 DNA,将
DNA溶解在 0. 01 mol·L-1醋酸鄄醋酸钠缓冲液中
(pH为 5. 5),用紫外分光光度计分别在 260 和 280
nm下测定吸光值,A260 颐 A280 = 1. 88,表明不含蛋白
质[5-6] .
1郾 2摇 土壤胶体的提取和制备
供试土壤为采自浙江省龙游县发育于 Q2红土
的红壤,粘土矿物以高岭石为主. 采样深度 0 ~ 20
cm,基本理化性质如下: pH ( H2 O) 4. 72,有机
质 13郾 21 g· kg-1, 阳离 子 交 换 量 ( CEC ) 9. 39
cmol·kg-1 .称取除去植物根系与碎石块的土壤 100
g于 600 mL 烧杯中,加入 250 mL 去离子水,搅匀
后,用 0郾 5 mol·L-1的 NaOH 或 HCl 调节红壤悬液
pH至 7 ~ 8,继续加去离子水至 300 mL,超声波分散
30 min,并不断搅拌,分散后的悬浊液过 320 目筛,
沉降法分离获得小于 2 滋m 的胶体. 将上述小于 2
滋m的红壤胶体. 加入去离子水中,获得浓度约 1%
的悬液,8000 r·min-1离心 10 min,分离出小于 0. 2
滋m和 0. 2 ~ 2 滋m 的胶体颗粒. 取部分 0. 2 ~ 2 滋m
的胶体颗粒(粗粘粒,CC)和小于 0. 2 滋m 的胶体颗
粒(细粘粒,SC),加入 30%的 H2O2,不断搅拌以去
除有机质,重复此过程至加入 H2O2无泡沫产生. 上
述不同处理的红壤胶体悬液用 0. 5 mol·L-1 CaCl2
絮凝,再用去离子水和 95%酒精洗至无 Cl-1,最后
于 60 益下烘干,研磨过 100 目筛,保存备用. 至此,
已分离出 4 种类型的红壤胶体,即 0. 2 ~ 2 滋m 去有
机质粗粘粒( ICC)、0. 2 ~ 2 滋m 含有机质粗粘粒
(OCC)、小于 0郾 2 滋m去有机质细粘粒(ISC)和小于
0. 2 滋m含有机质细粘粒(OSC),红壤胶体的基本性
质见表 1.
1郾 3摇 土壤胶体悬液的制备
称取 0. 75 g 土壤胶体于 100 mL 锥形瓶中,加
入适量去离子水,超声波分散并摇匀后,用 0郾 1
mol·L-1的NaOH或HCl溶液多次调节体系的 pH
表 1摇 红壤胶体基本性质
Table 1摇 Basic properties of red soil colloids
红壤胶体
Red soil
colloid
有机质
Organic matter
(g·kg-1)
比表面积
Specific external
surface area
(m2·kg-1)
阳离子交换量
Cation exchange
capacity
(cmol·kg-1)
OCC 28. 4 48. 5 21. 2
ICC 7. 1 52. 7 17. 5
OSC 32. 2 146. 2 35. 6
ISC 9. 7 168. 3 28. 4
OCC:含有机质粗粘粒 Coarse clay containing organic matter; ICC:去有
机质粗粘粒 Coarse clay without organic matter; OSC:含有机质细粘粒
Fine clay containing organic matter; ISC:去有机质细粘粒 Fine clay
without organic matter. 下同 The same below.
5673 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 廖摇 敏等: 不同粒径红壤胶体颗粒对 DNA的吸附特性摇 摇 摇 摇 摇 摇
值,使其稳定在 5. 5 左右,最后补充去离子水,使体
系体积为 50 mL,土壤胶体浓度为 15 mg·mL-1 .
1郾 4摇 土壤胶体对 DNA的吸附
1郾 4郾 1 不同时间下 DNA 的吸附 摇 于 10 mL 离心管
中分别加入 1. 6 mL 的醋酸钠缓冲液 ( 0郾 01
mol·L-1,pH 5. 5 ), 0. 4 mL 的 DNA 溶液 ( 0郾 5
mg·mL-1),0. 5 mL 的土壤胶体悬液,使体系总体
积为 2. 5 mL. DNA 和土壤胶体的混合液在 25 益,
250 r·min-1下分别振荡 10、20、40、60、80、120 和
180 min,取出,18000 r·min-1离心 20 min,上清液
于波长 260 nm 处比色测定. DNA 的加入量减去上
清液中残留的 DNA 量,得到 DNA 在土壤胶体或矿
物上的吸附量.
1郾 4郾 2 等温吸附摇 于 10 mL 离心管中,分别加入适
量的 0. 01 mol·L-1醋酸钠缓冲液(pH 5. 5)、0. 5 mL
土壤胶体悬液和不同体积 0. 5 mg·mL-1 DNA 溶
液,控制体系的总体积为 2. 5 mL,体系中 DNA 最终
浓度分别为 10、 20、 40、 60、 80、 100、 120 和 160
滋g·mL-1,设置 3 个平行. 悬液于 25 益、 250
r·min-1下振荡 2 h,18000 r·min-1离心 20 min,上
清液于波长 260 nm 处比色测定. DNA 的加入量减
去上清液中残留的 DNA 量,得到 DNA 在土壤胶体
或矿物上的吸附量.吸附结果采用 Langmuir 吸附方
程进行分析,即 X =XmKC / (1+KC).其中,X 表示单
位土壤胶体对 DNA 的吸附量(滋g·mg-1);Xm表示
土壤胶体对 DNA 的最大吸附量(滋g·mg-1 );K 是
与吸附结合能有关的常数(mL·滋g-1);C 为平衡液
中 DNA的浓度(滋g·mL-1).
1郾 4郾 3 不同浓度土壤胶体下 DNA的吸附摇 于 10 mL
离心管中,分别加入适量的醋酸钠缓冲液、0. 4 mL
的 DNA溶液(0. 5 mg·mL-1)和不同体积的土壤胶
体悬液,控制体系的总体积为 2. 5 mL,使体系中土
壤胶体的质量分别为 1、2、6、8、10、20 mg,每个梯度
3 个平行. 悬液于 25 益250 r·min-1下分别振荡 2
h,取出,18000 r·min-1离心 20 min,上清液于波长
260 nm处比色测定. DNA的加入量减去上清液中残
留的 DNA量,得到 DNA 在土壤胶体或矿物上的吸
附量.
1郾 4郾 4 不同 pH值下 DNA的吸附摇 于 10 mL离心管
中,依次加入 1. 6 mL不同 pH(2、3、4、5、6、7、8、9)的
醋酸钠缓冲液、0. 4 mL DNA 溶液(0. 5 mg·mL-1)
和 0. 5 mL 土壤胶体悬液,使体系最终体积为 2. 5
mL,每个梯度 3 个平行. 悬液于 25 益 250 r·min-1
下分别振荡 2 h,取出,18000 r·min-1离心 20 min,
上清液于波长 260 nm 处比色测定. DNA 的加入量
减去上清液中残留的 DNA 量,得到 DNA 在土壤胶
体或矿物上的吸附量.
1郾 4郾 5 不同电解质及浓度下 DNA的吸附摇 于 10 mL
离心管中,分别加入 1. 6 mL 含有不同浓度 NaCl
(20、40、80、100 mmol·L-1 )或 CaCl2(1、10、30、60
mmol·L-1 )的醋酸钠缓冲液、0. 4 mL DNA 溶液
(0郾 5 mg·mL-1)和 0. 5 mL 土壤胶体悬液,使体系
最终体积为 2. 5 mL,每个梯度 3 个平行.悬液于 25
益 250 r · min-1 下分别振荡 2 h,取出, 18000
r·min-1离心 20 min,上清液于波长 260 nm 处比色
测定. DNA的加入量减去上清液中残留的 DNA 量,
得到 DNA在土壤胶体或矿物上的吸附量.
1郾 4郾 6 DNA在土壤胶体表面吸附焓变的测定摇 采用
法国 SETARAM公司生产的 Micro DSC III微量热仪
测定.该仪器热稳定性好,可稳定在依1伊10-3 益,恒
温工作范围在-20 ~ 120 益,热功率最小检测限为
0郾 03 滋W.在安瓿瓶中先加入 3. 2 mL醋酸钠缓冲液
和 1 mL土壤胶体悬液,以 80 r·min-1的速度搅拌.
当安瓿瓶和热槽达到热平衡时,通过注射器加入
0郾 8 mL (640伊10-6 mol·mL-1)的 DNA溶液,在参比
池中做相应的空白.运行相应的程序,得到试验温度
下该过程的热功率曲线,积分算出 DNA吸附过程中
的吸附热.吸附焓变根据下式计算:
Qads =mq驻Hads
式中:Qads DNA 与土壤胶体相互作用的净吸附热
(J);m为加入的土壤胶体质量(mg);q 为 DNA 的
吸附量(mol·mg-1);-Hads是 DNA 与土壤胶体相互
作用的吸附焓变(J·mol-1).
1郾 5摇 数据处理
所得数据采用 Microsoft Excel 软件进行平均值
和标准差计算,采用 DPS 7. 0 软件对数据进行统计
分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 DNA在红壤胶体表面的吸附动力学特征
由图 1 可知,4 种红壤胶体对 DNA 的吸附在
0 ~ 15 min之间是一快反应过程,之后进入慢反应的
吸附过程,最大吸附量发生在 100 min 之后.吸附时
间为 80 min 时,红壤胶体对 DNA 的吸附量与 120
min相比差异不显著,120 min 时已达到吸附平衡,
因此,本研究中 DNA吸附反应时间选择为 120 min.
在 120 min 吸附过程中,粗胶粒对 DNA 的吸附量
小于细胶粒,同种粒径的胶粒中,去有机质胶粒对
667 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 1摇 DNA在红壤胶体上的吸附动力学特征
Fig. 1 摇 Kinetic characteristics of DNA adsorption on red soil
colloids.
OCC:含有机质粗粘粒 Coarse clay containing organic matter; ICC:去有
机质粗粘粒 Coarse clay without organic matter; OSC:含有机质细粘粒
Fine clay containing organic matter; ISC:去有机质细粘粒 Fine clay
without organic matter. 下同 The same below.
DNA的吸附量小于不去有机质胶粒,表明胶粒的粒
径和有机质在红壤胶体对 DNA 的吸附中有重要作
用.
2郾 2摇 DNA在红壤胶体表面的等温吸附特征
由图 2 可知,红壤胶体反应体系中,当 DNA 浓
度较低时,吸附等温线的斜率较大,吸附量随 DNA
浓度的增加快速上升;而当 DNA 浓度较高时,等温
吸附曲线变得较为平缓,表明吸附逐渐趋于饱和.在
所有 DNA 浓度下,粗胶粒的吸附量小于细胶粒,同
种粒径的胶粒中,去有机质胶粒的吸附量小于不去
有机质胶粒.通过 Langmuir 吸附方程对红壤胶体等
温吸附 DNA 曲线的拟合发现,不同红壤胶体对
DNA的吸附等温线均能用 Langmuir 吸附方程较好
地描述(表 2),Langmuir 吸附方程对含有机质粗粘
粒、去有机质粗粘粒、含有机质细粘粒和去有机质细
粘粒拟合的相关系数( r2 )分别为0郾 974 、0郾 991 、
图 2摇 红壤胶体对 DNA的等温吸附曲线
Fig. 2 摇 Curves of isotherm adsorption of DNA on red soil
colloids.
表 2摇 Langmuir方程对红壤胶体等温吸附 DNA 拟合的有
关参数
Table 2 摇 Parameters of Langmuir equation simulation for
adsorption of DNA on red soil colloids
红壤胶体
Red soil
colloid
DNA最大吸附量
Maximum
adsorption
amount of
DNA
(滋g·mg-1)
与吸附结合
能有关的常数
A constant
related to the
adsorption energy
(mL·滋g-1)
r2
OCC 10. 02 0. 0961 0. 974
ICC 7. 77 0. 0804 0. 991
OSC 17. 21 0. 2152 0. 958
ISC 14. 41 0. 1535 0. 975
0. 958 和 0. 975.含有机质和去有机质粗粘粒的最大
吸附量分别为 10. 02 和 7. 77 滋g·mg-1,而含有机质
和去有机质细粘粒的最大吸附量分别为 17. 21 和
14. 41 滋g·mg-1 .在粒径大小相同的颗粒中,含有机
质粘粒吸附量比去有机质粘粒吸附量大 19. 5% ~
29. 0% ;细粘粒吸附量比粗粘粒大 71. 8% ~ 85. 5%
(表 2).这进一步表明胶粒的粒径和有机质在红壤
胶体对 DNA的吸附中有重要作用.
摇 摇 由表 2 可知,K 值变化范围为 0. 0961 ~ 0. 2152
mL·滋g-1,其大小顺序为含有机质细胶粒>去有机
质细胶粒>含有机质粗胶粒>去有机质粗粘粒. K 值
越大表示土壤胶粒对 DNA 的吸附亲和力越大. 因
此,DNA与细胶粒的亲和力最大,同时与含有机质
胶粒的亲和力大于去有机质胶粒.
2郾 3摇 红壤胶体浓度对 DNA吸附的影响
当体系的 DNA 浓度恒定时,红壤胶体表面
DNA的吸附量随着胶体浓度的增加先增加,然后逐
渐趋于稳定(图 3).加入 10 mg胶体时,DNA在含有
机质细胶粒、去有机质细胶粒、含有机质粗胶粒和去
有机质粗胶粒表面的吸附量分别为 71. 07、65. 15、
51郾 31和45郾 21 滋g;而加入20 mg胶体时,胶体对
图 3摇 红壤胶体浓度对 DNA吸附的影响
Fig. 3摇 Effects of red soil colloid concentrations on DNA adsorp鄄
tion.
7673 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 廖摇 敏等: 不同粒径红壤胶体颗粒对 DNA的吸附特性摇 摇 摇 摇 摇 摇
DNA的吸附量差异不大,此时 DNA 在含有机质细
胶粒、去有机质细胶粒、含有机质粗胶粒和去有机质
粗胶粒表面的吸附量分别为 75. 88、69. 85、56. 13 和
49. 87 滋g,吸附量远小于 DNA加入量(200 滋g).
2郾 4摇 pH对 DNA吸附的影响
由图 4 可见,随着吸附体系的 pH 从 2. 0 上升
到 8. 0,4 种红壤胶体对 DNA的吸附量显著降低.当
pH从 2. 0 上升到 5. 0,胶体对 DNA的吸附量快速下
降,DNA在含有机质细胶粒、去有机质细胶粒、含有
机质粗胶粒和去有机质粗胶粒表面的吸附量分别从
26. 13、23. 11、20. 12、18. 09 滋g·mg-1降到 9. 02、
7郾 03、6. 03、4. 11 滋g·mg-1;当 pH从 5. 0 上升到 8. 0
时,胶体对 DNA的吸附量缓慢下降,差异不显著.可
见体系 pH是影响土壤胶体颗粒对 DNA 吸附的重
要因素之一. 所有 pH 下,不同红壤胶粒对 DNA 的
吸附量均表现为含有机质细胶粒>去有机质细胶粒
>含有机质粗胶粒>去有机质粗胶粒,可见胶粒粒径
的大小和有机质对胶粒吸附 DNA的影响相对一致.
2郾 5摇 电解质对红壤胶体吸附 DNA的影响
由图 5 可见,在一定 NaCl和 CaCl2浓度范围内,
DNA在红壤胶体表面的吸附量随电解质浓度的增
大而显著增加;当电解质浓度超过一定范围(NaCl>
60 mmol·L-1,CaCl2 >10 mmol·L-1)后,DNA 在红
壤胶体表面的吸附量开始趋于稳定.当体系中 NaCl
浓度为 100 mmol·L-1时,4 种红壤胶体吸附的 DNA
量为 7. 81 ~ 12. 34 滋g·mg-1;而当体系中 CaCl2浓度
为 60 mmol·L-1时,4 种红壤胶体吸附的 DNA 量为
14. 61 ~ 18. 96 滋g · mg-1,与 NaCl 浓度为 100
mmol·L-1时相比,增长了 53. 7% ~ 87. 2% ,表明电
解质 CaCl2比 NaCl更能促进 DNA的吸附.在不加电
解质 NaCl和 CaCl2时,DNA在红壤胶粒表面的吸附
量表现为含有机质细胶粒>去有机质细胶粒>含有
机质粗胶粒 >去有机质粗胶粒 (表2 ) . 而加入
图 4摇 体系 pH对 DNA在红壤胶体表面吸附的影响
Fig. 4摇 Effects of pH on DNA adsorption on red soil colloids.
图 5摇 不同电解质及其浓度对 DNA 在红壤胶体表面吸附的
影响
Fig. 5摇 Effects of different electrolytes and its concentrations on
DNA adsorption on red soil colloids.
NaCl和 CaCl2后,不同胶粒对 DNA 的吸附量发生了
变化,即不论颗粒大小,含有机质胶粒的吸附量大于
去有机质胶粒的吸附量,表现为含有机质细胶粒>
含有机质粗胶粒 >去有机质细胶粒 >去有机质粗
胶粒.
2郾 6摇 DNA在红壤胶体表面吸附的热效应
DNA在红壤胶体表面的吸附自由能变可由公
式 驻Gads = -RTlnK 计算得出.其中:驻Gads为吸附自由
能变;R 为气体摩尔常数;T 为绝对温度;K 为平衡
吸附常数.由表 4 可知,DNA 吸附自由能变(驻Gads)
范围在-19. 213 ~ -28. 453 kJ·mol-1,均为负值,表
明 DNA 在 4 种红壤胶体表面的吸附反应是自发进
行的. DNA在含有机质粗胶粒、去有机质粗胶粒、含
有机质细胶粒、去有机质细胶粒表面的吸附焓变
(驻Hads) 分别为 0. 296、 - 0. 518、 0. 453、 - 0. 471
kJ·mol-1 . 当驻Hads > 0 ,表示吸附为吸热反应 ;反
表 3摇 红壤胶体表面吸附 DNA的热力学参数 (25 益)
Table 3 摇 Thermodynamic parameters of DNA adsorption
on red soil colloids (25 益)
红壤胶体
Red soil
colloid
吸附自由能变
驻Gads
(kJ·mol-1)
吸附焓变
驻Hads
(kJ·mol-1)
吸附熵变
T驻Sads
(kJ·mol-1)
OCC -21. 126 0. 296 21. 422
ICC -28. 453 -0. 518 27. 935
OSC -19. 213 0. 453 19. 668
ISC -21. 409 -0. 471 20. 928
867 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
之为放热反应. 由此可知,含有机质的红壤胶粒对
DNA的吸附过程是一吸热反应,而去有机质胶粒对
DNA的吸附过程是一放热反应. 根据公式 驻Gads =
驻Hads-T驻Sads,计算出 DNA 在红壤胶体和矿物表面
的吸附熵变(T驻Sads)的变化范围为 19. 668 ~ 27郾 635
kJ·mol-1,由于 4 种胶粒的 驻Sads >0,表明红壤胶粒
对 DNA的吸附反应过程是一个熵增过程,吸附反应
是熵增推动的结果.
3摇 讨摇 摇 论
红壤胶体主要是由 1 颐 1 型粘土矿物和氧化物
组成,胶体层间膨胀性很小,而 DNA分子体积较大,
导致 DNA 分子很难插入层间,DNA 分子主要吸附
在土壤胶体或矿物的表面. 因此,DNA 在供试土壤
胶体表面达到最大吸附量的时间相对较短,即 4 种
红壤种胶体对 DNA 的吸附在 0 ~ 15 min 之间是一
快反应过程,之后进入慢反应的吸附过程(图 1).同
时,4 种红壤种胶体对 DNA 的吸附表现为:粗胶粒
对 DNA的吸附量小于细胶粒,同种粒径的胶粒中去
有机质胶粒对 DNA 的吸附量小于不去有机质胶粒
(图 1,图 2,图 4),表明胶粒的粒径和有机质在红壤
胶体对 DNA的吸附中有重要作用.这主要与小粒径
的胶粒具有较大的比表面积,可提供更多的吸附位
有关[10-11],同时,表面的有机质具有更多的基团,如
羧基、羟基、胺基等,可通过氢键等作用强化对 DNA
的吸附,意味着在粘粒和有机质含量高的土壤中,可
固定和储存更多的遗传物质[11-12] .
用 Langmuir方程对红壤胶体等温吸附 DNA 进
行拟合,结果表明,吸附常数 K 值大小顺序为含有
机质细胶粒>去有机质细胶粒>含有机质粗胶粒>去
有机质粗粘粒,而 K 值越大,表示土壤胶粒对 DNA
的吸附亲和力越大(表 2). K 值的变化顺序进一步
解释了胶粒粒径和有机质在红壤胶体对 DNA 的吸
附中有重要作用.
DNA溶液中某种性质的差异可影响到 DNA 与
土壤胶体的作用,一部分 DNA分子利于吸附在土壤
胶体上,而另一部分则不利于被土壤胶体或矿物吸
附,即使增加土壤胶体浓度,DNA 吸附量增幅也很
小[4] .这导致当体系的 DNA 浓度恒定时,红壤胶体
表面 DNA的吸附量随着胶体浓度的增加先增加,然
后逐渐趋于稳定(图 3).
pH对红壤胶粒吸附 DNA 的影响可能是,由于
DNA的等电点约为 pH 5. 0,当体系 pH<5. 0,DNA
分子中的腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶上的氨基基团发
生质子化,DNA 分子带正电荷;而当体系 pH>5. 0,
DNA分子中的磷酸基团脱去质子,DNA分子带负电
荷[12] .同时红壤胶体的电荷零点通常在 pH 3. 3 ~
3. 5[13],当体系 pH>3. 5 时,土壤胶体表面带负电
荷,且所带电荷数随 pH 升高而增加. 当 DNA 分子
和红壤胶体表面的电荷性质相反时,静电作用可导
致静电吸附增加,反之因静电排斥作用导致吸附量
下降.这是体系 pH<5. 0 时,DNA 在土壤胶体表面
吸附量增大的原因. 此外,低 pH 下 DNA 沉淀增加
也可能是吸附量增加的另一原因[7] .
电解质及其浓度对红壤胶体吸附 DNA 的影响
结果表明,CaCl2比 NaCl 更能促进 DNA 的吸附(图
5),这可能是由于 CaCl2有更多的电荷,在 DNA 与
土壤胶体之间提供了更强的静电引力. 除了静电因
素外,还可能是因为 Ca2+使 DNA 沉淀,从而增加了
DNA在胶体表面的吸附. 同时,由于有机粘粒表面
的负电荷位点较多,加入不同浓度的电解质后,电解
质的阳离子易在 DNA 和红壤胶体之间起桥接作
用[7, 15-18],从而导致红壤胶粒对 DNA 的吸附量增
加,使电解质加入后,红壤胶粒对 DNA 的吸附量顺
序发生变化.即不论颗粒大小,有机胶粒的吸附量大
于去有机质胶粒,表现为含有机质细胶粒>含有机
质粗胶粒>去有机质细胶粒>去有机质粗胶粒.
吸附是吸附质和吸附剂之间各种作用力共同作
用的结果,一般气体吸附是一个放热过程.在本研究
中,4 种红壤胶粒对 DNA 的吸附有放热过程. 也有
吸热过程.这是由于在液相中,溶质和溶剂同时存
在,同时被吸附在固体表面.溶剂水的存在会影响吸
附质与吸附剂之间通过氢键被吸附的部分,这是因
为水既是氢键的受体又是形成氢键的供体,既能与
DNA形成氢键,又能与吸附剂上的吸附位点形成氢
键.另外,DNA 分子还会形成分子内氢键,因此,在
DNA与吸附剂形成氢键吸附的过程中包含着旧氢
键的破坏(需要能量)和新氢键的形成.液相中溶质
在固体吸附剂表面的吸热反应包括以下几个过程:
1)吸附剂和吸附质表面水分子的释放;2)吸附质结
构的变化;3)静电排斥作用[23] . DNA 结构的变化对
吟Hads的贡献较小[19],因此,DNA 在含有机质胶粒
表面吸附为吸热反应,可能是由于旧氢键的破坏需
要的能量较多,以及静电排斥和脱水作用的共同结
果.而胶粒去有机质后,红壤胶体表面原来被有机质
覆盖的铁铝氧化物和一些正电荷位点被暴露出来,
而 DNA 在去有机质胶粒表面的吸附主要是配位交
换和静电引力作用,因此,表现出放热效应.
9673 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 廖摇 敏等: 不同粒径红壤胶体颗粒对 DNA的吸附特性摇 摇 摇 摇 摇 摇
固液吸附体系中,当溶质分子吸附到吸附剂表
面,自由度降低,是一个熵减小的过程,而溶剂分子
的解吸是一个熵增大的过程,吸附过程的熵变是两
者的总和,它取决于溶质和溶剂与固体表面作用的
强弱及它们分子的大小. 本研究发现,DNA 在 4 种
土壤胶体表面吸附是一个熵增过程,可能是由于
DNA的分子体积较大,在吸附过程中,胶体表面被
置换下来的水分子较多,水分子的释放引起的熵增
大于 DNA的吸附引起的熵减[19] .
参考文献
[1]摇 Levy鄄Bootha DJ, Campbellb RG, Guldenb RH, et al.
Cycling of extracellular DNA in the soil environment.
Soil Biology and Biochemistry, 2007, 39: 2977-2991
[2]摇 Lorenz MG, Wackernagel W. Bacterial gene transfer by
natural genetic transformation in the environment. Mi鄄
crobiological Reviews, 1994, 58: 563-602
[3]摇 Stotzky G. Persistence and biological activity in soil of
insecticidal proteins from Bacillus thuringiensis and of
bacterial DNA bound on clays and humic acids. Journal
of Environmental Quality, 2000, 29: 691-705
[4]摇 Khanna M, Stotzky G. Transformation of Bacillus subtilis
by DNA bound on montmorillonite and effect of DNase
on the transforming ability of bound DNA. Applied and
Environmental Microbiology, 1992, 58: 1930-1939
[5]摇 Wang D鄄C (王代长), Wang S鄄Y (王慎阳), Jiang X
(蒋摇 新), et al. Characteristics of DNA adsorption and
desorption in variable and constant charge soil colloids.
Environmental Science (环境科学), 2009, 30 (9):
2761-2765 (in Chinese)
[6]摇 Zhu J (朱摇 俊), Cai P (蔡摇 鹏), Huang Q鄄Y (黄巧
云), et al. Effects of phosphate and low molecular
weight organic ligands on DNA adsorption by red soil
colloids and minerals. Acta Pedologica Sinica (土壤学
报), 2008, 45(3): 554-558 (in Chinese)
[7]摇 Cai P, Huang QY, Zhang XW, et al. Adsorption of
DNA on clay minerals and various colloidal particles
from an alfiso1. Soil Biology and Biochemistry, 2006,
38: 471-476
[8]摇 Pietramellara G, Franchi M, Gallori E, et al. Effect of
molecular characteristics of DNA on its adsorption and
binding on homoionic montmorillonite and kaolinite. Bi鄄
ology and Fertility of Soils, 2001, 33: 402-409
[9]摇 Hoffmann T, Golz C, Scheider O. Foreign DNA se鄄
quences are received by a wild鄄type strain of Aspergillus
niger after co鄄culture with transgenic higher plants. Cur鄄
rent Genetics, 1994, 27: 70-76
[10]摇 Saeki K, Morisaki M, Sakai M. The effects of hydrogen
peroxide and acid oxalate treatments on DNA adsorption
on soils. Microbes and Environments, 2008, 23: 353 -
355
[11] 摇 Saeki K, Sakai M, Wada SI. DNA adsorption on syn鄄
thetic and natural allophanes. Applied Clay Science,
2010, 50: 493-497
[12]摇 Saeki K, Sakai M. The influence of soil organic matter
on DNA adsorptions on andosols. Microbes and Environ鄄
ments, 2009, 24: 175-179
[13]摇 Li X鄄Y (李学垣). Soil Chemistry. Beijing: Higher
Education Press, 2001 (in Chinese)
[14]摇 Franchi M, Ferris JP, Gallori E. Cations as mediators of
the adsorption of nucleic acids on clay surfaces in prebi鄄
otic environments. Origins of Life and Evolution of the
Biosphere, 2003, 33: 1-16
[15]摇 Teeters MA, Root TW, Lightfoot EN. Adsorption and
desorption behavior of plasmid DNA on ion鄄exchange
membranes: Effect of salt valence and compact ion
agents. Journal of Chromatography, 2004, 1036: 73-
78
[16]摇 Tsai YS, Lin FY, Chen WY, et al. Isothermal titration
microcalorimetric studies of the effect of salt concentra鄄
tions in the interaction between proteins and hydrophobic
adsorbents. Colloids and Surfaces A: Physicochemical
and Engineering Aspects, 2002, 1970: 111-118
[17]摇 Zhou X鄄Y (周学永), Gao J鄄B (高建保), Cai P (蔡
鹏), et al. Adsorption and desorption of Bt toxin on
three kinds of minerals. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2008, 19(5): 1144-1148
(in Chinese)
[18]摇 Zhao Z鄄H (赵振华), Huang Q鄄Y (黄巧云), Jiang X
(蒋摇 新), et al. Effect of acetic acid on adsorption of
acid phosphatase by some soil colloids and clay
minerals. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生
态学报), 2004, 15(3): 482-486 (in Chinese)
[19]摇 Melzak KA, Sherwood CS, Turner RFB, et al. Driving
forces for DNA adsorption to silica in perchlorate solu鄄
tions. Journal of Colloid and Interface Science, 1996,
181: 635-644
作者简介 摇 廖 摇 敏,男,1970 年生,博士,副教授. 主要从事
土壤污染生态化学研究. E鄄mail: liaomin@ zju. edu. cn
责任编辑摇 张凤丽
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