全 文 ：砷对土壤脲酶活性影响的研究 3
和文祥1 ,2 3 3 　马爱生2 　武永军2 　朱铭莪2
(1 西北农林科技大学资环学院 ,杨凌 712100 ;2 沈阳大学沈阳环境工程重点实验室 ,沈阳 110044)
【摘要】　采用模拟方法对 As 污染土壤脲酶特征进行了研究. 结果表明 ,土壤中 As 浓度在 0～200 mg·
kg - 1浓度范围内 ,反应初期脲酶活性变化无明显规律 ;一年后砷激活土壤脲酶活性 ,二者达到显著或极显
著正相关. 随 As 浓度增加 ,土壤脲酶 Km 值基本不变或略有增加 , V max增大 ,从机制上揭示出 As 加速脲酶2尿素复合物的解离. 厩肥和无肥土样脲酶对 As 的反应类似 ,只是变化幅度有所差异.
关键词 　土壤脲酶 　砷 　动力学特征
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 05 - 0895 - 04 　中图分类号 　S154. 2 　文献标识码 　A
Effect of arsenic on soil urease activity. HE Wenxiang1 ,2 ,MA Aisheng2 ,WU Yongjun2 ,ZHU Minge2 (1 College
of Resource and Envi ronmental , Northwest Sci2Tech U niversity of A griculture and Forest ry , Yangling
712100 , China ;2 Key L aboratory of S hengyang Envi ronmental Engineering , S hengyang U niversity , S henyang
110044 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (5) :895～898.
By simulation method ,this paper studied the urease activity in arsenic polluted soils. The results showed that ar2
senic could activate soil urease activity after added for one year. With arsenic addition ,soil urease activity remark2
ably increased ,and there existed a significantly positive correlation. The Vmax of soil urease increased with arsenic
addition ,while the Km of urease in high and low fertility soil was unchanged and slight increased ,respectively. It
is proved that As could accelerate the separating velocity of enzyme2urea complexes. This paper also illustrated
that soil properties were important to study the relationship between soil enzyme and pollutants.
Key words 　Soil urease , Arsenic , Kinetic characteristics.
3国家自然科学基金重点项目 ( 20337010) 、国家自然科学基金
(39370148)和沈阳大学沈阳环境工程重点实验室基金资助项目.3 3 通讯联系人.
2003 - 03 - 11 收稿 ,2003 - 07 - 15 接受.
1 　引 　　言
As 是自然界中广泛存在的有毒类金属[6 ] ,常随
三废物质、农药、化肥等污染环境. 据 20 世纪 90 年
代初统计[11 ] ,全球每年因人为活动输入土壤的 As
量为 52 000～112 000 t ,其对土壤生态系统的影响
则是人们关注的重要课题之一. 我国的土壤环境容
量协作组[3 ]曾对 As 污染的分布、形态、生态学指标
等进行了较深入的研究 ,提出了不同类型土壤上 As
的临界含量. 土壤酶是土壤中重要的生物大分子 ,作
为养分循环、有机质形成、能量代谢等过程的催化
剂[19 ] ,近年来[1 ,4 ,8 ,9 ,13 ,16 ,18 ]被应用于土壤污染研究
领域. 一些学者先后提出土壤脲酶、磷酸酶、转化酶
等的监测指标 ,但 As 与土壤酶关系报道较少. 为此
本文拟采用模拟方法 ,对 As 污染土壤的脲酶特征
进行分析 ,以探讨二者关系及作用机理 ,为环境保护
和监测提供依据.
2 　材料与方法
211 　供试材料
土样采自西北农林科技大学 1977 年开始的肥料定位试
验地. 采样时 ,先去除 0～5 cm 表层后 ,取 5～20 cm 土样 ,风
干 ,过 1 mm 尼龙筛 ,保存备用. 用常规方法[10 ]测定的理化
性质见表 1.
表 1 　供试土样的理化性质
Table 1 Physical2chemical properties of soils tested
土样
Soil
sample
粘粒
Clay
( %)
有机质
O1M
(g·kg - 1)
全氮
Total N
(g·kg - 1)
全磷
Total P
(g·kg - 1)
阳离子
交换量 CEC
(cmol·kg - 1)
p H
厩肥Barnyard manure 15176 1514 11056 0191 21193 8112
无肥 No2fertility 9121 1019 01787 0171 20117 7173
212 　试验方案
向装有 500 g 土样的培养钵中加入不同浓度 (0、20、30、
50、70、100 和 200 As3 + mg·kg - 1)的 NaAsO2 溶液 ,含水量控
制在 1917 % ,混匀后包扎封口 ,从 3 月 29 日起室温培养 ,定
期取样 ,靛酚蓝比色法[3 ] 测定脲酶活性. 活性单位以形成
NH +3 2N 的量表示. 每处理重复 3 次 ,并设无土样和无底物处
理作为对照.
称取培养 1 年的土样 5100 g ,加入 1 ml 甲苯 15 min 后 ,
添加 10 ml 不同浓度 (01010、01025、01050 和 01100 mol·
L - 1)尿素溶液和 20 ml p H617 柠檬酸缓冲液 ,37 ℃培养 ,定
时取样测定酶活性 ,计算脲酶动力学参数.
应 用 生 态 学 报 　2004 年 5 月 　第 15 卷 　第 5 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,May 2004 ,15 (5)∶895～898
213 　数据处理[2 ,6 ]
21311 壤酶动力学参数 Km 和 V max 　经典米氏方程 :
V 0 =
V max ×[ S ]
Km + [ S ]
经数学变换为 :
(ln[ S 0 ]/ [ S ]) / t = ( [ S0 ] - [ S ]) / t Km + V max/ Km
其中 , t 为酶促反应时间 , [ S0 ] 和[ S ] 为初始和 t 时间时的
底物浓度. 将不同时间的 (ln[ S0 ]/ [ S ]) / t 和 ( [ S 0 ] - [ S ]) / t
值进行线性拟合 ,即可求得 Km 和 V max值.
21312 土壤酶促反应速度常数
k = {ln[ V a/ ( V a - V t) ]}/ t
其中 , Vα、V t 分别为最大和 t 时间的放氨量.
3 　结果与讨论
311 　不同培养时间处理土壤脲酶活性的变化
不同培养时间处理土壤脲酶活性结果见表 2.
由表 2 可以看出 :1)厩肥土壤脲酶活性大于无肥 ;2)
酶活性随培养时间的延长 ,呈现先降低后升高的变
化规律 ,这与培养期间的气温变化一致 ,即随气温升
高 ,微生物活动增强 ,酶活性增大 ;3) 在同一培养时
间内 ,随 As 浓度增加 ,土壤脲酶活性升降无规律.
表 2 　不同培养时间处理土壤脲酶活性
Table 2 Soil urease activity at different culturing time(μg·g - 1·h - 1)
土样
Soil sample
时间
Time (d)
项目
Item
As 浓度 As concentration (mg·kg - 1)
010 10 20 30 50 70 100 200
厩肥 4 活性1) 16162 17133 18123 17122 19148 16192 9172 13147
Barnyard manure 比率2) 10010 10413 10917 10316 11712 10118 58148 81105
12 活性 7165 7159 6134 5125 7162 6160 7159 8102
比率 10010 99122 82188 68163 99161 86127 99122 10418
24 活性 6102 5172 5129 6109 6125 6129 5179 5192
比率 10010 95102 87187 10112 10318 10415 96118 98134
36 活性 9197 9150 10125 10135 10165 10176 11126 11103
比率 10010 95129 10218 10318 10618 10719 11219 11016
48 活性 10110 9149 10150 11131 11105 10104 11117 10175
比率 10010 93196 10410 11210 10914 99141 11016 10614
64 活性 22112 20141 21118 21168 42167 36134 37155 45176
比率 10010 92127 95175 98101 19219 16413 16918 20619
无肥 4 活性 4188 4133 4194 5111 4137 4184 5130 5154
No2fertility 比率 10010 88172 10112 10417 89155 99118 10816 11315
12 活性 3111 3112 3116 3131 3159 3154 3168 3177
比率 10010 10013 10116 10614 11514 11318 11813 12112
24 活性 3180 3146 3146 3175 4106 3145 4114 4100
比率 10010 91105 91105 9817 10618 90178 10819 10513
36 活性 4169 4146 3138 4171 4171 4169 4169 4168
比率 10010 95110 72107 10014 10014 10010 10010 99179
48 活性 4170 4134 4167 4186 4140 4174 4192 4168
比率 10010 92134 99136 10314 93162 10019 10417 9916
64 活性 10198 10152 12148 22184 24141 23181 24144 23190
比率 10010 95181 11317 20810 22311 21618 22216 21717
1) Activity ,2) Ratio1 比率 = (处理土样酶活性/ 对照土样酶活性) ×100 % Ratio = ( Treatment soil urease activity / CK soil urease activity) ×100 %1
　　杨居荣等[15 ]对甘肃有色污染矿区土壤 (As 含
量为 15121 mg·kg - 1)脲酶活性进行了研究 ,得出类
似结论 ,即当 As5 + 的加入量为 40、60、100 和 200 mg
·kg - 1 时 , 脲酶活性比率分别为对照的 6519 %、
9511 %、8014 %和 9117 %. 由此可见 ,As 加入初期 ,
其与脲酶活性间的变化规律不明显.
312 　As 污染 1 年后土壤脲酶活性的变化
培养 1 年后土壤脲酶活性见表 3. 由表 3 可以
看出 :1) As 的加入导致土壤脲酶活性增加 ;2) 随 As
浓度升高 ,脲酶活性持续增大 ,相关分析发现 (表
4) ,除厩肥 01025 mol·L - 1尿素浓度外 ,其余处理均
呈显著或极显著正相关 ,表明 As3 + 施入土壤 1 年
后 ,对土壤脲酶表现出了较强的激活作用. 许晓
路[14 ]研究发现 ,活性污泥中 As3 + 、As5 + 浓度在 20～
200 和 525～1 050 mg·g - 1 ML SS 时 ,脲酶活性分别
呈对数曲线和直线减小 ,显示对脲酶活性具有较强
的抑制作用. 但这与我们试验结果并不矛盾 ,原因首
先是本文试验中 As 最大加入量为 200 mg·kg - 1 ,相
当于 012 mg·g - 1 (土壤) ,仅是其试验量的 1 % ,甚至
更低. 一般在低浓度重金属污染条件下 ,土壤酶活性
会受到激活 ;其次 As3 + 进入土壤后会很快转化为
As5 + ,正如和文祥等[5 ,6 ]指出的 ,受 As 污染土壤中
的 As 都是以无机态 (5 价 As) 被土壤固定的 ;再者
他们测定的是 As (包括 3 价和 5 价) 污染很短时间
的瞬时酶效应 ,而我们分析得到的是污染 1 年后土
壤脲酶的响应. 由此可见 ,从本质上讲 ,二者研究结
果是一致的. 3) 厩肥和无肥土壤脲酶对 As 的反应
相似 ,只是变化量厩肥土样大于无肥.
698 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
表 3 　不同尿素浓度下供试土壤脲酶活性
Table 3 Soil urease activity under different urea concentrations(μg·g - 1
·h - 1)
土样
Soil
samples
尿素浓度
Urea
concentration
(mol·L - 1)
As浓度 As concentration (mg·kg - 1)
010 20 50 100 200
厩肥 01010 3147 4112 4193 5172 6155
Barnyard 01025 5196 6116 6179 7105 6195
manure 01050 15176 16114 17144 19121 20176
01100 22106 23169 25112 27146 29195
无肥 01010 2103 2130 2134 2194 3103
No2fertility 01025 3170 3124 3140 4116 4179
soil 01050 8120 9136 10192 11112 12118
01100 14122 15196 16110 17196 19120
表 4 　土壤脲酶活性( U)与 As 浓度( CAs)间的关系
Table 4 Regression equations bet ween soil urease activity and As con2
centration
土样
Soil
samples
尿素浓度
Urea
concentration
(mol·L - 1)
拟合方程
Regression equation
相关系数
Correlation
coefficient
厩肥 01010 U = 010148 ×CAs + 31866 01960 3 3
Barnyard 01025 U = 010048 ×CAs + 61226 01786
manure 01050 U = 010258 ×CAs + 151951 01978 3 3
01100 U = 010381 ×CAs + 221834 01978 3 3
无肥 01010 U = 010050 ×CAs + 21158 01918 3
No2fertility 01025 U = 010071 ×CAs + 31332 01904 3
soil 01050 U = 010176 ×CAs + 91053 01896 3
01100 U = 010230 ×CAs + 141990 01950 3
n - 2 = 3 , r0105 = 01878 , r0101 = 01959
313 　As 对土壤脲酶动力学特征的影响
动力学[7 ,17 ]是研究土壤酶促反应机制的重要
手段之一. 米氏常数 Km 表征酶与底物结合的牢固
程度. 当 Km 值小时 ,亲和力大 ,酶与底物结合牢固.
最大反应速度 V max是总酶量的量度 ,可表征酶2底
物复合物分解为酶和产物的速率 ,是实现某种酶过
程的土壤潜在能力的容量指标.
由表 5 可以看出 :1)厩肥脲酶 Km 低于无肥 ,揭
示出厩肥土样脲酶与尿素间的亲和力较强 ,无肥则
相反. 2)加入 As 后 ,土壤脲酶 Km 变化较小. 3) 随
As 浓度的增加 ,厩肥土壤脲酶 Km 值变幅不超过
219 % ,无肥土样总体上呈增大趋势 ,除去 100 mgAs
·kg - 1外 ,二者达到了极显著相关 ( r = 01998 3 3 , n
- 2 = 2) . 无肥土样由于有机质、粘粒含量较低 (表
1) ,对 As 的缓冲能力较弱 ,对脲酶的保护作用较
差 ,表观上表现出随 As 浓度增加 ,脲酶与尿素的亲
和力减小. 厩肥土样则相反. 4) 总的来看 ,脲酶 Km
基本处于同一数量级. 这是由于土壤脲酶来源比较
单一的缘故[18 ] .
土壤脲酶 V max呈现出厩肥大于无肥的规律. As
的加入导致脲酶 V max增大 ,且随 As 浓度升高 ,脲酶
活性 V max增加 ,其中无肥土样呈显著正相关 ( r =
01912 3 ) ,表明 As 加速了脲酶2尿素复合物的解离.
表 5 　供试土壤脲酶动力学参数
Table 5 Kinetic parameters of urease of soils tested
土样
Soil
samples
动力学参数
Kinetic
parameter
As浓度 As concentrations(mg·kg - 1)
010 20 50 100 200
厩肥土样 Km (mmol·L - 1) 10130 10151 10160 10138 10108
Barnyard V max (mmol·L - 1·g - 1·h - 1) 011106 011116 011242 011476 011422
manure V max/ Km( ×10 - 3) 10174 10162 11172 14122 14111
k ( ×10 - 3) (1·h - 1) 6119 6150 6186 8127 8107
R - 01837 - 01854 - 01780 - 01783 - 01800
无肥土样 Km (mmol·L - 1) 14159 16154 18173 14177 28111
Low V max (mmol·L - 1·g - 1·h - 1) 01091 01101 01106 01100 01140
fertility V max/ Km( ×10 - 3) 6124 6111 5166 6177 4198
soil k ( ×10 - 3) (1·h - 1) 3193 3178 3180 4124 3167
R - 01842 - 01912 - 01905 - 01908 - 01812
n - 2 = 14 , r0105 = 01497 , r0101 = 01623 .
　　有学者认为 , V max/ Km 是酶促反应初速度的最
主要指标[12 ] . 厩肥脲酶的 V max/ Km 大于无肥 ,二者
最高相差 2183 倍 ,且随 As 浓度增加 ,厩肥、无肥土
样脲酶的 V max/ Km 间差距增大 , 分别为 1172、
1174、2107、2110 和 2183 倍. 此差值与 As 浓度 ( r =
01977 3 3 )达到极显著正相关 ,佐证了厩肥土样的保
护能力和对外界污染物的缓冲能力较强、酶受影响
较弱的结论.
反应速度常数 k [15 ]反映反应在本质上是“快”
还是“慢”,其值与底物浓度无关. 厩肥土样脲酶 k
值约为无肥的 2 倍 ,随 As 浓度增大 ,厩肥脲酶 k 值
增加 ,而无肥基本不变 ,表明 As 从本质上加快了脲
酶酶促反应的速度.
综上所述 ,在 As 污染初期阶段 ,土壤脲酶活性
变化无明显规律 ;污染 1 年后 As 则表现出激活作
用 ,且随 As 浓度的增加 ,土壤脲酶活性持续增大 ,
二者达到了极显著正相关 ;同时 As 的污染导致土
壤脲酶 V max增大 , Km 基本不变或略有增加 ,表明
As 可加速酶2底物复合物解离的速度 ,加快酶促反
应的进行. 厩肥和无肥土样对 As 反应表现出类似
的规律性变化.
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作者简介 　和文祥 ,男 ,1968 年生 ,博士 ,副教授 ,主要从事
土壤生物化学和生态毒理学研究 ,发表论文 20 余篇. E2mail :
hewenxiang @sina. com
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究特色。主要栏目涉及哲学、史学、经济学、管理、法律、语言与文学、环境与社会、环境与艺术 (包括风景园林
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　　该版本学报大 16 开本 ,季刊 ,季末月出版。刊号 : CN32 - 1607/ C ; ISSN1671 - 1165。每期定价 : 6. 00
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