全 文 ：汞、镉对土壤脲酶活性影响的研究
.尿素浓度*
和文祥1, 2* *  朱铭莪1  张一平1
( 1 西北农林科技大学资环学院,杨凌 712100; 2中国科学院南京土壤研究所,南京 210008)
摘要!  对不同尿素浓度条件下重金属与土壤脲酶活性关系进行了研究,结果表明, 尿素浓度对脲酶活性
具有显著的影响, 在供试浓度范围内可采用线性和 Langmuir模型较好地表征二者关系 ,并得到脲酶活性
的尿浓贡献率、尿浓贡献变化率和最大表观脲酶活性等参数; Hg、Cd 明显降低了前述参数值, 其中 Hg+
Cd复合污染的抑制作用最强, Hg 的生态毒性最大; 同时初步获得土壤酶促反应过程中存在吸附机制.
关键词  土壤脲酶  Hg  Cd 尿素浓度
文章编号  1001- 9332( 2002) 02- 0191- 03 中图分类号  S154
2  文献标识码  A
Effects of mercury and cadmium on the activity of urease in soils
. Urea concentration. HE Wenxiang1, 2 ,
ZHU Minge1, ZHANG Yiping1 ( 1College of Resour ce and Env ironmental Science, Nor thw estern Agricultural
For estry University of Science & Technology , Yangling 712100; 2 I nstitute of Soil Science, Chinese A cademy of
Sciences , Nanj ing 210008) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2002, 13( 2) : 191~ 193.
Relationship betw een urease activity and heavy metals( Hg and Cd) under the condition of different urea concen
tration w as studied. The results showed that the added urea concentration had an obvious positive effect on urease
activity. Line and Langmuir models could be well described the relationship within the urea concentration tested.
The calculation of urease parameters such as urea per cent , ureavarying percent, and the maximum superficial
ur ease activ ity reflected t hat Hg and Cd could r emarkably reduce the positive effect from added urea, combined
pollution of Hg+ Cd displayed the most inhibition of the positive effect, and Hg produced the most ecolog ical tox
icity act ing on soil urease activ ity. T here was an adsorpt ion mechanism in t he enzyme reaction.
Key words  Soil urease, Mercury, Cadmium, U rea concentration.
* 国家自然科学基金资助项目( 39370148) .
* * 通讯联系人.
2001- 05- 19收稿, 2001- 09- 07接受.
1  引   言
重金属特别是 Hg、Cd作为土壤主要的污染源之
一,许多学者[ 4, 10, 11]在其含量、形态、分布等方面研究
取得了较满意的结果. 但随着生活水平的提高,人们
更关心土壤中重金属的归宿及生物毒性.为此近年来
将土壤酶这一生化指标引入到重金属污染研究领
域[ 3, 5] ,先后提出脲酶、转化酶等监测指标, 但对影响
因素的探讨较少,如底物(尿素)浓度的作用大多是定
性的描述[ 2, 8] .为此本文拟通过在不同尿素浓度下土
壤脲酶活性与 Hg、Cd 关系的研究,建立尿素浓度和
脲酶活性间的定量关系,探讨 Hg、Cd与脲酶间作用
机理,为环境保护及污染监测提供科学依据.
2  材料与方法
2
1  供试土样
采自杨凌西北农林科技大学西农校区蔬菜站,用塑料锨
去除 0~ 5cm 表层, 五点法采 5~ 20cm 土样, 风干, 过 1mm
尼龙筛,保存备用.
2
2  研究方法
常规方法[ 6]测定土壤理化性质: 有机质 17
65g∀kg- 1 ,全
N 1
502g∀ kg- 1, 全 P 1
625g( P ) ∀kg- 1 , 碱解 N 137
592mg∀
kg- 1 ,速效 P 345
52mg∀kg- 1; Hg 0
074mg∀kg- 1(冷原子荧光
测汞仪法)、Cd 0
348mg∀kg- 1、Cr 62
5mg∀kg- 1、Pb 22
30mg∀
kg- 1 (原子分光光度计法) .
5
00g 土样中加入 1ml甲苯后 15min, 添加 5ml重金属
溶液(表 1) , 混匀后 30min[ 9] , 添加 10ml不同浓度 ( 0
010、
0
025、0
050、0
100mol∀L- 1 )尿素溶液和 20ml pH6
7 的柠
檬酸盐缓冲液, 置于水浴培养,定时取样, 靛酚蓝比色法[ 1]分
析酶活性, 单位以形成 NH3N 的量来表示. 每个处理重复 3
次, 并设置无底物(尿素)和无土壤处理作为对照.
表 1  供试重金属浓度
Table 1 Concentrations of heavy metals tested
重金属
Heavy m etals
化合物
Compound
浓度 Con cent ration
( mg∀kg- 1)
Hg HgCl2( A. R) 0
3125 0
625 1
250 2
500
Cd CdSO4( A. R) 25
00 62
50 125
00 187
5
Hg+ C d HgCl2+ CdSO 4 25
3125 63
125 126
25 190
0
3  结果与分析
3
1  尿素浓度对土壤脲酶活性的影响
由于土壤脲酶最适温度在 60~ 70 # ,且在 10~
应 用 生 态 学 报  2002 年 2 月  第 13 卷  第 2 期                              
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Feb. 2002, 13( 2)∃191~ 193
60 # 范围内, 脲酶活性变化规律类似[ 2] , 为更清楚
地了解尿素浓度对脲酶活性的影响,本文选取 60 #
时的脲酶活性进行研究. 表 2 显示酶活性随尿素浓
度的增加而增大,且增幅越来越小, 如在 0
010mol∀
L- 1浓度时, 对照处理脲酶活性为 29
74
g∀g - 1∀
h- 1,当尿素浓度增加到 0
025、0
050、0
100mol∀
L
- 1时,活性分别增加 1
78、3
27和 4
40 倍. 表明
土壤脲酶被尿素浓度饱和前, 随浓度的增加酶活性
升高, 饱和后活性不再随浓度变化, 这与和文祥[ 2]
和 Singh
R等[ 2, 8]的研究结果基本类似.
表 2  供试土壤脲酶活性值
Table 2 Urease activity in soi ls tested(
g∀g- 1∀h- 1)
重金属
Heavy
m etals
浓  度
Concent rat ion
( mg∀kg- 1)
尿素浓度 Urea concentrat ion
( mol∀L- 1)
0
010 0
025 0
050 0
100
CK 0
00 29
74 52
92 97
27 130
79
0
3125 33
52 47
88 74
09 112
65
0
625 23
18 49
64 63
50 114
91
Hg 1
25 24
19 42
50 76
42 83
04
2
50 18
65 31
25 45
36 58
97
25
0 27
47 45
36 73
58 107
10
62
5 25
70 45
36 66
53 86
18
Cd 125
0 25
96 46
37 65
27 87
19
187
5 27
22 44
60 67
28 97
02
25
3125 25
70 35
78 60
48 89
96
Hg+ Cd 63
125 20
16 32
26 50
40 65
27
126
25 16
38 26
71 33
01 45
36
190
0 15
12 18
40 21
67 27
47
60 # 时测定的结果 Temperature is 60 # .
  重金属处理也呈现类似的规律性变化(图 1) ,
但幅度要略小于对照样品,如 Hg 2
5、Cd 187
5、Hg
+ Cd 190
0 处理当尿素浓度从 0
010 增加到
0
100mol∀L - 1时, 脲酶活性的增幅分别为 3
16、
3
56和 1
82倍, 其中以 Hg+ Cd 复合污染增幅最
小,抑制作用最强.这是由于一方面 Hg、Cd 和土壤
酶的巯基、胺基和羧基等活性基团结合,占据了酶活
性位点或尿素结合部位, 使得尿素不能接近并妨碍
图 1  供试土壤的脲酶活性
Fig. 1 Urease act ivity in soils tested.
其形成活化络合物,另一方面重金属和酶尿素复合
物结合, 使其不能分解转化为产物(胺和 CO2) , 最终
导致催化尿素的数量降低,表观上重金属降低了尿
素对土壤脲酶的影响幅度.
3
2  土壤脲酶活性与尿素浓度关系的线性拟合式
为了探讨脲酶活性( U)与尿素浓度( C )间的定
量关系, 采用线性方程: U= 0+ 1 % C 进行拟合,
方程中系数值 1表征改变 1mol∀L - 1尿素浓度时土
壤脲酶活性的变化量, 将其称为尿素浓度对脲酶活
性的贡献率(简称尿浓贡献率) .
由表 3看出, 1)方程除 Hg+ Cd 190
0mg∀kg- 1
外,其余处理均达到显著或极显著相关水平,说明该
拟合式能够表征二者间的定量关系; 2)尿浓贡献率
均大于零,表明在供试浓度范围内,尿素对脲酶活性
具有正效应,主要是土壤脲酶含量较高的缘故; 3)尿
浓贡献率以对照处理最大,重金属的加入导致其明
显降低,如60 # 时 CK的尿浓贡献率为 1224
30, Hg
2
5、Cd 187
5 和 Hg + Cd 190
0 处理分别为
537
02、896
06 和 216
80, 仅为对照的 42
48%、
70
88%和 16
58% .总体上呈现 CK> Cd> Hg> Hg
+ Cd的规律性变化,表明复合污染对尿素浓度的放
大作用抑制幅度最大, 单一污染中 Cd> Hg 主要是
由于 Hg、Cd与脲酶活性中心结合形成的复合体稳
定性差异所致[ 12] ; 4) 除 Cd 187
5 外, 其余处理随
Hg、Cd浓度增加,尿浓贡献率减小.
表 3  土壤脲酶活性与尿素浓度关系拟合式
Table 3 Regression equations between urease activi ty and urea concen
tration
重金属
Heavy
metals
浓  度
Concentrat ion
( mg∀kg- 1)
拟合方程 U= 0+ 1 % C
Regression equat ion
相关系数( r)
Correlat ion
coeff icient
CK 0
00 U= 17
364+ 1224
30% C 0
965* *
0
3125 U= 15
464+ 1031
38% C 0
970* *
0
625 U= 10
562+ 1072
62% C 0
982* *
Hg 1
25 U= 15
874+ 793
44% C 0
905*
2
50 U= 10
957+ 537
02% C 0
936*
25
0 U= 13
482+ 1005
95% C 0
971*
Cd 62
5 U= 15
471+ 796
92% C 0
938*
125
0 U= 15
431+ 792
49% C 0
941*
187
5 U= 14
071+ 896
06% C 0
963* *
25
3125 U= 11
473+ 835
51% C 0
972* *
Hg+ C d 63
125 U= 11
372+ 601
21% C 0
942*
126
25 U= 9
655+ 395
61% C 0
921*
190
0 U= 8
509+ 216
80% C 0
840
* < 0
05, * * < 0
01.下同T he same below.
  将供试重金属浓度( X )与尿浓贡献率 ( 1)进
行线性拟合: 1= A 1+ BX , 其中系数 B 表示单位
( mg∀kg- 1)重金属浓度变化导致尿浓贡献率的变化
率,简称尿浓贡献变化率,结果(表 4)显示该系数均
为负值, 表明重金属对尿浓贡献率具有抑制作用.
负值呈现Hg Hg+ Cd> Cd的规律性变化, 其中
192 应  用  生  态  学  报                   13卷
表 4  土壤脲酶尿浓贡献率与重金属浓度的关系拟合式
Table 4 Regression equations between urea percent of urease and heavy
metal concentrations
重金属
Heavy metals
拟合方程 1= A 1+ B % x
Reg ression equation
相关系数( r )
Correlation
coefficient
Hg 1= 5992
43- 1379
90% [ Hg2+ ] - 0
972* *
Cd 1= 5410
35- 8
18 % [ Cd2+ ] - 0
639
Hg+ Cd 1= 5309
66- 24
66% [ Cd2+ + Cd2+ ] - 0
935*
表 5  土壤脲酶活性与尿素浓度 Langmuir拟合结果
Table 5 Langmuir equations between urease activity and urea concen
tration
重金属
Heavy
m etals
浓度( mg∀kg- 1)
Concentration
Umax U
(
g∀g- 1∀h- 1)
相关系数 Correlation
coeff icient
r1 r2
CK 0
00 231
48 130
79 0
998 0
994
Hg 0
3125 163
99 112
65 0
994 0
982
0
625 139
20 114
91 0
994 0
982
1
25 138
81 83
04 0
998 0
994
2
50 74
86 58
97 0
999 0
997
Cd 25
0 195
26 107
10 0
997 0
992
62
5 119
65 86
18 1
000 0
999
125
0 117
85 87
19 1
000 0
999
187
5 129
36 97
02 0
998 0
993
Hg+ Cd 25
3125 123
74 89
96 0
994 0
980
63
125 69
82 65
27 0
999 0
995
126
25 50
73 45
36 0
998 0
994
190
0 27
33 27
47 0
993 0
968
U 是 60 # 、0
100mol∀L- 1尿素浓度时测定的土壤脲酶活性 Soil urease
act ivity w as determined at 60 # and 0
100mol∀L- 1 urea concentration.
Hg、Cd相差 168
70倍, 揭示出Hg 对脲酶的生理毒
性最强, Cd最弱.
3
3  尿素浓度与脲酶活性的 Langmuir拟合式
由于脲酶是被固定在有机无机复合体上[ 7]而
存在于土壤的, 底物(尿素)只有被吸附在土壤颗粒
上并且和土壤脲酶活性部位结合才能完成整个酶促
反应, 即其间存在着吸附解吸机制. 据此, 采用
Langmuir 模型 U= Umax % b % C / (1+ bC ) , 对其关
系进行拟合.
表 5反映出: 1)方程的相关系数较高, 均大于
0
960* * ( n- 2= 3) , 呈极显著相关, 可见 Langmuir
方程能更好表征脲酶活性与尿素浓度间的定量关
系; 2) Langmuir 是吸附方程, 它对脲酶活性与尿素
浓度关系的适应性,印证了土壤脲酶活性是通过脲
酶复合体与尿素间的吸附机制而显现的.
在Langmuir 拟合式中, C 为添加尿素浓度, U
的意义有待探讨,因为 U 不是与C 对应的尿素吸附
量,而是以脲酶活性来表征的吸附量.因此 U 的含
义不同于一般的酶活性, 称之为表观脲酶活性,
Umax则为最大表观脲酶活性,它是与尿素浓度足够
大时对应的脲酶活性, 其可作为土壤脲酶活性研究
中的一个新参数.对其的研究有助于探讨一般试验
中难以确定的最大脲酶活性特征.
由表 5可见, 在相同条件下, Umax大于 U,这主
要是由于活性 U是在尿素浓度为 0
100mol∀L- 1时
测定的结果,此时并未达到脲酶完全饱和的需要,而
Umax则相反;最大表观脲酶活性 Umax值随重金属浓
度增加而降低,其中降幅以 Hg+ Cd处理最大; 可见
Umax呈现出与脲酶活性一致的变化规律, 也佐证了
采用 Langmuir 模型研究的可行性.
4  讨   论
综上所述,在一定范围内, 随尿素浓度增加, 土
壤脲酶活性增大, 重金属的抑制作用更明显.采用线
性和 Langmuir 方程均可较好表征脲酶活性与尿素
浓度间的定量关系, 并得到脲酶的尿浓贡献率 CK
> Hg、Cd> Hg+ Cd, 尿浓贡献变化率 Hg> Hg+ Cd
> Cd 的规律性变化, 表明 Hg 的生态毒性远强于
Cd.当尿素浓度足够大时的脲酶活性即最大表观脲
酶活性,随 Hg、Cd浓度增大,这些参数值均会明显
降低.酶促反应过程中脲酶与尿素分子间存在吸附
机制.
参考文献
1  Guan SY ( 关松荫 ) , 1987. Soil Enzymology and It s Research
Methods. Beijing: Agricultural Press. ( in Chinese)
2  He WX (和文祥) , Zhu ME (朱铭莪) . 1998. Temperature and
subst rate concent rat ion effect on soil urease act ivity in Shanx i. Ac ta
Univ Agr ic BorealiOcciden tali s(西北农业大学学报) , 26( 5) : 15
~ 19( in Chinese)
3  Lebedeva LA, Lebedev SN, Edemskaya NL. 1995. The effect of
heavy metals and lime on urease activity in soddy podzolic soil.
Moscow Univ S oi l Sci Bul l , 50( 2) : 68~ 71
4  Lin YS(林玉锁) . 1995. Study on the soil buf fer capacity to heavy
metals. A cta Sci Ci rcums(环境科学学报) , 15( 3) : 289~ 293( in
Chinese)
5  Marzadori, Ciavatta C, e t al . 1996. Ef fect s of lead pollut ion on dif
ferent soil enzyme act ivities. Biol Fer ti l Soi ls , 22: 53~ 58
6  Nanjing Agicultural College(南京农学院) . 1980. Soil AgriChem i
cal Analysis. Beijing: Agricultural Press. ( in Chinese)
7  Pett it NM, Sm ith ARJ, e t al . 1976. S oil urease: Act ivity, stabilit y
and kinet ic properities. S oil Biol Biochem, 8: 479~ 484
8  Singh R, Nye PH. 1984. The ef fect of soil pH and high urea con
cent rat ions on urease activity in soil. J Soil S ci , 35: 519~ 527
9  Tabatabai MA, 1977. Effect s of t race elements on urease act ivity in
soils. Soi l Biol Biochem , 9: 9~ 13
10  Xia JQ(夏家淇 ) . 1996. Part icular Explain on Soil Environmental
Quality. Beijing: China Environmental Science Press . ( in Chinese)
11  Xu JL( 许嘉琳) , et al . 1995. The Heavy Metals in Land Ecosys
tem. Beijing: China Environmantal S cience Press. ( in Chinese)
12  Zhou LK( 周礼恺) , Zhang ZM ( 张志明) , et al . 1985. Soil en
zym e activity af fected by heavy metals pollution in soil. Acta Sci
Ci rcums (环境科学学报) , 5( 2) : 176~ 183( in Chin ese)
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研究, 发表学术论文 20 余篇, E
mail: hewenxiang@ sina. com
1932 期             和文祥等:汞、镉对土壤脲酶活性影响的研究
. 尿素浓度