重金屬和酞酸酯復合污染對土壤酶活性的影響

楊寧寧，梁青芳，高 煜，耿雅妮

(寶雞文理學院/陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

近年來，工農業高速發展加劇了污水灌溉及農藥化肥的大量使用，使進入生態系統中的各種污染物以復合污染成為土壤環境污染的主體[1]，因此對復合污染現象的研究本質上是治理好土壤環境污染的問題[2-3]。

所有環境污染物源自土壤，它既是多種污染物又是復合污染系統，因此土壤復合污染聯合生態毒性效應研究長期以來備受重視[4-5]。現如今主要是以單一或多種重金屬的不同影響因素方面，研究其對土壤活性酶的影響[6-8]。另一方面，酞酸酯(PAEs)作為有機化合物，具有可塑性、易脫離塑料進入環境介質中，長期存在土壤中往往能引起兒童性早熟[9-10]。且隨著塑料制品農用薄膜大量生產使用，越來越多的DBP與DEHP類酞酸酯化合物進入農田土壤等環境介質中[11-12]，并通過植物吸收進入食物鏈。

迄今為止，國內外學者對酞酸酯的研究大多僅關注其污染現狀，其較多累積于環境和人群中，生物降解速率低[13-15]。為了直觀地表示污染毒性效應，土壤污染毒性效應引入土壤酶活性來表征污染物處理對測試指標造成的影響。目前，很多學者用土壤酶活性指標來表征土壤重金屬符合污染的研究狀況[16-20]。有機物與重金屬復合污染是一類主要的污染類型。而有關重金屬與無機、有機復合污染研究以及關于酞酸酯的其他生態效應和環境行為，如對土壤微生物的毒性效應的報道很少。

迄今，用土壤酶活性表征酞酸酯與重金屬組合的復合污染研究較少。本研究以土壤環境中的2類典型污染物——重金屬(Cd、Zn、Pb)和酞酸酯(DMP、DnBP、DEHP)為研究對象，采用均勻設計法，初步探討了復合污染對脲酶和過氧化氫酶活性的影響，以期為土壤復合污染的防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間及地點

室內試驗于2017年2～3月在陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室中進行。

1.2 供試土壤

選取寶雞文理學院校園土為供試土壤，取0～20 cm的表層土，混合均勻后帶回實驗室。在實驗室內展開、風干，挑揀土壤中的植物、殘根、石塊及其他雜物，用木碾研磨過3 mm篩。處理后的土樣裝入密封袋中封存、備用。土壤樣品的主要理化性質：pH值8.3、有機質18.34 g/kg、總氮1.61 g/kg、總磷2.31 g/kg、陽離子交換量15.91 cmol/kg。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 本試驗設計11個處理，每個處理重復3次，共33個，因子水平詳見表1。將配制好的土壤取樣1次，隨后Cu、Zn、Pb分別以CuSO4·5H2O、Zn(CH3COO)2·3H2O、Pb(CH3COO)2·3H2O溶液形式，DMP、DnBP、DEHP以有機物按照均勻設計表的設計加入并充分攪勻(表2)。

表1 試驗因子和水平 mg/kg

表2 均勻設計表

試驗期間土樣在培養皿中培育，并隨意擺放在生化培養箱，每周將土樣位置隨機移動1次，盡量使每個土樣微環境保持一致，室內溫度因開窗對流基本與環境溫度保持一致，每天用15 mL去離子水澆灌，保持所有供試土壤田間持水量在60%左右。分別于1、3、5周后對土壤取樣各1次，每次取樣時從對照組各取1/2樣品。

以過氧化氫酶、脲酶的活性為土壤毒理指標，Cd、Zn、Pb、DnBP、DEP、DBP的含量和培養時間作為影響土壤酶活性的因素。6種外源污染物復合作用對2種土壤酶活性的影響選用6因素10水平的U10(106)型均勻表，重金屬指標水平參照土壤環境質量標準(GB 15618─1995)[21]，塑化劑指標含量參考美國紐約土壤PAEs控制和治理標準[22]。

1.3.2 脲酶和過氧化氫酶活性的測定方法 土壤脲酶的測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法進行測定。以尿素為基質，根據酶促產物氨與苯酚-次氯酸鈉作用生成藍色的靛酚，來分析脲酶活性。主要是在顯色反應后，1 h內在紫外分光光度計于波長578 nm處進行比色測定，見公式(1)。

A=(Ms-Mo-Mw)×100×10

(1)

式中：A指土壤脲酶活性；Ms指土樣的光密度值在標線上對應的氮毫克數；Mo指無土對照的光密度值在標線上對應的氮毫克數；Mw指無基質對照的光密度值在標線上對應的氮毫克數；100是樣品定容的體積與測定時吸取量的比值；10是脲酶活性單位的土重與樣品的比值。

過氧化氫酶能將H2O2分解為O2和H2O，通過測定H2O2的減少量來測定過氧化氫酶活性。過氧化氫在波長240 nm處有強烈的吸收力，通過測定與土壤反應后，根據溶液此時的吸光度，就可以算出溶液中過氧化氫的溶度，從而可以計算酶的活性，見公式(2)。

(2)

式中：A是過氧化氫酶的活性；W是土樣重量；51是轉化為過氧化氫的毫克數(20 min)；Lo是無土溶液的吸光度；Lx是土樣溶液的吸光度；Lw是無基質溶液的吸光度。

1.3.3 模型建立 采用多元線性回歸分析方法(采用R軟件統計)，方程模型見(3)。

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5+b6x6

(3)

式中：x為土壤重金屬含量；y為土壤酶活性。

1.3.4 統計分析 試驗數據采用Microsoft Excel 2010處理，重復3次平均值±標準差，采用R數據分析軟件進行相關分析和方差分析。

2 結果與分析

2.1 脲酶和過氧化氫酶抑制效果比較

圖1對比了整個培養期間(35 d)重金屬和酞酸酯復合污染對脲酶和過氧化氫酶的抑制效果。酶的活性選用對照百分比λ表示(對照的活性為100)。由圖1可知，隨著培養時間的延長，樣品中土壤酶的活性受到不同程度的抑制。其中脲酶比過氧化氫酶更加敏感，對于脲酶來說，7 d后酶活性均高于200%，21 d時為3%～180%，35 d時為6%～132%。最大抑制率為培養21 d的樣品S3、S4和S5，均達到90%以上，可見，脲酶可以作為土壤重金屬和酞酸酯復合污染程度的一個指標。而對于過氧化氫酶，處理后7 d過氧化氫酶活性均被抑制，最大抑制率為7 d的樣品10，酶活性降到了對照的4.33%，21 d時酶活性為52.37%～127.94%，35 d過氧化氫酶的抑制程度處于16.13%～105.17%之間，在35 d后過氧化氫酶除了土樣中的S4、S5、S7外，其他的都呈現出明顯的激活作用，激活范圍在76.27%(S9)～106.27%(S8)之間，這種現象出現的原因可能是土樣中的污染物被土壤降解和吸附以及微生物的忍耐性增強了，已經適應了這6種污染物，改變了污染物的可利用性。

從圖1可以看出，具有同種污染物組成而濃度不同的樣品S1、S3、S4、S5、S8、S9中，重金屬和酞酸酯復合污染對脲酶和過氧化氫酶的抑制作用差異極大，抑制范圍為9%～99%。可見，隨時間影響，重金屬和酞酸酯復合污染與污染物的密度密切相關。

圖1 不同土壤樣品在不同培養時段的土壤酶活性

2.2 重金屬和酞酸酯的復合作用對土壤酶活性的影響

Cd、Zn、Pb和DMP、DnBP、DEHP復合污染對上述2種酶活性的影響差異較大。從這6種因子的多元線性回歸分析中可見(表3)，影響土壤脲酶活性的主要因子依次為：Cd>DnBP×DMP>Pb×DMP>DMP×Zn>DnBP>Zn。影響過氧化氫酶活性的主要因子依次為：Cd>Pb>DMP×Zn>DnBP×Pb>DMP>Zn。其中，Cd對脲酶活性具有顯著的拮抗作用。Pb對過氧化氫酶活性也具有顯著的拮抗作用。Zn、DMP×Zn對脲酶表現出協同作用，除此之外均表現出拮抗作用。DnBP×Pb、DMP、Cd對過氧化氫酶活性均表現出協同作用，其他因素對過氧化氫酶則表現為拮抗作用。

表3 六因子含量與土壤酶活性的多元回歸分析結果

3 討論

重金屬與有機物復合污染土壤酶活性的影響較多，如谷盼妮等[4]發現環草隆中加入鎘會改變其微生物毒性效應，且鎘濃度不同影響也不同。王果[23]研究發現，銅離子能降低草甘磷在礦物上的吸附性能，從而增加草甘膦的生物有效性。Wang等[24]研究丁草胺與鎘對土壤脲酶及磷酸酶活性的影響與兩者濃度配比有很大關系。以上研究與本研究中酞酸酯和重金屬對土壤酶的刺激作用可能是微生物對污染物的適應所致，不同重金屬和酞酸酯復合作用類型不同的結果類似。同時，本研究還發現復合添加6種污染物使脲酶和過氧化氫酶有了不同程度的抑制效果，隨著時間的推移，出現了抑制率降低，甚至有激活的現象。這可能是由于污染物被微生物分解或者被土壤的空隙吸附而失去其有效的抑制效果，使得土壤酶出現了一定的抗性。

此外，重金屬與有機物的毒性效應對土壤行為有影響作用。如沈國清等[16]研究表明，菲和鎘復合污染毒性效應的持續時間比單一污染更長。谷盼妮等[4]發現，重金屬Zn與菲復合作用下土壤脲酶表現出協同作用，而重金屬Cd和Zn對脫氫酶具有拮抗作用。與本研究中不同重金屬和酞酸酯復合作用類型不同的結果類似，Cd對脲酶活性具有顯著的拮抗作用，Pb對過氧化氫酶活性也具有顯著的拮抗作用，有力地說明了土壤酶活性變化可能與酞酸酯和重金屬復合刺激下，微生物對污染物的適應所致有關。

4 結論

(1)重金屬和酞酸酯復合對土壤酶活性的影響表現為：脲酶活性隨著時間增長酶活性先下降后上升，而過氧化氫酶活性則相反，隨時間先下降后上升。

(2)影響土壤脲酶活性的主要因子依次為：Cd>DnBP×DMP>Pb×DMP>DMP×Zn>DnBP>Zn。影響過氧化氫酶活性的主要因子依次為：Cd>Pb>DMP×Zn>DnBP×Pb>DMP>Zn。

(3)DnBP×DMP對脲酶表現出拮抗，DMP×Zn對脲酶表現出協同作用。Cd對脲酶一直起著抑制的作用。DnBP×Pb對過氧化氫酶表現出協同作用，而DMP×Zn對過氧化氫酶表現為拮抗作用。