1 引言
砷是一類廣泛存在于土壤中的具有致癌作用的類金屬元素，主要來(lái)源于含砷農(nóng)藥、化肥的施用及含砷污水灌溉等.據(jù)雷鳴等(2008)的調(diào)查，湖南郴州、衡陽(yáng)等地稻田砷污染較嚴(yán)重，土壤砷含量最高達(dá)245 mg·kg-1，導(dǎo)致大米砷含量超標(biāo)，造成嚴(yán)重的健康威脅和巨大的經(jīng)濟(jì)損失.同時(shí)，砷作為一種變價(jià)元素，不同價(jià)態(tài)毒性及生物有效性有較大差異，如三價(jià)砷生物毒性是五價(jià)砷的60~100倍.此外，水分可通過(guò)改變土壤氧化還原電位、鐵錳氧化物等變價(jià)元素的價(jià)態(tài)而影響砷的生物有效性及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，如淹水導(dǎo)致As(Ⅴ)向As(Ⅲ)轉(zhuǎn)化，提高了土壤中As(Ⅲ)的含量;同時(shí)，土壤水分會(huì)影響水稻籽粒中砷含量，灌漿期后濕潤(rùn)灌溉可顯著降低糙米中砷含量.研究表明，稻田土壤水分含量可影響并改變土壤溶液及稻米中砷含量，而控制土壤水分含量是解決稻田土壤砷污染問(wèn)題的有效途徑之一，并揭示出水分是影響砷毒性的主要因素之一，尤其是在稻田土壤上.因此，需對(duì)二者作用關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)探討.
土壤酶是土壤的重要組成成分，土壤中所有生物化學(xué)過(guò)程的發(fā)生都得益于土壤酶的作用.酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究酶催化反應(yīng)速度及各種因素(如污染物等)影響的方法，其結(jié)果不僅可顯示土壤酶總量的高低，而且還可以反映酶與底物、重金屬污染物等之間結(jié)合的緊密程度和作用過(guò)程，從而能深入探討污染物與酶作用機(jī)理，故被認(rèn)為是一種理想的研究手段.目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)砷的土壤酶效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)有激活、抑制和無(wú)關(guān)3種作用，如As(Ⅴ)會(huì)抑制堿性磷酸酶及芳基硫酸酯酶活性，而As(Ⅲ)則不敏感;砷能激活土壤脲酶活性.對(duì)不同水分下土壤酶作用機(jī)理的研究也有零星報(bào)道，如Zhang等(2009a;2009b)發(fā)現(xiàn)，土壤脫氫酶活性及酶促最大反應(yīng)速度均隨水分含量升高而增加;高水分含量增強(qiáng)了磷酸酶與底物親和力，提高了最大反應(yīng)速度;淹水對(duì)土壤脲酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)無(wú)顯著影響(雋英華等，2011).但目前對(duì)不同水分條件下砷與酶作用機(jī)理的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道.因此，本文擬采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗(yàn)的方法，從酶動(dòng)力學(xué)角度研究水分對(duì)砷與土壤堿性磷酸酶關(guān)系的影響，揭示砷對(duì)堿性磷酸酶的作用受水分影響的機(jī)理，以期為稻田土壤砷污染的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和保護(hù)修復(fù)提供依據(jù).
2 材料與方法
2.1 供試土壤
供試土壤為采自江蘇省中國(guó)科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站的水稻土(底潛鐵聚水耕人為土，Endogleyic Fe-accumuli-Stagnic Anthrosols).采樣時(shí)，先去除0~5 cm表層土，采用五點(diǎn)法取5~20 cm土樣，混勻風(fēng)干，過(guò)1 mm尼龍篩備用.常規(guī)方法測(cè)定土壤基本化學(xué)性質(zhì)(鮑士旦，1997)，結(jié)果為有機(jī)質(zhì)47.69 g·kg-1，pH=6.93(水土比2.5:1)，全氮3.1 g·kg-1，全磷0.61 g·kg-1，全鉀18.02 g·kg-1，堿解氮10.66 mg·kg-1，速效磷11.74 mg·kg-1，速效鉀112.90 mg·kg-1，陽(yáng)離子交換量26.20 cmol·kg-1，游離氧化鐵2.43 g·kg-1，總砷8.70 mg·kg-1，有效砷(0.5 mol·L-1 NaHCO3)0.32 mg·kg-1.
2.2 試驗(yàn)方案
向600 g土樣中添加不同濃度的As(Ⅴ)(Na3AsO4·12H2O，AR)溶液，使As(Ⅴ)含量分別為0、25、50、100、200、400 mg·kg-1，并調(diào)節(jié)土壤含水量為最大持水量(WHC)的35%、65%、110%，分別代表土壤水分條件為干燥、濕潤(rùn)及淹水.混勻后加蓋密閉，于(25±1)℃的培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)，期間稱重法控制土壤水分含量;定期(1、8、15、30 d)取樣測(cè)定并計(jì)算酶動(dòng)力學(xué)參數(shù).
土壤堿性磷酸酶動(dòng)力學(xué)測(cè)定：在3.00 g土壤中加入0.25 mL甲苯，15 min后添加20 mL采用緩沖液(pH=9.4)配制的不同濃度(0.0010、0.0025、0.0050、0.010 mol·L-1)的磷酸苯二鈉溶液，37 ℃培養(yǎng)，定時(shí)取樣，采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定土壤磷酸酶活性(關(guān)松蔭，1987).每個(gè)處理重復(fù)3次，并設(shè)無(wú)底物和無(wú)土壤處理為對(duì)照.
2.3 數(shù)據(jù)處理
土壤酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)Km、Vmax的計(jì)算參考文獻(xiàn)，具體而言，米氏常數(shù)Km和最大反應(yīng)速度Vmax可用Michaelis方程的積分式計(jì)算：
經(jīng)數(shù)學(xué)變換和整理得到：
式中，t為酶促反應(yīng)時(shí)間(h)，S0、St分別是初始時(shí)刻和t時(shí)刻底物濃度(mmol·L-1).可見(jiàn)，上式是一條1/t×ln(S0/St)對(duì)1/t×(S0-St)的直線方程.在反應(yīng)期間通過(guò)測(cè)定不同時(shí)間段利用的底物濃度(或生成的產(chǎn)物濃度)，并通過(guò)線性回歸，即可求得Km和Vmax值.
土壤酶促反應(yīng)速度常數(shù)k計(jì)算如下(和文祥等，2001)：
式中，t為酶促反應(yīng)時(shí)間(h)，S0、St分別是初始時(shí)刻和t時(shí)刻底物濃度(mmol·L-1).
砷對(duì)土壤酶抑制常數(shù)Ki的計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)(朱銘莪，2011;譚向平，2014)，其中，競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)方程為：
式中，Ki為抑制常數(shù)(mmol·L-1);Km*為抑制劑存在下表觀米氏常數(shù)(mmol·L-1);C為外源砷劑量(mg·kg-1).
線性混合抑制動(dòng)力學(xué)方程為：
式中，Vmax* 為抑制劑存在時(shí)酶表觀最大速率(μg·g-1·h-1);KS*為酶-底物表觀解離常數(shù)(mmol·L-1).對(duì)于線性混合型抑制，V*max=Vmax/β，Ks*=(α/β)Ks;其中：
式中，I為抑制劑濃度(mg·kg-1)，δKi為酶-底物-抑制劑解離常數(shù)(mmol·L-1)，δ可表示酶-抑制劑對(duì)底物的親和力.
采用Microsoft Excel 2013和SPSS19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及模型擬合，LSD法對(duì)各處理間差異進(jìn)行多重比較.
3 結(jié)果與分析
3.1 砷對(duì)堿性磷酸酶酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征影響
3.1.1 米氏常數(shù)Km的變化
米氏常數(shù)Km表征酶與底物結(jié)合牢固程度，在數(shù)值上等于初速度達(dá)到最大反應(yīng)速度1/2時(shí)的底物濃度.Km值越小，表明酶與底物結(jié)合越牢固，親合力越大(和文祥等，1997).從表 1可以看出：①不同水分下堿性磷酸酶Km總體呈現(xiàn)35%WHC>65%WHC>110%WHC的變化規(guī)律，3個(gè)水分下Km均值分別為6.08、4.78、3.66 mmol·L-1，表明隨水分含量增加，土壤堿性磷酸酶與底物的親和力增強(qiáng)，酶與底物更易結(jié)合.②除個(gè)別處理外，其余處理土壤堿性磷酸酶Km隨砷含量增加而顯著增大，表明砷污染導(dǎo)致堿性磷酸酶與底物親和力減弱.③不同處理下Km值雖有差異，但處于同一數(shù)量級(jí)，整個(gè)試驗(yàn)處理中Km變幅為2.34~10.95 mmol·L-1.④不同培養(yǎng)時(shí)間的Km變化較小，如砷含量為100 mg·kg-1時(shí)，35%WHC、65%WHC、110%WHC下Km變化范圍分別為5.12~6.44、4.23~5.54、2.35~4.41 mmol·L-1，表明培養(yǎng)時(shí)間對(duì)土壤酶與底物親和力影響較弱.⑤相關(guān)分析顯示，35%WHC、65%WHC下砷含量與Km呈顯著相關(guān)(r>0.913*)，而110%WHC下則相關(guān)性較差，表明干燥條件下砷顯著降低土壤酶與底物的親和力.
表 1 供試土壤堿性磷酸酶米氏常數(shù)
3.1.2 酶促反應(yīng)最大反應(yīng)速率Vmax的變化
最大反應(yīng)速率(Vmax)可表征酶-底物復(fù)合物分解為酶和產(chǎn)物的能力及土壤中酶的總量，在數(shù)值上等于酶完全被底物飽和時(shí)的催化反應(yīng)速度(和文祥等，2010).從表 2看出：①Vmax隨水分含量增加顯著降低，如第30 d，對(duì)照處理65%WHC、110%WHC的Vmax較35%WHC下分別降低了35.32%、40.94%，而當(dāng)砷含量達(dá)200 mg·kg-1時(shí)，降幅分別達(dá)到42.66%、52.86%.②除個(gè)別處理外，隨外源砷含量增加，35%WHC、65%WHC下Vmax間變化較小，最大變幅為26%，且處理間差異不顯著，表明干燥和濕潤(rùn)條件下砷對(duì)土壤酶-底物復(fù)合物的解離影響較弱;110%WHC下Vmax則顯著降低，揭示出淹水下砷污染阻礙了堿性磷酸酶-底物復(fù)合物解離.③110%WHC下，隨砷含量增加Vmax降幅增大，可能是由于水分飽和條件下As(Ⅴ)向 As(Ⅲ)轉(zhuǎn)化的緣故(曾希柏等，2010).④35%WHC、65%WHC下，Vmax隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而增加，如砷含量為100 mg·kg-1時(shí)，兩個(gè)水分下第30 d的Vmax值分別為第1 d的1.32、1.15倍，表明酶-底物復(fù)合物的分解速率加快，砷的毒性減弱.⑤利用Y=A/(1+B×C)模型(Speir et al.，1999)擬合Vmax與砷含量(C)的關(guān)系.結(jié)果(表 3)發(fā)現(xiàn)，僅110%WHC下二者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r>0.912*)，表明淹水下Vmax可在一定程度上監(jiān)測(cè)土壤砷的污染程度，且機(jī)理為完全抑制作用.⑥生態(tài)劑量值(Ecological Dose)ED10是指酶活性變化10%時(shí)外界污染物的濃度，可表征土壤輕度污染時(shí)的臨界濃度(Doelman et al.，1989).計(jì)算獲得水稻土砷污染ED10值為73.52~156.67 mg·kg-1.
表 2 供試土壤堿性磷酸酶最大反應(yīng)速率Vmax
表 3 堿性磷酸酶最大反應(yīng)速率Vmax與砷含量(C)的擬合關(guān)系
3.1.3 Vmax/Km及反應(yīng)速度常數(shù)k的變化
在較大范圍內(nèi)，Vmax/Km是衡量酶促反應(yīng)初速度的重要指標(biāo)，可作為土壤質(zhì)量的指標(biāo)之一.反應(yīng)速度常數(shù)k是酶總體催化能力的指標(biāo)，從本質(zhì)上反映酶促反應(yīng)是“快”還是“慢”，且其值與底物濃度無(wú)關(guān)(和文祥等，2009).從表 4可知：①Vmax/Km、k隨水分含量增加總體呈降低趨勢(shì)，35%WHC下的Vmax/Km、k顯著大于65%WHC、110%WHC下，表明較低水分含量有利于土壤酶催化反應(yīng)的進(jìn)行.②3種水分下，Vmax/Km、k均隨砷含量的增加而顯著降低，表明砷污染本質(zhì)上降低了酶促反應(yīng)初速度.③35%WHC、65%WHC下，Vmax/Km、k隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而增加，這與Vmax變化規(guī)律一致.④利用模型Y=A/(1+B×C)擬合二者關(guān)系，結(jié)果(表 5)表明，Vmax/Km、k在一定程度上可作為土壤砷污染程度的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，且砷對(duì)土壤堿性磷酸酶的作用機(jī)理為完全抑制(包括競(jìng)爭(zhēng)性抑制和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制)作用(Speir et al.，1999).⑤計(jì)算獲得Vmax/Km、k的ED10范圍分別為20.45~70.87 mg·kg-1和66.00~131.89 mg·kg-1.⑥綜合Vmax的結(jié)果可看出，Vmax/Km獲得的ED10較小，且不同水分下均呈現(xiàn)出較好相關(guān)性，表明Vmax/Km對(duì)砷污染最為敏感，且其比Vmax可更全面、準(zhǔn)確地表征不同水分下土壤砷污染程度.⑦根據(jù)劑量最小最敏感原則獲得水稻土砷輕度污染的臨界值為20.45 mg·kg-1，此值與國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的二級(jí)污染標(biāo)準(zhǔn)值(25 mg·kg-1)較為接近，從側(cè)面表明動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax/Km可較好評(píng)價(jià)土壤砷污染程度.
表 4 供試土壤堿性磷酸酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax/Km及反應(yīng)速度常數(shù)k
表 5 堿性磷酸酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax/Km、k與砷含量(C)的擬合關(guān)系
3.2 砷對(duì)堿性磷酸酶抑制動(dòng)力學(xué)特征影響
抑制劑對(duì)土壤酶抑制類型一般包括競(jìng)爭(zhēng)性、非競(jìng)爭(zhēng)性、反競(jìng)爭(zhēng)性及線性混合抑制等(朱銘莪，2011).由表 1、2可知，隨砷含量增加，35%WHC、65%WHC下Vmax變化較小，Km則顯著增大，顯示此水分下砷酸根離子會(huì)與底物競(jìng)爭(zhēng)堿性磷酸酶同一活性中心，抑制類型屬于典型競(jìng)爭(zhēng)性抑制;而110%WHC下，隨砷含量增加，Vmax降低，Km總體增大，表明淹水時(shí)二者作用為線性混合抑制類型(包括競(jìng)爭(zhēng)性抑制和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制)(朱銘莪，2011).
為進(jìn)一步了解砷對(duì)磷酸酶的抑制特征，計(jì)算了不同條件下砷對(duì)土壤酶抑制常數(shù)Ki.Ki反映了抑制劑與酶形成復(fù)合物的親和力，其值越小，說(shuō)明抑制劑與土壤酶結(jié)合形成中間復(fù)合物的親和力越強(qiáng)(和文祥等，2010).從表 6結(jié)果可以看出：①采用競(jìng)爭(zhēng)性抑制模型(35%WHC、65%WHC)和線性混合抑制模型(110%WHC)擬合均達(dá)顯著或極顯著水平，揭示出不同水分含量下砷對(duì)堿性磷酸酶作用機(jī)理差異.②除第30 d外，其余處理110%WHC下Ki均小于35%WHC、65%WHC下，表明淹水增強(qiáng)了砷與土壤堿性磷酸酶的親和力.③35%WHC下Ki隨培養(yǎng)時(shí)間變化規(guī)律不明顯，65%WHC、110%WHC下Ki在培養(yǎng)后期(30 d)顯著大于前期(1~15 d)，表明隨時(shí)間延長(zhǎng)，砷與堿性磷酸酶的親和力減弱，對(duì)酶的抑制作用減輕，這與Vmax、Vmax/Km、k等隨時(shí)間變化所反映的規(guī)律一致.④比較Ki與Km可發(fā)現(xiàn)，除65%WHC、110%WHC下第30 d外，其余處理Ki與Km相差不大;培養(yǎng)第30 d，65%WHC、110%WHC下Ki明顯大于Km，揭示出隨時(shí)間延長(zhǎng)，酶與底物親和力強(qiáng)于酶與砷親和力.⑤110%WHC下，線性混合抑制模型求得的δ>1，表明酶-抑制劑對(duì)底物的親和力比酶對(duì)底物的親和力低，進(jìn)一步揭示出線性混合抑制中非競(jìng)爭(zhēng)性抑制為主要抑制方式(朱銘莪，2011;譚向平，2014).
表 6 砷對(duì)供試土壤堿性磷酸酶抑制常數(shù)Ki影響
4 討論
不同水分及砷污染處理下Km值雖有差異，但處于同一數(shù)量級(jí)，這與土壤堿性磷酸酶主要來(lái)源于土壤微生物有關(guān)(Frankenberger et al.，1983;Dick et al.，1984).不同水分下Km隨砷含量增加而增大，表明砷污染減弱了堿性磷酸酶和底物的親和力，這可能是因?yàn)樯樗岣c磷酸根結(jié)構(gòu)相似，二者共同競(jìng)爭(zhēng)磷酸酶活性中心(朱銘莪，2011;王紫泉等，2013).35%WHC、65%WHC下Vmax隨砷含量增大變化不明顯，而110%WHC下則顯著降低，表明110%WHC下，砷不僅通過(guò)與底物競(jìng)爭(zhēng)堿性磷酸酶活性中心減緩了中間復(fù)合物的形成(Km增大)，也減弱了酶-底物復(fù)合物的解離能力(Vmax減小).這可能是因?yàn)樗诛柡拖�，砷與酶活性或非活性中心結(jié)合，引起酶分子的構(gòu)象改變，致使活性中心的催化作用降低(朱銘莪，2011);同時(shí)，在水分飽和與砷的雙重脅迫下，土壤微生物活性受到抑制而使分泌的酶減少.
Km隨水分含量增加顯著降低，這可能是因?yàn)樗趾可咄寥栏臃稚ⅲ煌寥烙袡C(jī)質(zhì)或有機(jī)質(zhì)-粘粒復(fù)合物吸附包裹的酶更多的解離暴露出來(lái)，增加了酶與底物的接觸機(jī)會(huì)(雋英華等，2008).Marx等(2005)研究認(rèn)為，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(底物)在土壤異質(zhì)體系中的擴(kuò)散能力會(huì)影響土壤酶動(dòng)力學(xué)參數(shù).在土壤含水量較高情況下，水分可利用性好，底物的擴(kuò)散能力較強(qiáng)，增加了酶與底物接觸的機(jī)會(huì)，故Km減小(Zhang et al.，2009a).另外，供試土壤為水稻土，土壤中有機(jī)質(zhì)、粘粒、鐵錳氧化物等含量較大，水分含量較高情況下外源砷進(jìn)入后砷酸根離子會(huì)迅速與土壤發(fā)生吸附、絡(luò)合和沉淀反應(yīng)等，可能會(huì)置換出部分原來(lái)被土壤粘粒吸附的堿性磷酸酶分子，使其從吸附態(tài)轉(zhuǎn)變成游離態(tài)，從而使 Km 值變小(楊春璐等，2007).Vmax也隨水分含量升高顯著降低，這是由于水分含量增加，酶與底物親和力增強(qiáng)(Km減小)，酶-底物復(fù)合物結(jié)合的更牢固，減弱了其分解為酶和產(chǎn)物的能力，從而降低形成產(chǎn)物的數(shù)量(朱銘莪，2011).另外，淹水條件下，土壤孔隙中氧氣濃度降低，好氧微生物活性受到抑制，土壤酶分泌總量減少，也導(dǎo)致Vmax降低.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
隨水分含量增加，土壤堿性磷酸酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)Km、Vmax、Vmax/Km、k均減小，土壤酶活性總體降低(謝偉等，2015)，表明土壤表觀酶活性大小由動(dòng)力學(xué)參數(shù)綜合決定，反映在不同條件下，土壤酶的動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)揮作用有所差異，并最終通過(guò)影響酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)間接改變不同水分下的土壤酶活性，揭示出不同水分條件下砷抑制堿性磷酸酶活性機(jī)理上的差異.如砷含量為400 mg·kg-1，培養(yǎng)第30 d時(shí)，盡管110%WHC下堿性磷酸酶Km最小(4.01 mmol·L-1)，Vmax/Km(44.60×10-3 h-1)也較大，但由于該水分下Vmax(160.33 μg·g-1·h-1)及k(13.00×10-3 h-1)均較小，導(dǎo)致堿性磷酸酶活性顯著低于35%WHC、65%WHC下;而35%WHC下，雖然Km最大(9.65 mmol·L-1)，酶與底物親和力最小，但因Vmax(400.26 μg·g-1·h-1)、Vmax/Km(57.97×10-3 h-1)、k(30.39×10-3 h-1)也最大，故該水分下堿性磷酸酶活性最高.可見(jiàn)，土壤酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)可從不同側(cè)面、不同程度地反映土壤酶活性與酶促反應(yīng)速度，在一定條件下，某一動(dòng)力學(xué)因子起主導(dǎo)作用，從而決定表觀酶活性的高低.
5 結(jié)論
1)隨砷濃度增加，Km增大，Vmax(110%WHC)、Vmax/Km、k減小，表明砷污染不僅減弱了酶-底物的親和力，且減弱了酶-底物復(fù)合物的分解能力，減弱了酶促反應(yīng)初速度，從本質(zhì)上抑制了酶促反應(yīng)的進(jìn)行.
2)Km、Vmax、Vmax/Km、k、Ki隨水分含量增加而減小，表明水分含量升高雖增加了酶-底物親和力，但也增強(qiáng)了砷與酶的親和力，從本質(zhì)上減弱了酶促反應(yīng)速度，減緩了酶促反應(yīng)的發(fā)生.
3)Y=A/(1+B×C)模型較好擬合了動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax/Km(Y)與土壤砷含量(C)之間的關(guān)系，表明Vmax/Km在一定程度上可表征不同水分下土壤砷污染程度，并以此計(jì)算獲得水稻土砷輕度污染臨界值為20.45 mg·kg-1，此值與國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)中的二級(jí)污染標(biāo)準(zhǔn)值較為接近.
4)水分條件影響砷對(duì)堿性磷酸酶抑制機(jī)理，干燥(35%WHC)及濕潤(rùn)(65%WHC)條件下為完全競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用;淹水(110%WHC)條件下為以完全非競(jìng)爭(zhēng)性抑制為主的線性混合型抑制作用.各個(gè)酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)共同反映不同水分條件下砷對(duì)土壤堿性磷酸酶抑制機(jī)理上的差異.
