草甘膦对土壤生化活性影响的研究

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草甘膦作为当今世界使用量最大的农药品种之一,其土壤环境效应一直是人们关注的主要课题之一。本研究通过室内模拟,采用非缓冲液法,较为系统地研究了我国五类12个土样中三大主要水解酶类(脲酶、转化酶、磷酸酶)、脱氢酶和过氧化氢酶活性,种子发芽及土壤微生物生物量等,了解了它们与草甘膦之间的关系,并借助动力学手段研究了草甘膦与脲酶、转化酶、磷酸酶间的作用机理。以期获得草甘膦的土壤生化效应规律,揭示土壤酶作为草甘膦土壤污染指标的可行性,最终为生产实际中草甘膦的合理施用和农业的可持续发展提供理论依据。本研究结果表明:(1)草甘膦总体上激活土壤脲酶活性,最大增幅190%。供试浓度范围内,草甘膦对土壤脲酶活性影响的定量规律不明显,反映出土壤脲酶较难作为土壤污染程度的指标。2号、3号、7号、12号土样轻度污染时ED10分别为1127mgkg-1,1006mgkg-1,686.3mgkg-1,141.4mgkg-1。在供试农药浓度相同时,洋刀豆脲酶相对活性高于土壤脲酶的相对活性。如在草甘膦浓度为2000mgkg-1时,洋刀豆脲酶相对活性达到486%,12号红壤脲酶相对活性变化最大为330%,其余土样脲酶相对活性大约200%。表征轻微污染的ED10洋刀豆脲酶小于土壤脲酶。纯酶动力学各参数的变化幅度都大于土壤脲酶。表明土壤对酶的保护作用和对污染物的缓冲作用。Vmax / Km、K和草甘膦浓度相关分析显示,除2号,3号的土样的K与草甘膦浓度没很好的相关性,其余都达到显著或极显著正相关。因此,Vmax/Km和K值可和酶活性一起做为草甘膦对土壤污染的监测指标。(2)土壤转化酶受到草甘膦的激活作用,最大活性增幅为1372%。在供试浓度范围内,二者关系达到了显著或极显著相关,揭示出转化酶活性可在一定程度上表征土壤污染程度。褐土和风沙土轻度污染时的转化酶ED10值分别为168.31mgkg-1和35.10mgkg-1,风沙土转化酶较褐土的对草甘膦生态毒理效应更敏感。随草甘膦浓度的增大,V max值增大,反映出草甘膦的加入会增加酶-底物复合物解离的速度。(3)草甘膦的加入,总体上降低了土壤磷酸酶活性,最大降幅35%,采用U=A+BX和U=A/(1+Bx)两种模型对磷酸酶活性和供试农药浓度拟合,结果表明除12号土样外,其余土样模型Ⅰ和Ⅱ均达到显著或极显著相关,说明一方面土壤磷酸酶活性可较好揭示草甘膦污染的程度,另一方面其作用机理为完全抑制作用。褐土、黄绵土和风沙土磷酸酶活性的生态剂量ED10值分别为611.3~863.1mgkg-1,438.5~758.7mgkg-1和443.0~600.4mgkg-1,风沙土磷酸酶较褐土磷酸酶对草甘膦生态毒理效应更敏感。Vmax/Km和k值都可和酶活性一起做为草甘膦污染程度的监测指标。动力学研究表明,Km和Vmax值均发生变化,草甘膦对土壤磷酸酶活性的抑制属混合型抑制动力学。褐土三种土样Km的值变大,Vmax值减小,属于线型混合型抑制。(4)草甘膦总体上激活土壤脱氢酶活性,最大增幅分别为42%;抑制土壤过氧化氢酶活性,最大降幅为35%,采用U=A+BX和U=A/(1+Bx)两种模型对过氧化氢酶活性和供试农药浓度拟合,结果表明除个别土样外,其余土样模型Ⅰ和Ⅱ均达到显著或极显著相关,说明一方面土壤磷酸酶活性可较好揭示草甘膦污染的程度,另一方面其作用机理为完全抑制作用。褐土、黄绵土、风沙土和红壤的过氧化氢酶活性的ED10值分别为149.8~566.2mgkg-1,183.5~239.7mgkg-1,322.4~435.0mgkg-1和163.4~1848.6mgkg-1。(5)草甘膦对小麦生物量和种子发芽率有显著的抑制作用,当草甘膦浓度1 mgkg-1和8 mgkg-1时,小麦生物量和种子发芽率显著低于CK( P < 0. 05)。在碱性土壤中,草甘膦总体上抑制土壤BC和BN,二者变化趋势基本相同,但对土壤BP在一定程度上有所激活。草甘膦在一定程度上增强土壤的呼吸作用,但土壤代谢熵明显增加,不利于土壤微生物的生长,从而影响土壤质量。黄绵土BC的ED10值范围为193.1~213.5mgkg-1,ED50值范围为1067.4~965.7mgkg-1。风沙土BN的ED10值范围为298.9~533.1mgkg-1,ED50值范围为1494.7~2665.3mgkg-1。黄绵土、风沙土BP的ED10值范围分别为21.6~35.1mgkg-1和15.8~88.8mgkg-1,ED50值范围分别为107.8~175.6mgkg-1和79.2~443.8mgkg-1。综上所述,草甘膦污染显著影响了土壤酶的活性,脱氢酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性及其动力学参数等在一定程度上可表征土壤草甘膦污染的程度,其作用机理主要为完全抑制作用;与其它土壤酶相比,转化酶和过氧化氢酶有较小的生态剂量,故转化酶和过氧化氢酶较其它土壤酶对草甘膦更敏感;褐土、黄绵土、风沙土、塿土和红壤草甘膦轻度污染时的浓度分别为97.81mgkg-1,21.6mgkg-1,15.8mgkg-1,184.3mgkg-1和58.2mgkg-1
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