重金屬污染對土壤微生物及土壤酶活性影響的研究進(jìn)展

毛雪飛　吳羽晨　張家洋

摘要：土壤微生物是地球土壤的重要組成部分，其整體狀態(tài)對地球物質(zhì)循環(huán)與化學(xué)能量轉(zhuǎn)換具有極其重要的生態(tài)學(xué)意義，是全球?qū)W者十分關(guān)注的土壤系統(tǒng)因子?，F(xiàn)有研究結(jié)果顯示，土壤微生物生物量與群落結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)呼吸、微生物商、CO2代謝商、營養(yǎng)物質(zhì)礦化作用、土壤酶活性等都受到了重金屬污染的影響。本文針對近年來該領(lǐng)域取得的一些新研究進(jìn)展作一綜述，目的在于對尋找可行的土壤重金屬污染的環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)研究有所裨益。

關(guān)鍵詞：重金屬污染；土壤微生物；土壤酶活性；研究進(jìn)展

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-1302（2015）05-0007-05

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，微生物承擔(dān)著重要的生態(tài)系統(tǒng)功能，主要包括生物化學(xué)物質(zhì)循環(huán)、能量流動、營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)、動植物健康維持、環(huán)境污染凈化等，一旦土壤生態(tài)系統(tǒng)遭受污染，其微生物的種群結(jié)構(gòu)與動態(tài)、生理生化性質(zhì)以及酶系統(tǒng)活性都會有相應(yīng)變化，在一定程度上反映土壤乃至整個生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。近年來，隨著金屬冶煉與化工等行業(yè)的迅速發(fā)展，污水灌溉、農(nóng)藥和化肥的大量使用以及土壤重金屬污染問題已嚴(yán)重威脅到人類社會的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國有近0.2億hm²的耕地受到鎘、砷、鉛等重金屬污染，由此減產(chǎn)的糧食超過O.1億t，受到土壤重金屬污染的農(nóng)作物所生產(chǎn)的糧食高達(dá)0.12億t，由此造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失至少為200億元。相關(guān)報道指出，遼寧省沈陽市張士灌區(qū)因使用遭受鎘污染水源污灌造成灌區(qū)農(nóng)田污染面積達(dá)到2533hm²，其中嚴(yán)重污染的農(nóng)田面積占13%以上，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。江西省大余縣使用污染水源污灌引起5 500hm²耕地被鎘污染，其中嚴(yán)重污染面積達(dá)660 hm²，占該區(qū)域土地污染面積的12%。此外，土壤重金屬污染還會通過生物富集作用危害人類的健康及畜牧業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品安全。湖南省株洲地區(qū)為重金屬污染的重災(zāi)區(qū)，當(dāng)?shù)厝罕姷难?、尿中鎘含量是正常人的2～5倍，且自2011年以來更有血鉛中毒事件頻發(fā)。另外，土壤重金屬更因其在土壤中不易被降解、污染很難清除而成為環(huán)境污染的嚴(yán)重問題之一，因此急需尋求土壤重金屬污染的環(huán)境監(jiān)測與防治的有效措施。本文就其研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，以期對土壤重金屬污染監(jiān)測提供理論依據(jù)。

1.重金屬對土壤微生物生物量的影響

土壤是微生物棲息的最重要的生活環(huán)境之一，為微生物的生長發(fā)育提供了大量的碳源、氮源等營養(yǎng)元素。土壤微生物的數(shù)量和種類都十分豐富，主要種類有細(xì)菌、放線菌、真菌和藻類等。土壤微生物作為地下食物網(wǎng)最初的分解者，參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)等，是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分碳、氮、磷、硫等轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動力。

1.1微生物生物量的概念與實踐意義

土壤微生物的生物量（簡稱MB）是指土壤中活植物除外體積小于5000m³。的生物總量。土壤的微生物生物量可以表征參與調(diào)控土壤中物質(zhì)能量循環(huán)以及有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化所對應(yīng)生物量的數(shù)量。微生物生物量氮和碳具有轉(zhuǎn)化迅速的特點(diǎn)，對重金屬污染反應(yīng)敏感，是比較理想的評價重金屬污染程度的指標(biāo)。

1.2土壤微生物量測定方法

土壤微生物生物量是一種在土壤有機(jī)質(zhì)含量中最易變化且擺動幅度最大的土壤生物學(xué)指標(biāo)，其變化在某種程度上可反映微生物肥力的變化、土壤污染的程度以及土壤耕作制度等。近些年來，雖然一些學(xué)者對土壤微生物生物量的各種測定方法進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究比較，力求尋找一種快速、簡單、高效、準(zhǔn)確、適應(yīng)性強(qiáng)的微生物量測定方法，但至今未取得比較明顯的進(jìn)展。目前，在該領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的方法主要有三氯甲烷熏蒸浸提法（FE）、三氯甲烷熏蒸培養(yǎng)法（FI）、基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸法（sIR）、精氨酸誘導(dǎo)氨化法和三磷酸腺苷（ATP）法等。試驗中一般采用熏蒸浸提法測定土壤微生物生物量碳，來表征土壤微生物生物量。

三氯甲烷熏蒸浸提法（FE）的原理是：用三氯甲烷熏蒸處理土壤后，土壤中的微生物被殺死，其細(xì)胞內(nèi)容物釋放到土壤中之后土壤中的可提取碳、氨基酸、氮、磷和硫等物質(zhì)含量大幅度提高，之后通過測定浸提液中碳含量便可得出土壤中微生物的生物量。

三氯甲烷熏蒸培養(yǎng)法（FI）原理基于以下5個假設(shè)：（1）假設(shè)被殺死的微生物生物量中的碳的分解速度比活體微生物中碳分解速度快；（2）假設(shè)熏蒸滅菌處理很完全；（3）假設(shè)未熏蒸滅菌的土壤，在培養(yǎng)過程中微生物死亡數(shù)量極小，可以忽略不計；（4）假設(shè)所有土壤中被熏蒸殺死的微生物，在培養(yǎng)期間被分解的比例都一樣，即所有的土壤可以共用相同的轉(zhuǎn)換系數(shù)K；（5）假設(shè)熏蒸滅菌處理不影響土壤物理和化學(xué)性質(zhì)。目前所用的方法是基于土壤經(jīng)三氯甲烷熏蒸處理后，再進(jìn)行培養(yǎng)時有大量的CO2：釋放出來，所釋放的CO2：來源于被三氯甲烷熏蒸殺死的微生物，空白對照為不熏蒸土壤在培養(yǎng)期間所釋放的CO2：量，土壤微生物生物量碳為二者之間的差值。該方法最大的困難是空白的選擇，目前還沒有統(tǒng)一的看法，而且該方法不能用于含有大量易分解有機(jī)物的土壤，也不適用于pH值<4.5的酸性土壤，用于石灰性土壤和漬水土壤時也要謹(jǐn)慎。

基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸法原理（sIR）：該方法基于純培養(yǎng)的理論，研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中葡萄糖投入量充足，使微生物生物量酶系統(tǒng)達(dá)到飽和時，CO2：的釋放速率與微生物生物量呈線性相關(guān)。根據(jù)該關(guān)系可以迅速測定土壤中微生物的生物量。

精氨酸誘導(dǎo)氨化法（AIA）：精氨酸是20種必需氨基酸之一，微生物同化精氨酸的方法主要有精氨酸氨基轉(zhuǎn)移途徑、精氨酸-尿酶或精氨酸酶一尿素酰胺酶途徑、1/4精氨酸脫羧途徑、精氨酸脫氨基途徑。除了精氨酸氨基轉(zhuǎn)移途徑外，銨是其他3個途徑的最終產(chǎn)物。Alef等發(fā)現(xiàn)，土壤中50種微生物能利用精氨酸作為其碳源和氮源，在一定條件下，土壤中微生物生物量與精氨酸氨化速率呈正比例關(guān)系。Hund等認(rèn)為，可以用精氨酸氨化速率作為有機(jī)污染對土壤微生物影響的表征指標(biāo)。

1.3相關(guān)研究進(jìn)展

大量研究結(jié)果表明，土壤中重金屬的污染程度與土壤微生物的生物量具有明顯的相關(guān)性。有學(xué)者在研究水稻土（銅鋅冶煉廠附近）中微生物群落生物量與重金屬復(fù)合污染的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，重金屬脅迫對土壤微生物生物量碳、氮的影響與重金屬含量具有顯著負(fù)相關(guān)特征。趙祥偉等在浙江省富陽市環(huán)山鄉(xiāng)距離某冶煉廠小高爐分別為20、40、100、200m處采集農(nóng)田土樣，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著離冶煉廠小高爐距離越遠(yuǎn)（即各重金屬元素污染指數(shù)越?。?，土壤微生物量碳含量則呈現(xiàn)上升的趨勢，與距離高爐20m處相比，40、100、200m處的土壤微生物量碳含量分別是20m處的1.30、2.37、2.71倍。滕應(yīng)等研究發(fā)現(xiàn)，浙江鉛鋅銀礦區(qū)土壤的微生物量與可培養(yǎng)的細(xì)菌數(shù)量均顯著降低。楊元根等在英國阿波丁市的土壤調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，雖然由于人為活動的影響該市土壤中重金屬元素Cu、Pb、zn、Ni已有顯著積累并導(dǎo)致土壤微生物生物量下降，但結(jié)果顯示該市區(qū)土壤微生物生理活動和呼吸強(qiáng)度明顯高于相對應(yīng)的農(nóng)村土壤中相應(yīng)的生物生理活動和呼吸強(qiáng)度，微生物的這種抗逆性與重金屬元素的有效態(tài)密切相關(guān)，土壤微生物雖然為了維持其正常的生理活動須要消耗更多的碳源，但對碳源的利用效率卻明顯降低。滕應(yīng)等在室內(nèi)培養(yǎng)條件下對重金屬復(fù)合污染紅壤的微生物活性及群落功能多樣性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示重金屬復(fù)合污染對供試紅壤微生物生物活性及其群落功能多樣性的影響表現(xiàn)為加和作用、拮抗作用以及協(xié)同作用。

近期有研究表明，不同土壤微生物對同種重金屬污染的敏感性各不相同，同種重金屬對不同土壤微生物種群數(shù)量的影響也具有差異。吳春艷等研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物種群對Cu2+、Cd2+的敏感度從強(qiáng)到弱依次為真菌>放線菌>細(xì)菌、放線菌>細(xì)菌>真菌。但由于重金屬與土壤微生物所處環(huán)境的物理化學(xué)性質(zhì)各不相同，Cu2+對土壤微生物種群的影響存在一定的差異。程東祥等研究發(fā)現(xiàn)，重金屬對微生物群落數(shù)量影響因化學(xué)形態(tài)、土壤理化性質(zhì)以及微生物類型的不同而有明顯差異。例如，碳酸結(jié)合態(tài)Pb含量與放線菌種群數(shù)量，有機(jī)結(jié)合態(tài)cu含量與細(xì)菌、放線菌和微生物總數(shù)，碳酸鹽結(jié)合態(tài)zn含量與放線菌、微生物總數(shù)，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)zn含量與細(xì)菌、放線菌和微生物總數(shù)，碳酸鹽結(jié)合態(tài)Ni與放線菌群落總量均呈顯著正相關(guān)，而真菌與各化學(xué)形態(tài)重金屬含量卻呈不顯著相關(guān)。程東祥等還通過偏相關(guān)分析方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明微生物與土壤重金屬相關(guān)性受土壤理化性質(zhì)的明顯影響，并且在特定情況下有必要排除土壤理化性質(zhì)影響。紀(jì)玉琨等發(fā)現(xiàn)，不同時期及土層深度也會影響重金屬污染效應(yīng)。

2.重金屬對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

2.1微生物群落結(jié)構(gòu)的概念及其對表征土壤狀況的貢獻(xiàn)

微生物群落結(jié)構(gòu)是指群落內(nèi)各種微生物在時間和空間上的配置狀況。良好的配置狀況能提高群落的穩(wěn)定性，使其良性發(fā)展。由于重金屬的介入，這種良性發(fā)展趨勢就會被影響。微生物群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化是最具潛力的敏感的生物指標(biāo)，它能及時預(yù)測土壤養(yǎng)分及土壤環(huán)境質(zhì)量的變化。

2.2有關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)的研究方法與研究進(jìn)展

近年來有關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)的研究方法不斷增加，尤其是分子生物學(xué)方法的創(chuàng)新，主要是基于16SrDNA擴(kuò)增后進(jìn)行電泳圖譜分析方法應(yīng)用最為廣泛，其中比較精確的是隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性（RAPD）方法與PCR擴(kuò)增變性梯度凝膠電泳（PCR—DGGE）技術(shù)。此外，更可對微生物群落結(jié)構(gòu)從基因水平上進(jìn)行更全面的分析，再加上磷脂脂肪酸（phospholipid fatty acid，PLFA）分析技術(shù)和碳素利用（BIOLOG）法等進(jìn)行補(bǔ)充，從不同角度更好地對重金屬污染條件下的微生物群落結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行較為深入的研究。

2.3相關(guān)研究進(jìn)展

王秀麗等采用BIOLOG生態(tài)盤測對微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)BIOLOG盤的顏色變化速率、總體的平均吸光度與土壤的污染嚴(yán)重程度大體上呈負(fù)相關(guān)。磷脂脂肪酸分析技術(shù)是一種不需要經(jīng)過培養(yǎng)就能獲得土壤中微生物信息的方法，在一定程度上土壤中的PLFA組成和含量的變化可以作為反映土壤中微生物量和群落動態(tài)變化的指標(biāo)。磷脂脂肪酸存在于活細(xì)胞的細(xì)胞膜中，不同屬的微生物通過不同生化途徑而形成不同的PLFAs，對其進(jìn)行提取，并依據(jù)其中的特征脂肪酸指示微生物種類。吳建軍等應(yīng)用磷脂脂肪酸分析技術(shù)研究重金屬復(fù)合污染與水稻土微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，結(jié)果表明土壤重金屬污染程度與土壤微生物碳氮比（c/N）呈負(fù)相關(guān)，與土壤中真菌相對含量呈正相關(guān)，與放線菌與革蘭氏陰性菌含量呈負(fù)相關(guān)趨勢。說明重金屬污染能改變土壤微生物群落狀態(tài)，使得土壤微生物生物量隨著污染程度的升高，向C/N的值低的微生物優(yōu)勢群落轉(zhuǎn)化。同時，土壤微生物的群落動態(tài)變化為真菌相對含量增加，放線菌與革蘭氏陰性菌含量減少，而細(xì)菌和革蘭氏陽性菌的相對含量出現(xiàn)較小幅度波動，變化不大。趙祥偉等利用變性梯度凝皎電泳技術(shù)分析土壤微生物群落的總DNA中16S rDNA，分析長期受重金屬復(fù)合污染的農(nóng)田土壤的微生物群落遺傳多樣性變化。變性梯度凝膠電泳結(jié)果顯示，樣品的圖譜在條帶數(shù)目和位置上有一定的差異，但組成樣品微生物群落的細(xì)菌種數(shù)與重金屬污染程度之間并沒有負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明土壤微生物群落遺傳多樣性并不是簡單地隨著污染程度的變大而降低。陳承利等結(jié)合BIOLOG和PLFA法進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，微生物群落代謝剖面（AWCD）及群落豐富度Shanon指數(shù)、均勻度指數(shù)均顯著低于無污染對照土壤，且隨著cd、Pb污染程度變大，革蘭氏陽性菌與陰性菌脂肪酸比值上升，真菌和放線菌類脂肪酸的相對含量增加。郭星亮等研究發(fā)現(xiàn)，輕度和中度污染能提高微生物的豐富度、多樣性及均勻度，而重度污染條件下土壤微生物群落的豐富度多樣性及均勻度降低，土壤微生物群落優(yōu)勢度的指數(shù)最高，說明土壤微生物群落在重度污染條件下有明顯優(yōu)勢菌種出現(xiàn)，這與吳建軍等有關(guān)優(yōu)勢菌種的說法一致，為重金屬脅迫機(jī)制，可為重金屬的微生物修復(fù)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。以上應(yīng)用不同方法從不同的方向初步證明了重金屬污染導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)變異性增大，而降低了群落的穩(wěn)定性。

值得指出的是，雖然這些方法在一定條件下能夠?qū)ν寥牢⑸锶郝渥兓M(jìn)行測定，但仍存在一些不足。如BIOLOG生態(tài)盤僅對快速生長的一部分微生物鑒定效果明顯，對生長速度較緩的微生物鑒定并不理想；利用微孔中的碳源完全代表生態(tài)系統(tǒng)中的實際碳源類型也存在一定弊端；而且由于BIOLOG板內(nèi)近中性的緩沖體系、高濃度的碳源以及使用生物毒性的指示劑均可能影響試驗結(jié)果。PLFA圖譜從種的水平上只能鑒定到屬，并且土壤微生物生長發(fā)育及外界環(huán)境條件變化（如pH值和溫度等）對磷脂脂肪酸的組成和濃度也具有一定的影響。PCR-DGGE法一般只能分離約500 bp的DNA片段，也存在分離片段較小的問題。因此，在研究中應(yīng)把多種技術(shù)方法綜合應(yīng)用，多方位考量，同時不斷尋找更簡便快捷的技術(shù)方法，為研究工作的精確性提供保障。

3.重金屬對土壤微生物生理生化作用的影響

重金屬污染土壤后會對微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)、微生物商（Cmic/Corg。）、CO2代謝商（qco2）、微生物基礎(chǔ)呼吸、氮循環(huán)、凋落物分解生理、生化參數(shù)產(chǎn)生影響。土壤微生物生理生化作用在土壤生態(tài)系統(tǒng)的形成、功能演變過程中成為必不可少的要素，這些參數(shù)的變化能夠反映土壤質(zhì)量的健康狀況。

3.1土壤生理生化作用類型

土壤生理生化作用類型主要包括土壤基礎(chǔ)呼吸作用、土壤微生物商、土壤中有機(jī)氮素的礦化作用、固氮作用、硝化及反硝化作用以及凋落物相關(guān)生化分解等。土壤基礎(chǔ)呼吸作用能反映土壤有機(jī)碳的礦化速率以及微生物的呼吸活性，是研究土壤重金屬污染對微生物影響用得較多的微生物參數(shù)之一。土壤微生物商可作為評價重金屬污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)功能和土壤質(zhì)量影響的重要指標(biāo)。土壤中有機(jī)氮素的礦化作用、固氮作用、硝化及反硝化作用qco2用來表征單位生物量的微生物在單位時間里的呼吸作用。凋落物的分解是一個復(fù)雜的生理生化過程，涉及多種微生物與生理生化反應(yīng)，因此其動態(tài)可直接反映土壤微生物的生理生化狀態(tài)。

3.2相關(guān)研究進(jìn)展

有研究表明，土壤被重金屬元素污染后，土壤微生物呼吸速率發(fā)生變化（降低或增加），qco2則明顯升高，而Cmic/Coorg的值降低。因為在一般情況下，土壤重金屬污染程度低時對CO2的釋放具有促進(jìn)作用，但高濃度重金屬污染土壤對CO2的釋放不利，土壤微生物呼吸速率則會顯著下降。Cmic/Corg的值變化可能是由于其數(shù)值大小不僅與土壤微生物生物量有關(guān)，還同時受土壤質(zhì)地、礦物組成、變化及環(huán)境脅迫（如土壤污染等）等環(huán)境因素的干擾。。qco2增加可能由于在土壤受重金屬污染的情況下，當(dāng)微生物量降低時，微生物群落需要更多的能量來維持自身生存，從而使微生物的代謝特性發(fā)生不同程度的變化，更多的CO2被釋放，導(dǎo)致土壤基礎(chǔ)呼吸和微生物代謝熵加劇。陳朝瓊等針對礦渣場進(jìn)行研究，結(jié)果表明，與對照土壤相比，土壤微生物呼吸速率減弱，Cmic/Corg的值下降，qco2明顯升高，這與龍健等的研究結(jié)論一致。而荊延德等通過盆栽試驗對水稻土的黃紅壤和小粉壤研究有不同的發(fā)現(xiàn)，隨著處理濃度的增加，2種土壤的呼吸作用強(qiáng)度均先緩慢上升而后下降，且各處理濃度的呼吸作用強(qiáng)度均高于對照。黃紅壤的qco2隨處理濃度的增加而增加，小粉壤變化規(guī)律則不明顯。2種土壤的微生物商均表現(xiàn)為低濃度時上升，高濃度時下降，當(dāng)達(dá)到一定濃度后再次反彈上升。曾路生等得出微生物呼吸強(qiáng)度隨重金屬濃度增加提高的結(jié)論。

重金屬污染對土壤中固氮作用、有機(jī)氮素的礦化作用、硝化及反硝化作用均產(chǎn)生影響。龍健等發(fā)現(xiàn)，重金屬污染土壤中由于參與含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化的酶活性減弱而影響氮營養(yǎng)循環(huán)。陳朝瓊等的研究結(jié)果也證明，土壤酶活性的減弱導(dǎo)致礦渣場土壤碳素、氮素、磷素營養(yǎng)的循環(huán)和周轉(zhuǎn)率的降低。Brookes等在針對施用污泥的土壤中固氮菌固氮作用的研究中發(fā)現(xiàn)，在土壤重金屬污染程度很低的條件下，土壤中固氮菌的固氮強(qiáng)度下降了50%，且高濃度重金屬污染土壤中微生物的固氮量是低濃度污染土壤的0.1倍。Wilke在研究12種污染物對氮素轉(zhuǎn)化的長期影響時發(fā)現(xiàn)，除硒和錫外，其他（砷、鈹、溴、鎘、鉻、弗、鉛、汞、硒、錫、釩和鎳）污染物均能抑制氮的礦化作用。

凋落物分解速度減慢可以作為土壤微生物活性下降的表征指標(biāo)。王建坤等發(fā)現(xiàn)，土壤的重金屬含量與纖維素分解強(qiáng)度表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，與非礦區(qū)土壤相比，礦區(qū)土壤纖維素分解強(qiáng)度下降34.39%-78.57%。Yao等對加拿大Sudbury冶煉廠（排放的廢氣中主要含鎳和銅）附近8km的范圍內(nèi)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，被調(diào)查的3種樹木的凋落葉在851d內(nèi)分解率是對照地區(qū)的79%～83%。

此外，重金屬污染還會影響土壤微生物群落利用碳源底物的能力。滕應(yīng)等發(fā)現(xiàn)，鉛鋅銀尾礦區(qū)重金屬復(fù)合污染會導(dǎo)致土壤微生物群落利用有關(guān)碳源底物的能力下降。龍健等發(fā)現(xiàn)，銅礦廢棄礦區(qū)土壤微生物群落利用碳源的能力均受抑制。郭星亮等在銅川煤礦區(qū)研究土壤微生物群落代謝和酶活性受當(dāng)?shù)刂亟饘傥廴镜挠绊憰r發(fā)現(xiàn)，輕度、中度污染會激活土壤微生物群落對碳源的利用；而在重度污染的情況下，土壤微生物群落對碳源的利用表現(xiàn)出抑制效應(yīng)的增強(qiáng)。

4.重金屬對土壤酶活性的影響

4.1土壤酶的概念及其與重金屬的相關(guān)性

土壤酶是土壤中一類具有高度催化作用的蛋白質(zhì)，主要參與土壤中各種生物的化學(xué)過程，其活性是反映土壤中生化反應(yīng)狀態(tài)的指標(biāo)。大量研究表明，重金屬對土壤酶活性的影響很大并且因重金屬種類、濃度以及土壤理化性質(zhì)、土壤酶的種類而不同，不同污染元素之間還存在拮抗作用或協(xié)同作用。

4.2土壤酶種類

目前發(fā)現(xiàn)的土壤酶大概有50～60種，研究較多的有氧化還原酶、水解酶、轉(zhuǎn)移酶和裂解酶。其中，氧化還原酶包括脫氫酶、葡萄糖氧化酶、醛氧化酶、脲酸氧化酶、聯(lián)苯氧化酶等，具有氧化脫氫等作用；水解酶包括羧基酯酶、芳基酯酶、酯酶、磷酸酯酶、核苷酸酶等，具有水解酸酯等功能；轉(zhuǎn)移酶包括葡聚糖蔗糖酶、果聚糖蔗糖酶、氨基轉(zhuǎn)移酶等，具有轉(zhuǎn)移糖基或氨基作用；裂解酶包括天冬氨酸脫羧酶、谷氨酸脫羧酶、芳香族氨基酸脫羧酶等，具有裂解氨基酸作用。

4.3常用研究方法

目前用來揭示重金屬污染與酶活性關(guān)系的研究方法大多數(shù)采用多元回歸分析法。

4.4相關(guān)研究進(jìn)展

4.4.1土壤中不同程度重金屬污染對土壤酶活性的影響重金屬對土壤酶活性的影響很大程度上受污染程度的影響，一般表現(xiàn)為隨重金屬處理濃度的增加，土壤酶活性逐漸增強(qiáng)，但到一定濃度時又逐漸減弱，其拐點(diǎn)濃度隨土壤類型及土壤酶種類以及污染元素的不同而不同。如荊延德等通過盆栽試驗研究2種水稻土中不同汞處理的微生物學(xué)和酶學(xué)效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，小粉土中使脲酶、酸性磷酸酶及脫氫酶活性發(fā)生變化的拐點(diǎn)濃度分別是O.5、O.5、2.0m/kg，而黃紅壤則均為1m/kg。沈桂琴等研究發(fā)現(xiàn)，土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶、脲酶和蛋白酶的活性明顯受土壤中重金屬污染物Hg、cd、Pb的抑制，而以上4種酶的活性可被cr激活，其中脲酶的反應(yīng)最敏感，其最終結(jié)果表明，Hg、cd、Pb等3種重金屬的臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為115、310、500 m/kg。郭星亮等研究發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬污染程度與土壤中脲酶、蛋白酶、堿性磷酸酶以及過氧化氫酶活性均呈負(fù)相關(guān)。蔗糖酶和纖維素酶可被中等污染程度以下的污染重金屬激活，土壤中的土壤蔗糖酶和纖維素酶活性被污染物抑制。林匡飛等發(fā)現(xiàn)，土壤中鍺的含量在2～200 m/kg之間時對脲酶的抑制作用較強(qiáng)，對脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶活性、堿性磷酸酶的抑制作用不明顯，對土壤中過氧化氫酶和脲酶活性有明顯的抑制作用。

4.4.2重金屬復(fù)合污染對土壤酶活性的影響

由于重金屬對土壤污染往往具有復(fù)合性，對土壤中酶的影響更復(fù)雜，并非簡單的相加，而是通過交互作用表現(xiàn)出協(xié)同、拮抗或屏蔽等作用。楊志新等的研究結(jié)果顯示，cd、zn、Pb共存時對過氧化氫酶表現(xiàn)出一定的拮抗作用或屏蔽作用，對脲酶的影響表現(xiàn)出協(xié)同抑制負(fù)效應(yīng)的特征，對轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶的影響主要隨cd濃度的增加而降低。李江遐等在研究陵尾礦重金屬污染情況時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)刂亟饘購?fù)合污染抑制對土壤酶活性的效應(yīng)從強(qiáng)到弱依次為Mn>Pb>cu>Zn。林立金等曾針對鋅鉻復(fù)合污染對水稻不同生育期土壤酶活性的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在水稻分蘗期，土壤中脲酶、轉(zhuǎn)化酶的活性與土壤中鋅鉻濃度的變化呈負(fù)相關(guān)，但在孕穗期及灌漿結(jié)實期則呈顯著的正相關(guān)。荊延德等也證明，在水稻土中土壤酶活性對汞脅迫的敏感程度從強(qiáng)到弱依次為脲酶>脫氫酶>酸性磷酸酶。

4.4.3土壤理化性質(zhì)與重金屬共同作用對重金屬污染的影響在自然狀態(tài)下，土壤理化性質(zhì)與重金屬共同影響重金屬污染對土壤酶活性的干擾作用，因此不同種類的土壤酶對重金屬的敏感性受土壤理化性質(zhì)明顯影響。和文祥對陜西西安的污灌區(qū)和楊凌清灌區(qū)不同理化性質(zhì)土樣中的56種酶的活性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，各種酶活性隨著樣地與土壤理化性質(zhì)的不同而顯現(xiàn)出明顯的差異。

4.4.4其他研究結(jié)論李德生等研究發(fā)現(xiàn)，cu不會影響脫氫酶活性，脫氫酶不能表征土壤cu污染的程度。劉霞等證明，在潮土中H2O2：酶、轉(zhuǎn)化酶活性受殘留態(tài)和碳酸結(jié)合態(tài)Cd的重要影響，交換態(tài)Pb對脲酶活性、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Pb對堿性磷酸酶活性顯著負(fù)相關(guān)。

5.存在問題

隨著近年來針對土壤重金屬污染問題的研究不斷加深，作為土壤生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分的土壤微生物對環(huán)境污染的敏感性已被廣泛認(rèn)知，并且多種方法的應(yīng)用和改進(jìn)也不斷推動著研究的發(fā)展，研究已經(jīng)取得許多成果，但同時由于微生物種類的多樣性及其參與過程的復(fù)雜性，關(guān)于重金屬污染對土壤微生物以及土壤酶活性的影響、土壤重金屬污染的相關(guān)機(jī)理等的研究仍存在以下3個方面的問題：（1）實驗室培養(yǎng)試驗無法嚴(yán)格地模擬自然狀態(tài)的重金屬污染過程，造成兩者出現(xiàn)質(zhì)的差異。由于在實驗室中對土壤中微生物進(jìn)行培養(yǎng)試驗時是一次性大量加入重金屬，因此會產(chǎn)生短期觸殺效應(yīng)，由此可造成試驗結(jié)果與自然狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)的巨大差異。（2）土壤重金屬污染效應(yīng)除受重金屬元素本身特征影響外，土壤植物根際效應(yīng)、土壤類型、氣候等也會對其產(chǎn)生干擾，而對這方面的研究還較少，同時需要尋求更加便捷、準(zhǔn)確的試驗技術(shù)方法進(jìn)行深入研究。（3）因為土壤重金屬污染是一個復(fù)雜的過程，在進(jìn)行土壤環(huán)境評價監(jiān)測時不應(yīng)僅采用單一的生物學(xué)指標(biāo)評價土壤的污染程度，應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)的生物學(xué)指標(biāo)和微生物群落結(jié)構(gòu)的評價，把微生物的這些參數(shù)聯(lián)系起來（如微生物生物量和土壤有機(jī)質(zhì)之間的關(guān)系或微生物生物量與基礎(chǔ)呼吸的比率等），建立完善的土壤微生物指示重金屬污染狀況評估體系。

6.展望

為了更全面、更系統(tǒng)地認(rèn)識和應(yīng)用重金屬污染對土壤微生物的影響，還需要進(jìn)一步從以下3個方面開展研究工作：（1）全方位普及分子手段的應(yīng)用。目前對土壤微生物的研究多集中于生態(tài)特征層面，需要更深入地結(jié)合分子手段對土壤微生物種群之間的關(guān)系，以及土壤微生物維持和穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的機(jī)理進(jìn)行研究。（2）應(yīng)以土壤微生物量為基礎(chǔ)的動力學(xué)過程、土壤微生物相互作用介導(dǎo)的有機(jī)質(zhì)降解過程、微生物與礦物的相互作用、土壤一植物根系一微生物之間的相互作用為主要研究對象，進(jìn)一步揭示相關(guān)作用的機(jī)制。（3）深入探討微生物過程與環(huán)境污染修復(fù)之間的關(guān)系，完善土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系，為進(jìn)一步治理土壤重金屬污染以及被重金屬污染的土壤生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)提供理論依據(jù)。