土壤中砷的处理

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1、土壤中砷的处理1引言碑是一类广泛存在于土壤中的具有致癌作用的类金属元素，主要来源于含碑农药、化肥的施 用及含碑污水灌溉等.据雷鸣等(2008)的调查，湖南郴州、衡阳等地稻田碑污染较严重，土壤碑 含量最高达245mgkg-1,导致大米碑含量超标，造成严重的健康威胁和巨大的经济损失.同时， 碑作为一种变价元素，不同价态毒性及生物有效性有较大差异，如三价碑生物毒性是五价碑的 60100倍.此外，水分可通过改变土壤氧化还原电位、铁锰氧化物等变价元素的价态而影响碑的 生物有效性及其环境风险，如淹水导致As(V)向As(III)转化，提高了土壤中As(III)的含量；同 时，土壤水分会影响水稻籽粒中碑含量

2、，灌浆期后湿润灌溉可显著降低糙米中碑含量.研究表明， 稻田土壤水分含量可影响并改变土壤溶液及稻米中碑含量，而控制土壤水分含量是解决稻田土壤 碑污染问题的有效途径之一，并揭示出水分是影响碑毒性的主要因素之一，尤其是在稻田土壤上. 因此，需对二者作用关系进行系统探讨.土壤酶是土壤的重要组成成分，土壤中所有生物化学过程的发生都得益于土壤酶的作用.酶 促反应动力学是研究酶催化反应速度及各种因素(如污染物等)影响的方法，其结果不仅可显示土 壤酶总量的高低，而且还可以反映酶与底物、重金属污染物等之间结合的紧密程度和作用过程， 从而能深入探讨污染物与酶作用机理，故被认为是一种理想的研究手段.目前，国内外学者

3、对碑 的土壤酶效应进行了研究，发现有激活、抑制和无关3种作用，如As( V)会抑制碱性磷酸酶及 芳基硫酸酯酶活性，而As(III)则不敏感;碑能激活土壤脲酶活性.对不同水分下土壤酶作用机理 的研究也有零星报道，如Zhang等(2009a;2009b)发现，土壤脱氢酶活性及酶促最大反应速度均 随水分含量升高而增加；高水分含量增强了磷酸酶与底物亲和力，提高了最大反应速度;淹水对土 壤脲酶动力学参数无显著影响(隽英华等，2011).但目前对不同水分条件下碑与酶作用机理的研 究则鲜见报道.因此，本文拟采用室内模拟培养试验的方法，从酶动力学角度研究水分对碑与土 壤碱性磷酸酶关系的影响，揭示碑对碱性磷酸酶

4、的作用受水分影响的机理，以期为稻田土壤碑污 染的准确监测和保护修复提供依据.2材料与方法2.1供试土壤供试土壤为采自江苏省中国科学院常熟农业生态试验站的水稻土(底潜铁聚水耕人为土， Endogleyic Fe-accumuli-Stagnic Anthrosols).采样时，先去除 05 cm 表层土，采用五点法取 520 cm 土样，混匀风干，过1mm尼龙筛备用.常规方法测定土壤基本化学性质(鲍士旦，1997)， 结果为有机质 47.69 g , kg-1，pH=6.93(水土比 2.5:1)，全氮 3.1 g kg-1，全磷 0.61g, kg-1， 全钾 18.02 g , kg-1，碱

5、解氮 10.66 mg , kg-1，速效磷 11.74 mg , kg-1，速效钾 112.90 mg , kg-1， 阳离子交换量26.20 cmol , kg-1，游离氧化铁2.43 g , kg-1，总石申8.70 mg , kg-1，有效石申(0.5 mol , L-1 NaHCO3)0.32 mg , kg-1.2.2试验方案向600 g 土样中添加不同浓度的As(V)(Na3AsO4 12H2O, AR)溶液，使As( V)含量分别为 0、25、50、100、200、400 mg , kg-1，并调节土壤含水量为最大持水量(WHC)的 35%、65%、110%， 分别代表土壤水分

6、条件为干燥、湿润及淹水.混匀后加盖密闭，于(251)C的培养箱中暗培养， 期间称重法控制土壤水分含量；定期(1、8、15、30 d)取样测定并计算酶动力学参数.土壤碱性磷酸酶动力学测定：在3.00 g 土壤中加入0.25 mL甲苯，15 min后添加20 mL采 用缓冲液(pH=9.4)配制的不同浓度(0.0010、0.0025、0.0050、0.010 mol L-1)的磷酸苯二钠溶 液，37 C培养，定时取样，采用磷酸苯二钠比色法测定土壤磷酸酶活性(关松荫，1987).每个处 理重复3次，并设无底物和无土壤处理为对照.2.3数据处理土壤酶动力学参数Km、Vmax的计算参考文献，具体而言，米

7、氏常数Km和最大反应速度Vmax 可用Michaelis方程的积分式计算：击=X S/(邕 +$)(1)经数学变换和整理得到：1/f ln(V SJ 1/) A +/(2)式中，t为酶促反应时间(h)，S0、St分别是初始时刻和t时刻底物浓度(mmolL-1).可见， 上式是一条1/tXln(S0/St)对1/tX(S0-St)的直线方程.在反应期间通过测定不同时间段利用 的底物浓度(或生成的产物浓度)，并通过线性回归，即可求得Km和Vmax值.土壤酶促反应速度常数k计算如下(和文祥等，2001):1s0八一xln(3)*，式中，t为酶促反应时间(h)，S0、St分别是初始时刻和t时刻底物浓度

8、(mmolL-1).砷对土壤酶抑制常数Ki的计算见文献(朱铭莪，2011;谭向平，2014)，其中，竞争性抑制动 力学方程为：式中，Ki为抑制常数(mmol LT);Km*为抑制剂存在下表观米氏常数(mmol LT);C为外源 石申剂量(mg kg-1).线性混合抑制动力学方程为：+ S 一+S式中，Vmax*为抑制剂存在时酶表观最大速率gg-1 h-1);KS*为酶-底物表观解离常数(mmol . L-1).对于线性混合型抑制，V*max=Vmax/p , Ks*=(a /p )Ks;其中:(6)0= 1 +L- 8K式中，I为抑制剂浓度(mg - kg-1), 6 Ki为酶-底物-抑制剂解

9、离常数(mmol - L-1), 6可表 示酶-抑制剂对底物的亲和力.采用Microsoft Excel 2013和SPSS19.0软件对数据进行方差分析及模型拟合，LSD法对各 处理间差异进行多重比较.3结果与分析3.1砷对碱性磷酸酶酶促反应动力学特征影响3.1.1米氏常数Km的变化米氏常数Km表征酶与底物结合牢固程度，在数值上等于初速度达到最大反应速度1/2时的 底物浓度.Km值越小，表明酶与底物结合越牢固，亲合力越大(和文祥等，1997).从表1可以看 出：不同水分下碱性磷酸酶Km总体呈现35%WHC65%WHC110%WHC的变化规律，3个水分下Km 均值分别为6.08、4.78、3.

10、66 mmol L-1，表明随水分含量增加，土壤碱性磷酸酶与底物的亲 和力增强，酶与底物更易结合.除个别处理外，其余处理土壤碱性磷酸酶Km随砷含量增加而显 著增大，表明砷污染导致碱性磷酸酶与底物亲和力减弱.不同处理下Km值虽有差异，但处于同 一数量级，整个试验处理中Km变幅为2.3410.95 mmol L-1.不同培养时间的Km变化较小， 如砷含量为 100 mg kg-1 时，35%WHC、65%WHC、110%WHC 下 Km 变化范围分别为 5.126.44、 4.235.54、2.354.41 mmol L-1，表明培养时间对土壤酶与底物亲和力影响较弱.相关分析 显示，35%WHC、

11、65%WHC下砷含量与Km呈显著相关(r0.913*)，而110%WHC下则相关性较差，表 明干燥条件下砷显著降低土壤酶与底物的亲和力.表1供试土壤碱性磷酸酶米氏常数水分含里神含里顿时g-米氏常数y（mmol L1）1 d3d15d30 d35%WHC03.00+O.2Sc4.4&士。.打24.0410.394.830.43c5.53士254.160.35c5.350.34d4.720.42d0.49te5.75土505.461037s6.120.63c4.740.29d0.46k5.011005.U士爵站6.440.495.800.Uc0.412005.150.31b6.740.54b7.U

12、0.54s6.690.49s10.954007.440.90aS.490.75a0.97a9.651.11a3.5165%WHC03.530.27c 3.0&0.19d衔饭僧Q24c4.08明4300.34ct3.52+0.29d 3.550.24c0.255.16504.46+0.43c*土暖4.11+0.%0.4Ste4.63倾v 5.540.6S54.990.43c 4.23+0.29d0.392005.590.4? 5.930.76b5.S50.50b 4.590.40b+007.5S1,24a S.081.10a6.630.61a 5.060.40a110%WHC02.61O.10d2.50O.36b2.34+0.19c4.00+0.3035252.740.202.97S.740.53*2.000.233.710.29500.221S.264.550.6Sa3.2403Ss4.450.31a1000.264.0710.61a2.35+0.21c4.410.30s2003.6703355.041.17a3.740.55a3.800.2554.014005.3610.65a4.600.S3a3.690.36aQ.4尹注:S同列数据【平均值士标准差后的不同小写字母耒示差舁显著(P0.912*)，表明淹水下Vmax可在一定程度上监测