甲苯对崇明东滩沉积物碱性磷酸酶活性的Hormesis效应初探

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崇明东滩是我国最重要也是最典型的滨海湿地之一。由于地处海陆交互作用的敏感地带,各类陆源和海源污染物长期在湿地聚集,加之高速发展的滨海经济带来的不容忽视的有机污染物泄漏与不达标排放,沉积物有机污染现象及效应研究备受关注。尽管以往有关甲苯对沉积物土壤酶的研究较多,也取得了许多重要的进展,然而,这些研究大多关注于甲苯对酶的抑制效应,有关低剂量刺激效应(Hormesis)的研究还少有系统报道。  本研究以崇明东滩湿地为原型区域,采集湿地沉积物样品,分别添加不同剂量的甲苯(0.0~100.0μL/g),在不同培养时间,观测沉积物碱性磷酸酶活性(APA)及其酶促反应动力学参数等的变化;同步研究了甲苯对碱性磷酸酶标准酶活性的影响,以及沉积物pH、甲苯含量和不同形态磷素含量的动态变化,探索Hormesis效应的应激机制;研究Hormesis效应剂量水平下小麦种子发芽率与生物量等的变化,以期评估土壤酶Hormesis效应可能存在的风险。本研究将为土壤酶是否存在Hormesis效应提供直接证据,也有助于湿地沉积物甲苯等有机污染物环境效应的科学评估。  研究结果表明:  (1)甲苯对沉积物中APA存在Hormesis效应,当甲苯含量为0.1~1.0μL/g时,甲苯促进APA的增加,促进率为15.7%~57.4%;当甲苯含量为3.0~100.0μL/g时,甲苯则抑制APA,抑制率为19.4%~43.6%;甲苯含量为2.0μL/g时,甲苯对APA既没促进作用,也没有抑制作用,属于临界浓度。Hormesis效应发生的时间从培养开始后的24~30 h开始,在本实验培养的236天内,该效应一直持续存在。  (2)促进(1.0μL/g)和抑制(3.0μL/g)效应浓度下,沉积物碱性磷酸酶酶促反应动力学参数Km的变化相似,即,均出现降低现象。这表明,无论是促进效应浓度,还是抑制效应浓度,甲苯的添加均改善了碱性磷酸酶与底物的亲和力。因此,甲苯-APA的Hormesis效应并非是因甲苯添加改善了酶与底物的亲和力所致。  (3)当甲苯含量为0.1μL/g时,甲苯促进沉积物pH升高,平均高出CK1.4%,当甲苯含量为3.0~10.0μL/g时,沉积物pH较CK平均降低2.5%;低剂量甲苯(0.1μL/g)添加下,沉积物中溶解性磷含量随培养时间显著下降,较高剂量甲苯(1.0~3.0μL/g)添加下,溶解性磷含量随时间的延长降低较小,高剂量甲苯(5.0~10.0μL/g)添加下,溶解性磷含量随培养时间无显著性变化;甲苯含量为0.1~1.0μL/g时,沉积物中有机磷含量较CK明显升高,平均值分别高于CK25.9%和28.0%,甲苯含量为3.0~10.0μL/g时,沉积物中有机磷含量较CK分别降低6.3%、8.3%和4.3%;甲苯添加量为0.2~1.0μL/g时,沉积物中甲苯含量随培养时间显著降低,在培养时间内分别降低100%、61.3%和35.2%,甲苯添加量为100.0~300.0μL/g时,甲苯含量随时间变化不显著。由此可见,甲苯-APA的Hormesis效应与甲苯加入沉积物后对体系pH值、溶解性磷、有机磷和甲苯含量的改变密切相关。  (4)甲苯添加量为0.0~100.0μL/L时,碱性磷酸酶标准酶活性在2.83~3.36mmol·(L·h)-1之间,甲苯对碱性磷酸酶标准酶活性无显著性影响,甲苯添加量为500.0μL/L时,碱性磷酸酶标准酶活性显著降低。由此可见,甲苯对沉积物中APA的影响,并不是直接引起碱性磷酸酶本身结构等的改变,很可能是通过沉积物理化性状及微生物活动而产生间接影响。  (5)甲苯对小麦生长存在生态毒性影响,甲苯含量为0.1~3.0μL/g时,甲苯对小麦种子发芽率无显著性影响,甲苯含量为5.0~50.0μL/g时,甲苯显著抑制小麦种子的发芽率,且随着甲苯添加量增加,抑制率增大;甲苯含量为0.1~2.0μL/g时,小麦种子湿重较CK增加,分别较CK高6.9%、12.9%、7.7%和11.1%。甲苯含量为3.0~50.0μL/g时,小麦种子湿重较CK无显著性变化;低剂量甲苯促进小麦芽长、根长及种子干重的生长,高剂量的甲苯抑制小麦芽长、根长和种子干重的生长。甲苯对沉积物APA的Hormesis效应以小麦芽长、根长及种子干重的变化显著地传递到小麦-沉积物生态系统。
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