劉宇彤 霍璐陽(yáng) 李志國(guó) 劉晴 董愛(ài)榮
摘要:本文分別采用靛酚藍(lán)比色法、3.5-二硝基水楊酸法、高錳酸鉀滴定的方法,探究在土壤中種植大豆、加入粘質(zhì)沙雷氏菌和咪唑乙煙酸及三者相互作用對(duì)土壤脲酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶活性的影響。結(jié)果表明:在土壤中種植大豆后,土壤脲酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性在培養(yǎng)10~30 d中均呈現(xiàn)激活趨勢(shì);在土壤中加入粘質(zhì)沙雷氏菌,5~20 d中,土壤脲酶、蔗糖酶活性均呈現(xiàn)激活趨勢(shì),粘質(zhì)沙雷氏菌使土壤過(guò)氧化氫酶活性顯著增加;在土壤中加入100 mg/kg濃度的咪唑乙煙酸,土壤脲酶呈現(xiàn)恢復(fù)—抑制的趨勢(shì),土壤蔗糖酶活性在10 d時(shí)開(kāi)始激活,30 d時(shí)呈現(xiàn)抑制狀態(tài),過(guò)氧化氫酶活性在10 d和30 d時(shí)均有激活趨勢(shì);在土壤中種植大豆、加入粘質(zhì)沙雷氏菌,再加入100 mg/kg的咪唑乙煙酸,土壤脲酶呈現(xiàn)抑制—恢復(fù)—抑制的趨勢(shì),土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)激活—恢復(fù)—抑制—激活的趨勢(shì),土壤過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)抑制—激活—抑制的趨勢(shì)。綜上所述,說(shuō)明不同處理方式對(duì)土壤脲酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性產(chǎn)生的變化顯著。
關(guān)鍵詞:大豆; 粘質(zhì)沙雷氏菌; 咪唑乙煙酸; 脲酶; 蔗糖酶; 過(guò)氧化氫酶
中圖分類號(hào):S158.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-8023(2019)02-0021-06
Effects of Different Treatments on Soil Enzyme Activity
LIU Yutong, HUO Luyang, LI Zhiguo, LIU Qing, DONG Airong
(College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040)
Abstract:In order to explore the effects of adding soybean, serratia marcescens and imidazolidinic acid on the soil urease, sucrase and catalase activities, the indophenol blue colorimetric method and 3.5-dinitrogen were used respectively. The results showed that the soil urease, sucrase and catalase activities showed activating trend in the culture for 10 ~ 30 d after planting soybean in the soil. Serratia marcescens was added to the soil, after 5 ~ 20 d, soil urease and sucrase activities showed activating trend, which meant that serratia marcescens significantly increased soil catalase activity. Adding 100 mg/kg imidazolidinic acid to soil, soil urease showed recovery-suppression trend, soil sucrose enzyme activity began to activate at 10 d, and inhibited at 30 d. Catalase activity was activated at 10 d and 30 d. Soy was planted in soil, added with serratia marcescens and 100 mg/kg imidazolium acid, soil urease showed a trend of inhibition-recovery-inhibition, the soil invertase activity showed a trend of activation-recovery-inhibition-activation, and soil catalase activity showed a trend of inhibition-activation-suppression. In summary, the changes in soil urease, sucrase and catalase activities were significantly different for different treatments.
Keywords:Serratia marcescens; imidazolium; urease; sucrase; catalase
0引言
化學(xué)農(nóng)藥多是有害物質(zhì),長(zhǎng)期持續(xù)使用化學(xué)農(nóng)藥,會(huì)對(duì)生物和環(huán)境造成危害,而且由于耐藥性的產(chǎn)生,防治效果逐漸減弱,農(nóng)藥的殘留也給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了許多負(fù)面影響。咪唑乙煙酸是咪唑啉酮類除草劑,由于其持效期長(zhǎng),所以在土壤中的殘留會(huì)對(duì)下茬敏感作物產(chǎn)生藥害,嚴(yán)重影響種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。
土壤酶是土壤中植物、動(dòng)物和微生物活動(dòng)的產(chǎn)物,是數(shù)量極微而作用極大的土壤組成部分,在物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量代謝和污染土壤修復(fù)等過(guò)程中發(fā)揮著重要作用?[1]。土壤酶在土壤中無(wú)處不在,以穩(wěn)定蛋白質(zhì)的形態(tài)存在于土壤中,具有生物催化能力?[2-3]。土壤微生物所引起的各種生物化學(xué)過(guò)程,全部是借助于它們所產(chǎn)生的酶來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此,土壤酶的活性,可作為判斷土壤生物化學(xué)過(guò)程強(qiáng)度及評(píng)價(jià)土壤肥力指標(biāo)之一?[4]。不僅能反應(yīng)土壤的理化性質(zhì),還是土壤生物活性的重要體現(xiàn)。土壤脲酶的作用很專一,土壤中尿素被其水解,生成氨、二氧化碳和水。土壤蔗糖酶可水解蔗糖,反映土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化能力?[5],與土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、磷含量,微生物數(shù)量及土壤呼吸強(qiáng)度有關(guān),土壤蔗糖酶的作用直接關(guān)系到作物的生長(zhǎng)?[6]。土壤過(guò)氧化氫酶是生物呼吸、生物代謝過(guò)程,以及土壤動(dòng)物、植物根系分泌及殘?bào)w分解中的重要酶類,過(guò)氧化氫酶主要分解土壤中的過(guò)氧化氫,降低土壤中過(guò)度累積的過(guò)氧化氫對(duì)植物根系的危害?[7],與土壤性質(zhì)關(guān)系密切,是較好的土壤微生態(tài)環(huán)境指示因子?[8],其活性可表示土壤氧化過(guò)程的強(qiáng)度,并能有效防止土壤及生物體在新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)氧化氫所造成的毒害?[9]。
土壤酶學(xué)特征已作為一種潛在的指標(biāo)體系指示有關(guān)土壤質(zhì)量?[10]。近年來(lái),隨著土壤酶活性研究方法及技術(shù)的不斷更新,加之與其它學(xué)科的交叉與整合,不少學(xué)者發(fā)現(xiàn),土壤酶具有評(píng)價(jià)土壤肥力?[11]、診斷土壤污染?[12]、評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量?[13]、培肥土壤?[14]及防治植物病蟲(chóng)害?[15]等方面的功能。本文分別以土壤脲酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶為指標(biāo),設(shè)計(jì)盆栽試驗(yàn),通過(guò)土壤中分別添加粘質(zhì)沙雷氏菌(高效降解菌)、不同濃度的咪唑乙煙酸、種植大豆和三者互相作用,明確單因子及三者互相作用對(duì)土壤酶活性的影響,進(jìn)一步揭示在種植大豆的土壤中加入粘質(zhì)沙雷氏菌對(duì)咪唑乙煙酸的降解作用及對(duì)土壤酶活性的影響,旨在為粘質(zhì)沙雷氏菌修復(fù)農(nóng)藥污染土壤的研究提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)材料
盆栽試驗(yàn)土壤為?m?草炭∶?m?沙子∶?m?土 = 5∶3∶2的比例進(jìn)行混合所得。大豆品種是黑農(nóng)48。菌種是試驗(yàn)前期馴化得到的高效降解菌株粘質(zhì)沙雷氏菌(?Serratia marcescens?)。
培養(yǎng)細(xì)菌的培養(yǎng)基采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基:牛肉膏3 g,蛋白胨10 g,氯化鈉5 g,瓊脂20 g, 蒸餾水1 000 mL,pH = 7.5~7.6。
1.2盆栽試驗(yàn)
以不種植大豆、不加粘質(zhì)沙雷氏菌及咪唑乙煙酸的盆栽試驗(yàn)組為對(duì)照組CK;試驗(yàn)組A1,選擇籽粒飽滿、均勻、無(wú)病蟲(chóng)的大豆種子,每盆擺15播粒,覆土2 cm,放在盆栽內(nèi)自然生長(zhǎng);試驗(yàn)組A2,將粘質(zhì)沙雷氏菌接種于牛肉膏蛋白胨平板中,放入培養(yǎng)箱,30 ℃、黑暗條件下培養(yǎng)48 h,挑取菌株轉(zhuǎn)入富集培養(yǎng)基中,160 r/min,30 ℃,搖培48 h,將菌液均勻地混入試驗(yàn)用土壤中;試驗(yàn)組A3,在試驗(yàn)用土壤中加入5%咪唑乙煙酸水劑,制成咪唑乙煙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 mg/kg的污染土。試驗(yàn)組A4,按照上述試驗(yàn)組中大豆、粘質(zhì)沙雷氏菌和咪唑乙煙酸的規(guī)格,將大豆種植于試驗(yàn)用土中,再將粘質(zhì)沙雷氏菌和咪唑乙煙酸混入試驗(yàn)用土中。五組試驗(yàn)組在處理后5、10、20、30、40 d分別用五點(diǎn)法取土樣,風(fēng)干,過(guò)10目篩,放入冰箱4 ℃保存待用,具體情況見(jiàn)表1。
1.3酶活性的測(cè)定
土壤脲酶的測(cè)定采用靛酚比色法?[16]。脲酶活性以24 h后1 g土壤中含NH3-N的毫克數(shù)表示:
y?1 = 0.038 4?x?1 + 0.003 9。
R?1?2 = 0.997 9。
式中:?y?1為吸光值;?x?1為氮工作液濃度;?R?1?2為相關(guān)系數(shù)。蔗糖酶活性測(cè)定采用3.5-二硝基水楊酸法?[17]。脲酶活性以24 h后1 g土壤中含葡萄糖的毫克數(shù)表示:
y?2 = 0.073 5?x?2 + 0.008 6。
R?2?2 = 0.999 2。
式中:?y?2為吸光值;?x?2為葡萄糖含量,mg;?R22為相關(guān)系數(shù)。
過(guò)氧化氫酶活性檢測(cè)采用高錳酸鉀滴定法?[18]:
E=(v-vs) c×(51/v0)×(17/w)。
式中:?E過(guò)氧化氫酶活性;v為v0體積空白溶液所消耗的高錳酸鉀體積;vs 為v0體積樣品溶液所消耗的高錳酸鉀體積;c為高錳酸鉀的濃度;w為土壤重量。
土壤酶活性的抑制率(激活率)計(jì)算公式為:
抑制率或激活率(%)= [(?B-A)/A?]×100。
式中:?A為空白對(duì)照的土壤酶活性;B?為不同處理所得的土壤酶活性。結(jié)果為正值時(shí)表示激活率,為負(fù)值時(shí)表示抑制率。
1.4數(shù)據(jù)分析
用Excel2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和繪圖;運(yùn)用SPSS16.0軟件進(jìn)行差異性分析,并采用鄧肯方法進(jìn)行顯著性差異分析(?P< 0.05);圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
2結(jié)果與分析
2.1大豆、粘質(zhì)沙雷氏菌和咪唑乙煙酸及三者相互作用對(duì)土壤脲酶活性的影響
由圖1可知,在土壤中種植大豆后,土壤脲酶活性基本呈現(xiàn)出激活的趨勢(shì),土壤脲酶活性5 d時(shí)略低于水平對(duì)照,抑制率僅為1.27%;10 d時(shí)開(kāi)始上升,脲酶活性最高達(dá)9.03 mg/g,激活率最高達(dá)13.11%;30 d后,激活率逐漸下降,但土壤脲酶活性仍高于水平對(duì)照。在土壤中加入粘質(zhì)沙雷氏菌后,土壤脲酶活性呈現(xiàn)出激活—恢復(fù)—激活的趨勢(shì),土壤脲酶活性5 d時(shí)開(kāi)始上升,脲酶活性最高達(dá)10.71 mg/g,激活率最高達(dá)20.87%;20 d時(shí),激活率逐漸下降,但土壤脲酶活性仍高于水平對(duì)照;30d時(shí)恢復(fù)對(duì)照水平;40 d又有激活趨勢(shì),但激活率不高,僅1.29%。在土壤中加入100 mg/kg的咪唑乙煙酸后,土壤脲酶活性基本呈現(xiàn)激活—抑制的趨勢(shì),土壤脲酶活性5 d時(shí)開(kāi)始下降,10 d時(shí)開(kāi)始抑制;30 d時(shí)抑制率最高達(dá)17.82%。在土壤中種植大豆、加入粘質(zhì)沙雷氏菌,再加入100 mg/kg的咪唑乙煙酸后,土壤脲酶基本呈現(xiàn)抑制—恢復(fù)—抑制的趨勢(shì),5 d時(shí)土壤脲酶活性被顯著抑制;10d時(shí)恢復(fù)到對(duì)照水平;20 d后脲酶活性一直被抑制,直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束,脲酶活性最低達(dá)7.94 mg/g,抑制率最高達(dá)到10.39%。
2.2大豆、粘質(zhì)沙雷氏菌和咪唑乙煙酸及三者相互作用對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響
由圖2可知,在土壤中種植大豆后,土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)出抑制—激活的趨勢(shì),土壤蔗糖酶活性5 d時(shí)低于水平對(duì)照,抑制率為3.6%;10 d時(shí),蔗糖酶活性達(dá)到最高為36.34 mg/kg,激活率最高達(dá)27.4%;20~40 d時(shí),激活率逐漸下降,但土壤蔗糖酶活性仍高于水平對(duì)照。在土壤中加入粘質(zhì)沙雷氏菌后,土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)出激活—抑制—激活的趨勢(shì),且均與對(duì)照CK的蔗糖酶活性差異性顯著(?P?<0.05)。在培養(yǎng)期間,5 d時(shí),土壤蔗糖酶活性顯著升高;10 d時(shí)土壤蔗糖酶活性最高達(dá)44.94 mg/kg,激活率達(dá)57.45%;20~30 d時(shí)逐漸恢復(fù)對(duì)照后,土壤蔗糖酶活性開(kāi)始被抑制,蔗糖酶活性最低達(dá)29.18 mg/kg,抑制率最高達(dá)14.42%;40 d時(shí),又出現(xiàn)激活趨勢(shì),激活率達(dá)24.89%。在土壤中加入100 mg/kg的咪唑乙煙酸后,土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)激活—恢復(fù)—抑制的趨勢(shì),10 d時(shí)開(kāi)始激活,活性最高達(dá)38.41 mg/kg,激活率最高達(dá)34.69%;20 d時(shí)恢復(fù)水平對(duì)照;30 d開(kāi)始抑制,抑制率最高達(dá)6.93%。在土壤中種植大豆、加入粘質(zhì)沙雷氏菌,再加入100 mg/kg的咪唑乙煙酸后,土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)激活—抑制—激活的趨勢(shì),土壤蔗糖酶活性10 d時(shí)蔗糖酶活性最高為55.84 mg/kg,激活率達(dá)95.78%;20 d時(shí),依然處于激活狀態(tài);從30 d 開(kāi)始,土壤蔗糖酶活性被顯著抑制,蔗糖酶活性最低達(dá)21.52 mg/kg,抑制率最高達(dá)20.73%。
2.3大豆、粘質(zhì)沙雷氏菌和咪唑乙煙酸及三者相互作用對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響
由圖3可知,在土壤中種植大豆后,土壤過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)出激活—抑制的趨勢(shì),土壤過(guò)氧化氫酶活性5 d時(shí)開(kāi)始上升,直到30 d,一直高于水平對(duì)照,活性最高達(dá)2.57 mg/g,激活率最高達(dá)34.09%;30 d后,激活率逐漸下降,直至達(dá)到抑制狀態(tài);40 d時(shí),抑制率達(dá)30%。在土壤中加入粘質(zhì)沙雷氏菌后,過(guò)氧化氫酶活性一直呈現(xiàn)激活狀態(tài),且均與對(duì)照組CK差異性顯著(P?< 0.05),土壤過(guò)氧化氫酶活性5d時(shí)開(kāi)始上升;20 d時(shí)土壤過(guò)氧化氫酶活性最高為2.27 mg/g,激活率達(dá)36.00%;直到40 d時(shí)才逐漸恢復(fù)至水平對(duì)照。在土壤中加入100 mg/kg的咪唑乙煙酸后,土壤過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)出抑制—激活—抑制的趨勢(shì),10~30 d一直處于激活狀態(tài),活性最高達(dá)2.27 mg/g,激活率最高達(dá)43.59%;40 d時(shí)處于抑制狀態(tài),抑制率達(dá)8%。在土壤中種植大豆、加入粘質(zhì)沙雷氏菌,再加入100 mg/kg的咪唑乙煙酸后,土壤過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)抑制—激活—抑制的趨勢(shì),在5 d時(shí)土壤過(guò)氧化氫酶活性最低為2.07 mg/g,抑制率最高達(dá)10.14%;10 d后土壤過(guò)氧化氫酶活性開(kāi)始被激活,10 d時(shí)脲酶活性最高達(dá)2.07 mg/g,激活率最高達(dá)40.91%。40 d后土壤過(guò)氧化氫酶活性開(kāi)始下降,酶活性最低達(dá)1.47 mg/g,抑制率激活最高達(dá)12.00%。
3討論
許多研究表明,土壤酶活性隨季節(jié)變化有明顯規(guī)律,不同性質(zhì)的酶類有些許區(qū)別,但均是冬季活性最低,春季上升,夏秋季活性較高?[19]。本實(shí)驗(yàn)研究是在夏季大棚內(nèi)進(jìn)行,檢測(cè)了不同試驗(yàn)組土壤中相關(guān)酶活性的變化。結(jié)果表明在土壤中分別種植大豆、添加粘質(zhì)沙雷氏菌和咪唑乙煙酸以及三者共同作用后的土壤脲酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性隨著種植時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出其獨(dú)有的規(guī)律性的變化。
本研究表明,在土壤中種植大豆后,土壤脲酶活性基本呈現(xiàn)激活的趨勢(shì);土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)出抑制—激活的趨勢(shì);土壤過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)出激活—抑制的趨勢(shì)。在土壤中加入粘質(zhì)沙雷氏菌后,土壤脲酶活性呈現(xiàn)出激活—恢復(fù)—激活的趨勢(shì);土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)出激活—抑制—激活的趨勢(shì),且均與對(duì)照CK的蔗糖酶活性差異性顯著(?P?<0.05);過(guò)氧化氫酶活性一直呈現(xiàn)激活狀態(tài),且均與對(duì)照組CK差異性顯著(?P?<0.05)。在土壤中加入100 mg/kg的咪唑乙煙酸土壤脲酶活性基本呈現(xiàn)激活—抑制的趨勢(shì),蔗糖酶活性呈現(xiàn)激活—恢復(fù)—抑制的趨勢(shì);土壤過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)出抑制—激活—抑制的趨勢(shì)。在土壤中種植大豆、加入粘質(zhì)沙雷氏菌,再加入100 mg/kg的咪唑乙煙酸,土壤脲酶基本呈現(xiàn)抑制—恢復(fù)—抑制的趨勢(shì);土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)激活—抑制—激活的趨勢(shì);土壤過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)抑制—激活—抑制的趨勢(shì)。
以粘質(zhì)沙雷氏菌為降解菌,在培養(yǎng)期間各組與對(duì)照組均有顯著性差異。對(duì)照組土壤脲酶的活性比在土壤中加入咪唑乙煙酸的脲酶活性高,說(shuō)明咪唑乙煙酸對(duì)脲酶在一定程度上有抑制作用。脲酶活性是表征土壤供氮能力的重要指標(biāo)。在土壤中加入降解菌后,脲酶活性升高,土壤氮素水平升高,這可能是由于土壤中微生物死亡,細(xì)胞中的脲酶被釋放到土壤中,增強(qiáng)了土壤脲酶的活性?[20]。蔗糖作為降解菌的最適碳源之一,土壤蔗糖酶活性可以反映降解菌對(duì)碳源的吸收狀況,再結(jié)合過(guò)氧化氫酶活性的分析可知:以粘質(zhì)沙雷氏菌為降解菌的試驗(yàn)組A4中蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性在10 d和20 d時(shí)呈激活狀態(tài),酶活性達(dá)到峰值,此時(shí)粘質(zhì)沙雷氏菌作為主要的碳源之一,在30 d時(shí)逐漸恢復(fù)平衡并開(kāi)始降低,可能是粘質(zhì)沙雷氏菌對(duì)碳源的需求開(kāi)始降低,此時(shí)可能即將完成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段。以真菌為降解菌,土壤蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性開(kāi)始呈激活趨勢(shì),當(dāng)降解菌對(duì)碳源需求減弱時(shí),激活趨勢(shì)逐漸減弱。
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