張友　李干蓉　方小寧　匡飛　何慶文　楊李

摘 要：水體富營(yíng)養(yǎng)化事關(guān)重要環(huán)境安全問(wèn)題。而磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要營(yíng)養(yǎng)元素。當(dāng)水生態(tài)環(huán)境中生物有效磷不能滿足植物的生長(zhǎng)所需時(shí)，有機(jī)磷（OP）礦化水解就成為了IP的重要來(lái)源。磷酸酶作為OP轉(zhuǎn)化的重要媒介，參與有機(jī)磷的代謝，在有機(jī)物的轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中具有重要作用。本文就磷酸酶的種類及功能，以及河流、湖泊中磷酸酶的研究作以下論述。

關(guān)鍵詞：磷酸酶;有機(jī)磷;濕地

當(dāng)無(wú)機(jī)磷（IP）的含量不能提供生物的生長(zhǎng)時(shí)，環(huán)境中的磷酸酶催化OP釋放無(wú)機(jī)磷供生物利用。磷酸酶的活性及其動(dòng)力學(xué)特征是研究OP酶解反應(yīng)過(guò)程的重要的參數(shù)。磷酸酶的活性可以反映環(huán)境營(yíng)養(yǎng)狀況及其生物量狀況，且葉綠素-a與浮游生物等富營(yíng)化指標(biāo)之間關(guān)系顯著。其次，磷酸酶動(dòng)力學(xué)指標(biāo)能夠揭示OP礦化率及其循環(huán)周期。所以，研究磷酸酶特征研究可以更好了解生態(tài)環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)鹽的狀態(tài)或營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力的調(diào)控機(jī)制，對(duì)揭示生態(tài)環(huán)境物質(zhì)的循環(huán)和能量流動(dòng)機(jī)制都具有重要意義。

1 磷酸酶的分類

生態(tài)環(huán)境中OP礦化為IP才能供生物利用，磷酸酶催化OP轉(zhuǎn)化為IP直接參與OP的循環(huán)代謝，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中磷的轉(zhuǎn)化具有重要意義?？筛鶕?jù)分裂酯鍵作用植酸酶，磷酸單酯酶，磷酸二酯酶;可根據(jù)其最適pH值范圍可分為酸性磷酸酶、中性磷酸酶、堿性磷酸酶，其中，酸性磷酸酶的主要作用是催化細(xì)胞代謝，堿性磷酸酶主要作用向細(xì)胞提供磷營(yíng)養(yǎng)[1]。

堿性磷酸酶是一種非特異性磷酸單脂酶，它存在于除高等植物外幾乎所有的生物體內(nèi)，可直接參加磷的代謝過(guò)程，在磷的消化、吸收、分泌等過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。堿性磷酸酶活性（APA）可指示水生生態(tài)系統(tǒng)磷的豐缺，對(duì)水體內(nèi)源有機(jī)磷釋放及其富營(yíng)養(yǎng)化都有重要影響[2]。APA的高低是系統(tǒng)磷限制的重要指標(biāo)，同時(shí)可作為磷限制初級(jí)生產(chǎn)力的一個(gè)指標(biāo)[3]。

磷酸二脂酶能夠較好的水解磷酸酯的二酯磷，核糖核酸酶能水解RNA磷酸二酯磷[4]。植酸酶可以將植酸分子中的磷酸基團(tuán)分步水解，將植酸水解為肌醇五磷酸、肌醇四磷酸、肌醇三磷酸、肌醇二磷酸和肌醇一磷酸五種中間產(chǎn)物，在產(chǎn)物生成過(guò)程中IP被釋放出來(lái)。植酸酶可以水解所有的磷酯鍵。

2 磷酸酶的來(lái)源及影響因素

在環(huán)境中，磷酸酶主要來(lái)源有細(xì)菌和浮游動(dòng)植物;酸性磷酸酶一般來(lái)源于藻類或者細(xì)菌的胞內(nèi)產(chǎn)生，細(xì)胞外產(chǎn)生堿性磷酸酶，而浮游動(dòng)物則兩種酶都能釋放。磷酸酶的活性大小主要受pH值，溫度和金屬離子的影響[5]。Huber[6]等在對(duì)天然水體的系統(tǒng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)藻類磷酸酶的最佳溫度為25～50℃。顏思旭[7]發(fā)現(xiàn)魚(yú)類磷酸單酯酶的最佳溫度為41℃。磷酸單酯酶和磷酸二酯酶的最佳pH為9，植酸酶的最適ph為7。酶是由金屬離子構(gòu)成，金屬離子可以到抑制或激活酶的活性，Zn2+、Cu2+、Ag+、等重金屬離子對(duì)酶的活性有抑制作用，Mg2+、Co2+、Pb2+、Cr6+等金屬離子對(duì)酶活性有激活點(diǎn)作用[8]。另外，有研究表明光照也可以影響酶的活性[1]。

3 磷酸酶在淡水濕地的研究進(jìn)展

近年來(lái)，商品化酶被廣泛應(yīng)用到濕地OP的研究中，酶水解技術(shù)最早用于研究土壤植酸磷生物有效性[9]。隨后，酶水解技術(shù)出現(xiàn)在濕地環(huán)境中OP生物有效性研究。He和Turner等[10，11]為水體有機(jī)磷的生物有效性作了大量研究，堿性磷酸酶可以水解聚合態(tài)磷和單脂磷，二脂酶能很好的水解磷酸二脂磷，植酸酶可水解所有的磷酯鍵。Hino在研究湖用凝膠過(guò)濾后的湖水樣品進(jìn)行酶解時(shí)發(fā)使用單一酶時(shí)對(duì)OP的水解效果比用兩種酶或多種酶結(jié)合時(shí)水解效果差很多[12]。Zhu在研究所滇池沉積物有機(jī)磷的生物有效性時(shí)發(fā)現(xiàn)滇池沉積物中12%～27%的OP是能轉(zhuǎn)化為生物所吸收利用的磷。但酶水解技術(shù)容易受到其他因素的影響，導(dǎo)致最終的結(jié)果偏離實(shí)際[1]。

酶活性可指示水磷的豐缺，對(duì)湖泊內(nèi)源釋放和富營(yíng)養(yǎng)化都有重要影響。酶活性高度是表征磷限制的重要指標(biāo)。Perkins在研究原位營(yíng)養(yǎng)添加中發(fā)現(xiàn)酶活性能很好地表征磷限制狀況[13]。曲博等研究也發(fā)現(xiàn)，添加外源磷酸酶能促進(jìn)惰性有機(jī)磷向活性磷轉(zhuǎn)化[14]。當(dāng)無(wú)機(jī)磷的濃度低于0.01μg/mL時(shí)，酶的活性顯著增加，而當(dāng)無(wú)機(jī)磷濃度大于0.01μg/mL時(shí)，酶的活性則會(huì)顯著降低。孫善峰等[15]對(duì)太湖的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夏季堿性磷酸酶活性高于冬季，他認(rèn)為這是由于不同季節(jié)沉積物溫度差異導(dǎo)致的結(jié)果。張萍等[16]也認(rèn)為溫度是導(dǎo)致磷酸酶活性隨時(shí)間變化地主要原因[1]。

從磷酸酶動(dòng)力學(xué)上講，Vmax為酶反應(yīng)特征參數(shù)，反映酶內(nèi)在催化速率，Vmax值愈大，磷酸酶的催化能力越強(qiáng)。米氏常數(shù)（Km）的物理意義是酶反應(yīng)速度達(dá)到最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度，Km表征酶與底物間親合力，如果Km值越小，則底物濃度越小，酶對(duì)底物的親合力就越大;反之，酶對(duì)底物的親合力越小[1]。Km與Vmax的比值表示OP的周轉(zhuǎn)周期。在太平洋的磷酸酶活性的研究發(fā)現(xiàn)，單酯酶和二脂酶的催化水解能夠?yàn)樯锾峁┝自?，磷酸單酯磷周轉(zhuǎn)周期為7～14天，二酯磷周轉(zhuǎn)周期超過(guò)三個(gè)月[17]。高光在研究對(duì)太湖水體磷的礦化速率的發(fā)現(xiàn)太湖中有機(jī)磷的分解周期僅需數(shù)分鐘[18]。

4 展望

磷酸酶在生態(tài)環(huán)境中有機(jī)物的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中起到重要作用，目前我們對(duì)磷酸酶的分類，主要功能以及在環(huán)境中的應(yīng)用有了一定的研究，但對(duì)于每種酶的組成、特性、生物分子結(jié)構(gòu)特征與生理代謝特性還有待進(jìn)一步研究。就磷酸酶的動(dòng)力學(xué)特征而言，單一的研究堿性磷酸酶的動(dòng)力學(xué)較多，其他酶的動(dòng)力學(xué)特征研究還比較薄弱，在內(nèi)源磷的釋放通量研究中，通過(guò)酶水解釋放的磷的比例是多大，還待進(jìn)一步研究。在治理富營(yíng)養(yǎng)化的過(guò)程中，更加注重控制有機(jī)磷的釋放。

參考文獻(xiàn)：

[1]張友.榮成天鵝湖濕地有機(jī)磷分布和周轉(zhuǎn)特征研究[D].中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，2017.

[2]杜虹，黃文魁，陳旭明，等.柘林灣水體中堿性磷酸酶的活力分布及其影響因素[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2005（02）：29-31.

[3]Cembella A D，Antia N J，Harrison P J.The utilization of inorganic and organic phosphorus compounds as nutrients by eukaryotic microalgae：a multidisciplinary perspective.Part 2[J].Critical Reviews in Microbiology.1984，10（4）：317-391.

[4]Turner B L，Mckelvie I D，Haygarth P M.Characterisation of water-extractable soil organic phosphorus by phosphatase hydrolysis[J].Soil Biology & Biochemistry.2002，34（1）：27-35.

[5]宋春雷，曹秀云，李建秋，等.湖泊磷酸酶與微生物活性對(duì)內(nèi)源磷負(fù)荷的貢獻(xiàn)及其與富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)系[J].中國(guó)科學(xué)（D輯：地球科學(xué)），2005（S2）：90-100.

[6]Huber A L，Kidby D K.An examination of the factors involved in determining phosphatase activities in estuarine water.1：Analytical procedures[J].Hydrobiologia.1984，111（1）：3-11.

[7]顏思旭，陳素麗，蔡紅玉，等.文昌魚(yú)堿性磷酸酶的動(dòng)力學(xué)初步研究[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），1980（3）：64-71.

[8]謝春生.堿性磷酸酶在點(diǎn)面污染源磷形態(tài)轉(zhuǎn)化中的作用研究[D].浙江大學(xué)，2012.

[9]Jackman R H B C.Hydrolysis of phytate phosphorus in soils[J].Soil Science 73.1952：167-171.

[10]Turner B L，Mckelvie I D，Haygarth P M.Characterisation of water-extractable soil organic phosphorus by phosphatase hydrolysis[J].Soil Biology & Biochemistry.2002，34（1）：27-35.

[11]He Z，Honeycutt C W.Enzymatic characterization of organic phosphorus in animal manure.[J].Journal of Environmental Quality.2001，30（5）：1685-1692.

[12]Hino.Characterization of orthophosphate release from dissolved organic phosphorus by gel filtration and several hydrolytic enzymes[J].

[13]Perkins R G，Underwood G J C.The potential for phosphorus release across the sediment-water interface in an eutrophic reservoir dosed with ferric sulphate[J].Water Research.2001，35（6）：1399-1406.

[14]曲博，李敏，其美，等.外源植酸酶對(duì)野鴨湖濕地土壤有機(jī)磷轉(zhuǎn)化的影響研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2015（02）：250-254.

[15]孫善峰，倪旻，張盛周.太湖表層沉積物中3種水解酶活性的時(shí)空變化特征[J].三明學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，29（2）：24-29.

[16]張萍，馮婧，李哲，等.三峽澎溪河高陽(yáng)平湖高水位時(shí)堿性磷酸酶活性及其動(dòng)力學(xué)特征[J].湖泊科學(xué)，2015，27（4）：629-636.

[17]Sato M，Sakuraba R，Hashihama F.Phosphate monoesterase and diesterase activities in the North and South Pacific Ocean[J].Biogeosciences.2013，10（11）：7677-7688.

[18]高光，朱廣偉，秦伯強(qiáng)，等.太湖水體中堿性磷酸酶的活性及磷的礦化速率[J].中國(guó)科學(xué)（D輯：地球科學(xué)），2005（S2）：157-165.