重金属-土壤酶的hormesis效应及其机理与风险研究- - 以伊犁河谷湿地为例

Hormesis is defined to describe a stimulatory effect associated with a low dose of a potentially toxic substance or stress, which has been reported widely occurring to a variety of organisms. Soil enzyme, one kind of the most active biomacromolecules, is involved in almost all biochemistry reaction in soil ecosystem. However, can hormesis happen to soil enzyme? There is a lack of direct and sufficient observational evidence. The hormetic effects of Cu, Cd and Pb on urease, alkaline phosphatase and nitrate reductase in sediments from Ili riverside wetlands, a less human disturbance and clean area in Xinjiang province, China, are to be investigated in single and interactive metal ions systems via sediment incubation, with methods of standard enzymes, enzymatic reaction kinetics and analysis of microbial community structure and diversity. Based on adaptive responses in enzyme structure and affinity, microbe feedbacks and interactive motivation and delivery of effects from substrate stimulations, the hormetic mechanisms are also to be explored. Meanwhile, combined with the responses of biochemical, physiological and biological properties of plants to hormetic doses of heavy metal ions in sediments, the potential risks from the hormetic effects will be estimated by pot culture experiments. The present project aims to detect the hormetic effects that potentially occur to soil enzyme, which will extend the interests of hormesis fields and help to assess the effects of heavy metals on soil ecosystem.

毒物兴奋效应（hormesis）普遍发生于各级生物对象。土壤酶作为土壤生态系统最具活性的生物大分子之一，参与几乎所有土壤生化反应。然而，土壤酶存在hormesis效应吗？目前还缺乏直接和足够的观测证据。以人为活动干扰较小的伊犁河谷湿地为原型区域，采集沉积物样品，借助标准酶、酶促反应动力学、微生物群落结构与多样性分析等技术和方法，研究Cu、Cd、Pb等重金属在独立与复合暴露下沉积物脲酶、碱性磷酸酶、硝酸还原酶活性等的变化，解析并明确三种酶的hormesis效应特征；基于酶结构与亲和力应激、微生物介体传导、底物交互激发与传递等过程探索效应发生机理；结合盆栽实验植物生化、生理和生物学指标等对三种酶hormesis效应剂量水平的响应，阐明土壤酶尺度重金属hormesis效应的潜在风险。项目研究将为土壤酶尺度是否存在hormesis效应提供直接证据，也无疑有助于土壤生态系统重金属环境效应的科学评估。

毒物兴奋效应（Hormesis）普遍发生于各级生物对象。土壤酶作为土壤生态系统最具活性的生物大分子之一，参与几乎所有土壤生化反应。然而，土壤酶存在Hormesis效应吗？目前还缺乏直接和足够的观测证据。以伊犁河谷湿地、崇明东滩湿地和洪泽湖湿地不同土地利用下土壤为对象，借助酶促反应动力学、微生物群落结构与多样性分析等理论与技术，研究了低剂量Cd、Cr、Pb等诱导下土壤脲酶、碱性磷酸酶、硝酸还原酶的Hormesis响应特征，并探讨潜在机理。结果表明：（1）低剂量的Cu、Cd、Pb单一与复合作用均诱导土壤脲酶、碱性磷酸酶、硝酸还原酶表现出显著的Hormesis效应，效应在2–63 μm 和 63–200 μm 粒径土壤上尤为明显。产生效应的重金属剂量大多低于国家环境质量标准中的限值，但也有部分高于限值。（2）土壤酶Hormesis效应具有明显的时间依赖性。Hormesis效应表现出短历时（24 h左右）特征，且产生响应的时间滞后于土壤微生物。这表明，土壤酶Hormesis效应可能源于土壤微生物群落的群体响应。诱导土壤酶产生Hormesis效应的低剂量重金属使土壤微生物群落结构发生改变，特别是革兰氏阴性菌的丰度明显增加。（3）自然覆被的人为改变降低了Hormesis效应最大刺激幅度或效应剂量区间，但并非自然生态系统土壤酶Hormesis效应的幅度或剂量区间最大。不同土地利用下，土壤碱性磷酸酶Hormesis效应的表达与土壤全氮含量密切相关。（4）独立于剂量的二元线性模型可在单一效应的基础上有效预测复合刺激效应。（5）酶促反应动力学参数的变化表明，低剂量胁迫物通过改变酶与底物的结合速率诱导Hormesis效应的表达。（6）低剂量Cd和Pb单一与复合作用下，细菌和真菌的数量表现出显著的Hormesis效应。土壤酶的Hormesis现象突破了以往研究仅局限于生物个体对象的限制，将Hormesis效应研究从生物个体延伸到土壤生态系统尺度，为Hormesis效应在土壤污染控制、评价与修复中的应用做出了重要探索。