土壤类过氧化物酶活性对长期施肥的响应

作者：王苗苗，李波，余光辉

单位：天津大学地球系统科学学院；申能环境科技有限公司

卷期：《土壤》2023年第55卷第1期

酶活性反映了土壤元素(包括碳、氮、磷、硫)循环与物质转化、积累、分解等生物地球化学过程，是评估土壤生态功能的重要指标。通常，研究者将土壤酶活性改变归因于微生物贡献。然而，有研究发现，灭菌甚至500℃高温后的土壤仍有较强的氧化活性，表明除微生物、植物分泌的酶之外，土壤矿物颗粒也具有类似催化剂的强氧化活性。最新研究也表明，当矿物粒径小到一定程度(如纳米)时则具备了类似天然酶的催化活性，被称为纳米酶。纳米酶已被广泛应用于医学、食品、化工、环境等多个领域，其发现改变了以往人们认为无机纳米材料是一种生物惰性物质的传统观念。严格意义上，纳米酶并不是传统意义上的酶促反应，其催化活性来源于表面活性位点，因此更类似于矿物表面介导的氧化还原反应。例如，铁矿物(如Fe₃O₄)纳米颗粒已被发现具备固有过氧化物酶(peroxidase, POD)活性，该类酶活性是在过氧化氢(H₂O₂)存在条件下铁矿物与底物发生的氧化还原反应，将无色3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)底物氧化为蓝色产物(TMBox)，同时释放出水的过程。过氧化物酶对土壤有机质合成和分解具有重要意义，其活性对土壤碳循环具有重要影响。

为了探究土壤类型和农业措施对土壤类过氧化物酶活性的影响，天津大学地球系统科学学院余光辉教授课题组在国家自然科学基金项目(U22A20608和41977271)资助下，以湖南祁阳和新疆2个长期(>30年)定位试验站的不同施肥处理土壤为研究对象，首次分析了土壤颗粒的类酶活性及其对长期施肥处理的响应。结果表明，与天然辣根过氧化物酶(HRP)相似，土壤也具有经典的催化颜色反应，灰漠土和红壤类过氧化物酶活性范围为0.4 ~ 1.0 U/kg(图1)。长期施肥显著改变了土壤类过氧化物酶活性，其中以施有机肥的土壤类酶活性为最高，可达0.7 U/kg，较不施肥处理增加了70%以上。不同施肥年限下，不施肥和施化肥的土壤类过氧化物酶活性并无显著差异，而施有机肥的土壤类过氧化物酶活性则随施肥时间线性增加(图2)。高温灭菌处理后，土壤类过氧化物酶活性大多没有改变(图3)，表明其活性是土壤本身固有的氧化还原特性，进而提出了土壤类酶活性假说。此外，发现施肥措施可以通过改变土壤固有类过氧化物酶活性而影响养分周转(图4)。

鉴于土壤矿物纳米颗粒的丰度和活性，深入研究农业施肥措施下的土壤纳米酶活性对于深入理解活性矿物介导的土壤碳储存、矿物–有机复合体形成和养分周转具有重要意义。

图1  天然过氧化物酶与长期施肥土壤类过氧化物酶活性

图2  施肥时间对红壤类过氧化物酶活性的影响

图3  灭菌处理对长期施肥土壤类过氧化物酶活性的影响

图4  纳米酶驱动土壤中碳氮循环和矿质元素周转的概念模型

通讯作者简介

余光辉，天津大学“北洋学者”长聘教授，博导。主要从事陆地生态系统碳储存、矿物-微生物协同演化与界面过程、土壤污染与修复等研究。以第一/通讯作者在Current Biology、Earth-Science Reviews、Geochimica et Cosmochimica Acta、Environmental Science & Technology、Soil Biology & Biochemistry、《中国科学：地球科学》等国内外期刊发表论文70余篇。H指数40，入选2020年和2022年全球前2%顶尖科学家榜单。主持国家重点研发计划课题(2项)、国家自然科学联合基金重点等项目20余项。授权国家发明专利7项。主编专著2部、编著1部，参编英文书籍3部。担任Waste Management、Journal of the Science of Food & Agriculture、Soil Use & Management、《农业环境科学学报》、《环境科学研究》等期刊副主编/编委。