张小菊,杨翠珍,杨 娟
(华中科技大学武昌分校城市建设学院,湖北 武汉 430064)
我国是世界岩溶面积最大的国家[1],其中尤以碳酸盐岩分布广泛,主要分布在贵州、云南、四川等省区,构成了这些省区特殊的地貌类型[2]。碳酸盐岩地区生态环境脆弱,同时由于人们环保意识的淡漠,直接导致生态退化和经济发展的落后,特别是2009年西南的特大干旱,更导致了石漠化的加剧。
岩溶发育越来越多地受到研究者的关注,越来越多的科学工作者对岩溶动力系统的驱动作用、驱动机理进行了深入的研究[3,4],同时从植物、微生物入手,对生物岩溶微形貌形成机理进行了探讨,重点就藻类和其它微生物对岩溶作用进行了研究和评价[5~8]。贾丽萍等[9]研究了细菌、真菌、放线菌等对碳酸盐岩的溶蚀作用,并对它们的岩溶作用强度进行了对比。随着岩溶研究的深入,碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CA)被证实在岩溶发育中扮演着重要的角色,碳酸酐酶与岩溶发育的关系备受关注。
作者在此主要综述微生物碳酸酐酶在岩溶发育中的研究现状及在环境治理中的应用价值,并对其研究进行了展望。
碳酸酐酶是生物体中普遍存在的一种金属酶。有关植物碳酸酐酶的研究报道较多,大多数植物含有碳酸酐酶,碳酸酐酶在光合作用中起着重要作用[10,11]。碳酸酐酶的活性中心含有一个催化活性所必需的锌原子,催化CO2进行可逆水合反应。其催化机理如下:
(1)
(2)
由式(1)、(2)可知,CO2的水合反应生成的H+会影响CaCO3的电离平衡,从而驱动碳酸盐岩溶蚀溶解。即有:
(3)
因此,碳酸酐酶在生物岩溶中具有重要的地位和作用,能促进石灰岩的溶蚀,影响碳循环及喀斯特溶蚀地貌[12]。
李为等对碳酸酐酶在岩溶发育中的分布、活性、稳定性、与生态系统元素迁移之间的关系进行了探讨。研究表明,植物的根系、土壤的有机组织等都是碳酸酐酶的重要来源,碳酸酐酶的活性与喀斯特岩溶地区的植被特征、地球化学环境等关联性强[13]。
通过对岩溶地区的土壤微生物进行筛选,发现不少菌株能分泌胞外碳酸酐酶。通过对岩溶环境进行模拟,发现岩溶环境的偏碱性条件、金属离子、阴离子均有利于碳酸酐酶活性的稳定[14],其中,岩溶环境中筛选的放线菌有较高的胞内碳酸酐酶活性,而真菌具有较高的胞外碳酸酐酶活性[15]。通过土柱模拟实验研究了不同类群微生物的碳酸酐酶对钙、镁、锌三种元素迁移的影响,发现钙镁元素流失量与碳酸酐酶活性及生物量存在良好的正相关性[16,17],进一步说明了碳酸酐酶在岩溶发育中的地位和作用。
碳酸盐岩是喀斯特地区最广泛存在的岩石类型,前期研究表明真菌对碳酸盐岩溶蚀效果好[15]。为了深入研究微生物有机物对岩石的溶蚀情况,研究者对真菌菌丝、真菌有机酸物质、真菌碳酸酐酶引起的溶蚀作用进行了系统研究与对比[18~20],结果表明,它们在石灰岩岩溶发育中均扮演重要角色,其影响程度大小依次为:真菌菌丝>真菌有机酸物质>真菌碳酸酐酶。这些研究为进一步研究微生物碳酸酐酶在岩溶发育中的作用奠定了基础。
研究碳酸酐酶在自然界的分布规律及微生物分泌碳酸酐酶的情况,是一条探索CO2减排的技术途径。
我国西南岩溶地区拥有世界上最大的连片裸露岩溶,生态环境脆弱。主要表现为:石漠化非常严重;水源漏失、耕地瘠薄且少而分散,土地生产效率极低;旱涝灾害频繁等[21]。
利用微生物碳酸酐酶对CO2的水合吸收作用以及引起的碳酸盐岩的风化,对于石漠化治理具有重大意义。
此外,还可以通过测定相关微生物及植物中的碳酸酐酶的活性,确定石漠化地区适宜的生态生物,以改善石漠化地区的生态环境。
微生物碳酸酐酶是岩溶动力系统的重要驱动力,喀斯特地貌蕴藏巨大的“碳封存”潜力,可通过人为干预,利用微生物碳酸酐酶,实现减排最大化。
目前,我国不少岩溶地区都面临石漠化威胁,若利用微生物碳酸酐酶进行石漠化治理,改变土地利用方式,即可为岩溶增汇;同时,以土壤微生物碳酸酐酶的活性为重要参考指标,可以评价石漠化地区土壤的肥力。因此,应深入研究碳酸酐酶促进的CO2水合反应的可逆反应动力学、抑制剂、活性影响因素等,为石漠化治理、水华治理等提供依据,也为碳酸酐酶促进的矿化沉积、石质文物的保护、环境的生物修复奠定基础。
[1] 李大通,罗雁.中国碳酸盐岩分布测量[J].中国岩溶,1983,(2):147-150.
[2] 曾宪东.植物碳酸酐酶对石灰岩岩溶的驱动作用研究[D].武汉:华中科技大学,2004.
[3] 何师意,潘根兴,曹建华,等.表层岩溶生态系统碳循环特征研究[J].第四纪研究,2000,20(4):384-390.
[4] 王世杰,季宏兵,欧阳自远,等.碳酸盐岩风化成土作用的初步研究[J].中国科学D辑,1999,29(5):11-17.
[5] 曹建华,袁道先.石生藻类、地衣、苔藓与碳酸盐岩持水性及生态意义[J].地球化学,1999,28(3):248-256.
[6] 胡春香,张斌才,马红樱.兰州北山生物结皮中陆生藻类组成与群落结构[J].西北师范大学学报,2003,39(1):59-63.
[7] 田友萍,张捷,宋林华,等.云南石林碳酸盐岩表面气生藻类群落的研究[J].中国岩溶,2003,22(3):203-211.
[8] 胡春香,刘永定.土壤藻生物量及其在荒漠结皮中的影响因子[J].生态学报,2003,23(2):284-291.
[9] 贾丽萍,李为,朱敏,等.典型细菌、真菌、放线菌对石灰岩动态溶蚀效果比较[J].应用与环境生物学报,2007,13(1):126-130.
[10] 李强,靳振江,孙海龙.现代藻类碳酸钙沉积试验及其同位素不平衡现象[J].中国岩溶,2005,24(4):261-264.
[11] 李沛豪,屈文俊.细菌诱导矿化保护历史建筑遗产的机理及效果[J].硅酸盐学报,2009,37(4):77-79.
[12] 曾宪东,余龙江,李为,等.西南岩溶地区黄荆叶片碳酸酐酶的稳定性[J].植物学通报,2005,22(2):169-174.
[13] 戴新宪,翟虎渠,张红生,等.土壤干旱对水稻叶片光合速率和碳酸酐酶活性的影响[J].植物生理学报,2000,26(2):133-136.
[14] 王倩,支崇远.硅藻碳酸酐酶对石灰岩岩溶的作用及其生态意义[J].上海地质,2007,(4):25-27.
[15] Li Wei,Yu Longjiang,Yuan Daoxian,et al. Bacteria biomass and carbonic anhydrase activity in some karst areas of Southwest China[J].Journal of Asian Earth Science,2004,24(2):145-152.
[16] 余龙江,吴云,李为,等.西南岩溶区土壤细菌胞外碳酸酐酶的稳定性研究[J].生命科学研究,2004,8(4):365-370.
[17] Li Wei,Yu Longjiang,Yuan Daoxian,et al. A study of the activity and ecological significance of carbonic anhydrase from soil and its microbes from different karst ecosystems of Southwest China[J]. Plant and Soil,2005,272(1-2):133-141.
[18] 李为,贾丽萍,余龙江,等.不同种类微生物及其碳酸酐酶对土壤-灰岩系统钙镁锌元素迁移作用的土柱模拟实验研究[J].土壤,2007,39(3):453-459.
[19] Li Wei,Yu Longjiang,He Qiu-fang,et al. Effects of microbes and their carbonic anhydrase on Ca2+and Mg2+migration in column-built leached soil-limestone karst systems[J]. Applied Soil Ecology,2005,29(3):274-281.
[20] Li Wei,Zhou Pengpeng,Jia Liping,et al. Limestone dissolution induced by fungal mycelia,acidic materials,and carbonic anhydrase from fungi[J]. Mycopathologia,2009,167(1):37-46.
[21] 中国科学院学部.关于推进西南岩溶地区石漠化综合治理的若干建议[J].地球科学进展,2003,18(4):489-492.
[22] 刘再华.碳酸酐酶对碳酸盐岩溶解的催化作用及其在大气CO2沉降中的意义[J].地球学报,2001,22(5):477-480.