丹江口水库消落带土壤木质素降解酶特征及其与土壤理化性质的关系

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消落带作为水库库区生态系统的重要组成部分,其在土壤有机质的源汇、非点源污染物的拦截以及改善水体质量等方面发挥重要作用。木质素降解酶,主要是木质素过氧化物酶(LiP)、锰过氧化物酶(MnP)、漆酶(Lac),参与分解酚类、非酚类结构等物质而释放出CO2等温室气体,并产生大量有机酸等物质,直接或间接影响着土壤中一系列的生物化学反应,而木质素降解酶的存在可能导致源汇功能的转化,影响土壤、水体、环境。因此本研究选取丹江口水库的消落带土壤为研究对象,通过测定LiP、MnP、Lac的活性、动力学、热力学参数,以及土壤理化性质,探讨土壤酶的特征,厘清土壤酶特征值与土壤理化性质的关系,揭示消落带土壤酶的反应速率及其影响因素,为全球碳的地球化学循环提供重要依据。主要研究结论如下:(1)消落带土壤LiP、MnP、Lac活性高于非消落带土壤酶活性,且消落带3种酶活性表现为:LiP>MnP>Lac。亚铁(Fe(Ⅱ))是影响LiP活性的主要因素;亚锰(Mn(Ⅱ))是影响MnP活性的主要因素;碳氮比(C/N)、SWC共同作用影响Lac活性。(2)消落带土壤与非消落带土壤酶动力学特征有不同的变化,其变化特征反映了反应过程中酶含量、酶-底物络合物形成难度、酶促反应速度等特征。消落带3种酶最大反应速率(Vmax)表现为:LiP>MnP>Lac;米氏常数(Km)表现为:Lac>LiP>MnP;催化效率(Vmax/Km)表现为:MnP>LiP>Lac。3种酶的动力学参数与SWC、高铁(Fe(Ⅲ))等理化性质相关。3种酶活性在消落带土壤中随温度和底物浓度的升高而增大。消落带土壤LiP、MnP、Lac的动力学参数对温度的响应主要为:Vmax随培养温度升高而增加;Km随温度的变化上下波动;Vmax/Km总体表现为随温度升高而增加或保持不变。(3)消落带土壤LiP、MnP、Lac动力学参数的温度敏感性(Q10)对温度的响应主要表现为:土壤酶Vmax的Q10随温度升高而减小;Km的Q10随温度的升高而增加或减小;Vmax/Km的Q10随温度升高而增加。土壤3种酶动力学参数的Q10与Fe(Ⅲ)、酸碱度(pH)、C/N等理化性质相关。(4)消落带土壤LiP、MnP、Lac的热力学参数对温度的响应主要表现为:活化焓(ΔH)、活化熵(ΔS)随温度的升高而减小,活化自由能(ΔG)随温度的升高而增加但增幅不大。土壤3种酶的活化能(Ea)与C/N等理化性质相关。
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