酶活性反映了土壤元素(包括碳、氮、磷、硫)循環與物質轉化、積累、分解等生物地球化學過程，是評估土壤生態功能的重要指標。通常，研究者將土壤酶活性改變歸因于微生物貢獻。然而，有研究發現，滅菌甚至500℃高溫后的土壤仍有較強的氧化活性，表明除微生物、植物分泌的酶之外，土壤礦物顆粒也具有類似催化劑的強氧化活性。最新研究也表明，當礦物粒徑小到一定程度(如納米)時則具備了類似天然酶的催化活性，被稱為納米酶。納米酶已被廣泛應用于醫學、食品、化工、環境等多個領域，其發現改變了以往人們認為無機納米材料是一種生物惰性物質的傳統觀念。嚴格意義上，納米酶并不是傳統意義上的酶促反應，其催化活性來源于表面活性位點，因此更類似于礦物表面介導的氧化還原反應。例如，鐵礦物(如Fe3O4)納米顆粒已被發現具備固有過氧化物酶(peroxidase, POD)活性，該類酶活性是在過氧化氫(H2O2)存在條件下鐵礦物與底物發生的氧化還原反應，將無色3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺(TMB)底物氧化為藍色產物(TMBox)，同時釋放出水的過程。過氧化物酶對土壤有機質合成和分解具有重要意義，其活性對土壤碳循環具有重要影響。

為了探究土壤類型和農業措施對土壤類過氧化物酶活性的影響，天津大學地球系統科學學院余光輝教授課題組在國家自然科學基金項目(U22A20608和41977271)資助下，以湖南祁陽和新疆2個長期(>30年)定位試驗站的不同施肥處理土壤為研究對象，首次分析了土壤顆粒的類酶活性及其對長期施肥處理的響應。結果表明，與天然辣根過氧化物酶(HRP)相似，土壤也具有經典的催化顏色反應，灰漠土和紅壤類過氧化物酶活性范圍為0.4 ~ 1.0 U/kg(圖1)。長期施肥顯著改變了土壤類過氧化物酶活性，其中以施有機肥的土壤類酶活性為最高，可達0.7 U/kg，較不施肥處理增加了70%以上。不同施肥年限下，不施肥和施化肥的土壤類過氧化物酶活性并無顯著差異，而施有機肥的土壤類過氧化物酶活性則隨施肥時間線性增加(圖2)。高溫滅菌處理后，土壤類過氧化物酶活性大多沒有改變(圖3)，表明其活性是土壤本身固有的氧化還原特性，進而提出了土壤類酶活性假說。此外，發現施肥措施可以通過改變土壤固有類過氧化物酶活性而影響養分周轉(圖4)。

鑒于土壤礦物納米顆粒的豐度和活性，深入研究農業施肥措施下的土壤納米酶活性對于深入理解活性礦物介導的土壤碳儲存、礦物–有機復合體形成和養分周轉具有重要意義。

圖1  天然過氧化物酶與長期施肥土壤類過氧化物酶活性

圖2  施肥時間對紅壤類過氧化物酶活性的影響

圖3  滅菌處理對長期施肥土壤類過氧化物酶活性的影響

圖4  納米酶驅動土壤中碳氮循環和礦質元素周轉的概念模型

 

作者：王苗苗，李波，余光輝

單位：天津大學地球系統科學學院；申能環境科技有限公司

卷期：《土壤》2023年第55卷第1期