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重金属污染在土壤中具有长期性和广泛性，对土壤生态系统产生了重大威胁。开发新的可靠的土壤重金属污染监测指标迫在眉睫。土壤酶是有机质分解和养分循环的先决条件，代表微生物代谢及其对环境变化的响应，土壤微生物代谢在生物地球化学循环和土壤功能中起着至关重要的作用。因此，把许多酶作为评估重金属毒性和土壤健康的有力生物指标。我们对这些有代表性的方法进行比较和评述，以利于今后的研究和提高其实际应用水平。

1.单一酶指数（single enzyme index）

微生物产生的胞外酶易受土壤环境变化的影响，是土壤养分循环和功能可持续性的重要参与者。在过去的二十年中，越来越多地使用胞外酶来评估土壤重金属污染。我们总结了以前研究中报道的12种酶，它们的活性对重金属的反应不一致（表1）。这表明根据酶功能、土壤性质、重金属种类和浓度的差异，不同的酶活性对土壤中重金属的反应是高度可变的。响应的不一致性意味着评估重金属污染时酶指标的不可比性。因此，将广泛代表微生物代谢的各种酶整合到一个综合指标中是必要的。

表  1.   评价土壤重金属污染的常用酶及其对重金属胁迫的响应

2.复合酶指数（combined enzyme index）

Puglisi等人（2016）开发了一个基于7种酶活性的复合酶指数。利用典型判别分析建立了评价土壤重金属污染的指标AI 1和AI 2，其中AI 1包含所有7种已测酶活性，AI 2包含文献中最常用的酶活性，即GLU、PHO和UR。

但这些固定系数的实证指标不适用于其他环境的重金属污染评价。我们还注意到，这种基于主成分分析的方法阻碍了它们作为生态指标(如反映微生物代谢变化)的实际用途。因此，开发可用作重金属污染后土壤健康和功能可靠测度的土壤酶指数仍然是一个关键的研究重点，需要新的方法、想法和技术。

3.基于酶的功能多样性指数（enzyme-based functional diversity index）

通过进一步汇总和整合各种土壤酶活性对重金属的响应，提出了基于土壤酶的微生物功能多样性（FD）指数。FD指数总结在表2中。这些基于酶的微生物功能多样性指数提供了许多优势，因为这些整合到指数中的酶涵盖了大多数生物地球化学循环，并且可以容易且相对经济地测量。然而，这种方法的主要问题是所提出的公式缺乏灵活性。此外，对不同功能的酶活性值进行降维分析，会损失许多有价值的信息，例如特定营养循环的特征。

表  2.   基于酶的功能多样性指数及其方程

4.微生物胁迫指数（microbiological stress index）

土壤微生物群落的综合功能敏感性和稳定性可以衡量生态功能的变化，并在出现环境干扰时有助于维持土壤生态系统的功能和服务。因此，引入土壤阻力（土壤抵抗应力/干扰的固有能力）和恢复力（应力/干扰后土壤恢复的能力）来量化受到不同类型应力/干扰的土壤微生物群落的稳定性。然而，这种方法需要进行微生物的提取和培养，且仅代表微生物代谢的一小部分，其他的生物地球化学循环，如S、P和N循环没有考虑在内。

图  1.   关于微生物综合功能敏感性和稳定性的示意图

5.生态酶化学计量模型（ecoenzymatic stoichiometry models）

生态酶化学计量学是一种新兴的方法，它将与酶活性相关的多个参数纳入特定指标，这反映了微生物代谢限制以及土壤养分状况。相应的生态酶化学计量模型通常包含土壤C、N和P循环中的多种酶活性。因此，这种新方法已被用于评估生态系统内的土壤养分循环和微生物代谢功能，并确定微生物对环境变化的反应。到目前为止，已经提出了五种常见的生态酶化学计量模型（表3），它们是描述微生物在响应各种环境变化时的代谢特性的可靠方法。

表  3.   生态酶化学计量学模型

基于单一酶活性的方法对土壤重金属污染的评价结果不尽相同，复合酶指数法、基于酶的功能多样性指数法和微生物胁迫指数法计算的综合性指标又在计算过程中丢失了许多关键的微生物功能信息，因此它们都难以准确反映重金属对土壤生态系统的整体影响。考虑到生态酶化学计量学方法既能灵敏的反映重金属胁迫下胞外酶活性的整体性变化，又能通过微生物代谢限制预测重金属污染对生态系统功能（如碳循环和养分供给）的影响，因此，我们认为生态酶化学计量学方法是新兴的、有潜力的土壤重金属污染评价的新方法。

图  2.   基于酶活性的重金属污染评价方法示意图

基于此，我们还开展了一系列与污染环境，特别是重金属污染土壤相关的生态酶化学计量研究。我们使用胞外酶化学计量模型来确定微生物代谢对各种重金属污染物的反应，并揭示了这些反应重金属污染对土壤生态系统的潜在影响。

我们的研究利用胞外酶化学计量学模型识别了土壤微生物代谢对各种重金属污染物的响应，同时揭示了重金属污染对土壤生态系统的潜在影响。结果表明，在西北某重金属污染区微生物代谢受土壤碳(C)和磷(P)的限制。重金属胁迫显著增加了微生物C限制，同时降低微生物P限制。微生物C和P限制对不同重金属(Cd、Pb、Zn和Cu)的响应一致。重金属对土壤微生物C限值的影响最大(占总影响的0.720)，且重金属浓度最低的土壤微生物C限值最低，反之亦然。这些结果表明，微生物代谢限制能较好地反映土壤重金属污染程度。

      图  3.  关于重金属胁迫下微生物代谢响应及其对土壤养分影响的示意图            图  4.  重金属胁迫下微生物代谢的响应

图  5.   重金属、植被修复及土壤理化性质对微生物代谢的影响

但是不同污染程度下微生物代谢限制会如何响应？而微生物C/P限制对重金属的响应是否有区别？为了解决这些问题我们通过选取6个重金属污染梯度的铅锌矿区土壤，利用胞外酶化学计量学方法揭示土壤微生物代谢限制对重金属的响应，进而评价重金属污染对土壤养分循环的潜在影响。

结果表明，不同重金属水平下，土壤C和磷P的代谢受到限制，重金属浓度的增加显著提高了土壤微生物C限制，而对微生物P限制没有影响。微生物可以通过增加代谢能量的投入来抵抗重金属胁迫，从而诱导C的释放。在长期重金属胁迫下，微生物选择的能量代谢会增加土壤C的释放，不利于土壤C的固定。微生物代谢限度能可靠、灵敏地反映土壤重金属污染程度。此外，重金属引起的微生物C限制增加可能通过促进有机物分解和增加对酶生产和代谢过程维持的投资而增加土壤C释放。

                   图  6.  不同重金属污染程度下微生物代谢的响应                        图  7.   PLI(污染负荷指数)与微生物C限制(A)和P限制(B)的关系

图  8.   土壤理化性质、土壤重金属与微生物养分限制相关性热图

总的来说，我们的研究结果表明，胞外酶化学计量学作为一种新的评估土壤重金属污染的方法是有效的，而微生物代谢限制可能是一种有潜力的指标。