酶水解技术研究进展

1. 国内外酶水解技术研究进展

酶对有机磷矿化、水解和氧化等过程具有重要作用。相比于传统表征环境样本有机磷形态及其生物有效性的化学提取方法，用酶水解技术表征有机磷可较好地模拟有机磷的潜在生物有效性[1]。酶水解技术最早应用于土壤肌醇六磷酸盐(植酸)生物有效性研究。Jackman和Black [2]二人希望通过酶水解技术确定植酸水解效率是否受植酸溶解性或植酸酶活性限制，或者二者共同限制。结果发现，底物(植酸)溶解性是决定植酸水解效率的主要因子，而不是植酸酶活性。随后，酶水解技术出现于水环境中有机磷生物有效性研究。

Strickland 和Solorzano[3]以无机焦磷酸酶和碱性磷酸酶检测了藻类培养液和海水中酶可水解磷，结果表明酶活性决定着样本中酶可水解磷量。而且，酶制剂纯度和特异性的不足、样本本身存在的酶干扰以及水样中底物浓度较低造成酶水解技术分析水环境样品有机磷难度较大。

近20 年来，酶水解技术被广泛应用于土壤、有机肥料、水体、沉积物、腐殖质等环境样品[4-9]。Turner 等[4]选择碱性磷酸酶、磷酸二酯酶和植酸酶分析了澳大利亚草地水可提取有机磷组成特征，将土壤水可提取有机磷分为3 种类型：(1) 活性正磷酸单酯(碱性磷酸单酯酶水解释放的正磷酸盐量)；(2) 正磷酸二酯(碱性磷酸单酯酶与磷酸二酯酶水解共同作用释放的正磷酸盐量减去活性正磷酸单酯)；(3) 植酸磷(植酸酶水解释放的减去活性正磷酸单酯和正磷酸二酯的和)。后来，Monbet 等[6]对Turner 等的酶水解方法进行了改进，将碱性磷酸酶、磷酸二酯酶和植酸酶进行组合，表征了环境条件下水体溶解性有机磷(DOP)生物有效性。Zhou 等[10]研究了武汉东湖样品磷酸酯酶可水解磷,发现磷酸酯酶可水解磷含量升高会引起磷酸酯酶活性增强。Zhu 等[11]将化学连续提取法与酶水解法结合分析了滇池表层沉积物有机磷形态及其生物有效性，发现滇池沉积物中12.1-27.2%的有机磷具有潜在生物可利用性。

2 湖泊有机磷形态及生物有效性

湖泊有机磷存在于水体和沉积物中，根据溶解性可将其分为溶解态和颗粒态。溶解态有机磷主要由磷脂、磷酸糖类和膦酸盐等组成[12]，颗粒态有机磷主要来自生物体[13]。在湖泊水体中，溶解态有机磷最高可占总磷的50%- 90%[14-15]，有机磷也是湖泊沉积物磷的主要形态[16]。湖泊水体有机磷研究多通过膜过滤将有机磷分为溶解性有机磷(DOP)和颗粒态有机磷，然后采用分子光谱学、原子光谱学、酶水解法等方法分析溶解性有机磷[17]。此外，采用超滤、膜透析和反渗透等前处理技术预先对溶解性有机磷进行分子量分级[12][18-19]，可以在不破坏溶解性有机磷原有结构的前提下表征不同有机组分的性质差异和生物有效性，获悉溶解性有机磷组分构成和官能团信息。

湖泊沉积物有机磷形态研究主要采用土壤有机磷化学连续分级方法，它以不同特性的提取剂(溶解性、氧化还原性和酸碱性等)连续对沉积物分级提取，通过各级提取液中有机磷含量可以得出各形态有机磷迁移转化能力、活性及潜在生物有效性等信息[20]。Sommers 等[21] (1972)最早采用连续分级提取方法将沉积物有机磷分为碱性、中性和酸性三种形态。Bowman 和Cole[22] (1978)最早提出了相对系统的土壤有机磷分级提取体系，将其分为活性、中活性、中稳性和高稳性有机磷。Oluyedun 等[23] (1991)将上述两种方法应用于北美洲的安大略湖沉积物有机磷形态研究，发现两种提取方法可提取有机磷总量相似，而各分级提取的有机磷含量上存在差异。同时，Oluyedun 等[24]研究也表明土壤有机磷形态连续提取方法适合于湖泊沉积物中有机磷形态分析。然而，早期有机磷提取方法存在提取方法较繁琐、有机磷提取率不高等缺陷。于是，Ivanoff 等[20] (1998)对早期有机磷连续分级提取方法进行了改进，将有机磷分成活性、中活性和非活性有机磷，增加了对残渣态有机磷的分析，弥补了前人对有机磷提取回收率不高的缺陷。

Golterman 等[25-26]利用各种螯合试剂、酸碱等化学试剂将沉积物中无机和有机磷分级提取，获得水溶性无机和有机磷、铁结合态无机和有机磷、钙铝结合态无机和有机磷、酸溶解态无机和有机磷、糖结合态有机磷、核酸有机磷和焦磷酸盐、腐殖质结合态磷及残渣态磷。该方法先使用各种螯合试剂提取沉积物部分磷，然后使用Na OH 提取剩下的磷。螯合试剂p H 接近沉积物p H，所以可避免有机磷在强酸强碱提取条件下发生水解。之前发展的各种连续提取方法使用强酸、强碱类提取剂可能会使有机磷水解为无机磷，造成实际样品有机磷含量被低估。

不少学者将有机磷化学连续分级方法应用于国内湖泊沉积物有机磷研究。金相灿等[27]利用Bowman-Cole 有机磷连续分级法对长江中下游流域湖泊沉积物有机磷形态分布特征进行了研究，同时将其结果与同一区域土壤比较，发现湖泊沉积物有机磷比对应湖区土壤有机磷对湖泊富营养化过程提供生物有效性有机磷的潜力更大。Zhang 等[28]利用Ivanoff 有机磷分级提取方法对比研究了长江中下游流域湖泊和西南云贵高原湖泊沉积物中有机磷形态分布特征，结果表明长江中下游湖泊沉积物以中活性有机磷为主，云贵高原湖泊沉积物以非活性有机磷为主。Huo 等[29]也采用Ivanoff 有机磷连续提取方法对长江中下游地区、云贵高原湖区、青海-西藏高原湖区等我国主要湖区的湖泊沉积物有机磷形态及其分布特征进行了研究，各形态有机磷含量分布特征与Zhang 等[28]结果一致。

然而，传统的化学连续提取法无法提供沉积物有机磷详细的化学结构特征和生物地球化学循环信息[17][20]，只能对沉积物有机磷形态进行简单分级(包括易水解的、活性的、非活性的等)。所以，需要诸如31P-NMR 技术[17][30]、酶水解技术[1][4][6]等生物化学方法进一步对沉积物有机磷详细表征，获得其生物有效性信息。近年来，31P-NMR 技术已成为湖泊沉积物有机磷研究的主要方法之一[17][30]。液体31P-NMR 技术可将环境样品中有机磷分为6 种类型，包括膦酸盐、正磷酸盐、单酯有机磷、二酯有机磷、焦磷酸盐和多聚磷酸盐。Ding 等[31]利用Na OH-EDTA 提取滇池沉积物中有机磷利并用31P-NMR 技术表征，结果发现滇池沉积物各形态有机磷中二酯磷含量远低于单酯磷(活性单酯磷和类植酸磷)。但是，由于沉积物中各形态有机磷含量差异较大，31P-NMR 较难检出一些含量极低的有机磷种类。而且，31P-NMR 测定过程(高碱性和长时间条件下)可能会造成不稳定有机磷水解。酶水解法可在较温和的实验环境下分析沉积物有机磷，从而避免了部分有机磷水解。另外，有机质谱技术与其它分离技术结合使用可获得沉积物较多有机磷形态和种类等信息。De 等[32]利用有机质谱方法分析了瑞典Erken 湖沉积物有机磷形态，获得了部分有机磷信息(谱图中发现了11 个有机磷峰)。