張小菊，楊翠珍，楊 娟

(華中科技大學(xué)武昌分校城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430064)

我國(guó)是世界巖溶面積最大的國(guó)家[1]，其中尤以碳酸鹽巖分布廣泛，主要分布在貴州、云南、四川等省區(qū)，構(gòu)成了這些省區(qū)特殊的地貌類(lèi)型[2]。碳酸鹽巖地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，同時(shí)由于人們環(huán)保意識(shí)的淡漠，直接導(dǎo)致生態(tài)退化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的落后，特別是2009年西南的特大干旱，更導(dǎo)致了石漠化的加劇。

巖溶發(fā)育越來(lái)越多地受到研究者的關(guān)注，越來(lái)越多的科學(xué)工作者對(duì)巖溶動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)作用、驅(qū)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了深入的研究[3，4]，同時(shí)從植物、微生物入手，對(duì)生物巖溶微形貌形成機(jī)理進(jìn)行了探討，重點(diǎn)就藻類(lèi)和其它微生物對(duì)巖溶作用進(jìn)行了研究和評(píng)價(jià)[5～8]。賈麗萍等[9]研究了細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌等對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕作用，并對(duì)它們的巖溶作用強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比。隨著巖溶研究的深入，碳酸酐酶(Carbonic anhydrase，CA)被證實(shí)在巖溶發(fā)育中扮演著重要的角色，碳酸酐酶與巖溶發(fā)育的關(guān)系備受關(guān)注。

作者在此主要綜述微生物碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的研究現(xiàn)狀及在環(huán)境治理中的應(yīng)用價(jià)值，并對(duì)其研究進(jìn)行了展望。

1 微生物碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的研究現(xiàn)狀

碳酸酐酶是生物體中普遍存在的一種金屬酶。有關(guān)植物碳酸酐酶的研究報(bào)道較多，大多數(shù)植物含有碳酸酐酶，碳酸酐酶在光合作用中起著重要作用[10，11]。碳酸酐酶的活性中心含有一個(gè)催化活性所必需的鋅原子，催化CO2進(jìn)行可逆水合反應(yīng)。其催化機(jī)理如下：

(1)

(2)

由式(1)、(2)可知，CO2的水合反應(yīng)生成的H+會(huì)影響CaCO3的電離平衡，從而驅(qū)動(dòng)碳酸鹽巖溶蝕溶解。即有：

(3)

因此，碳酸酐酶在生物巖溶中具有重要的地位和作用，能促進(jìn)石灰?guī)r的溶蝕，影響碳循環(huán)及喀斯特溶蝕地貌[12]。

李為等對(duì)碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的分布、活性、穩(wěn)定性、與生態(tài)系統(tǒng)元素遷移之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。研究表明，植物的根系、土壤的有機(jī)組織等都是碳酸酐酶的重要來(lái)源，碳酸酐酶的活性與喀斯特巖溶地區(qū)的植被特征、地球化學(xué)環(huán)境等關(guān)聯(lián)性強(qiáng)[13]。

通過(guò)對(duì)巖溶地區(qū)的土壤微生物進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)不少菌株能分泌胞外碳酸酐酶。通過(guò)對(duì)巖溶環(huán)境進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)巖溶環(huán)境的偏堿性條件、金屬離子、陰離子均有利于碳酸酐酶活性的穩(wěn)定[14]，其中，巖溶環(huán)境中篩選的放線(xiàn)菌有較高的胞內(nèi)碳酸酐酶活性，而真菌具有較高的胞外碳酸酐酶活性[15]。通過(guò)土柱模擬實(shí)驗(yàn)研究了不同類(lèi)群微生物的碳酸酐酶對(duì)鈣、鎂、鋅三種元素遷移的影響，發(fā)現(xiàn)鈣鎂元素流失量與碳酸酐酶活性及生物量存在良好的正相關(guān)性[16，17]，進(jìn)一步說(shuō)明了碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的地位和作用。

碳酸鹽巖是喀斯特地區(qū)最廣泛存在的巖石類(lèi)型，前期研究表明真菌對(duì)碳酸鹽巖溶蝕效果好[15]。為了深入研究微生物有機(jī)物對(duì)巖石的溶蝕情況，研究者對(duì)真菌菌絲、真菌有機(jī)酸物質(zhì)、真菌碳酸酐酶引起的溶蝕作用進(jìn)行了系統(tǒng)研究與對(duì)比[18～20]，結(jié)果表明，它們?cè)谑規(guī)r巖溶發(fā)育中均扮演重要角色，其影響程度大小依次為：真菌菌絲>真菌有機(jī)酸物質(zhì)>真菌碳酸酐酶。這些研究為進(jìn)一步研究微生物碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的作用奠定了基礎(chǔ)。

2 微生物碳酸酐酶在環(huán)境治理中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 微生物碳酸酐酶對(duì)碳循環(huán)的影響

研究碳酸酐酶在自然界的分布規(guī)律及微生物分泌碳酸酐酶的情況，是一條探索CO2減排的技術(shù)途徑。

2.2 微生物碳酸酐酶在石漠化治理中的作用

我國(guó)西南巖溶地區(qū)擁有世界上最大的連片裸露巖溶，生態(tài)環(huán)境脆弱。主要表現(xiàn)為：石漠化非常嚴(yán)重；水源漏失、耕地瘠薄且少而分散，土地生產(chǎn)效率極低；旱澇災(zāi)害頻繁等[21]。

利用微生物碳酸酐酶對(duì)CO2的水合吸收作用以及引起的碳酸鹽巖的風(fēng)化，對(duì)于石漠化治理具有重大意義。

此外，還可以通過(guò)測(cè)定相關(guān)微生物及植物中的碳酸酐酶的活性，確定石漠化地區(qū)適宜的生態(tài)生物，以改善石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

3 微生物碳酸酐酶在巖溶發(fā)育中的研究展望

微生物碳酸酐酶是巖溶動(dòng)力系統(tǒng)的重要驅(qū)動(dòng)力，喀斯特地貌蘊(yùn)藏巨大的“碳封存”潛力，可通過(guò)人為干預(yù)，利用微生物碳酸酐酶，實(shí)現(xiàn)減排最大化。

目前，我國(guó)不少巖溶地區(qū)都面臨石漠化威脅，若利用微生物碳酸酐酶進(jìn)行石漠化治理，改變土地利用方式，即可為巖溶增匯；同時(shí)，以土壤微生物碳酸酐酶的活性為重要參考指標(biāo)，可以評(píng)價(jià)石漠化地區(qū)土壤的肥力。因此，應(yīng)深入研究碳酸酐酶促進(jìn)的CO2水合反應(yīng)的可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、抑制劑、活性影響因素等，為石漠化治理、水華治理等提供依據(jù)，也為碳酸酐酶促進(jìn)的礦化沉積、石質(zhì)文物的保護(hù)、環(huán)境的生物修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

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