研究土壤胶体对Bt毒蛋白吸附作用

多年来的研究表明，土壤的理化性质对蛋白的吸附具有重要意义。以下是由查字典范文大全为大家整理的研究土壤胶体对Bt毒蛋白吸附作用，希望对你有帮助，如果你喜欢，请继续关注查字典范文大全。

摘 要：随着转基因抗虫植物的大范围种植，以及生物农药用量的日趋增多，Bt毒素蛋白在土壤中的降解和残留越来越受到人们的关注。本文系统综述了转Bt基因作物的发展现状、Bt毒蛋白的来源以及Bt毒蛋白在土壤中的吸附残留，着重分析温度、pH、有机质、土壤颗粒等因素对Bt毒蛋白吸附的影响，旨在为进一步研究Bt毒蛋白在土壤中的环境化学行为提供依据，为转Bt作物的生态安全评价提供参考。

关键词：Bt蛋白 吸附 土壤胶体 影响因素

前言

自1983年第一例转基因植物问世以来，植物转基因技术的研究发展迅速。转Bt植物因其良好的经济效益，迅速地得到推广和应用。但转Bt植物可通过根系分泌，花粉传播等方式进入土壤环境，进入土壤的Bt毒蛋白能被土壤颗粒如粘土矿物、腐殖酸、有机矿物聚合体等快速吸附，并长期保持杀虫活性，抵抗微生物的降解(Stotzky，2000)，导致土壤特异生物功能类群以及土壤多样性发生改变，甚至产生级联效应(孙彩霞等，2002)转基因植物给人们带来经济效益的同时，其潜在的生态环境问题也越来越越来越引起人们的重视(李孝刚等，2008)。

Bt毒蛋白在土壤中的吸附受多种环境因素例如温度、pH值、时间、土壤中有机碳等的影响。本文系统综述了转Bt基因作物的发展现状、Bt毒蛋白的来源以及其在土壤中的吸附残留等，旨在为进一步研究Bt毒蛋白在土壤中的环境化学行为提供依据，为转Bt作物的生态安全评价提供参考。

1、转Bt基因作物和Bt毒蛋白

苏云金芽孢杆菌Bacillus thuringiensis，简称Bt，革兰氏阳性需氧型芽孢杆菌，于1909年在德国苏云金省首次发现并命名，是一种被广泛应用的生物杀虫剂(杨大兴等，2008)。其产生的杀虫晶体蛋白与受体结合，会引起昆虫代谢紊乱甚至死亡(张永军等，2002)，其杀虫原理也被广泛运用于转基因抗虫育种实践。

1987年，Vaeck等(Barton et al., 1987)首次成功获得转Bt基因作物，到目前为止，已有包括烟草、番茄、棉花、玉米、马铃薯、油菜、大豆、木瓜、小麦、水稻在内的数十种转Bt基因作物问世(James，2006)。至2004年，全球的转Bt作物的种植面积达到1560万hm2，自1996起的10年间，转基因作物全球累计市场价值约为293亿美元，2006年为61.5亿美元(James，2007)。国内关于转Bt作物的研究起步较晚，但是发展较快，我国是第二个获得自主知识产权生产转基因抗虫棉的国家。

转Bt作物可以抵抗害虫侵害，提高作物产量，减少农药的使用，降低环境污染，从而增加经济利润。然而转Bt基因作物可向土壤中释放Bt毒素蛋白，并引起残留，改变土壤的生态平衡，其所带来的潜在危机已引起人们的重视(陆小毛等，2006)。

转Bt毒素蛋白进入土壤的方式多样。转Bt作物的根系分泌是其释放到土壤中的主要方式之一(杨大兴等，2008)。1999年，Saxena等在Nature上报道，转Bt玉米根系向土壤中分泌杀虫毒蛋白(Saxena et al.，1999)。转Bt作物的残体是Bt毒蛋白进入土壤环境的另一重要方式。转Bt作物在其整个生育期散各种残体(诸如落叶、植物组织等)进人土壤，以及收获后大量残留在土壤中的残茬都是土壤中Bt毒蛋白的主要来源。吴立成等(2004)发现生育期内“克螟稻”根系分泌的Cry1Ab毒蛋白含量可高达48.02 ng/(株•d)，其地上部和根部中Cry1Ab的表达量更高，最高可达8.22 μg g-1，故在其秸秆还田过程中，会将CrylAb杀虫毒蛋白释放到土壤。另外，转Bt作物杀虫毒蛋白还可以通过花粉、伤口等途径进入土壤环境中(吴立成等，2004)。

2、Bt毒蛋白的吸附研究

2.1 Bt毒蛋白的吸附动力学研究

研究表明，土壤颗粒对蛋白质的吸附过程可分为如下三个阶段：首先是液膜扩散，蛋白质等大分子先由溶液扩散至吸附剂的外表面，然后，由吸附剂外表面沿孔内液相扩散至吸附剂颗粒内部，称为孔内扩散，最终，吸附剂活性中心与蛋白质相互作用(李慧姝等，2008)。

Bt蛋自在土壤胶体表面的等温吸附曲线为L型，可用Langmuir和Freundlich方程拟合，Freundlich方程拟合效果更好;蛋自在土壤胶体表面吸附是一个自发的放热反应，且该吸附主要是物理吸附;Bt毒蛋白在红壤和黄褐土胶体表面的吸附为熵增反应，而在砖红壤和黄棕壤表面的吸附与之相反(付庆灵等，2008)。Pagel-Wieder等(2007)的研究表明，在一定蛋白浓度内，Bt毒蛋白的等温吸附线是一条线性方程。

2.2 吸附的影响因素研究

Bt毒蛋白进入土壤后，可与土壤粘粒和腐质酸迅速结合，而在土壤中残留。Bt毒蛋白在土壤颗粒表面的吸附受温度，时间，蛋白浓度，粘土颗粒，土壤表面电荷量和表面积，有机碳含量，土壤pH等多种因素的影响(Jean et al.，2006)。

2.2.1 PH对吸附的影响

吸附量随pH升高而下降。pH 在4.4到10.0范围内时，蒙脱石对毒素的吸附量随;pH的增加而线性降低;高岭石的吸附量也随pH的增加而降低(李云河等，2005)。最大吸附量与调节pH溶液的离子类型和悬浮基的强度相关(Stotzky，2000)。不同的土壤和粘土矿物，最大吸附量出现时的pH值不同(Wang et al.，2006)。质子的含量对抗虫蛋白在M-Na上的吸附有显著的影响，吸附在pH值为6时达到最高，而后随着悬浊液pH的增大而减少(Stotzky，2004)。Stotzky(1986)解释当pH接近蛋白的等点电时吸附量最大的原因是蛋白质之间的排斥力处于最低水平。此外，Quiquampoix(2000)讨论了三个主要模型来描述PH对蛋白质吸附的影响以及蛋白质和土壤有机矿物表面之间的复杂的作用：(1)斥力横向对称模型;(2) 修改结构后的对称模型; (3)修改结构和表面排斥力的非对称模型(Quiquampoix et al.，2000) 。对于不同的模型，随着PH的增大蛋白吸附量减小是因为，带负电荷的蛋白与带负电的粘土表面的静电斥力作用(Sibylle et al.，2007) 。

2.2.2 温度对吸附的影响

随着温度的升高，红壤、黄棕壤、黄褐土的平衡吸附量均有所增加，但是其吸附方程中的相关系数变化不大(李慧姝等，2008)。周学永等对Btk蛋白在红壤上的吸附研究表明，10-50℃范围内，温度升高吸附量略有降低(周学永等，2009)。这可能与研究方法不同和蛋白性质差异有关(Dong et al.，2000)。此外，蛋白的杀虫活性在高温时丧失，这是在农业生产应用中应该注意的问题(Dehua et al.，2004)。

2.2.3 表面电荷和表面积的影响

抗虫蛋白的吸附量随着粘土颗粒外表面负电荷量的增加而减少。而随着比表面积的增加而增大(Quiquampoix，2000)。蛋白吸附量随着粘土颗粒表面电荷密度的减少而降低(Stotzky，1986)，这可能是因为带负电荷的粘土颗粒和Bt蛋白之间的斥力减小(Stotzky，1986)。但是，福斯等的研究认为，氢氧化铁包被的外表面积的增加并不能引起过氧化氢酶和乳球蛋白吸附量的显著增加(Fusi et al.，1989)。

2.2.4 有机质含量和土壤颗粒的影响

Pagel-Wieder等(2007)认为，土壤有机质含量的下降会导致毒素蛋白吸附量的下降。而Crecchio和Stotzky的研究结果相反(Crecchio et al.，2001)。这可能是由于有机质在土壤粘粒表面形成包被，使粘粒表面积减少(Muchaonyerwa et al.，2006)。当腐殖酸的含量一定时，腐殖酸的吸附量与Bt毒素的浓度成正比(李云河等，2005)。

土壤颗粒的浓度对Bt蛋白的吸附有显著影响(Tapp et al.，1995)。粘土颗粒的增加导致单位重量粘土吸附的毒素蛋白的含量减少(Chevallier et al.，2003)。结合态Bt毒素活性持续时间与土壤粘粒含量呈正比(Stotzky et al.，2000)。此外，有机质作为土壤微生物碳源或氮源，其含量越高，微生物的数量则越大，越促进蛋白的降解(付秀芹，2008)。有机质与蛋白质的降解速度呈正相关。

此外，不同土壤的胶体性质不同，蛋白在其中的吸附和残留呈现很大的差异。土壤颗粒对蛋白质的吸附过程的速率、平衡吸附量取决于土壤颗粒的OM、CEC含量等，同时与温度呈正相关。付庆灵等(2008)的研究表明，在不同供试土壤表面吸附的速率表现为黄褐土>黄棕壤>砖红壤>红壤。

此外，付庆灵等(2008)研究了乙酸盐对几种地带性土壤吸附Bt毒素的影响，得出结论：随乙酸盐浓度的继续增加，土壤胶体对蛋白的吸附量增大，乙酸盐表现出促进毒素在土壤胶体表面的吸附，但仍小于无乙酸盐加入时的吸附量。施肥对蛋白的吸附研究亦有一定的影响作用。

3、Bt毒蛋白在土壤中的降解与残留

Bt毒蛋白进入到土壤环境中后，其降解程度的高低和残留量的多少与其对土壤生态的影响密切相关。进入土壤中的Bt蛋白少部分在微生物的作用下降解，绝大部分被土壤中的粘土矿物和腐殖质等表面活性颗粒吸附，形成的结合态毒素仍具有较强的杀虫活性(黄威等，2009)。James报道，Bt毒素与土壤粘粒结合后，毒性可以持续2-3月;此外，通过玉米根部分泌和残体降解释放到土壤中的Bt毒素在土壤中滞留期最长可达350d。但是也有研究证明，Bt毒蛋白在土壤中能很快降解(Palm et al.，1994)。造成这种差别的原因是蛋白种类不同，土壤性质不同，蛋白浓度不同，蛋白形式不同，生物测试方法的不同。不能盲目的比较，要形成一定的标准规范，以便于研究和交流。

4、结论

多年来的研究表明，土壤的理化性质对蛋白的吸附具有重要意义。蛋白浓度较高时，粘土含量越高，对蛋白的吸附量越大;当蛋白浓度较低时，单位重量的粘粒吸附的蛋白含量降低。外表面积的增加会导致吸附量的增加。表面电荷密度增大会导致蛋白吸附量的增大。各种粘土和矿物的等温吸附曲线具有相似的趋势，吸附在1-2h达到平衡，最大吸附量与pH值、粘粒含量、蛋白浓度等因素有关。当pH值接近中性的时候吸附量最大。有机质和腐植酸的含量越高，吸附量越大。

有研究表明，蛋白质的孔扩散系数随初始盐浓度的增大而下降;在氯化钠浓度小于0.10mol/L的范围内，蛋白质的孔扩散系数随着盐浓度的增加而增大;但当盐浓度增大到0.15mol/L时又有所降低。表明存在着一个最佳的离子强度，使蛋白质的孔扩散系数最大值(周笑鹏等，2005)。但是，目前对于离子浓度对土壤胶体对Bt蛋白吸附的影响效果和作用机理还没有研究，而随着施肥量的增加和土壤水体的变化，这方面的研究是很有意义的。

参考文献

1付庆灵，邓雅丽，李慧姝等.Bt毒蛋白在土壤表面吸附的动力学和热力学研究.见：中国土壤学会第十一届全国会员代表大会暨第七届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会论文集.中国土壤学会第十一届全国会员代表大会暨第七届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会，北京：中国农业大学出版社，2008a，PP142-149

2 付庆灵，向爱华，胡红青等.乙酸盐对几种地带性土壤吸附Bt毒素的影响.土壤学报，2008b，45(6)：1208-1210

3 付秀芹.转Bt基因水稻对土壤生态系统的影响.【博士学位论文】.湖南师范大学：湖南师范大学图书馆，2008

以上是由查字典范文大全为大家整理的研究土壤胶体对Bt毒蛋白吸附作用，希望对你有帮助，如果你喜欢，请继续关注查字典范文大全。