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土壤胶体对Bt毒蛋白吸附作用的研究进展

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?#32908;?BR>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?#38469;?#30340;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?#20445;?#20854;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?#32908;?BR>1转Bt基因作物和Bt毒蛋白
    苏云金芽孢?#21496;鶥acillus thuringiensis,简称Bt,革?#38469;?#38451;性需氧型芽孢?#21496;?#20110;1909年在德国苏云金省?#29366;?#21457;?#26893;?#21629;名,是一种被广泛应用的生物杀虫?#31890;?#26472;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?#20102;?#20129;(张永军等,2002),其杀虫原理也被广泛运用于转基因抗虫育种?#23548;?BR>     1987年,Vaeck等(Barton et al., 1987)?#29366;?#25104;功获得转Bt基因作物,到目前为?#26775;?#24050;有包括烟草、番茄、棉花、玉?#20303;?#39532;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?#19978;?#22303;壤中释放Bt毒素蛋白,并引起残留,改变土壤的生态?#33014;猓?#20854;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?#20581;?#36716;Bt作物在其整个生育期散各?#26893;?#20307;(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?#38469;?#22303;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)。
2Bt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?#21361;?#39318;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?#21512;?#25193;散至吸附?#37327;?#31890;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?#20445;?#33945;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?#20581;?#27492;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?#28023;?)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) 。

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