土壤碳循環：S-CA活性檢測

土壤碳酸酐酶（Soil Carbonic Anhydrase, S-CA）是一類催化CO?水合反應（CO? + H?O ? HCO?? + H?）的金屬酶，廣泛存在于土壤微生物、植物根系及土壤膠體中。S-CA通過調控土壤碳轉化速率，參與全球碳循環與氣候變化過程，其活性是表征土壤碳匯功能、微生物活性及土壤質量的重要生物學指標。準確測定S-CA活性，對于揭示土壤碳循環機制、評估土壤健康狀況及制定碳管理策略具有重要意義。

催化反應機制

S-CA催化CO?水合反應的米氏常數（K?）通常為0.5-5 mM，催化效率（kcat/K?）達10?-10? M?1s?1，其活性檢測基于以下反應特性：

• pH變化：反應產生H?導致體系pH降低

• 底物消耗：CO?氣體消耗導致壓力變化

• 產物生成：HCO??可通過顯色反應定量

主要檢測方法比較

經典檢測方法——pH-stat法

方法原理

在恒溫水浴條件下，將土壤樣品與CO?飽和水溶液反應，通過自動滴定儀添加NaOH溶液維持反應體系pH恒定（通常pH 8.3），記錄單位時間內消耗的NaOH量，計算S-CA催化生成的H?量，進而表征酶活性。

試劑與儀器準備

主要試劑

• CO?飽和水溶液：通入純CO?氣體30分鐘（25℃時濃度約0.033 M）

• 0.05 M NaOH標準溶液：經鄰苯二甲酸氫鉀標定

• 磷酸緩沖液（0.1 M，pH 8.3）：含0.1 M NaCl（維持離子強度）

• 酶抑制劑：1 mM乙二胺四乙酸（EDTA，用于空白對照）

核心儀器

• pH-stat自動滴定系統（配備pH電極和自動加液裝置）

• 恒溫水浴搖床（控溫精度±0.1℃）

• 高速冷凍離心機（10000×g）

• 研缽與過篩設備（2 mm尼龍篩）

操作步驟

樣品采集與預處理

1. 田間采樣：

? 多點混合采樣（5-10點/樣地），深度0-20 cm

? 去除植物殘體、石塊等雜質

? 新鮮土樣過2 mm篩，4℃保存（24小時內測定）或-80℃冷凍保存

2. 樣品制備：

? 稱取5.00 g鮮土，加入20 mL磷酸緩沖液

? 冰浴研磨5分鐘（保持低溫以防止酶失活）

? 4℃下10000×g離心10分鐘，取上清液作為粗酶提取液

活性測定

1. 反應體系配置：

? 25 mL CO?飽和水溶液（30℃預熱）

? 5 mL粗酶提取液

? 磁力攪拌速率500 rpm

2. pH-stat滴定：

? 初始pH調節至8.30±0.02

? 記錄3分鐘內維持pH所需0.05 M NaOH消耗量（ΔV）

? 空白對照：酶提取液經100℃水浴10分鐘滅活后測定

結果計算

定義：1個S-CA活性單位（U）指在30℃、pH 8.3條件下，每分鐘催化1 μmol CO?水合反應所需的酶量

公式：S-CA活性（U·g?1 soil） = (C×ΔV×V?)/(t×V?×W)

其中：

- C：NaOH標準溶液濃度（μmol·mL?1）

- ΔV：3分鐘內NaOH消耗體積（mL）

- V?：酶提取液總體積（mL）

- V?：測定用酶提取液體積（mL）

- t：反應時間（min）

- W：土壤樣品干重（g，需測定土壤含水量換算）