土壤渗滤系统中土壤酶活性与系统脱氮效果的关系研究_黄映恩

文章编号:042727104(2009)0120094206土壤渗滤系统中土壤酶活性与系统脱氮效果的关系研究黄映恩1,雷中方1,张振亚2,杉浦则夫2(1.复旦大学环境科学与工程系,上海200433;2.筑波大学生命环境科学研究院,日本筑波3058572) 收稿日期:2008208225 基金项目:JST 战略的国际科学技术协力推进事业资助项目(ADD 19196) 作者简介:黄映恩(1984—),男,硕士研究生;通讯联系人雷中方,女,副教授,E 2mail:zflei @fudan .edu .cn .摘　要:研究了土壤渗滤系统污水脱氮效果及其与内部酶活性空间分布的关系.7个工况的研究结果表明:①在水力负荷0.01m 3・m -2・d -1条件下,系统对C OD,NH 32N,T N,TP 的去除率达到了90%以上,具有良好的脱氮除磷效果;②系统内部中层和底层的脲酶活性均与系统的T N 去除率显著正相关,底层的亚硝酸盐还原酶(N I R )活性与出水的NO 3-2N,T N 浓度显著负相关,硝酸盐还原酶(NAR )活性与系统脱氮效果的关系不明显.现将前两种酶活性(脲酶,N I R )作为指示系统脱氮效果的重要指标.关键词:土壤渗滤;脱氮;脲酶;亚硝酸盐还原酶(N I R );硝酸盐还原酶(NAR )中图分类号:X 703.1;X 53 文献标志码:A土壤渗滤法是一种生态型污水就地处理技术,它充分利用土壤2微生物2植物系统的自我调控机制,在有效去除COD 的同时,也能够去除氮、磷等营养素及病原体等,具有净化效果好、基建投资低、无需曝气、低能耗、对周围环境影响小等优点[123].作为解决水污染和污水回用的一种有效手段,它尤其适合于目前水环境日益恶化的中国广大农村地区.图1　试验用土柱剖面示意图Fig .1　Sche matic of the s oil colu mn但是由于土壤氧化还原环境、水质特点和水力负荷等的差异,不同的土壤渗滤系统的脱氮效果却存在着较大的差异.一些快速渗滤系统的脱氮效果不太理想[325],而地下渗滤沟系统对T N 的去除率能达到70%～80%[627].目前,对于土壤渗滤系统的研究也主要集中在如土壤类型和土壤层高度、水力负荷、系统堵塞问题等方面[8213],而作为污水净化重要参与者的土壤酶却研究甚少,只是在人工湿地净化污水的研究中有一些报道[14219].本文通过对实验室模拟土柱中不同深度酶活性的测定及其与污水脱氮情况的相关性分析,以期揭示土壤渗滤系统中酶的活性大小及其与脱氮效果的关系,为全面了解土壤渗滤法中脱氮机制和促进工艺的优化运行提供依据.1　材料与方法1.1　实验设计实验采用模拟土壤渗滤系统的土柱进行(如图1所示).土柱内径16c m ,高100c m ,在40和70c m 处设置有法兰盘(便于拆柱取土样).整个渗滤系统由底部5c m 厚的砾石承托层、80c m 高的复合土壤层(复旦花园土掺和一定比例的粉煤灰渣配制)以及2c m 厚的砂石布水层构成.系统从2007年4月中旬启动,每日以低有机负荷的人工配水第48卷　第1期2009年2月复旦学报(自然科学版)Journal of Fudan University (Natural Science )Vol .48No .1Feb .2009(COD:106.7mg ・L -1,NH 32N:13.1mg ・L -1,TP:17.1mg ・L -1)间歇投配驯化至6月中旬,系统出水基本稳定.而土柱表层土壤的好氧细菌总数从(1.73±0.33)×106CF U ・g -1增大到(11.9±2.2)×106CF U ・g -1,硝酸细菌也从0.94×103增加到了5.97×103MP N ・g -1,系统驯化基本成熟.从2007年6月中旬开始至2008年4月下旬以人工模拟污水(主要成分:葡萄糖、尿素、NH 4Cl 和KH 2P O 4,用自来水配制)完成7个工况的运行,各工况进水的组成和水质特征如表1所示.每个工况运行4周,水力负荷保持0.01m 3・m-2・d -1.实验土柱采用干湿交替运行的方式以维持和恢复土壤的好氧状态,避免因体系内部缺氧可能引起的土壤微生物和酶活性受抑制现象的出现.实验中使用同一根土柱,相邻工况之间有4～5d 的休灌期,以便采集分析土样和恢复土壤的渗透能力.在两个工况间的休灌期,采用梅花点阵法,在土柱中心和四周各设一采样点,对每一点位,分别在表层(0～10c m )、中层(20～30c m )、底层(50～60c m )分层取样,均匀混合相应土层各采样点的土样.其中一部分装入无菌塑料袋内,贮于4℃冰箱中用于微生物计数实验;另一部分于室内自然风干供土壤酶活性的测定.表1　人工模拟污水组成及水质特征Tab .1　Compositi on and characteristics of synthetic waste water工况ρ成分/mg ・L -1葡萄糖NH 4Cl尿素KH 2P O 4t 水/℃pHρ指标/mg ・L -1CODNH 32NT NTPⅠ186.853.29.321.425.0～26.56.5199.313.9220.764.88Ⅱ282.179.819.228.224.1～27.26.5300.920.8732.836.43Ⅲ418.8101.925.541.724.0～26.96.5446.726.6840.119.50Ⅳ503.9125.433.149.820.4～23.96.5537.532.8250.5211.36Ⅴ504.9221.731.547.416.0～19.06.5538.658.0175.1810.80Ⅵ483.5288.829.046.78.1～15.26.5515.775.5892.1410.64Ⅶ471.667.311.847.319.5～22.06.5503.017.6126.5210.781.2　分析方法常规的水质指标:COD ,NH 32N,NO 2-2N ,NO 3-2N,T N 和TP 均依照国家标准方法测试[20].土壤酶活性的测定采用文献[21]中的方法:靛酚蓝比色法测定脲酶活性α脲酶,单位以1g 土37℃下每天催化尿素降解产生的NH 4+2N 的微克数表示(μg ・g -1・d-1);格利斯试剂比色法测定亚硝酸盐还原酶(N itrite 2reductase,N I R )活性αN I R,单位以1g 土30℃下每天还原的NO 2-2N 的毫克数表示(mg ・g -1・d -1);酚二磺酸比色法测定硝酸盐还原酶(N itrate 2reductase,NAR )活性αNAR ,单位以1g 土30℃下每天还原的NO 3-2N 的毫克数表示(mg ・g -1・d -1).土壤微生物计数采用文献[22]的方法:其中好氧细菌采用平板计数法,硝酸细菌采用最大或然数(MP N )计数法.实验数据之间的相关性分析借助SPSS 15.0软件进行.用于分析的数据,其中水质指标的数据为每一工况下6次常规监测结果的平均值,土壤性质的数据为3次平行实验结果的平均值.2　结果与讨论2.1　污染物去除效果分析系统进出水中COD 和NH 32N,T N 的变化情况如图2(见第96页)所示.从图2可以看出,前4个工况进水COD 从199.3mg ・L -1逐渐提高到537.5mg ・L-1,系统中有机负荷逐渐增大,而后继的工况COD稳定在约500mg ・L -1左右,出水COD 稳定且小于30mg ・L-1,其COD 去除率保持在90%以上.这充分说明了土壤渗滤法对有机污染物有良好的去除能力,且抗有机负荷冲击能力强.目前对土壤渗滤法净化机理的研究成果表明,COD 的降解主要归因于微生物的生长和表层形成的生物膜的氧化反应[2].驯化成熟时表层好氧微生物数量的大量增长也验证了这一观点.从工况Ⅰ～Ⅵ,进水中NH 32N 浓度逐渐增大,但出水NH 32N 非常稳定,即使工况Ⅶ时进水NH 32N 浓59　第1期黄映恩等:土壤渗滤系统中土壤酶活性与系统脱氮效果的关系研究图2　不同工况条件下系统进出水水质变化情况Fig .2　Concentrati on variati ons of influent and corres pondingeffluent of the syste m under different runs 度降至17.61mg ・L -1,出水的浓度仍能维持在0.2mg ・L -1以下,去除率大于99%(图2).系统对T N 的去除情况与NH 32N 基本相同,去除率在90%以上,出水T N 稳定在2mg・L -1以下,而且主要以NO 3-2N 的形式存在.这说明了系统内部硝化和反硝化情况良好.土壤是P 的巨大储存库.土壤渗滤法中污水中的P 主要通过土壤吸附、进而与金属离子形成化学沉淀得到去除[2].本研究中进水的TP 从5提高至11mg ・L -1左右,而出水中TP 含量极低,在氯化亚锡还原光度法的检测下限(0.025mg ・L -1)以下,TP 的去除率几乎达到100%,从土柱实验开始至7个工况结束的近一年实验中一直保持着如此高的TP 去除率.2.2　土壤酶活性分析脲酶能酶促尿素生成NH 3和CO 2,它的专性很强,进入土壤中的尿素只有在脲酶存在下才能水解[21].用于填柱的复旦花园土的脲酶初始活性为116.8μg ・g -1・d -1,经过两个月的低浓度人工配水(氮以NH 32N 的形式存在)驯化和第一工况进水后,活性下降到了10μg ・g -1・d -1以下(如图3(a )示).这主要是由于花园土中植物根系的存在能够向土壤中大量分泌脲酶[17];而驯化和第一工况的配水,大大限制了脲酶活性的表达,导致工况Ⅰ结束时所取土样的活性不足填柱时的1/10.此外,土柱中无植物根系的存在和配水可能导致的土壤微生物构成的变化也会影响到脲酶活性的表达.随着进水NH 32N,T N 浓度的提升,不同深度土壤的脲酶活性都有一定程度的提高;尤其是当工况Ⅴ条件下、进水T N 为75.18mg ・L -1时,3个深度处土壤的脲酶活性达到了最大值,分别是73.3,65.7,38μg ・g -1・d -1(如图3(a )示).虽然脲酶是一种酶促尿素降解的专性酶,但在仅提高进水NH 32N 的情况下(工况Ⅴ与工况Ⅳ相比),其活性却也有很大的提高.这可能与系统中氮元素的有效转化、磷元素含量提高进而刺激了土壤微生物活性有关.而工况Ⅵ与工况Ⅴ相比,进水T N 继续提高到了92.14mg ・L -1,3个深度处的脲酶活性却有明显下降.这可能是由于水温的急剧降低(平均温度由工况Ⅴ的18℃下降至工况Ⅵ的10℃左右),造成土壤温度的下降,抑制了释放酶类的微生物活性和土壤中已存在的脲酶活性的表达.而工况Ⅶ虽然进水T N 下降至26.52mg ・L -1,但由于运行的平均温度在22℃左右,表层脲酶活性较工况Ⅵ有一定的提高.由此可见,土壤脲酶活性与土壤微生物、进水水质以及环境温度之间有着密切的关系,其具体机理与原因尚待进一步的深入研究.硝酸盐还原酶(NAR )能酶促土壤中的NO 3-2N 还原成NO 2-2N,同时它还参与土壤中铁的还原[21].系统NAR 活性变化如图3(b )所示.从图3(b )可以看出,不同的工况下,中层土壤的NAR 活性变化不大,而表层和底层的活性变化较大,其变化趋势基本相同.同填柱时的土样NAR 活性(0.322mg ・g -1・d -1)相比,不同深度处土壤NAR 活性都有一定程度的提高.其中,表层土壤的NAR 活性最大.这可能是因为土柱表层硝化作用明显,土壤溶液中NAR 的催化基质NO 3-2N 与土柱下层相比含量高,而且反硝化所需的碳源充足,有利于NAR 活性的表达.一些研究者对不同深度的草原土壤的反硝化作用强度的监测实验也得到了相似的结论[23].与脲酶活性对温度的敏感程度相比,NAR 受温度的影响相对较小.工况Ⅵ运行结束时表层NAR 活性较工况Ⅴ还有所增强,而中层和底层的NAR 活性只是略有下降.亚硝酸盐还原酶(N I R )能酶促土壤中的NO 2-2N 还原成NO,是反硝化途径的关键酶,因为它催化的是从土壤固定态N 向气态N 转化的过程[24].系统的N I R 活性变化情况如图3(c )所示.从图3(c )中可以看出不同土层N I R 活性大小的顺序大体上为:中层>表层>底层.与NAR 活性大小的分布有所不同,中间土层的N I R 活性最强.这是因为N I R 催化的基质NO 2-2N 是NAR 催化反应的产物,两种酶催化的反应69复旦学报(自然科学版)第48卷是一个相继进行的过程,因此出现最强N I R 活性的土壤深度与NAR 的相比有一定的空间差异,前者较后者深.N I R 活性同样受到温度的影响,工况Ⅴ和Ⅵ的活性与前几个工况相比有一定程度的下降.但与填柱时土样(未检测出N I R 活性)相比,这些工况条件下的N I R 活性都有所提高.反硝化酶(NAR,N I R )活性的变化,一定程度上可以反映系统反硝化作用的变化情况,对系统的出水水质有一定的影响.图3　系统中土壤酶活性变化情况:(a )脲酶;(b )硝酸盐还原酶(NAR );(c )亚硝酸盐还原酶(N I R )Fig .3　Changes of enzy me activities at different dep ths of s oils of the syste m:(a )U rease;(b )NAR;(c )N I R2.3　系统脱氮效果与土壤酶活性的相关性分析表2列出了不同工况下进出水的T N 浓度和T N 去除率,通过2.2节的初步分析可知土壤酶活性与水质净化存在着一定关系,但是否显著并不清楚.表2　土柱试验各工况进出水TN 浓度和TN 去除率Tab .2　T N re moval perfor mance f or the seven arranged runs工　况ρT N/mg ・L -1进　水出　水η去除/%Ⅰ20.761.3493.5Ⅱ32.831.3995.8Ⅲ40.110.9897.6Ⅳ50.521.1197.8Ⅴ75.180.9598.7Ⅵ92.141.0798.8Ⅶ26.520.7797.1 在运用SPSS 软件对每一工况的平均进、出水水质和相应的土壤酶活性进行了Pears on 相关性分析后发现(如表3所示),各层脲酶活性与系统去除的T N 量,T N 去除率之间存在着正相关关系,尤其是中层和底层脲酶活性与系统T N 去除率之间的正相关性是显著的(p <0.05);此外,底层脲酶活性与系统去除的T N 量之间也存在着显著正相关关系(p <0.05).即脲酶活性越大,系统的T N 去除率越高,去除的T N 量也越多.这说明了在土壤渗滤系统脱氮过程中,脲酶发挥了重要作用,它能促进有机氮向无机氮的转化,使系统脱氮能力增强.这与其他一些作者对人工湿地污水净化系统的研究结果相吻合[14217].在实际的污水净化工程中,为了缩短土地处理系统的驯化期,提高系统的脱氮能力,可以考虑向系统土壤添加外源脲酶固定化制剂,这将有利于提高系统处理能力和对氮类物质的净化能力.经过对反硝化过程至关重要的两种酶活性(N I R 、NAR )与系统脱氮效果的相关性分析(表3),发现底层N I R 活性与出水的NO 3-2N 和T N 浓度之间存在着极显著的负相关关系(p <0.01),其Pears on 相关系数分别为-0.907,-0.926.即N I R 活性越高,出水T N 越低,系统脱氮效果越好.而各层的NAR 活性与出水NO 3-2N 和T N 浓度之间的负相关关系并不显著(p >0.05).这说明了底层N I R 在系统的反硝化过程中起着至关重要的作用,关系到系统出水的脱氮效果.底层N I R 活性与出水NO 3-2N ,T N 浓度之间的显著负相关关系(p <0.01)正好说明了这一点.79　第1期黄映恩等:土壤渗滤系统中土壤酶活性与系统脱氮效果的关系研究89复旦学报(自然科学版)第48卷表3　土壤酶活性和进出水中部分氮指标的Pearson相关系数Tab.3　Pears on correlati on coefficients bet w een s oil enzy matic activities ands ome nitr ogenous indices of influent or effluentr项　目T N去除率T N去除量出水NO3-2N浓度出水T N浓度表层脲酶0.7010.566-0.539-0.637中层脲酶0.76630.647-0.568-0.568底层脲酶0.84230.8413-0.453-0.533表层硝酸盐还原酶-0.435-0.472-0.0060.116中层硝酸盐还原酶-0.007-0.433-0.430-0.226底层硝酸盐还原酶-0.451-0.480-0.0610.123表层亚硝酸盐还原酶0.192-0.375-0.576-0.459中层亚硝酸盐还原酶-0.036-0.3660.1410.206底层亚硝酸盐还原酶0.6230.320-0.90733-0.92633 注:r表示Pears on相关系数;3表示0.05水平显著,33表示0.01水平显著.上述相关性分析说明脲酶和N I R活性与系统脱氮能力之间存在显著的相关性,因此可以将这两种酶作为指示系统脱氮效果的重要指标.通过对土壤酶活性的测定,有可能建立起快速高效的土壤渗滤系统去除效果的评价模式和体系.参考文献:[1]　孔　刚,许昭怡,李华伟,等.地下土壤渗滤法净化生活污水研究进展[J].土壤,2005,37(3):2512257.[2]　王书文,刘庆玉,焦银珠,等.生活污水土壤渗滤就地处理技术研究进展[J].水处理技术,2006,32(3):5210.[3]　Kadam A,Oza G,Ne made P,et al.Munici pal waste water treat m ent using novel constructed s oil filter syste m[J].Che m 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pacial distributi on of enzy mes in s oil matrix .The results showed that:①under 0.01m 3・m -2・d -1of hydraulic l oading rate,nitr ogenous and phos phorus substances were re moved effectivelywith C OD,NH 32N,T N and TP re movals being greater than 90%;②a significant positive relati onshi p could be f ound bet w een the urease activities at m iddle or bott om layer and T N re moval rate .Besides,a significant negative relati onshi pexisted bet w een the nitrite 2reductase (N I R )activity at bott om layer and effluent NO 3-2N or T N concentrati on .Howev 2er,no re markable correlati on could be f ound bet w een the nitrate 2reductase (NAR )activity and nitr ogen re moval .Thus the activities of the for mer t w o enzy mes (urease and N I R )can be used as indicat ors of the syste m πs perfor mance of nitr o 2gen removal fr o m the results obtained .Keywords:s oil infiltrati on;nitr ogen removal;urease;nitrite 2reductase (N I R );nitrate 2reductase (NAR )99　第1期黄映恩等:土壤渗滤系统中土壤酶活性与系统脱氮效果的关系研究。