污染水體治理與修復(fù)中脲酶和磷酸酶的監(jiān)測及其應(yīng)用

崔 偉 黃民生 何 巖 張 勇

華東師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)系 （上海 200062）

污染水體治理與修復(fù)中脲酶和磷酸酶的監(jiān)測及其應(yīng)用

崔 偉 黃民生 何 巖 張 勇

華東師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)系 （上海 200062）

氮和磷是污染水體治理與修復(fù)中人們比較關(guān)注的兩種營養(yǎng)元素，而脲酶和磷酸酶的活性與氮和磷在水體中的轉(zhuǎn)換具有很大的相關(guān)性。脲酶和磷酸酶的監(jiān)測對分析水體中氮磷污染物的轉(zhuǎn)化過程、解析水體富營養(yǎng)化機(jī)理、緩減水體藻華暴發(fā)以及污水生態(tài)凈化系統(tǒng)的優(yōu)化構(gòu)建和運行具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。綜述了脲酶和磷酸酶的一般監(jiān)測方法以及污染水體治理過程中脲酶和磷酸酶的相關(guān)研究及其應(yīng)用。

污染水體 治理與修復(fù) 脲酶 磷酸酶 監(jiān)測和應(yīng)用

中國分類號 TQ 106.3+5

隨著我國城市化進(jìn)程的加快及人口的不斷增多，用水量急劇增加，大量工農(nóng)業(yè)廢水及生活污水排入江河湖海。水質(zhì)污染導(dǎo)致水體的生態(tài)系統(tǒng)被嚴(yán)重破壞，自凈能力減弱甚至喪失，被污染的水體直接或間接地危及了人類的身體健康，影響了人類的生產(chǎn)和生活。

在水體污染物的研究中，人們比較關(guān)注氮和磷這兩種營養(yǎng)元素。這是因為一方面氮和磷是水生生物所需的營養(yǎng)元素，另一方面氮和磷過量又會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。氮和磷在水體中轉(zhuǎn)換與脲酶和磷酸酶的活性又具有一定的相關(guān)性，它們是比較受關(guān)注的兩種土壤酶。我國研究土壤酶開始于上個世紀(jì)60年代初，主要研究了土壤酶與微生物的關(guān)系、用土壤酶活性評價農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的經(jīng)濟(jì)效果，鑒別土壤類型和肥力水平、土壤酶與土壤污染的自凈、土壤酶抑制劑的篩選等，但是研究對象大多集中于農(nóng)業(yè)土壤和森林土壤[1-4]。而國內(nèi)外關(guān)于脲酶和磷酸酶的監(jiān)測在污染水體治理與修復(fù)方面的應(yīng)用研究卻相對較少，主要集中在濕地生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶的研究。污染水體治理與修復(fù)中脲酶和磷酸酶的監(jiān)測是非常必要的，為此，本文綜述了污染水體治理與修復(fù)中脲酶和磷酸酶的監(jiān)測及其應(yīng)用。

1 脲酶和磷酸酶活性監(jiān)測的一般方法

1.1 脲酶活性監(jiān)測的一般方法

脲酶能酶促尿素水解生成NH3、CO2及H2O。

因此為了測定脲酶活性，可以根據(jù)由剩余量計算出的基質(zhì)分解量釋放出的NH3量或CO2釋放量來進(jìn)行測定。土壤脲酶活性常用1 g土，在37℃，培養(yǎng)24 h釋放出的NH3-N的毫克數(shù)表示。

一般方法有擴(kuò)散法（以尿素為基質(zhì)，酶促生成的氨用蒸汽蒸餾出，用酸吸收，堿滴定，然后計算氨量來表征酶活性）、奈氏比色法（以尿素為基質(zhì)，酶促水解后所生成的氨在強堿性溶液中與奈氏試劑起反應(yīng)生成黃色的碘化雙汞銨，所生成的黃色深度與氨含量相關(guān)）、靛酚比色法（以尿素為基質(zhì)，酶促水解生成的氨與酚類化合物起反應(yīng)能生成藍(lán)色的靛酚，顏色深度與氨含量相關(guān)）、尿素含量剩余法（基于尿素能與對二甲基氨基苯甲醛起反應(yīng)，呈橙色，因而可以求出酶促反應(yīng)后殘余的基質(zhì)量，從而計算出分解的尿素量來表征酶活性）。

1.2 磷酸酶活性監(jiān)測的一般方法

磷酸酶是一種能酶促磷酸酯水解的酶，當(dāng)酶促作用時能釋放出正磷酸。

為了測定磷酸酶的活性，可以根據(jù)酶解所釋放出的有機(jī)基團(tuán)量，或釋放出的無機(jī)磷的量來進(jìn)行監(jiān)測。常用于測定磷酸酶的基質(zhì)有酚酞磷酸鈉、硝基苯磷酸鈉、磷酸苯二鈉、甘油磷酸鈉、α-萘酚磷酸鈉或β-萘酚磷酸鈉等水解性鹽類。土壤酶的測定方法有基于測定無機(jī)磷的方法，也有基于測定基質(zhì)有機(jī)部分的方法。其中以測定基質(zhì)有機(jī)部分的方法較為簡便。通常以1 g土壤作用于基質(zhì)24 h釋放的P2O5量，或釋放出基質(zhì)有機(jī)部分量來表示磷酸酶活性。

微生物的數(shù)量和酶活性具有一定的相關(guān)性，特別是異養(yǎng)細(xì)菌與脲酶和磷酸酶的關(guān)系明顯，有研究證實[5]在上海市夢清園蘆葦濕地中起作用的磷酸酶和脲酶主要來自異養(yǎng)細(xì)菌，人工投加菌劑和酶制劑對于提高其中微生物和酶活水平具有明顯作用，其中的硝化細(xì)菌和脲酶在氨氮轉(zhuǎn)化中發(fā)揮了主要作用。

2 污染水體治理與修復(fù)中脲酶和磷酸酶的監(jiān)測意義

酶是一種生物催化劑，能加速濕地中有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。各種酶的積累是基質(zhì)微生物、基質(zhì)動物和植物根系生命活動的結(jié)果，它們參與眾多生物化學(xué)過程，如腐殖質(zhì)的合成和分解，有機(jī)化合物、高等植物和微生物殘體的水解及轉(zhuǎn)化成為可利用的形態(tài)，以及氧化還原反應(yīng)等[6]。脲酶和磷酸酶是污染水體治理與修復(fù)中比較重要的兩種水解酶，與污染水體中氮和磷的轉(zhuǎn)化具有很大的相關(guān)性。經(jīng)各種途徑進(jìn)入水體的氮、磷等營養(yǎng)元素，相當(dāng)一部分沉積到底泥中。水生植物的生長會吸收部分營養(yǎng)成分，其余大部分仍與水體保持動態(tài)平衡。當(dāng)水體污染源得到一定控制后，氮、磷則可能主要來自底泥的釋放，嚴(yán)重時可造成水體富營養(yǎng)化。因此，污染水體治理與修復(fù)中脲酶和磷酸酶的監(jiān)測對分析水體中氮磷污染物的轉(zhuǎn)化過程、解析水體富營養(yǎng)化機(jī)理以及減緩水體藻華爆發(fā)具有重要的理論意義和應(yīng)用價值，在分析和評價人工濕地凈化氮磷污染物的過程和效能中具有重要的作用。

3 污染水體治理與修復(fù)中脲酶和磷酸酶的監(jiān)測及其應(yīng)用

脲酶活性與磷酸酶活性是間接反應(yīng)植物對氮、磷吸收能力強弱的主要指標(biāo)之一，因此可以作為生活污水處理濕地植物篩選與評價的指標(biāo)之一。陳永華等[7]以17種濕地植物為材料，在綜合應(yīng)用原有各種濕地植物篩選與評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加植物逆境酶和基質(zhì)酶（基質(zhì)脲酶活性與磷酸酶活性），作為凈化潛力的評價指標(biāo)，得出的結(jié)果與其他學(xué)者研究結(jié)果基本一致。此外脲酶活性與磷酸酶活性在一定條件下還可以作為判斷人工濕地養(yǎng)殖廢水處理效能的指標(biāo)之一。曾夢兆[8]對人工濕地基質(zhì)磷酸酶、脲酶等活性與養(yǎng)殖廢水凈化效果的關(guān)系進(jìn)行了研究。就養(yǎng)殖廢水中幾種主要污染物的去除而言，磷酸酶活性與總磷（TP）的去除率呈極顯著正相關(guān)，脲酶活性分別與總氮TN、NO2-N去除率分別呈極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)。研究結(jié)果為選配濕地植物、評價和提高濕地凈化效果提供了理論依據(jù)。一些學(xué)者還對脲酶和磷酸酶活性與污水凈化系統(tǒng)中的氮磷轉(zhuǎn)化過程的相關(guān)性進(jìn)行了研究?？琢岬萚9]通過對人工濕地中植物根系活性和酶活性的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在人工濕地中，脲酶與的去除密切相關(guān)，磷酸酶活性與TP和SRP（溶磷）的去除呈正相關(guān)。結(jié)果表明：脲酶和磷酸酶對人工濕地中和磷的去除可能起著重要作用。李甲亮[10]等以黃河三角洲某濕地處理系統(tǒng)為例，測定了造紙廢水灌溉蘆葦濕地過程中酶活性動態(tài)變化及其與廢水污染物的去除率、基質(zhì)微生物的相關(guān)性。此研究為確定該工藝是否適用于灌溉廢水的處理提供了參考依據(jù)。脲酶和磷酸酶等土壤酶的分解作用普遍被認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物質(zhì)整個分解過程的限制性步驟，控制著濕地生態(tài)的物質(zhì)循環(huán)[11]。有研究表明[12]土壤酶活性的大小影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能，常常作為指示濕地物質(zhì)分解循環(huán)過程強度很重要的指標(biāo)。

3.1 污染水體治理與修復(fù)中脲酶的監(jiān)測及其應(yīng)用

脲酶是線性酰胺的C-N鍵(非肽)的水解酶，其作用是極為專性的，它能水解尿素，水解的最終產(chǎn)物是氨和碳酸。土壤的脲酶活性與土壤的微生物數(shù)量、有機(jī)物質(zhì)含量、全氮和速效氮含量呈正相關(guān)[13]。

蔡丹丹、田秀平[14]等以天津市東麗區(qū)和西青區(qū)養(yǎng)殖池塘為對象，分析了底泥中脲酶活性與底泥和上覆水中含量之間的關(guān)系及不同處理對脲酶活性的影響。試驗結(jié)果表明：在養(yǎng)殖水體中加入脲酶抑制劑、沸石及除磷脫氮的芽孢桿菌均能抑制脲酶活性，從而減少上覆水中的含量，并且以加入脲酶抑制劑效果最好，試驗結(jié)果對控制養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化、促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

濕地的脲酶活性規(guī)律可以從一個側(cè)面反映濕地含氮物質(zhì)的內(nèi)在反應(yīng)和降解動力學(xué)。因此，脲酶活性的監(jiān)測是揭示人工濕地脫氮機(jī)理和效能的重要手段。黃娟[15]等通過對潛流濕地脲酶活性的測定，揭示濕地脲酶活性的分布規(guī)律，探討潛流型人工濕地脫氮機(jī)制及利用酶活性評價人工濕地凈化效果和優(yōu)選植物的可行性，為優(yōu)化構(gòu)建人工濕地和提高其污染物處理效能提供了理論依據(jù)。

國內(nèi)有研究酸性磷酸酶活性與濕地土壤活性有機(jī)碳表征指標(biāo)間成顯著正相關(guān)的關(guān)系[16]，酶活性增加可以提高有效碳庫量，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的礦化速率。

3.2 污染水體治理與修復(fù)中磷酸酶監(jiān)測及其應(yīng)用

堿性磷酸酶作為水體一種重要的酶類，在水體磷循環(huán)過程中具有關(guān)鍵的作用。當(dāng)水體磷營養(yǎng)缺乏時，浮游植物和細(xì)菌經(jīng)誘導(dǎo)作用產(chǎn)生大量磷酸酶，并通過酶的催化作用水解水體中的有機(jī)磷，釋放出無機(jī)磷。當(dāng)水體磷營養(yǎng)充足時，酶的合成則受到抑制[8-9]。研究表明：每年海洋中初級生產(chǎn)力所消耗的氮、磷等營養(yǎng)鹽中，99%最終是由再循環(huán)過程提供的，而這部分由再循環(huán)過程提供的氮、磷營養(yǎng)鹽80%是由原位的再循環(huán)提供的[10]。湖泊水體中磷酸鹽的含量受藻類的自然生長過程的影響變化很快，而堿性磷酸酶這種特殊的“誘導(dǎo)和抑制”機(jī)制對湖泊水體藻類的生長具有極其重要的作用。

高光等[17]通過對1998年5月～1999年5月的太湖梅梁灣水體中堿性磷酸酶活性及其他水化學(xué)因子的同步實地監(jiān)測，初步探討了富營養(yǎng)化較嚴(yán)重的太湖梅梁灣湖區(qū)的堿性磷酸酶活性的時空變化規(guī)律及其與藻類水華的相關(guān)性。研究表明：水體中各種形態(tài)磷之間的轉(zhuǎn)化非常快，在磷的循環(huán)、轉(zhuǎn)化過程中，堿性磷酸酶的作用至關(guān)重要。

可通過對堿性磷酸酶活性高低變化的監(jiān)測來評價一種工程措施是否會對水體富營養(yǎng)化帶來影響。例如，李香華[18]等通過對2003年7月～9月引江濟(jì)太期間太湖水體中堿性磷酸酶活性的測定，初步探討了太湖水體在引入長江水之后，其堿性磷酸酶活性的變化趨勢，以及堿性磷酸酶活性與營養(yǎng)鹽、葉綠素含量之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明引江濟(jì)太雖然引入高磷濃度的長江水，但并沒有加重太湖水體的藻華。從研究結(jié)果也可以看出，貢湖灣引入長江水后，藻華并沒有大量暴發(fā)。因此，從這一角度來講，引江濟(jì)太對緩減太湖藻華暴發(fā)是有利的。

磷酸酶作為水環(huán)境中磷的指示劑已經(jīng)被廣泛接受。不僅如此，磷酸酶還與水環(huán)境當(dāng)中的浮游植物和水生細(xì)菌密切相關(guān)。侯燕松[19]等通過對養(yǎng)殖池塘中堿性磷酸酶活性的監(jiān)測，研究利用人工濕地凈化養(yǎng)殖廢水效果和評價養(yǎng)殖池塘的水質(zhì)狀態(tài)和營養(yǎng)水平的可能性。

4 結(jié)束語

綜上所述，脲酶和磷酸酶是氮和磷在水體中轉(zhuǎn)換過程中的關(guān)鍵酶，其活性作為一個反映水體中生物活性和相關(guān)污染物轉(zhuǎn)化效能的指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于上述各個領(lǐng)域。通過監(jiān)測脲酶和磷酸酶活性，可以為研究水體富營養(yǎng)化機(jī)理、減緩水體藻華暴發(fā)以及優(yōu)化人工濕地的構(gòu)建與運行提供科學(xué)依據(jù)。

隨著污染水體治理與修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)研究和推廣應(yīng)用工作的不斷深入進(jìn)行，對脲酶和磷酸酶的監(jiān)測方法也提出了更新和更高的要求。國內(nèi)研究人員對脲酶和磷酸酶的監(jiān)測做了一定量的工作，取得了一定的進(jìn)展，并在科研和生產(chǎn)中推廣和應(yīng)用。但是對脲酶和磷酸酶監(jiān)測結(jié)果的解析及其應(yīng)用價值有關(guān)方面課題還不夠豐富和廣泛，值得深化和拓展。隨著這項工作的深入開展，必將對水體污染的治理與修復(fù)起到積極的推動作用。

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崔 偉 女 1980年生 碩士研究生 從事水處理技術(shù)方向的研究

2010年7月