植物對(duì)河濱人工護(hù)坡基質(zhì)上生物膜酶活的影響

趙靜巖，吳繼業(yè)，王強(qiáng)強(qiáng)，葛利云，葉盛，彭路菊，鮑根蓮，鐘銘晨，鄧歡歡

(1.溫州醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生與管理學(xué)院，浙江 溫州 325035； 2.浙南水科學(xué)研究院，浙江 溫州 325035； 3.上海海庭環(huán)境工程有限公司，上海 200092； 4.溫州醫(yī)科大學(xué) 檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，浙江 溫州 325035； 5.龍灣區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，浙江 溫州 325035； 6.浙江中藍(lán)環(huán)境科技有限公司，浙江 溫州 325035)

生物膜是由自養(yǎng)微生物(藻類等)或異養(yǎng)微生物(病毒、細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物等)構(gòu)成的聚合體，它聚集在固-液交界處，并包裹于含水量較高的胞外聚合物中[1-2]。張亮等[3-4]的研究顯示，土壤微生物是土壤酶的主要來源，土壤酶活性與土壤微生物種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量密切相關(guān)，我們有理由認(rèn)為，生物膜的酶活性也主要來源于其自身的微生物。這些微生物具有的磷酸酶、脲酶和脫氫酶活性可以將水體中的污染性有機(jī)物分解為無機(jī)物，因此，其酶活性大小可以從一定程度上指示水體的自凈能力。本文針對(duì)種植植物對(duì)基質(zhì)上生物膜酶活的影響進(jìn)行了深入研究，試驗(yàn)以上方種植再力花的新型人工基質(zhì)M為試驗(yàn)組，未種植再力花的新型人工基質(zhì)N為對(duì)照組，研究兩組基質(zhì)表面生物膜酶活的差異[5]，探討在基質(zhì)上種植再力花是否有利于填料的污水凈化能力，為提高河道自凈能力提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 新型人工基質(zhì)

引入的新型人工基質(zhì)是聚氯乙烯或聚丙烯經(jīng)亂絲熱熔相互搭接，再經(jīng)模具擠壓成型的三維網(wǎng)狀材料(圖1)，試驗(yàn)所用基質(zhì)的規(guī)格均為100 cm×30 cm×100 cm。

圖1 新型人工基質(zhì)

1.1.2 植物材料

再力花(ThaliadealbataFraser)為竹芋科多年生挺水草本植物。

1.1.3 主要試劑

甲苯、0.5%磷酸苯二鈉溶液、0.3%鋁鉀礬溶液、硼酸緩沖液、氯代溴苯醌亞胺試劑、磷酸緩沖液、10%尿素溶液、1 mol·L-1KCl溶液、25%酒石酸鉀鈉、納氏試劑、Tris-HCl緩沖液、0.1 mol·L-1葡萄糖溶液、0.5% TTC、濃硫酸、蒸餾水等。

1.1.4 主要儀器設(shè)備

pH計(jì)、離心機(jī)、分析天平、振蕩培養(yǎng)箱、立式蒸汽壓力滅菌鍋、超聲波清洗機(jī)、恒溫干燥箱、恒溫水浴鍋、紫外-可見分光光度計(jì)(SHIMADZU，UV2450)、熒光分光光度計(jì)(HITACHI，F(xiàn)4500)、便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國金泉，YSI556MPS)、自動(dòng)酶標(biāo)儀(美國Thermo，Multiskan MK3)、流動(dòng)注射分析儀(德國Bran Luebbe，AA3)、隔水式培養(yǎng)箱、雙目倒置式生物顯微鏡、酶標(biāo)檢測儀等[6-7]。

1.2 方法

1.2.1 處理設(shè)計(jì)

以溫州某大學(xué)校內(nèi)河為試驗(yàn)河流選段，比較分析再力花在不同季節(jié)(5、8、11、1月)對(duì)新型人工基質(zhì)上生物膜磷酸酶、脲酶和脫氫酶活性的影響。在同一河段內(nèi)放置新型人工基質(zhì)M(上方種植再力花)和新型人工基質(zhì)N(未種植再力花)，基質(zhì)上表面與水面齊平(試驗(yàn)時(shí)基質(zhì)已放置約15個(gè)月)。

1.2.2 樣品采集與處理

取樣方式如圖2所示。分別在M、N基質(zhì)的20和50 cm處截取兩塊規(guī)格約為10 cm×30 cm×10 cm的小塊基質(zhì)，記為M20、M50和N20、N50。將小塊基質(zhì)放入500 mL燒杯中，用蒸餾水洗去其表面附著的非生物雜質(zhì)后，再加入約300 mL蒸餾水，用物理法使表面生物膜剝落。超聲處理15 min后(超聲頻率50 Hz)，將溶液轉(zhuǎn)移到1 000 mL錐形瓶中，加入適量微型玻璃珠，室溫下充分震蕩15 min得到均勻的生物膜混合液，作為后續(xù)試驗(yàn)樣品備用。

圖2 取樣方式

1.2.3 生物膜干重測定

1.2.4 磷酸酶活性測定

基質(zhì)磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉法[9]，以1 g生物膜24 h釋放出酚的量表示酶活性。

1.2.5 脲酶活性測定

基質(zhì)脲酶活性的測定采用奈氏比色法[9]，以1 g生物膜每48 h釋放出氨的量表示酶活性。

1.2.6 脫氫酶活性測定

基質(zhì)脫氫酶活性測定采用TTC-脫氫酶測定法[10]，以1 g生物膜每小時(shí)產(chǎn)生1 μg三苯基甲臜(TF)的量作為1個(gè)酶活力單位。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

采用Origin Pro 9.1軟件和AutoCAD 2012軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 同水平面上M、N基質(zhì)生物膜干重的對(duì)比

生物膜干重反映的是生物膜總量，是生物膜參數(shù)中最為常用的指標(biāo)。研究表明，種植不同植物和不同入水深度的基質(zhì)上的微生物群落具有不同的群落結(jié)構(gòu)和代謝特性[11]。如圖3所示，春、冬兩季基質(zhì)表面生物膜干重均為種植再力花組高于不種植再力花組，即M50>N50，其中冬季種植再力花的新型人工基質(zhì)表面生物膜干重約為未種植植物再力花基質(zhì)表面干重的2倍。秋、冬季節(jié)基質(zhì)表面的生物膜干重均呈現(xiàn)N20較M20高，究其原因可能是再力花枝葉較大，遮擋了日光對(duì)水面下基質(zhì)的照射，而生物膜的厚度和干重與入射光強(qiáng)相關(guān)，導(dǎo)致種植再力花的M組基質(zhì)表面生物量略低于N組。黨楠[12]的研究也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。一年四季總體上表現(xiàn)為冬季生物膜干重最高。

a和b表示同一季節(jié)的M組和N組數(shù)據(jù)有顯著差異，圖4～6同。圖3 不同季節(jié)M、N基質(zhì)生物膜干重的變化

2.2 同一水平面上M、N基質(zhì)生物膜酶活性的對(duì)比

2.2.1 磷酸酶活性變化

本試驗(yàn)測定的磷酸酶是一種能將對(duì)應(yīng)底物去磷酸化的堿性磷酸酶，即可通過水解磷酸單酯將底物分子的磷酸基團(tuán)除去，并生成磷酸根離子和羥基自由基[5,13-14]。如圖4所示，除春季外，種植植物比未種植植物的新型人工基質(zhì)表面的磷酸酶活性均有明顯增高，即M>N，這與李宏[15]的研究結(jié)果一致。其中，夏季M20與N20的差值最大，其M、N組樣本基質(zhì)的磷酸酶活性差異表現(xiàn)為20 cm處比50 cm處更加明顯，原因是淺位點(diǎn)受陽光直射效果較好，溫度和濕度等環(huán)境條件可使堿性磷酸酶的酶活性保持在較高水平。

圖4 不同季節(jié)M、N基質(zhì)生物膜磷酸酶活性變化

2.2.2 脲酶活性變化

脲酶的主要作用是將水中的有機(jī)物質(zhì)催化分解為氨態(tài)氮，植物可吸收利用這些含氮無機(jī)鹽，并且其代謝產(chǎn)物能夠促進(jìn)根際微生物生長，刺激脲酶的合成及活性增強(qiáng)[5,16-17]。

如圖5所示，基質(zhì)表面脲酶活性總體上呈現(xiàn)M50>N50；在夏季，M20顯著高于N20；冬季基質(zhì)表面的脲酶活性整體上處于較低水平，且種植植物的M組基質(zhì)酶活反而下降。姚健等[18]研究證明，土壤酶活性隨季節(jié)變化有明顯的規(guī)律，不同類酶的變化有些許差別，但總體上表現(xiàn)為冬季酶活性最低，春季上升，夏秋季活性較高。由此推測水體中基質(zhì)表面生物膜酶活性也有相似特點(diǎn)，冬季低溫會(huì)抑制脲酶的活性，再加上冬季再力花枯萎，根系無法起到促進(jìn)脲酶活性的作用。除個(gè)別情況M組相對(duì)N組的脲酶活性有小幅下降外，總體上均呈現(xiàn)種植植物的M組基質(zhì)表面脲酶活性明顯高于不種植植物的N組。

圖5 不同季節(jié)M、N基質(zhì)生物膜脲酶活性變化

2.2.3 脫氫酶活性變化

脫氫酶屬氧化還原酶類,能酶促有機(jī)物質(zhì)脫氫，起著氫的中間轉(zhuǎn)化傳遞作用，因此，脫氫酶活性可作為微生物氧化還原系統(tǒng)的指標(biāo)，反映處理體系內(nèi)活性微生物的量及其對(duì)有機(jī)物的降解活性，以評(píng)價(jià)降解性能[19-21]。本試驗(yàn)脫氫酶測定采用TTC法，該法主要選用無色的氯化三苯基四氮唑(TTC)作為人為受氫體，受氫后生成深淺不同的紅色TF，TF顏色越深，說明脫氫酶活性越高。

如圖6所示，春、夏、秋三個(gè)季節(jié)在20、50 cm兩個(gè)水平面取樣的新型人工基質(zhì)表面脫氫酶活性均表現(xiàn)為種植植物的一組高于未種植植物的對(duì)照組，即M>N；秋季種植物的M基質(zhì)顯著高于未種植物的N基質(zhì)。李今[22]的研究表明，基質(zhì)脫氫酶活性空間分布規(guī)律與生物膜生物量的積累趨勢(shì)有一致性。但本研究結(jié)果顯示，在冬季基質(zhì)表面生物膜干重最大，整體脫氫酶活性卻偏低，究其原因可能是1月氣溫較低，抑制了脫氫酶的活性[20,23](生物膜脫氫酶活性的適宜溫度為38 ℃)。

圖6 各季節(jié)同一水平面上M、N基質(zhì)生物膜 脫氫酶活性變化

3 小結(jié)

本研究對(duì)同一河段中種植再力花的新型人工基質(zhì)和未種植再力花的新型人工基質(zhì)上生物膜的磷酸酶、脲酶和脫氫酶活性以及微生物總量進(jìn)行測定。結(jié)果表明，微生物量總體上表現(xiàn)為種植植物的新型人工基質(zhì)高于未種植植物的新型人工基質(zhì)，且冬季生物量最大，春季最少；四個(gè)季節(jié)的磷酸酶、脲酶、脫氫酶活性均是在種植植物的較高，且植物對(duì)磷酸酶和脲酶活性的促進(jìn)作用在夏季較為顯著，對(duì)脫氫酶活性的促進(jìn)作用在秋季較為顯著。在新型人工基質(zhì)上種植植物可為微生物生長繁殖提供更多的養(yǎng)料和更合適的生存環(huán)境，從而增加微生物數(shù)量，也使其酶活增強(qiáng)。結(jié)果表明，在基質(zhì)上種植植物可通過提高基質(zhì)上生物膜的酶活，從而增強(qiáng)河道的自凈能力，改善水體微環(huán)境。本試驗(yàn)的研究內(nèi)容是城市濱水岸帶新型人工基質(zhì)修復(fù)技術(shù)研究的一部分，放置種植植物的新型人工基質(zhì)能很好地避免河流生態(tài)作用降低、水質(zhì)惡化、生境喪失或被阻斷、物種減少等河流生態(tài)系統(tǒng)退化問題。

本研究著重從保護(hù)水的自然清潔和維持人與水環(huán)境和諧的角度去考慮問題，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)合適的近自然濱水岸帶建設(shè)技術(shù)，重新構(gòu)建生態(tài)位功能較為完善的城市內(nèi)河濱水岸帶結(jié)構(gòu)，對(duì)于城市河流水質(zhì)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)，重建自然生態(tài)景觀和促進(jìn)水生生態(tài)物種復(fù)育，具有多方面的重要意義。