污染水體治理與修復中脲酶和磷酸酶的監測及其應用

崔 偉 黃民生 何 巖 張 勇

華東師范大學環境科學系 （上海 200062）

污染水體治理與修復中脲酶和磷酸酶的監測及其應用

崔 偉 黃民生 何 巖 張 勇

華東師范大學環境科學系 （上海 200062）

氮和磷是污染水體治理與修復中人們比較關注的兩種營養元素，而脲酶和磷酸酶的活性與氮和磷在水體中的轉換具有很大的相關性。脲酶和磷酸酶的監測對分析水體中氮磷污染物的轉化過程、解析水體富營養化機理、緩減水體藻華暴發以及污水生態凈化系統的優化構建和運行具有重要的理論意義和應用價值。綜述了脲酶和磷酸酶的一般監測方法以及污染水體治理過程中脲酶和磷酸酶的相關研究及其應用。

污染水體 治理與修復 脲酶 磷酸酶 監測和應用

中國分類號 TQ 106.3+5

隨著我國城市化進程的加快及人口的不斷增多，用水量急劇增加，大量工農業廢水及生活污水排入江河湖海。水質污染導致水體的生態系統被嚴重破壞，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，影響了人類的生產和生活。

在水體污染物的研究中，人們比較關注氮和磷這兩種營養元素。這是因為一方面氮和磷是水生生物所需的營養元素，另一方面氮和磷過量又會導致水體富營養化。氮和磷在水體中轉換與脲酶和磷酸酶的活性又具有一定的相關性，它們是比較受關注的兩種土壤酶。我國研究土壤酶開始于上個世紀60年代初，主要研究了土壤酶與微生物的關系、用土壤酶活性評價農業技術措施的經濟效果，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業土壤和森林土壤[1-4]。而國內外關于脲酶和磷酸酶的監測在污染水體治理與修復方面的應用研究卻相對較少，主要集中在濕地生態系統中土壤酶的研究。污染水體治理與修復中脲酶和磷酸酶的監測是非常必要的，為此，本文綜述了污染水體治理與修復中脲酶和磷酸酶的監測及其應用。

1 脲酶和磷酸酶活性監測的一般方法

1.1 脲酶活性監測的一般方法

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，可以根據由剩余量計算出的基質分解量釋放出的NH3量或CO2釋放量來進行測定。土壤脲酶活性常用1 g土，在37℃，培養24 h釋放出的NH3-N的毫克數表示。

一般方法有擴散法（以尿素為基質，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，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生成黃色的碘化雙汞銨，所生成的黃色深度與氨含量相關）、靛酚比色法（以尿素為基質，酶促水解生成的氨與酚類化合物起反應能生成藍色的靛酚，顏色深度與氨含量相關）、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，呈橙色，因而可以求出酶促反應后殘余的基質量，從而計算出分解的尿素量來表征酶活性）。

1.2 磷酸酶活性監測的一般方法

磷酸酶是一種能酶促磷酸酯水解的酶，當酶促作用時能釋放出正磷酸。

為了測定磷酸酶的活性，可以根據酶解所釋放出的有機基團量，或釋放出的無機磷的量來進行監測。常用于測定磷酸酶的基質有酚酞磷酸鈉、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磷的方法，也有基于測定基質有機部分的方法。其中以測定基質有機部分的方法較為簡便。通常以1 g土壤作用于基質24 h釋放的P2O5量，或釋放出基質有機部分量來表示磷酸酶活性。

微生物的數量和酶活性具有一定的相關性，特別是異養細菌與脲酶和磷酸酶的關系明顯，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細菌，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，其中的硝化細菌和脲酶在氨氮轉化中發揮了主要作用。

2 污染水體治理與修復中脲酶和磷酸酶的監測意義

酶是一種生物催化劑，能加速濕地中有機物質的化學反應。各種酶的積累是基質微生物、基質動物和植物根系生命活動的結果，它們參與眾多生物化學過程，如腐殖質的合成和分解，有機化合物、高等植物和微生物殘體的水解及轉化成為可利用的形態，以及氧化還原反應等[6]。脲酶和磷酸酶是污染水體治理與修復中比較重要的兩種水解酶，與污染水體中氮和磷的轉化具有很大的相關性。經各種途徑進入水體的氮、磷等營養元素，相當一部分沉積到底泥中。水生植物的生長會吸收部分營養成分，其余大部分仍與水體保持動態平衡。當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，嚴重時可造成水體富營養化。因此，污染水體治理與修復中脲酶和磷酸酶的監測對分析水體中氮磷污染物的轉化過程、解析水體富營養化機理以及減緩水體藻華爆發具有重要的理論意義和應用價值，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中脲酶和磷酸酶的監測及其應用

脲酶活性與磷酸酶活性是間接反應植物對氮、磷吸收能力強弱的主要指標之一，因此可以作為生活污水處理濕地植物篩選與評價的指標之一。陳永華等[7]以17種濕地植物為材料，在綜合應用原有各種濕地植物篩選與評價指標的基礎上，增加植物逆境酶和基質酶（基質脲酶活性與磷酸酶活性），作為凈化潛力的評價指標，得出的結果與其他學者研究結果基本一致。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殖廢水處理效能的指標之一。曾夢兆[8]對人工濕地基質磷酸酶、脲酶等活性與養殖廢水凈化效果的關系進行了研究。就養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，脲酶活性分別與總氮TN、NO2-N去除率分別呈極顯著正相關和顯著正相關。研究結果為選配濕地植物、評價和提高濕地凈化效果提供了理論依據。一些學者還對脲酶和磷酸酶活性與污水凈化系統中的氮磷轉化過程的相關性進行了研究。孔玲等[9]通過對人工濕地中植物根系活性和酶活性的監測，發現在人工濕地中，脲酶與的去除密切相關，磷酸酶活性與TP和SRP（溶磷）的去除呈正相關。結果表明：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為例，測定了造紙廢水灌溉蘆葦濕地過程中酶活性動態變化及其與廢水污染物的去除率、基質微生物的相關性。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。脲酶和磷酸酶等土壤酶的分解作用普遍被認為是生態系統中有機物質整個分解過程的限制性步驟，控制著濕地生態的物質循環[11]。有研究表明[12]土壤酶活性的大小影響著濕地生態系統的功能，常常作為指示濕地物質分解循環過程強度很重要的指標。

3.1 污染水體治理與修復中脲酶的監測及其應用

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，水解的最終產物是氨和碳酸。土壤的脲酶活性與土壤的微生物數量、有機物質含量、全氮和速效氮含量呈正相關[13]。

蔡丹丹、田秀平[14]等以天津市東麗區和西青區養殖池塘為對象，分析了底泥中脲酶活性與底泥和上覆水中含量之間的關系及不同處理對脲酶活性的影響。試驗結果表明：在養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，試驗結果對控制養殖水體富營養化、促進養殖業生產提供了科學依據。

濕地的脲酶活性規律可以從一個側面反映濕地含氮物質的內在反應和降解動力學。因此，脲酶活性的監測是揭示人工濕地脫氮機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律，探討潛流型人工濕地脫氮機制及利用酶活性評價人工濕地凈化效果和優選植物的可行性，為優化構建人工濕地和提高其污染物處理效能提供了理論依據。

國內有研究酸性磷酸酶活性與濕地土壤活性有機碳表征指標間成顯著正相關的關系[16]，酶活性增加可以提高有效碳庫量，進而影響土壤有機碳的礦化速率。

3.2 污染水體治理與修復中磷酸酶監測及其應用

堿性磷酸酶作為水體一種重要的酶類，在水體磷循環過程中具有關鍵的作用。當水體磷營養缺乏時，浮游植物和細菌經誘導作用產生大量磷酸酶，并通過酶的催化作用水解水體中的有機磷，釋放出無機磷。當水體磷營養充足時，酶的合成則受到抑制[8-9]。研究表明：每年海洋中初級生產力所消耗的氮、磷等營養鹽中，99%最終是由再循環過程提供的，而這部分由再循環過程提供的氮、磷營養鹽80%是由原位的再循環提供的[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“誘導和抑制”機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因子的同步實地監測，初步探討了富營養化較嚴重的太湖梅梁灣湖區的堿性磷酸酶活性的時空變化規律及其與藻類水華的相關性。研究表明：水體中各種形態磷之間的轉化非常快，在磷的循環、轉化過程中，堿性磷酸酶的作用至關重要。

可通過對堿性磷酸酶活性高低變化的監測來評價一種工程措施是否會對水體富營養化帶來影響。例如，李香華[18]等通過對2003年7月～9月引江濟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鹽、葉綠素含量之間的關系。研究結果表明引江濟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。從研究結果也可以看出，貢湖灣引入長江水后，藻華并沒有大量暴發。因此，從這一角度來講，引江濟太對緩減太湖藻華暴發是有利的。

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

4 結束語

綜上所述，脲酶和磷酸酶是氮和磷在水體中轉換過程中的關鍵酶，其活性作為一個反映水體中生物活性和相關污染物轉化效能的指標，被廣泛應用于上述各個領域。通過監測脲酶和磷酸酶活性，可以為研究水體富營養化機理、減緩水體藻華暴發以及優化人工濕地的構建與運行提供科學依據。

隨著污染水體治理與修復技術的基礎研究和推廣應用工作的不斷深入進行，對脲酶和磷酸酶的監測方法也提出了更新和更高的要求。國內研究人員對脲酶和磷酸酶的監測做了一定量的工作，取得了一定的進展，并在科研和生產中推廣和應用。但是對脲酶和磷酸酶監測結果的解析及其應用價值有關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 從事水處理技術方向的研究

2010年7月