復合酶生物促進劑在底泥生物修復中的應用

楊 磊，孔蘭芳，胥 崢，林逢凱，李玲瓏，艾奇峰，華丹蕓，王瑋蔚，李宇光

(1.華東理工大學化學與分子工程學院，上海 200237；2.華東理工大學材料科學與工程學院，上海 200237；3.華東理工大學資源與環(huán)境工程學院，上海 200237；4.福州光宇環(huán)保科技有限公司，福州 350001)

復合酶生物促進劑在底泥生物修復中的應用

楊 磊1，孔蘭芳2，胥 崢3，林逢凱3，李玲瓏3，艾奇峰3，華丹蕓3，王瑋蔚4，李宇光4

(1.華東理工大學化學與分子工程學院，上海 200237；2.華東理工大學材料科學與工程學院，上海 200237；3.華東理工大學資源與環(huán)境工程學院，上海 200237；4.福州光宇環(huán)?？萍加邢薰?，福州 350001)

通過測定河道底泥中微生物的生化呼吸線來表征復合酶生物促進劑對河道自凈過程的影響。研究結果表明復合酶生物促進劑對微生物具有激活作用，使微生物的累積耗氧量明顯增加，有效地提升了水體的自凈能力。復合酶生物促進劑能夠有效地修復受萘污染的底泥,修復后底泥中多環(huán)芳烴萘的釋放量和有機質(zhì)的含量均明顯低于對照樣，并可顯著降低底泥對上覆水的二次污染，促進整個水體的生態(tài)恢復。

復合酶;底泥;原位生物修復

在城市河道治理中，對于底泥治理的污染控制技術有很多特殊要求，這是由于河道沿岸污染源分布、河道形態(tài)、水動力條件、沉積環(huán)境等存在較大差異，同時由于底泥沉積結構、污染物種類和含量水平，底泥對上覆水的影響機制等相當復雜，以及受防洪泄洪、航運、底泥毒性、環(huán)境和生態(tài)效益等因素的制約，因此底泥治理的經(jīng)濟成本較大。迄今水體底泥污染仍是世界范圍內(nèi)的一個重要環(huán)境問題[1，2]。目前，底泥污染的控制技術可分為底泥氧化、底泥疏浚和底泥封閉三大類，通過物理或化學手段來增加底層水體的溶解氧，挖除表層的污染底泥以及在底泥表面形成覆蓋層，固定水體和底泥中的營養(yǎng)鹽，但這些技術手段的應用成本往往較高，且容易影響水體中原有的生物群落。

復合酶生物促進劑（以下簡稱復合酶）是一種結合多種酶類、非離子型表面活化劑、天然成分的蛋白質(zhì)和無機營養(yǎng)物等的復合制劑，其中不含任何微生物菌群，理化性質(zhì)穩(wěn)定，對哺乳動物和水生動物來說為無毒制品，是易生物降解的環(huán)境友好物質(zhì)。

本研究采用原位生物修復法治理底泥，向水體底泥中投加復合酶生物促進劑，促進底泥中微生物的生理活性，提高微生物對有機污染物的降解能力，削減底泥中污染物總量，降低底泥對上覆水的污染。該方法通過強化水體的自凈功能，提高生物修復效率，避免了物理和化學手段治理水體底泥帶來的高投入和二次污染。

1 試驗方法

1.1 分析方法

試驗底泥和河水均取自上海市閔行區(qū)某河道，底泥為河道表層污染底泥。底泥有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸法測定。水質(zhì)指標的監(jiān)測分析按《水和廢水檢測分析方法》[3]，其中萘含量采用GC103氣相色譜儀測定。

1.2 河道底泥中微生物呼吸強度的測定

取試驗底泥50g，用去離子水（經(jīng)滅菌處理，以下同）定容至2L，配成懸浮液，供測試用。修復底泥懸浮液的復合酶投加劑量為0.5mg/L懸浮液，對照底泥懸浮液不投加試劑。在20℃生化培養(yǎng)箱內(nèi)利用BOD儀測定底泥懸浮液在120h內(nèi)的累積耗氧量隨時間的變化。

1.3 受萘污染底泥的修復試驗設計

取試驗底泥100g，放入棕色瓶中，加入萘溶液（13.92mg/L）混勻，再緩慢加入1000mL去離子水，棕色瓶放入恒溫暗箱內(nèi)，溫度20℃，每天投加復合酶，投加劑量為0.1mg/L（空白樣和對照樣加入同樣體積的去離子水），定期取樣測定上覆水中萘的含量。試驗設計見表1。

表1 受萘污染底泥修復試驗設計

1.4 污染水體的修復試驗設計

取試驗底泥100g，放入棕色瓶中，緩慢加入1000mL河水，棕色瓶放入恒溫暗箱內(nèi)，溫度20℃，每天投加復合酶，投加劑量為0.1mg/L（對照樣加入同樣體積的去離子水），定期取樣測定。每次取樣前，將棕色瓶中底泥和上覆水混合均勻，混合液經(jīng)過濾后，測定濾液中的COD、TN、氨氮、TP、無機磷。

2 結果與分析

2.1 復合酶生物促進劑對河道底泥中微生物呼吸強度的影響

呼吸強度是衡量微生物生理活性的一個重要指標，本研究通過測定投加復合酶的河道底泥中微生物的生化呼吸線，考察復合酶對微生物新陳代謝能力的影響。試驗數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 復合酶對河道底泥中微生物呼吸強度的影響

從圖1中可以看出：復合酶明顯地提高了底泥中微生物的呼吸強度，投加復合酶的底泥生化呼吸線高于未投加復合酶的對照底泥，累積耗氧量的增加主要是由于微生物新陳代謝能力的增強，同時試驗底泥的生化呼吸線明顯低于其內(nèi)源呼吸線，這是因為內(nèi)源呼吸的底泥懸浮液經(jīng)過24h連續(xù)曝氣，增強了底泥中難降解有機物的可生化性，并使微生物經(jīng)過馴化。由于復合酶的投加劑量很少，其對累積耗氧量的貢獻小于0.01mg/L，可忽略。

2.2 復合酶生物促進劑對受萘污染底泥的修復效果研究

在試驗河道底泥中投加一定劑量的萘，以去離子水為上覆水，通過測定上覆水中萘含量的變化，分析復合酶對難降解多環(huán)芳烴的解析和降解過程的影響。試驗數(shù)據(jù)見圖2。修復前后底泥（含萘）中有機質(zhì)含量的變化見表2。

圖2 復合酶對河道底泥中萘的解析和降解過程的影響

表2 修復前后底泥（含萘）中有機質(zhì)含量的變化

從圖2中可以看出：空白樣試驗底泥中萘的濃度較高，由于試驗底泥直接取自污染河道，因此底泥中同時亦含有可降解萘的微生物種群。試驗初期底泥中的萘向上覆水中釋放，萘含量呈不斷上升趨勢。由于復合酶中含有表面活性劑，有助于底泥中萘的解析，因此其上覆水中萘的含量高于對照樣，如在試驗第12天，上覆水中萘的含量達到最大，空白樣、對照樣、投加復合酶的修復試樣中萘的含量分別為2.28mg/L、2.56mg/L和2.59mg/L。上覆水中的萘可通過揮發(fā)、微生物降解和轉(zhuǎn)化、底泥吸附等途徑去除。添加復合酶后，萘的去除速率明顯提高，試驗第19天，修復試樣中萘的濃度已低于對照樣，試驗第33天，修復試樣中萘的濃度為0.61mg/L，低于對照樣的0.99mg/L，且低于未添加萘的空白樣0.82mg/L?？梢姀秃厦冈诖龠M萘解析的同時還強化了微生物對萘的降解和轉(zhuǎn)化，經(jīng)過修復，降低了整個體系中萘的濃度。同樣表2的結果說明投加復合酶的底泥中有機質(zhì)含量亦低于對照樣。

劉世亮等[4]研究表明，微生物降解PAHs一般有二種方式：一種是以PAHs為唯一碳源和能源；另一種是將多環(huán)芳烴與其他有機質(zhì)進行共代謝。鞏宗強等報道[5]，向土壤中加入PAHs的代謝中間產(chǎn)物水楊酸等有機物，能提高微生物酶的活性，促進芘共代謝降解過程的進行，此外，營養(yǎng)物質(zhì)的加入對提高共代謝率也是很重要的[6]。復合酶中含有多種生物水解酶和表面活性劑，能夠有效地促進微生物對底泥中有機污染物的降解，這也為PAHs的共代謝提供了所需的葡萄糖、脂肪酸等營養(yǎng)物質(zhì)，因此投加復合酶后，隨著底泥中微生物生理活性的提高，對萘的降解能力增強。

有關研究亦表明[7]，有機物的水溶性對其生物降解性能影響很大，溶解度差的有機物一般具有較差的生物降解性能，其原因是：難溶性有機物在水中擴散程度較差，且很容易被吸附或捕集到惰性物質(zhì)的表面上，因此不易到達與微生物相反應的位置，影響了生物降解作用的進行。復合酶中的表面活性劑可以起到將萘從底泥中固體顆粒表面脫附出來的作用，并且表面活性劑的兩親性改善了萘的水溶性能，從而有利于萘的生物降解。

2.3 復合酶生物促進劑對污染水體的修復效果研究

為考察復合酶對污染水體的修復效果，取污染河道底泥及其上覆水，進行靜態(tài)修復試驗。污染河道上覆水水質(zhì)：COD為56.0mg/L、TN為13.9mg/L、NH3-N為10.7mg/L、TP為1.59mg/L和PO43--P為1.38mg/L。試驗數(shù)據(jù)見圖3。修復前后底泥中有機質(zhì)含量的變化見表3。

從圖3、表3中可以看出：復合酶可以明顯提高河道水體的自凈作用。修復試驗進行第33天時，投加復合酶的修復試樣COD明顯低于對照樣，分別為37.4mg/L和40.5mg/L，同樣TN和NH3-N含量修復試樣為4.9mg/L和2.6mg/L，對照樣為6.5mg/L和3.4mg/L，TP和PO43--P含量修復試樣為0.22mg/L和0.10mg/L，對照樣為0.27mg/L和0.18mg/L。

試驗中河水和底泥均取自相同的河道位置，河水和底泥中的污染物可視為處于平衡狀態(tài)。投加復合酶不僅提高了水體中微生物的生理活性，還促進了污染物從底泥固體表面解吸出來。因此，試驗初期投加復合酶的修復試樣中COD、氮、磷等指標均高于對照樣。隨著修復的進行，修復試樣中微生物的降解能力逐漸增強，污染物生物可利用性提高，其污染物濃度開始顯著下降。同時經(jīng)修復底泥的有機質(zhì)去除率為32.6%，高于對照樣的22.3%?？梢?，復合酶不僅改變了原有的河水和底泥的平衡狀態(tài)，使底泥的釋放量出現(xiàn)一定程度的增加，同時復合酶還有效地促進了水體中土著微生物的新陳代謝能力，水體的自凈功能增強，使底泥和上覆水中的污染物得到同步去除，水質(zhì)好轉(zhuǎn)，河水和底泥達到一個新的平衡。

圖3 復合酶對河水水質(zhì)變化的影響

表3 修復前后底泥中有機質(zhì)含量的變化

3 結論

（1）復合酶生物促進劑能夠增強河道底泥中微生物的呼吸強度，促進微生物的生理活性，強化微生物對污染物的轉(zhuǎn)化和降解能力，從而提高水體的自凈功能。

（2）復合酶生物促進劑可以有效地恢復受萘污染的底泥，通過提高微生物的生理活性和萘的解析與水溶性，強化微生物對萘的去除，經(jīng)修復后，上覆水中萘的含量明顯低于對照樣。

（3）復合酶生物促進劑改變了污染河水和底泥的原有平衡狀態(tài)，底泥的污染物釋放量出現(xiàn)一定程度的增加，由于促進了水體中土著微生物的新陳代謝，使底泥和上覆水的污染物含量下降，且均低于對照樣，河水和底泥達到一個新的平衡。

（4）利用復合酶生物促進劑對污染水體底泥進行原位生物修復，能夠降低底泥對上覆水的二次污染，改善水體水質(zhì)，促進整個水體的生態(tài)恢復。

[1]許世遠，陳振樓，俞立中，等.蘇州河底泥污染與整治[M].北京:科學出版社，2003，64-64.

[2]鐘萍，李麗，李靜媚，等.河流污染底泥的生態(tài)修復[J].生態(tài)科學，2007，26 （2）：181-185.

[3]國家環(huán)保局《水和廢水檢測分析方法》編委會.水和廢水檢測分析方法[M].第三版，北京：中國環(huán)境科學出版社，1997.

[4]劉世亮，駱永明，曹志洪，等.多環(huán)芳烴污染土壤的微生物與植物聯(lián)合修復研究進展[J].土壤，2002，5:257-265.

[5]鞏宗強，李培軍，王新.芘在土壤中的共代謝降解研究[J].應用生態(tài)學報，2001，12（3）：447-450.

[6]董純娟，呂炳南，陳志強，等.處理生物難降解物質(zhì)的有效方式一共代謝[J].化工環(huán)保，2003，23（2）:85.

[7]Pitter P.Determination of Biological Biodegradability of Organic Substances.Water Research.1976，10（2）：231-235.

Application of Multiple Enzymes Bio-promoter in Bioremediation of Sediment

YANG Lei1, KONG Lan-fang2, XU Zheng3, LIN Feng-kai3, LI Ling-long3, AI Qi-feng3,HUA Dan-yun3, WANG Wei-wei4, LI Yu-guang4
(1.School of Chemistry and Molecular Engineering, East China University of Science and Engineering, Shanghai 200237;2.School of Materials Science and Engineering, East China University of Science and Engineering, Shanghai 200237;3.School of Resources and Environmental Engineering, East China University of Science and Engineering, Shanghai 200237;4.Fuzhou Guangyu Environmental Protection Science and Technology Co., Ltd, Fuzhou 350001, China)

The effects of multiple enzymes bio-promoter on the self purification of river are investigated by determination of the biochemical respiration curve of the river sediments microbe. The results show that multiple enzymes bio-promoter would stimulate the activity of the microbe and increase the accumulated oxygen-consumption of the microbe, which enhances the self purification ability of the water body. The multiple enzymes bio-promoter could effectively remedy the sediment contaminated by naphthalene. The releasing amount of naphthalene and the organic matter content of the remedied sediment are lower than the contrast remarkably, and also reduce the secondary pollution of the overlying water caused by the sediment evidently, and the ecological restoration of the water body is improved.

multiple enzymes; sediment; in-situ bioremediation

X703

A

1006-5377（2011）11-0041-04