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

復(fù)合酶生物促進(jìn)劑在底泥生物修復(fù)中的應(yīng)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(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，上海 200237；2.華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237；3.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200237；4.福州光宇環(huán)?？萍加邢薰荆Ｖ?350001)

通過(guò)測(cè)定河道底泥中微生物的生化呼吸線來(lái)表征復(fù)合酶生物促進(jìn)劑對(duì)河道自凈過(guò)程的影響。研究結(jié)果表明復(fù)合酶生物促進(jìn)劑對(duì)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(fù)合酶生物促進(jìn)劑能夠有效地修復(fù)受萘污染的底泥,修復(fù)后底泥中多環(huán)芳烴萘的釋放量和有機(jī)質(zhì)的含量均明顯低于對(duì)照樣，并可顯著降低底泥對(duì)上覆水的二次污染，促進(jìn)整個(gè)水體的生態(tài)恢復(fù)。

復(fù)合酶;底泥;原位生物修復(fù)

在城市河道治理中，對(duì)于底泥治理的污染控制技術(shù)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(dòng)力條件、沉積環(huán)境等存在較大差異，同時(shí)由于底泥沉積結(jié)構(gòu)、污染物種類和含量水平，底泥對(duì)上覆水的影響機(jī)制等相當(dāng)復(fù)雜，以及受防洪泄洪、航運(yùn)、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(jì)成本較大。迄今水體底泥污染仍是世界范圍內(nèi)的一個(gè)重要環(huán)境問(wèn)題[1，2]。目前，底泥污染的控制技術(shù)可分為底泥氧化、底泥疏浚和底泥封閉三大類，通過(guò)物理或化學(xué)手段來(lái)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(yíng)養(yǎng)鹽，但這些技術(shù)手段的應(yīng)用成本往往較高，且容易影響水體中原有的生物群落。

復(fù)合酶生物促進(jìn)劑（以下簡(jiǎn)稱復(fù)合酶）是一種結(jié)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(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物等的復(fù)合制劑，其中不含任何微生物菌群，理化性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)哺乳動(dòng)物和水生動(dòng)物來(lái)說(shuō)為無(wú)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(fù)法治理底泥，向水體底泥中投加復(fù)合酶生物促進(jìn)劑，促進(jìn)底泥中微生物的生理活性，提高微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解能力，削減底泥中污染物總量，降低底泥對(duì)上覆水的污染。該方法通過(guò)強(qiáng)化水體的自凈功能，提高生物修復(fù)效率，避免了物理和化學(xué)手段治理水體底泥帶來(lái)的高投入和二次污染。

1 試驗(yàn)方法

1.1 分析方法

試驗(yàn)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(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸法測(cè)定。水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)分析按《水和廢水檢測(cè)分析方法》[3]，其中萘含量采用GC103氣相色譜儀測(cè)定。

1.2 河道底泥中微生物呼吸強(qiáng)度的測(cè)定

取試驗(yàn)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(cè)試用。修復(fù)底泥懸浮液的復(fù)合酶投加劑量為0.5mg/L懸浮液，對(duì)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(cè)定底泥懸浮液在120h內(nèi)的累積耗氧量隨時(shí)間的變化。

1.3 受萘污染底泥的修復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取試驗(yàn)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(fù)合酶，投加劑量為0.1mg/L（空白樣和對(duì)照樣加入同樣體積的去離子水），定期取樣測(cè)定上覆水中萘的含量。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 受萘污染底泥修復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 污染水體的修復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取試驗(yàn)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(fù)合酶，投加劑量為0.1mg/L（對(duì)照樣加入同樣體積的去離子水），定期取樣測(cè)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(guò)濾后，測(cè)定濾液中的COD、TN、氨氮、TP、無(wú)機(jī)磷。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合酶生物促進(jìn)劑對(duì)河道底泥中微生物呼吸強(qiáng)度的影響

呼吸強(qiáng)度是衡量微生物生理活性的一個(gè)重要指標(biāo)，本研究通過(guò)測(cè)定投加復(fù)合酶的河道底泥中微生物的生化呼吸線，考察復(fù)合酶對(duì)微生物新陳代謝能力的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

圖1 復(fù)合酶對(duì)河道底泥中微生物呼吸強(qiáng)度的影響

從圖1中可以看出：復(fù)合酶明顯地提高了底泥中微生物的呼吸強(qiáng)度，投加復(fù)合酶的底泥生化呼吸線高于未投加復(fù)合酶的對(duì)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(qiáng)，同時(shí)試驗(yàn)底泥的生化呼吸線明顯低于其內(nèi)源呼吸線，這是因?yàn)閮?nèi)源呼吸的底泥懸浮液經(jīng)過(guò)24h連續(xù)曝氣，增強(qiáng)了底泥中難降解有機(jī)物的可生化性，并使微生物經(jīng)過(guò)馴化。由于復(fù)合酶的投加劑量很少，其對(duì)累積耗氧量的貢獻(xiàn)小于0.01mg/L，可忽略。

2.2 復(fù)合酶生物促進(jìn)劑對(duì)受萘污染底泥的修復(fù)效果研究

在試驗(yàn)河道底泥中投加一定劑量的萘，以去離子水為上覆水，通過(guò)測(cè)定上覆水中萘含量的變化，分析復(fù)合酶對(duì)難降解多環(huán)芳烴的解析和降解過(guò)程的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。修復(fù)前后底泥（含萘）中有機(jī)質(zhì)含量的變化見(jiàn)表2。

圖2 復(fù)合酶對(duì)河道底泥中萘的解析和降解過(guò)程的影響

表2 修復(fù)前后底泥（含萘）中有機(jī)質(zhì)含量的變化

從圖2中可以看出：空白樣試驗(yàn)底泥中萘的濃度較高，由于試驗(yàn)底泥直接取自污染河道，因此底泥中同時(shí)亦含有可降解萘的微生物種群。試驗(yàn)初期底泥中的萘向上覆水中釋放，萘含量呈不斷上升趨勢(shì)。由于復(fù)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(duì)照樣，如在試驗(yàn)第12天，上覆水中萘的含量達(dá)到最大，空白樣、對(duì)照樣、投加復(fù)合酶的修復(fù)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(guò)揮發(fā)、微生物降解和轉(zhuǎn)化、底泥吸附等途徑去除。添加復(fù)合酶后，萘的去除速率明顯提高，試驗(yàn)第19天，修復(fù)試樣中萘的濃度已低于對(duì)照樣，試驗(yàn)第33天，修復(fù)試樣中萘的濃度為0.61mg/L，低于對(duì)照樣的0.99mg/L，且低于未添加萘的空白樣0.82mg/L?？梢?jiàn)復(fù)合酶在促進(jìn)萘解析的同時(shí)還強(qiáng)化了微生物對(duì)萘的降解和轉(zhuǎn)化，經(jīng)過(guò)修復(fù)，降低了整個(gè)體系中萘的濃度。同樣表2的結(jié)果說(shuō)明投加復(fù)合酶的底泥中有機(jī)質(zhì)含量亦低于對(duì)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(jī)質(zhì)進(jìn)行共代謝。鞏宗強(qiáng)等報(bào)道[5]，向土壤中加入PAHs的代謝中間產(chǎn)物水楊酸等有機(jī)物，能提高微生物酶的活性，促進(jìn)芘共代謝降解過(guò)程的進(jìn)行，此外，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的加入對(duì)提高共代謝率也是很重要的[6]。復(fù)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(jìn)微生物對(duì)底泥中有機(jī)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此投加復(fù)合酶后，隨著底泥中微生物生理活性的提高，對(duì)萘的降解能力增強(qiáng)。

有關(guān)研究亦表明[7]，有機(jī)物的水溶性對(duì)其生物降解性能影響很大，溶解度差的有機(jī)物一般具有較差的生物降解性能，其原因是：難溶性有機(jī)物在水中擴(kuò)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(dá)與微生物相反應(yīng)的位置，影響了生物降解作用的進(jìn)行。復(fù)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(lái)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(fù)合酶生物促進(jìn)劑對(duì)污染水體的修復(fù)效果研究

為考察復(fù)合酶對(duì)污染水體的修復(fù)效果，取污染河道底泥及其上覆水，進(jìn)行靜態(tài)修復(fù)試驗(yàn)。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(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。修復(fù)前后底泥中有機(jī)質(zhì)含量的變化見(jiàn)表3。

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

試驗(yàn)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(fù)合酶不僅提高了水體中微生物的生理活性，還促進(jìn)了污染物從底泥固體表面解吸出來(lái)。因此，試驗(yàn)初期投加復(fù)合酶的修復(fù)試樣中COD、氮、磷等指標(biāo)均高于對(duì)照樣。隨著修復(fù)的進(jìn)行，修復(fù)試樣中微生物的降解能力逐漸增強(qiáng)，污染物生物可利用性提高，其污染物濃度開(kāi)始顯著下降。同時(shí)經(jīng)修復(fù)底泥的有機(jī)質(zhì)去除率為32.6%，高于對(duì)照樣的22.3%。可見(jiàn)，復(fù)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(shí)復(fù)合酶還有效地促進(jìn)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(qiáng)，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(dá)到一個(gè)新的平衡。

圖3 復(fù)合酶對(duì)河水水質(zhì)變化的影響

表3 修復(fù)前后底泥中有機(jī)質(zhì)含量的變化

3 結(jié)論

（1）復(fù)合酶生物促進(jìn)劑能夠增強(qiáng)河道底泥中微生物的呼吸強(qiáng)度，促進(jìn)微生物的生理活性，強(qiáng)化微生物對(duì)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(fù)合酶生物促進(jìn)劑可以有效地恢復(fù)受萘污染的底泥，通過(guò)提高微生物的生理活性和萘的解析與水溶性，強(qiáng)化微生物對(duì)萘的去除，經(jīng)修復(fù)后，上覆水中萘的含量明顯低于對(duì)照樣。

（3）復(fù)合酶生物促進(jìn)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(jìn)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(duì)照樣，河水和底泥達(dá)到一個(gè)新的平衡。

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

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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