張 華，莊雪晴，黃 健，賈 旋，奚姍姍，王金花

1. 安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601

2. 環(huán)境污染控制與廢棄物資源化利用安徽省重點實驗室, 安徽 合肥 230601

在污水生物處理過程中，污水中的污染物會刺激微生物產(chǎn)生過氧化氫[1-2]. 過氧化氫通過掠奪電子、原子進(jìn)而損傷微生物細(xì)胞中的生長因子、蛋白質(zhì)及核酸等，如果不被及時消除，將會加速微生物死亡[3-5].過氧化氫酶與生物的自身防御系統(tǒng)有密切關(guān)系，廣泛存在于動物、植物與微生物體內(nèi)[6-7]. 過氧化氫酶是一種重要的氧化還原酶，能將具有毒性的過氧化氫分解成水和氧氣，從而減少過氧化氫對微生物的毒害. 然而，過氧化氫酶活性易受外界環(huán)境因素及各種污染物的影響[8-9]. 因此，研究外界因素及污染物對過氧化氫酶活性的影響具有重要意義.

垃圾滲濾液成分復(fù)雜且含有較多鈣鎂離子，含量為每升幾十毫克到幾千毫克，差別較大[10-12]. 鈣鎂離子作為微生物生長必需的微量元素，參與微生物的各種生命活動[13]. 鈣離子可以調(diào)控微生物細(xì)胞代謝及基因表達(dá)，鎂離子是酶的激活劑，可以促進(jìn)微生物的新陳代謝，但過量的鈣鎂離子會與過氧化氫酶上的羧基進(jìn)行配位，從而影響過氧化氫酶的結(jié)構(gòu)并影響其活性[14-17]. 研究[18]發(fā)現(xiàn)，鈣離子濃度在0～10 mg/L時對活性污泥中過氧化氫酶活性具有抑制作用，而鎂離子濃度在0～10 mg/L時對活性污泥中過氧化氫酶活性具有促進(jìn)作用，說明鈣鎂離子對過氧化氫酶產(chǎn)生的作用效應(yīng)不同. 但不同垃圾滲濾液中鈣鎂離子含量具有較大差別，僅研究低濃度鈣鎂離子對過氧化氫酶的影響，不能全面分析其對過氧化氫酶的作用. 通常，鈣鎂離子共存于垃圾滲濾液中，而混合污染物所產(chǎn)生的作用通常更加復(fù)雜[19-21]. 因此，研究混合物鈣鎂離子對過氧化氫酶的影響具有重要意義. 等效線圖法是一種研究混合污染物相互作用關(guān)系的常用方法[22]，它可以有效判斷混合物共同作用時所產(chǎn)生的相互作用關(guān)系[23-24]. 因此，利用等效線圖法可以實現(xiàn)混合污染物間共同作用時的作用效果及其相互作用關(guān)系.

該研究選取垃圾滲濾液中普遍存在的鈣鎂離子作為典型污染物，系統(tǒng)地研究鈣鎂離子及其混合物對垃圾滲濾液處理中微生物過氧化氫酶活性的影響. 首先，采用直接均分射線法[25]設(shè)計3種不同濃度配比的鈣鎂離子混合物，然后利用Origin軟件對混合物濃度和抑制效應(yīng)進(jìn)行非線性擬合得到濃度-效應(yīng)曲線，最后利用等效線圖法分析鈣鎂離子在不同濃度配比以及不同周期下對過氧化氫酶的聯(lián)合作用效應(yīng)及其相互作用關(guān)系. 通過以上研究探究鈣鎂離子對垃圾滲濾液中厭氧微生物過氧化氫酶活性的影響，揭示鈣鎂離子對微生物過氧化氫酶活性影響過程中鈣鎂離子的相互作用關(guān)系，以期為鈣鎂離子對垃圾滲濾液中厭氧微生物的影響機(jī)理研究提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)置及樣品檢測

采用14個厭氧序批式活性污泥反應(yīng)器處理垃圾滲濾液，試驗垃圾滲濾液取自合肥某垃圾滲濾液處理廠調(diào)節(jié)池. 滲濾液基本參數(shù)：COD濃度為15 000 mg/L；TN濃度為510 mg/L；MLSS (混合液懸浮固體濃度)為13 440 mg/L；Ca2+濃度為4 859 mg/L，Mg2+濃度為518 mg/L. 厭氧序批式活性污泥反應(yīng)器有效容積為500 mL. 反應(yīng)器的運行包括1 h進(jìn)水、34.6 h反應(yīng)、0.2 h沉淀、0.2 h出水，每個運行周期共計36 h，試驗均運行5個周期，試驗溫度控制在35 ℃左右，攪拌頻率為140 r/min. 待厭氧序批式活性污泥反應(yīng)器穩(wěn)定運行后，每隔36 h從反應(yīng)器中取2 mL的厭氧污泥樣品. 鈣鎂離子采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法[26]檢測. 過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法[27]測定.

1.2 污染物抑制效應(yīng)與作用效應(yīng)分析

向反應(yīng)器中投加不同濃度的鈣鎂離子及其混合物后，取污泥檢測其中過氧化氫酶活性，計算出不同濃度鈣鎂離子及其混合物對過氧化氫酶的抑制率，抑制率的計算公式：

式中：W為不同濃度鈣鎂離子及其混合物對過氧化氫酶的抑制率；C0為空白對照組過氧化氫酶活性，U/mL；C為不同濃度鈣鎂離子及其混合物影響下過氧化氫酶活性，U/mL.

Logistic函數(shù)多用于S型濃度-效應(yīng)試驗數(shù)據(jù)的非線性曲線擬合[28]. 利用試驗所得抑制率數(shù)據(jù)，通過Logistic函數(shù)進(jìn)行非線性擬合，獲得濃度-效應(yīng)曲線，擬合所用公式見式(2).

式中：E為抑制效應(yīng)；P0為濃度-效應(yīng)曲線上最小抑制效應(yīng)；Pmax為濃度-效應(yīng)曲線上最大抑制效應(yīng)；α為該物質(zhì)的潛在抑制能力常數(shù)；ρ為鈣鎂離子或其混合物的濃度，mg/L；ρ0為鈣鎂離子的半數(shù)有效濃度(EC50)，即鈣鎂離子對過氧化氫酶活性抑制效應(yīng)達(dá)到50%時的濃度，mg/L.

1.3 鈣鎂離子混合物濃度設(shè)計

為了更好地研究混合物之間的相互作用，采用直接均分射線法設(shè)計3條不同濃度配比的鈣鎂離子混合物射線. 首先，用Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行Logistic函數(shù)非線性擬合，擬合公式中ρ0為單獨鈣鎂離子的半數(shù)有效濃度，然后將單獨鈣鎂離子半數(shù)有效濃度分別作為橫、縱坐標(biāo)上兩點，連接兩點得到一條線段，將線段均分為四等份，最后從原點出發(fā)與線段上的3個均分點連接，畫出3條射線，每條射線上對應(yīng)一種配比，分別為Ratio1、Ratio2、Ratio3(見圖1). 具體鈣、鎂離子濃度配比見表1.

表1 鈣鎂離子混合物濃度配比Table 1 Calcium and magnesium ion mixture concentration ratio

圖1 直接均分射線法設(shè)計3種鈣鎂離子混合物配比Fig.1 Three mixtures of calcium and magnesium ions were designed by using the direct equipartition ray method

采用稀釋因子法[29]在每條射線上設(shè)計13組不同濃度的鈣鎂離子混合物，稀釋因子計算公式：

式中：f為稀釋因子；CL為試驗最低濃度，mg/L；CH為試驗最高濃度，mg/L；n為試驗濃度點個數(shù).

采用稀釋因子法共設(shè)計13組不同濃度的鈣鎂離子混合物，分別為8 000、6 400、5 120、4 096、3 277、2 621、2 097、1 677、1 341、1 073、858、686、549 mg/L，另外還設(shè)有1組空白對照組，濃度為0 mg/L.

1.4 鈣鎂離子混合物作用關(guān)系分析

鈣鎂離子混合物相互作用關(guān)系主要分為協(xié)同作用、加和作用、拮抗作用與獨立作用[30]. 協(xié)同作用代表鈣鎂離子對過氧化氫酶的聯(lián)合作用大于鈣鎂離子單獨作用的總和；加和作用代表鈣鎂離子對過氧化氫酶的聯(lián)合作用等于鈣鎂離子單獨作用的總和；拮抗作用代表鈣鎂離子對過氧化氫酶的聯(lián)合作用小于鈣鎂離子單獨作用的總和；獨立作用代表鈣鎂離子對過氧化氫酶的聯(lián)合作用等于鈣鎂離子單獨作用的總和減去鈣鎂離子共同作用的部分. 鈣鎂離子混合物具體作用關(guān)系如圖2所示. 由圖2可見：A、B兩點表示達(dá)到某一相同作用效應(yīng)時鈣鎂離子所對應(yīng)的濃度，連接A、B兩點，該線段稱為加和作用線. 若鈣鎂離子混合物濃度點落在該線段上，表示鈣鎂離子對過氧化氫酶的作用關(guān)系為加和作用；CA、CB兩條線分別垂直于水平、垂直坐標(biāo)軸，若鈣鎂離子混合物濃度點落在這兩條線段上，代表鈣鎂離子對過氧化氫酶的作用關(guān)系為獨立作用；若鈣鎂離子混合物濃度點落在圖中黃色區(qū)域，說明鈣鎂離子對過氧化氫酶的作用關(guān)系為協(xié)同作用；若鈣鎂離子混合物濃度點落在圖中綠色區(qū)域，說明鈣鎂離子對過氧化氫酶的作用關(guān)系為部分加和作用；若鈣鎂離子混合物濃度點落在圖中白色區(qū)域，說明鈣鎂離子對過氧化氫酶的作用關(guān)系為拮抗作用.

圖2 等效線圖示意Fig.2 Diagram of isobolograms

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度鈣離子和鎂離子對過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)隨時間的變化

采用Origin軟件繪制鈣離子對過氧化氫酶的濃度-抑制效應(yīng)曲線，圖形采用Logistic方程進(jìn)行擬合.由圖3可見：同一周期下，隨著鈣離子濃度的增加，濃度-抑制效應(yīng)曲線呈上升趨勢，說明抑制效應(yīng)隨鈣離子濃度的增加而增加；相同濃度條件下，抑制效應(yīng)也隨著周期的增加而增加. 當(dāng)鈣離子濃度為500～4 000 mg/L時，對過氧化氫酶活性的抑制較明顯；當(dāng)鈣離子濃度大于4 000 mg/L時，抑制效應(yīng)增長速度逐漸降低. 當(dāng)反應(yīng)器運行到第5周期、鈣離子濃度為8 000 mg/L時，抑制效應(yīng)高達(dá)91.60%，說明鈣離子對微生物過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)具有濃度和時間依賴性.

圖3 鈣離子對垃圾滲濾液處理中過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)Fig.3 Inhibitory effect of calcium ion on catalase activity during the treatment of landfill leachate

鎂離子對垃圾滲濾液中過氧化氫酶的濃度-抑制效應(yīng)曲線如圖4所示. 由圖4可見：同一周期下，隨著鎂離子濃度的增加，其對過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)也逐漸增加；相同濃度條件下，隨著周期的增加，鎂離子對過氧化氫酶的抑制效應(yīng)也不斷增加. 當(dāng)鎂離子濃度為500～5 000 mg/L時，過氧化氫酶活性受到的影響較大；當(dāng)鎂離子濃度大于5 000 mg/L時，過氧化氫酶活性受到的影響相對較小. 當(dāng)反應(yīng)器運行到第5周期、鎂離子濃度為8 000 mg/L時，抑制效應(yīng)高達(dá)96.40%，說明鎂離子對微生物過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)也具有濃度和時間依賴性.

圖4 鎂離子對垃圾滲濾液處理中過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)Fig.4 Inhibitory effect of magnesium ion on catalase activity during the treatment of landfill leachate

2.2 不同濃度配比鈣鎂離子混合物對過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)隨時間的變化

不同濃度配比的鈣鎂離子混合物對垃圾滲濾液中過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)如圖5所示. 由圖5可見，3種濃度配比的鈣鎂離子混合物對過氧化氫酶的濃度-抑制效應(yīng)曲線均呈S型. 3種濃度配比的鈣鎂離子混合物對垃圾滲濾液中過氧化氫酶的抑制效應(yīng)均隨混合物濃度的增加而逐漸增大；同一混合物濃度下，隨著周期的增加，過氧化氫酶的抑制效應(yīng)也逐漸增加. 綜上，鈣鎂離子配比為Ratio2、Ratio3時比較合適，此時鈣鎂離子混合物對過氧化氫酶的抑制效應(yīng)均小于Ratio1，即鈣鎂離子混合物對過氧化氫的抑制效應(yīng)較高.

圖5 鈣鎂離子混合物對垃圾滲濾液處理中過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)Fig.5 Inhibitory effect of calcium ion and magnesium ion on catalase activity during the treatment of landfill leachate

2.3 不同周期下不同濃度配比的鈣鎂離子混合物對過氧化氫酶活性影響的相互作用

不同濃度配比的鈣鎂離子混合物對過氧化氫酶活性的相互作用如圖6所示. 當(dāng)反應(yīng)器運行第1周期時，由圖6(a)(b)(c)可見：在3種抑制效應(yīng)下，配比為Ratio1時混合物的相互作用關(guān)系均在黃色區(qū)域內(nèi)，說明配比為Ratio1時鈣鎂離子均表現(xiàn)出協(xié)同作用關(guān)系；配比為Ratio2時混合物的相互作用關(guān)系從綠色區(qū)域逐漸過渡到白色區(qū)域，說明配比為Ratio2時混合物的相互作用關(guān)系由部分加和作用過渡到拮抗作用；而配比為Ratio3時混合物的作用關(guān)系位于白色區(qū)域內(nèi)，說明在3種抑制效應(yīng)下鈣鎂離子均表現(xiàn)出拮抗作用關(guān)系.

圖6 鈣鎂離子混合物對垃圾滲濾液處理中過氧化氫酶活性的相互作用關(guān)系Fig.6 Interaction of calcium ion and magnesium ion on catalase activity during the treatment of landfill leachate

當(dāng)反應(yīng)器運行第2周期時，由圖6(d)(e)(f)可見：在3種抑制效應(yīng)下，配比為Ratio1時鈣鎂離子均表現(xiàn)出協(xié)同作用關(guān)系，但隨著抑制效應(yīng)的增加，相互作用關(guān)系逐漸向加和線靠近，這說明配比為Ratio1時鈣鎂離子的相互作用關(guān)系雖仍為協(xié)同作用，但協(xié)同作用在逐漸減弱；配比為Ratio2時鈣鎂離子均表現(xiàn)出拮抗作用關(guān)系；而配比為Ratio3時鈣鎂離子的相互作用關(guān)系從拮抗作用過渡到部分加和作用.

當(dāng)反應(yīng)器運行第3周期時，由圖6(g)(h)可見：在2種抑制效應(yīng)下，配比為Ratio1、Ratio2時鈣鎂離子分別表現(xiàn)出協(xié)同作用與部分加和作用關(guān)系；而配比為Ratio3時鈣鎂離子的相互作用關(guān)系從拮抗作用過渡到部分加和作用.

當(dāng)反應(yīng)器運行第4周期時，由圖6(i)(j)(k)可見：在3種抑制效應(yīng)下，配比為Ratio1時鈣鎂離子均表現(xiàn)出協(xié)同作用關(guān)系；配比為Ratio2時鈣鎂離子的相互作用關(guān)系從部分加和作用過渡到拮抗作用；而配比為Ratio3時鈣鎂離子均表現(xiàn)出拮抗作用關(guān)系.

當(dāng)反應(yīng)器運行到5周期時，由圖6(l)(m)(n)可見：在3種抑制效應(yīng)下，配比為Ratio1時鈣鎂離子的相互作用關(guān)系從加和作用過渡到協(xié)同作用；配比為Ratio2時鈣鎂離子均表現(xiàn)出拮抗作用關(guān)系；而配比為Ratio3時鈣鎂離子的相互作用關(guān)系從部分加和作用變?yōu)檗卓棺饔?

鈣鎂離子混合物配比為Ratio1時，鈣鎂離子相互作用以協(xié)同作用為主，此時鈣鎂離子混合物對過氧化氫酶的抑制效應(yīng)大于單獨鈣鎂離子對過氧化氫酶抑制效應(yīng)的總和[31]；而鈣鎂離子混合物配比為Ratio2與Ratio3時，鈣、鎂離子相互作用以拮抗作用為主，此時鈣鎂離子混合物對過氧化氫酶的抑制效應(yīng)小于單獨鈣、鎂離子對過氧化氫酶抑制效應(yīng)的總和[32]. 因此，由相互作用關(guān)系也可以得出，鈣鎂離子混合物配比為Ratio2與Ratio3時比較合適，因為配比為Ratio2與Ratio3時鈣鎂離子混合物對過氧化氫酶的抑制效應(yīng)較配比為Ratio1時小，即對過氧化氫的抑制效應(yīng)較大. 當(dāng)鈣鎂離子混合物配比為Ratio1時，鎂離子占比較大，起主導(dǎo)作用，鎂離子會與過氧化氫酶帶負(fù)電的官能團(tuán)發(fā)生配位，從而降低過氧化氫酶的活性；而鈣離子會在細(xì)胞表面產(chǎn)生沉淀，降低細(xì)胞有效表面積，未沉淀的鈣離子與過氧化氫酶的羧基發(fā)生配位，進(jìn)而降低過氧化氫酶的活性，二者表現(xiàn)為協(xié)同作用. 研究[33]發(fā)現(xiàn)，適量鎂離子會使鈣離子沉淀的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響鈣離子在微生物細(xì)胞表面沉淀，當(dāng)鈣鎂離子混合物配比為Ratio2與Ratio3時，鎂離子可能影響了鈣離子沉淀的生成，使大量鈣離子與過氧化氫酶的羧基進(jìn)行配位，從而爭奪了鎂離子的配位點，此時鈣鎂離子之間表現(xiàn)為拮抗作用. 不同配比的鈣鎂離子混合物對厭氧微生物中過氧化氫酶抑制效應(yīng)的相互作用機(jī)制尚需進(jìn)一步研究.

3 結(jié)論

a) 單獨鈣鎂離子對垃圾滲濾液處理中微生物過氧化氫酶的濃度-抑制效應(yīng)曲線圖基本一致. 同一周期下，單獨鈣鎂離子對微生物過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)隨其濃度的增加而增加；同一濃度下，單獨鈣鎂離子對微生物過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)隨時間的增加而增加.

b) 不同濃度配比的鈣鎂離子混合物對垃圾滲濾液處理中微生物過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)均隨混合物濃度的增加而增加，且具有時間依賴性. 同一周期下，不同配比的鈣鎂離子混合物對微生物過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)隨著混合物濃度的增加而增加；同一濃度下，不同配比的鈣鎂離子混合物對微生物過氧化氫酶活性的抑制效應(yīng)隨時間的增加而增加.

c)鈣鎂離子混合物對垃圾滲濾液處理中微生物過氧化氫酶活性的相互作用隨鈣鎂離子濃度配比的變化而存在差異. 當(dāng)鈣鎂離子濃度配比為Ratio1時，鈣鎂離子混合物對微生物過氧化氫酶活性的作用以協(xié)同作用為主；當(dāng)鈣鎂離子濃度配比為Ratio2與Ratio3時，鈣鎂離子混合物對微生物過氧化氫酶活性的作用以拮抗作用為主.

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