复合酶生物促进剂在底泥生物修复中的应用

杨 磊，孔兰芳，胥 峥，林逢凯，李玲珑，艾奇峰，华丹芸，王玮蔚，李宇光

(1.华东理工大学化学与分子工程学院，上海 200237；2.华东理工大学材料科学与工程学院，上海 200237；3.华东理工大学资源与环境工程学院，上海 200237；4.福州光宇环保科技有限公司，福州 350001)

复合酶生物促进剂在底泥生物修复中的应用

杨 磊1，孔兰芳2，胥 峥3，林逢凯3，李玲珑3，艾奇峰3，华丹芸3，王玮蔚4，李宇光4

(1.华东理工大学化学与分子工程学院，上海 200237；2.华东理工大学材料科学与工程学院，上海 200237；3.华东理工大学资源与环境工程学院，上海 200237；4.福州光宇环保科技有限公司，福州 350001)

通过测定河道底泥中微生物的生化呼吸线来表征复合酶生物促进剂对河道自净过程的影响。研究结果表明复合酶生物促进剂对微生物具有激活作用，使微生物的累积耗氧量明显增加，有效地提升了水体的自净能力。复合酶生物促进剂能够有效地修复受萘污染的底泥,修复后底泥中多环芳烃萘的释放量和有机质的含量均明显低于对照样，并可显著降低底泥对上覆水的二次污染，促进整个水体的生态恢复。

复合酶;底泥;原位生物修复

在城市河道治理中，对于底泥治理的污染控制技术有很多特殊要求，这是由于河道沿岸污染源分布、河道形态、水动力条件、沉积环境等存在较大差异，同时由于底泥沉积结构、污染物种类和含量水平，底泥对上覆水的影响机制等相当复杂，以及受防洪泄洪、航运、底泥毒性、环境和生态效益等因素的制约，因此底泥治理的经济成本较大。迄今水体底泥污染仍是世界范围内的一个重要环境问题[1，2]。目前，底泥污染的控制技术可分为底泥氧化、底泥疏浚和底泥封闭三大类，通过物理或化学手段来增加底层水体的溶解氧，挖除表层的污染底泥以及在底泥表面形成覆盖层，固定水体和底泥中的营养盐，但这些技术手段的应用成本往往较高，且容易影响水体中原有的生物群落。

复合酶生物促进剂（以下简称复合酶）是一种结合多种酶类、非离子型表面活化剂、天然成分的蛋白质和无机营养物等的复合制剂，其中不含任何微生物菌群，理化性质稳定，对哺乳动物和水生动物来说为无毒制品，是易生物降解的环境友好物质。

本研究采用原位生物修复法治理底泥，向水体底泥中投加复合酶生物促进剂，促进底泥中微生物的生理活性，提高微生物对有机污染物的降解能力，削减底泥中污染物总量，降低底泥对上覆水的污染。该方法通过强化水体的自净功能，提高生物修复效率，避免了物理和化学手段治理水体底泥带来的高投入和二次污染。

1 试验方法

1.1 分析方法

试验底泥和河水均取自上海市闵行区某河道，底泥为河道表层污染底泥。底泥有机质采用重铬酸钾-硫酸法测定。水质指标的监测分析按《水和废水检测分析方法》[3]，其中萘含量采用GC103气相色谱仪测定。

1.2 河道底泥中微生物呼吸强度的测定

取试验底泥50g，用去离子水（经灭菌处理，以下同）定容至2L，配成悬浮液，供测试用。修复底泥悬浮液的复合酶投加剂量为0.5mg/L悬浮液，对照底泥悬浮液不投加试剂。在20℃生化培养箱内利用BOD仪测定底泥悬浮液在120h内的累积耗氧量随时间的变化。

1.3 受萘污染底泥的修复试验设计

取试验底泥100g，放入棕色瓶中，加入萘溶液（13.92mg/L）混匀，再缓慢加入1000mL去离子水，棕色瓶放入恒温暗箱内，温度20℃，每天投加复合酶，投加剂量为0.1mg/L（空白样和对照样加入同样体积的去离子水），定期取样测定上覆水中萘的含量。试验设计见表1。

表1 受萘污染底泥修复试验设计

1.4 污染水体的修复试验设计

取试验底泥100g，放入棕色瓶中，缓慢加入1000mL河水，棕色瓶放入恒温暗箱内，温度20℃，每天投加复合酶，投加剂量为0.1mg/L（对照样加入同样体积的去离子水），定期取样测定。每次取样前，将棕色瓶中底泥和上覆水混合均匀，混合液经过滤后，测定滤液中的COD、TN、氨氮、TP、无机磷。

2 结果与分析

2.1 复合酶生物促进剂对河道底泥中微生物呼吸强度的影响

呼吸强度是衡量微生物生理活性的一个重要指标，本研究通过测定投加复合酶的河道底泥中微生物的生化呼吸线，考察复合酶对微生物新陈代谢能力的影响。试验数据见图1。

图1 复合酶对河道底泥中微生物呼吸强度的影响

从图1中可以看出：复合酶明显地提高了底泥中微生物的呼吸强度，投加复合酶的底泥生化呼吸线高于未投加复合酶的对照底泥，累积耗氧量的增加主要是由于微生物新陈代谢能力的增强，同时试验底泥的生化呼吸线明显低于其内源呼吸线，这是因为内源呼吸的底泥悬浮液经过24h连续曝气，增强了底泥中难降解有机物的可生化性，并使微生物经过驯化。由于复合酶的投加剂量很少，其对累积耗氧量的贡献小于0.01mg/L，可忽略。

2.2 复合酶生物促进剂对受萘污染底泥的修复效果研究

在试验河道底泥中投加一定剂量的萘，以去离子水为上覆水，通过测定上覆水中萘含量的变化，分析复合酶对难降解多环芳烃的解析和降解过程的影响。试验数据见图2。修复前后底泥（含萘）中有机质含量的变化见表2。

图2 复合酶对河道底泥中萘的解析和降解过程的影响

表2 修复前后底泥（含萘）中有机质含量的变化

从图2中可以看出：空白样试验底泥中萘的浓度较高，由于试验底泥直接取自污染河道，因此底泥中同时亦含有可降解萘的微生物种群。试验初期底泥中的萘向上覆水中释放，萘含量呈不断上升趋势。由于复合酶中含有表面活性剂，有助于底泥中萘的解析，因此其上覆水中萘的含量高于对照样，如在试验第12天，上覆水中萘的含量达到最大，空白样、对照样、投加复合酶的修复试样中萘的含量分别为2.28mg/L、2.56mg/L和2.59mg/L。上覆水中的萘可通过挥发、微生物降解和转化、底泥吸附等途径去除。添加复合酶后，萘的去除速率明显提高，试验第19天，修复试样中萘的浓度已低于对照样，试验第33天，修复试样中萘的浓度为0.61mg/L，低于对照样的0.99mg/L，且低于未添加萘的空白样0.82mg/L。可见复合酶在促进萘解析的同时还强化了微生物对萘的降解和转化，经过修复，降低了整个体系中萘的浓度。同样表2的结果说明投加复合酶的底泥中有机质含量亦低于对照样。

刘世亮等[4]研究表明，微生物降解PAHs一般有二种方式：一种是以PAHs为唯一碳源和能源；另一种是将多环芳烃与其他有机质进行共代谢。巩宗强等报道[5]，向土壤中加入PAHs的代谢中间产物水杨酸等有机物，能提高微生物酶的活性，促进芘共代谢降解过程的进行，此外，营养物质的加入对提高共代谢率也是很重要的[6]。复合酶中含有多种生物水解酶和表面活性剂，能够有效地促进微生物对底泥中有机污染物的降解，这也为PAHs的共代谢提供了所需的葡萄糖、脂肪酸等营养物质，因此投加复合酶后，随着底泥中微生物生理活性的提高，对萘的降解能力增强。

有关研究亦表明[7]，有机物的水溶性对其生物降解性能影响很大，溶解度差的有机物一般具有较差的生物降解性能，其原因是：难溶性有机物在水中扩散程度较差，且很容易被吸附或捕集到惰性物质的表面上，因此不易到达与微生物相反应的位置，影响了生物降解作用的进行。复合酶中的表面活性剂可以起到将萘从底泥中固体颗粒表面脱附出来的作用，并且表面活性剂的两亲性改善了萘的水溶性能，从而有利于萘的生物降解。

2.3 复合酶生物促进剂对污染水体的修复效果研究

为考察复合酶对污染水体的修复效果，取污染河道底泥及其上覆水，进行静态修复试验。污染河道上覆水水质：COD为56.0mg/L、TN为13.9mg/L、NH3-N为10.7mg/L、TP为1.59mg/L和PO43--P为1.38mg/L。试验数据见图3。修复前后底泥中有机质含量的变化见表3。

从图3、表3中可以看出：复合酶可以明显提高河道水体的自净作用。修复试验进行第33天时，投加复合酶的修复试样COD明显低于对照样，分别为37.4mg/L和40.5mg/L，同样TN和NH3-N含量修复试样为4.9mg/L和2.6mg/L，对照样为6.5mg/L和3.4mg/L，TP和PO43--P含量修复试样为0.22mg/L和0.10mg/L，对照样为0.27mg/L和0.18mg/L。

试验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视为处于平衡状态。投加复合酶不仅提高了水体中微生物的生理活性，还促进了污染物从底泥固体表面解吸出来。因此，试验初期投加复合酶的修复试样中COD、氮、磷等指标均高于对照样。随着修复的进行，修复试样中微生物的降解能力逐渐增强，污染物生物可利用性提高，其污染物浓度开始显著下降。同时经修复底泥的有机质去除率为32.6%，高于对照样的22.3%。可见，复合酶不仅改变了原有的河水和底泥的平衡状态，使底泥的释放量出现一定程度的增加，同时复合酶还有效地促进了水体中土著微生物的新陈代谢能力，水体的自净功能增强，使底泥和上覆水中的污染物得到同步去除，水质好转，河水和底泥达到一个新的平衡。

图3 复合酶对河水水质变化的影响

表3 修复前后底泥中有机质含量的变化

3 结论

（1）复合酶生物促进剂能够增强河道底泥中微生物的呼吸强度，促进微生物的生理活性，强化微生物对污染物的转化和降解能力，从而提高水体的自净功能。

（2）复合酶生物促进剂可以有效地恢复受萘污染的底泥，通过提高微生物的生理活性和萘的解析与水溶性，强化微生物对萘的去除，经修复后，上覆水中萘的含量明显低于对照样。

（3）复合酶生物促进剂改变了污染河水和底泥的原有平衡状态，底泥的污染物释放量出现一定程度的增加，由于促进了水体中土著微生物的新陈代谢，使底泥和上覆水的污染物含量下降，且均低于对照样，河水和底泥达到一个新的平衡。

（4）利用复合酶生物促进剂对污染水体底泥进行原位生物修复，能够降低底泥对上覆水的二次污染，改善水体水质，促进整个水体的生态恢复。

[1]许世远，陈振楼，俞立中，等.苏州河底泥污染与整治[M].北京:科学出版社，2003，64-64.

[2]钟萍，李丽，李静媚，等.河流污染底泥的生态修复[J].生态科学，2007，26 （2）：181-185.

[3]国家环保局《水和废水检测分析方法》编委会.水和废水检测分析方法[M].第三版，北京：中国环境科学出版社，1997.

[4]刘世亮，骆永明，曹志洪，等.多环芳烃污染土壤的微生物与植物联合修复研究进展[J].土壤，2002，5:257-265.

[5]巩宗强，李培军，王新.芘在土壤中的共代谢降解研究[J].应用生态学报，2001，12（3）：447-450.

[6]董纯娟，吕炳南，陈志强，等.处理生物难降解物质的有效方式一共代谢[J].化工环保，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