崔 伟 黄民生 何 岩 张 勇

华东师范大学环境科学系 （上海 200062）

污染水体治理与修复中脲酶和磷酸酶的监测及其应用

崔 伟 黄民生 何 岩 张 勇

华东师范大学环境科学系 （上海 200062）

氮和磷是污染水体治理与修复中人们比较关注的两种营养元素，而脲酶和磷酸酶的活性与氮和磷在水体中的转换具有很大的相关性。脲酶和磷酸酶的监测对分析水体中氮磷污染物的转化过程、解析水体富营养化机理、缓减水体藻华暴发以及污水生态净化系统的优化构建和运行具有重要的理论意义和应用价值。综述了脲酶和磷酸酶的一般监测方法以及污染水体治理过程中脲酶和磷酸酶的相关研究及其应用。

污染水体 治理与修复 脲酶 磷酸酶 监测和应用

中国分类号 TQ 106.3+5

随着我国城市化进程的加快及人口的不断增多，用水量急剧增加，大量工农业废水及生活污水排入江河湖海。水质污染导致水体的生态系统被严重破坏，自净能力减弱甚至丧失，被污染的水体直接或间接地危及了人类的身体健康，影响了人类的生产和生活。

在水体污染物的研究中，人们比较关注氮和磷这两种营养元素。这是因为一方面氮和磷是水生生物所需的营养元素，另一方面氮和磷过量又会导致水体富营养化。氮和磷在水体中转换与脲酶和磷酸酶的活性又具有一定的相关性，它们是比较受关注的两种土壤酶。我国研究土壤酶开始于上个世纪60年代初，主要研究了土壤酶与微生物的关系、用土壤酶活性评价农业技术措施的经济效果，鉴别土壤类型和肥力水平、土壤酶与土壤污染的自净、土壤酶抑制剂的筛选等，但是研究对象大多集中于农业土壤和森林土壤[1-4]。而国内外关于脲酶和磷酸酶的监测在污染水体治理与修复方面的应用研究却相对较少，主要集中在湿地生态系统中土壤酶的研究。污染水体治理与修复中脲酶和磷酸酶的监测是非常必要的，为此，本文综述了污染水体治理与修复中脲酶和磷酸酶的监测及其应用。

1 脲酶和磷酸酶活性监测的一般方法

1.1 脲酶活性监测的一般方法

脲酶能酶促尿素水解生成NH3、CO2及H2O。

因此为了测定脲酶活性，可以根据由剩余量计算出的基质分解量释放出的NH3量或CO2释放量来进行测定。土壤脲酶活性常用1 g土，在37℃，培养24 h释放出的NH3-N的毫克数表示。

一般方法有扩散法（以尿素为基质，酶促生成的氨用蒸汽蒸馏出，用酸吸收，碱滴定，然后计算氨量来表征酶活性）、奈氏比色法（以尿素为基质，酶促水解后所生成的氨在强碱性溶液中与奈氏试剂起反应生成黄色的碘化双汞铵，所生成的黄色深度与氨含量相关）、靛酚比色法（以尿素为基质，酶促水解生成的氨与酚类化合物起反应能生成蓝色的靛酚，颜色深度与氨含量相关）、尿素含量剩余法（基于尿素能与对二甲基氨基苯甲醛起反应，呈橙色，因而可以求出酶促反应后残余的基质量，从而计算出分解的尿素量来表征酶活性）。

1.2 磷酸酶活性监测的一般方法

磷酸酶是一种能酶促磷酸酯水解的酶，当酶促作用时能释放出正磷酸。

为了测定磷酸酶的活性，可以根据酶解所释放出的有机基团量，或释放出的无机磷的量来进行监测。常用于测定磷酸酶的基质有酚酞磷酸钠、硝基苯磷酸钠、磷酸苯二钠、甘油磷酸钠、α-萘酚磷酸钠或β-萘酚磷酸钠等水解性盐类。土壤酶的测定方法有基于测定无机磷的方法，也有基于测定基质有机部分的方法。其中以测定基质有机部分的方法较为简便。通常以1 g土壤作用于基质24 h释放的P2O5量，或释放出基质有机部分量来表示磷酸酶活性。

微生物的数量和酶活性具有一定的相关性，特别是异养细菌与脲酶和磷酸酶的关系明显，有研究证实[5]在上海市梦清园芦苇湿地中起作用的磷酸酶和脲酶主要来自异养细菌，人工投加菌剂和酶制剂对于提高其中微生物和酶活水平具有明显作用，其中的硝化细菌和脲酶在氨氮转化中发挥了主要作用。

2 污染水体治理与修复中脲酶和磷酸酶的监测意义

酶是一种生物催化剂，能加速湿地中有机物质的化学反应。各种酶的积累是基质微生物、基质动物和植物根系生命活动的结果，它们参与众多生物化学过程，如腐殖质的合成和分解，有机化合物、高等植物和微生物残体的水解及转化成为可利用的形态，以及氧化还原反应等[6]。脲酶和磷酸酶是污染水体治理与修复中比较重要的两种水解酶，与污染水体中氮和磷的转化具有很大的相关性。经各种途径进入水体的氮、磷等营养元素，相当一部分沉积到底泥中。水生植物的生长会吸收部分营养成分，其余大部分仍与水体保持动态平衡。当水体污染源得到一定控制后，氮、磷则可能主要来自底泥的释放，严重时可造成水体富营养化。因此，污染水体治理与修复中脲酶和磷酸酶的监测对分析水体中氮磷污染物的转化过程、解析水体富营养化机理以及减缓水体藻华爆发具有重要的理论意义和应用价值，在分析和评价人工湿地净化氮磷污染物的过程和效能中具有重要的作用。

3 污染水体治理与修复中脲酶和磷酸酶的监测及其应用

脲酶活性与磷酸酶活性是间接反应植物对氮、磷吸收能力强弱的主要指标之一，因此可以作为生活污水处理湿地植物筛选与评价的指标之一。陈永华等[7]以17种湿地植物为材料，在综合应用原有各种湿地植物筛选与评价指标的基础上，增加植物逆境酶和基质酶（基质脲酶活性与磷酸酶活性），作为净化潜力的评价指标，得出的结果与其他学者研究结果基本一致。此外脲酶活性与磷酸酶活性在一定条件下还可以作为判断人工湿地养殖废水处理效能的指标之一。曾梦兆[8]对人工湿地基质磷酸酶、脲酶等活性与养殖废水净化效果的关系进行了研究。就养殖废水中几种主要污染物的去除而言，磷酸酶活性与总磷（TP）的去除率呈极显著正相关，脲酶活性分别与总氮TN、NO2-N去除率分别呈极显著正相关和显著正相关。研究结果为选配湿地植物、评价和提高湿地净化效果提供了理论依据。一些学者还对脲酶和磷酸酶活性与污水净化系统中的氮磷转化过程的相关性进行了研究。孔玲等[9]通过对人工湿地中植物根系活性和酶活性的监测，发现在人工湿地中，脲酶与的去除密切相关，磷酸酶活性与TP和SRP（溶磷）的去除呈正相关。结果表明：脲酶和磷酸酶对人工湿地中和磷的去除可能起着重要作用。李甲亮[10]等以黄河三角洲某湿地处理系统为例，测定了造纸废水灌溉芦苇湿地过程中酶活性动态变化及其与废水污染物的去除率、基质微生物的相关性。此研究为确定该工艺是否适用于灌溉废水的处理提供了参考依据。脲酶和磷酸酶等土壤酶的分解作用普遍被认为是生态系统中有机物质整个分解过程的限制性步骤，控制着湿地生态的物质循环[11]。有研究表明[12]土壤酶活性的大小影响着湿地生态系统的功能，常常作为指示湿地物质分解循环过程强度很重要的指标。

3.1 污染水体治理与修复中脲酶的监测及其应用

脲酶是线性酰胺的C-N键(非肽)的水解酶，其作用是极为专性的，它能水解尿素，水解的最终产物是氨和碳酸。土壤的脲酶活性与土壤的微生物数量、有机物质含量、全氮和速效氮含量呈正相关[13]。

蔡丹丹、田秀平[14]等以天津市东丽区和西青区养殖池塘为对象，分析了底泥中脲酶活性与底泥和上覆水中含量之间的关系及不同处理对脲酶活性的影响。试验结果表明：在养殖水体中加入脲酶抑制剂、沸石及除磷脱氮的芽孢杆菌均能抑制脲酶活性，从而减少上覆水中的含量，并且以加入脲酶抑制剂效果最好，试验结果对控制养殖水体富营养化、促进养殖业生产提供了科学依据。

湿地的脲酶活性规律可以从一个侧面反映湿地含氮物质的内在反应和降解动力学。因此，脲酶活性的监测是揭示人工湿地脱氮机理和效能的重要手段。黄娟[15]等通过对潜流湿地脲酶活性的测定，揭示湿地脲酶活性的分布规律，探讨潜流型人工湿地脱氮机制及利用酶活性评价人工湿地净化效果和优选植物的可行性，为优化构建人工湿地和提高其污染物处理效能提供了理论依据。

国内有研究酸性磷酸酶活性与湿地土壤活性有机碳表征指标间成显著正相关的关系[16]，酶活性增加可以提高有效碳库量，进而影响土壤有机碳的矿化速率。

3.2 污染水体治理与修复中磷酸酶监测及其应用

碱性磷酸酶作为水体一种重要的酶类，在水体磷循环过程中具有关键的作用。当水体磷营养缺乏时，浮游植物和细菌经诱导作用产生大量磷酸酶，并通过酶的催化作用水解水体中的有机磷，释放出无机磷。当水体磷营养充足时，酶的合成则受到抑制[8-9]。研究表明：每年海洋中初级生产力所消耗的氮、磷等营养盐中，99%最终是由再循环过程提供的，而这部分由再循环过程提供的氮、磷营养盐80%是由原位的再循环提供的[10]。湖泊水体中磷酸盐的含量受藻类的自然生长过程的影响变化很快，而碱性磷酸酶这种特殊的“诱导和抑制”机制对湖泊水体藻类的生长具有极其重要的作用。

高光等[17]通过对1998年5月～1999年5月的太湖梅梁湾水体中碱性磷酸酶活性及其他水化学因子的同步实地监测，初步探讨了富营养化较严重的太湖梅梁湾湖区的碱性磷酸酶活性的时空变化规律及其与藻类水华的相关性。研究表明：水体中各种形态磷之间的转化非常快，在磷的循环、转化过程中，碱性磷酸酶的作用至关重要。

可通过对碱性磷酸酶活性高低变化的监测来评价一种工程措施是否会对水体富营养化带来影响。例如，李香华[18]等通过对2003年7月～9月引江济太期间太湖水体中碱性磷酸酶活性的测定，初步探讨了太湖水体在引入长江水之后，其碱性磷酸酶活性的变化趋势，以及碱性磷酸酶活性与营养盐、叶绿素含量之间的关系。研究结果表明引江济太虽然引入高磷浓度的长江水，但并没有加重太湖水体的藻华。从研究结果也可以看出，贡湖湾引入长江水后，藻华并没有大量暴发。因此，从这一角度来讲，引江济太对缓减太湖藻华暴发是有利的。

磷酸酶作为水环境中磷的指示剂已经被广泛接受。不仅如此，磷酸酶还与水环境当中的浮游植物和水生细菌密切相关。侯燕松[19]等通过对养殖池塘中碱性磷酸酶活性的监测，研究利用人工湿地净化养殖废水效果和评价养殖池塘的水质状态和营养水平的可能性。

4 结束语

综上所述，脲酶和磷酸酶是氮和磷在水体中转换过程中的关键酶，其活性作为一个反映水体中生物活性和相关污染物转化效能的指标，被广泛应用于上述各个领域。通过监测脲酶和磷酸酶活性，可以为研究水体富营养化机理、减缓水体藻华暴发以及优化人工湿地的构建与运行提供科学依据。

随着污染水体治理与修复技术的基础研究和推广应用工作的不断深入进行，对脲酶和磷酸酶的监测方法也提出了更新和更高的要求。国内研究人员对脲酶和磷酸酶的监测做了一定量的工作，取得了一定的进展，并在科研和生产中推广和应用。但是对脲酶和磷酸酶监测结果的解析及其应用价值有关方面课题还不够丰富和广泛，值得深化和拓展。随着这项工作的深入开展，必将对水体污染的治理与修复起到积极的推动作用。

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崔 伟 女 1980年生 硕士研究生 从事水处理技术方向的研究

2010年7月