赵静岩，吴继业，王强强，葛利云，叶盛，彭路菊，鲍根莲，钟铭晨，邓欢欢

(1.温州医科大学 公共卫生与管理学院，浙江 温州 325035； 2.浙南水科学研究院，浙江 温州 325035； 3.上海海庭环境工程有限公司，上海 200092； 4.温州医科大学 检验医学院生命科学学院，浙江 温州 325035； 5.龙湾区环境监测站，浙江 温州 325035； 6.浙江中蓝环境科技有限公司，浙江 温州 325035)

生物膜是由自养微生物(藻类等)或异养微生物(病毒、细菌、真菌、原生动物等)构成的聚合体，它聚集在固-液交界处，并包裹于含水量较高的胞外聚合物中[1-2]。张亮等[3-4]的研究显示，土壤微生物是土壤酶的主要来源，土壤酶活性与土壤微生物种群结构和数量密切相关，我们有理由认为，生物膜的酶活性也主要来源于其自身的微生物。这些微生物具有的磷酸酶、脲酶和脱氢酶活性可以将水体中的污染性有机物分解为无机物，因此，其酶活性大小可以从一定程度上指示水体的自净能力。本文针对种植植物对基质上生物膜酶活的影响进行了深入研究，试验以上方种植再力花的新型人工基质M为试验组，未种植再力花的新型人工基质N为对照组，研究两组基质表面生物膜酶活的差异[5]，探讨在基质上种植再力花是否有利于填料的污水净化能力，为提高河道自净能力提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 新型人工基质

引入的新型人工基质是聚氯乙烯或聚丙烯经乱丝热熔相互搭接，再经模具挤压成型的三维网状材料(图1)，试验所用基质的规格均为100 cm×30 cm×100 cm。

图1 新型人工基质

1.1.2 植物材料

再力花(ThaliadealbataFraser)为竹芋科多年生挺水草本植物。

1.1.3 主要试剂

甲苯、0.5%磷酸苯二钠溶液、0.3%铝钾矾溶液、硼酸缓冲液、氯代溴苯醌亚胺试剂、磷酸缓冲液、10%尿素溶液、1 mol·L-1KCl溶液、25%酒石酸钾钠、纳氏试剂、Tris-HCl缓冲液、0.1 mol·L-1葡萄糖溶液、0.5% TTC、浓硫酸、蒸馏水等。

1.1.4 主要仪器设备

pH计、离心机、分析天平、振荡培养箱、立式蒸汽压力灭菌锅、超声波清洗机、恒温干燥箱、恒温水浴锅、紫外-可见分光光度计(SHIMADZU，UV2450)、荧光分光光度计(HITACHI，F4500)、便携式多参数水质分析仪(美国金泉，YSI556MPS)、自动酶标仪(美国Thermo，Multiskan MK3)、流动注射分析仪(德国Bran Luebbe，AA3)、隔水式培养箱、双目倒置式生物显微镜、酶标检测仪等[6-7]。

1.2 方法

1.2.1 处理设计

以温州某大学校内河为试验河流选段，比较分析再力花在不同季节(5、8、11、1月)对新型人工基质上生物膜磷酸酶、脲酶和脱氢酶活性的影响。在同一河段内放置新型人工基质M(上方种植再力花)和新型人工基质N(未种植再力花)，基质上表面与水面齐平(试验时基质已放置约15个月)。

1.2.2 样品采集与处理

取样方式如图2所示。分别在M、N基质的20和50 cm处截取两块规格约为10 cm×30 cm×10 cm的小块基质，记为M20、M50和N20、N50。将小块基质放入500 mL烧杯中，用蒸馏水洗去其表面附着的非生物杂质后，再加入约300 mL蒸馏水，用物理法使表面生物膜剥落。超声处理15 min后(超声频率50 Hz)，将溶液转移到1 000 mL锥形瓶中，加入适量微型玻璃珠，室温下充分震荡15 min得到均匀的生物膜混合液，作为后续试验样品备用。

图2 取样方式

1.2.3 生物膜干重测定

1.2.4 磷酸酶活性测定

基质磷酸酶活性的测定采用磷酸苯二钠法[9]，以1 g生物膜24 h释放出酚的量表示酶活性。

1.2.5 脲酶活性测定

基质脲酶活性的测定采用奈氏比色法[9]，以1 g生物膜每48 h释放出氨的量表示酶活性。

1.2.6 脱氢酶活性测定

基质脱氢酶活性测定采用TTC-脱氢酶测定法[10]，以1 g生物膜每小时产生1 μg三苯基甲臜(TF)的量作为1个酶活力单位。

1.2.7 数据处理

采用Origin Pro 9.1软件和AutoCAD 2012软件进行数据统计分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 同水平面上M、N基质生物膜干重的对比

生物膜干重反映的是生物膜总量，是生物膜参数中最为常用的指标。研究表明，种植不同植物和不同入水深度的基质上的微生物群落具有不同的群落结构和代谢特性[11]。如图3所示，春、冬两季基质表面生物膜干重均为种植再力花组高于不种植再力花组，即M50>N50，其中冬季种植再力花的新型人工基质表面生物膜干重约为未种植植物再力花基质表面干重的2倍。秋、冬季节基质表面的生物膜干重均呈现N20较M20高，究其原因可能是再力花枝叶较大，遮挡了日光对水面下基质的照射，而生物膜的厚度和干重与入射光强相关，导致种植再力花的M组基质表面生物量略低于N组。党楠[12]的研究也证实了这一观点。一年四季总体上表现为冬季生物膜干重最高。

a和b表示同一季节的M组和N组数据有显著差异，图4～6同。图3 不同季节M、N基质生物膜干重的变化

2.2 同一水平面上M、N基质生物膜酶活性的对比

2.2.1 磷酸酶活性变化

本试验测定的磷酸酶是一种能将对应底物去磷酸化的碱性磷酸酶，即可通过水解磷酸单酯将底物分子的磷酸基团除去，并生成磷酸根离子和羟基自由基[5,13-14]。如图4所示，除春季外，种植植物比未种植植物的新型人工基质表面的磷酸酶活性均有明显增高，即M>N，这与李宏[15]的研究结果一致。其中，夏季M20与N20的差值最大，其M、N组样本基质的磷酸酶活性差异表现为20 cm处比50 cm处更加明显，原因是浅位点受阳光直射效果较好，温度和湿度等环境条件可使碱性磷酸酶的酶活性保持在较高水平。

图4 不同季节M、N基质生物膜磷酸酶活性变化

2.2.2 脲酶活性变化

脲酶的主要作用是将水中的有机物质催化分解为氨态氮，植物可吸收利用这些含氮无机盐，并且其代谢产物能够促进根际微生物生长，刺激脲酶的合成及活性增强[5,16-17]。

如图5所示，基质表面脲酶活性总体上呈现M50>N50；在夏季，M20显著高于N20；冬季基质表面的脲酶活性整体上处于较低水平，且种植植物的M组基质酶活反而下降。姚健等[18]研究证明，土壤酶活性随季节变化有明显的规律，不同类酶的变化有些许差别，但总体上表现为冬季酶活性最低，春季上升，夏秋季活性较高。由此推测水体中基质表面生物膜酶活性也有相似特点，冬季低温会抑制脲酶的活性，再加上冬季再力花枯萎，根系无法起到促进脲酶活性的作用。除个别情况M组相对N组的脲酶活性有小幅下降外，总体上均呈现种植植物的M组基质表面脲酶活性明显高于不种植植物的N组。

图5 不同季节M、N基质生物膜脲酶活性变化

2.2.3 脱氢酶活性变化

脱氢酶属氧化还原酶类,能酶促有机物质脱氢，起着氢的中间转化传递作用，因此，脱氢酶活性可作为微生物氧化还原系统的指标，反映处理体系内活性微生物的量及其对有机物的降解活性，以评价降解性能[19-21]。本试验脱氢酶测定采用TTC法，该法主要选用无色的氯化三苯基四氮唑(TTC)作为人为受氢体，受氢后生成深浅不同的红色TF，TF颜色越深，说明脱氢酶活性越高。

如图6所示，春、夏、秋三个季节在20、50 cm两个水平面取样的新型人工基质表面脱氢酶活性均表现为种植植物的一组高于未种植植物的对照组，即M>N；秋季种植物的M基质显著高于未种植物的N基质。李今[22]的研究表明，基质脱氢酶活性空间分布规律与生物膜生物量的积累趋势有一致性。但本研究结果显示，在冬季基质表面生物膜干重最大，整体脱氢酶活性却偏低，究其原因可能是1月气温较低，抑制了脱氢酶的活性[20,23](生物膜脱氢酶活性的适宜温度为38 ℃)。

图6 各季节同一水平面上M、N基质生物膜 脱氢酶活性变化

3 小结

本研究对同一河段中种植再力花的新型人工基质和未种植再力花的新型人工基质上生物膜的磷酸酶、脲酶和脱氢酶活性以及微生物总量进行测定。结果表明，微生物量总体上表现为种植植物的新型人工基质高于未种植植物的新型人工基质，且冬季生物量最大，春季最少；四个季节的磷酸酶、脲酶、脱氢酶活性均是在种植植物的较高，且植物对磷酸酶和脲酶活性的促进作用在夏季较为显著，对脱氢酶活性的促进作用在秋季较为显著。在新型人工基质上种植植物可为微生物生长繁殖提供更多的养料和更合适的生存环境，从而增加微生物数量，也使其酶活增强。结果表明，在基质上种植植物可通过提高基质上生物膜的酶活，从而增强河道的自净能力，改善水体微环境。本试验的研究内容是城市滨水岸带新型人工基质修复技术研究的一部分，放置种植植物的新型人工基质能很好地避免河流生态作用降低、水质恶化、生境丧失或被阻断、物种减少等河流生态系统退化问题。

本研究着重从保护水的自然清洁和维持人与水环境和谐的角度去考虑问题，经过优化设计，开发合适的近自然滨水岸带建设技术，重新构建生态位功能较为完善的城市内河滨水岸带结构，对于城市河流水质稳定好转，重建自然生态景观和促进水生生态物种复育，具有多方面的重要意义。