喬鐵軍， 張曉健
(清華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100084)

　　摘　要：介紹了一種生物活性檢測方法——原位基質(zhì)攝取速率法，并將其應(yīng)用于飲用水生物活性濾池中微生物活性的測定，結(jié)果表明它是一種準(zhǔn)確、方便、快捷的生物活性檢測方法。
　　關(guān)鍵詞：飲用水；生物活性；基質(zhì)攝取速率；原位檢測法
　　中圖分類號：TU991.21
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)07-0080-03

1 基本原理

　　原位基質(zhì)攝取速率檢測法包括原位氧攝取速率檢測法(ISOURM)、原位有機物攝取速率檢測法(ISCURM)、原位氨氮攝取速率檢測法(ISAURM)和原位亞硝酸鹽攝取速率檢測法(ISNURM)四個部分。
　　原位基質(zhì)攝取速率檢測法的基本思路是將變量的時間變化轉(zhuǎn)化為空間變化。該方法的第一條假設(shè)是基質(zhì)的濃度是濾池高度的函數(shù)，而且這種函數(shù)是可微的。另一條假設(shè)是從濾池內(nèi)部所選取的任一微元體在一定條件下能夠達(dá)到穩(wěn)態(tài)。
　　獲取基質(zhì)降解速率的最終表達(dá)式有全微分法和質(zhì)量守恒定律法兩種途徑，在此采用比較直觀的質(zhì)量守恒定律法。?
1.1　ISOURM
　　在不改變微生物生長環(huán)境的情況下，單位時間內(nèi)、單位體積濾料上所生長的微生物的耗氧 量即為原位氧攝取速率(ISOUR)，其值除以生物量則為比原位氧攝取速率(SISOUR)。
　　在生物濾池濾層深為h處取一微元體ωdh，進(jìn)、出水溶解氧的濃度分別為DOinf和DOeff，在微元體內(nèi)由于微生物作用而引起的溶解氧變化為ISOUR·(1-e)ωdh，根據(jù)質(zhì)量守恒定律得：
　　　　　　　　　0=(DO_inf-DO_eff)·Q-ISOUR·(1-e)·ωdh?　　　　　(1)
變形得：
?　　　　　　　

　　式中 ?ISOUR?——原位氧攝取速率，mg/(L·h)
　　　　　 ω——斷面面積
　　　　　Q——流量
?　　　　v——濾速
?　　　　e——孔隙率
　　　　　DO／h——DO沿濾層高度的變化曲線在h 處的斜率
1.2 　ISCURM
　　異養(yǎng)細(xì)菌的活性可以用對有機物(CODMn表示)的攝取速率來表示。在不改變其生長環(huán)境的情況下，單位體積濾料上所生長的異養(yǎng)細(xì)菌在單位時間內(nèi)所降解的CODMn量即為原位有機物攝取速率(ISCUR)，其值除以異養(yǎng)細(xì)菌量則為比原位有機物攝取速率(SISCUR)。
　　通過與ISOUR類似的推導(dǎo)過程，可得：?

?　　　　

　　式中 ?ISCUR——原位有機物攝取速率，mg/(L·h)
　　　　CODMn／h——CODMn沿濾層高度的變化曲線在h處的斜率
1.3 　ISAURM
　　亞硝化細(xì)菌的作用是將NH₄⁺-N轉(zhuǎn)化為NO₂^--N，其活性可以用對NH₄⁺-N的攝取速率來表示。在不改變其生長環(huán)境的情況下，單位體積濾料所生長的亞硝化細(xì)菌在單位時間內(nèi)所氧化NH₄⁺-N量即為原位氨氮攝取速率(ISAUR)，其值除以亞硝化細(xì)菌量則為比原位氨氮攝取速率(SISAUR)。
　　通過與ISOUR類似的推導(dǎo)過程，可得：

　　　　　　　　

　　式中 ISAUR——原位氨氮攝取速率，mg/(L·h)
　　　　—— NH⁴⁺-Nh——NH⁴⁺-N沿濾層高度的變化曲線 在h處的斜率

1.4 　ISNURM
　　在不改變其生長環(huán)境的情況下，硝化細(xì)菌在單位時間內(nèi)所氧化的NO₂^--N量即為原位亞硝酸鹽攝取速率(ISNUR)，其值除以硝化細(xì)菌 量則為比原位亞硝酸鹽攝取速率(SISNUR)。
　　通過與ISOUR類擬的推導(dǎo)過程可得：?

　　　　　　　　　　(5)

　　式中 ?ISNUR——原位亞硝酸鹽攝取速率，mg/(L·h)
　　　　　　——N沿濾層高度的變化曲線在h處的斜率

2 試驗設(shè)備和方法 ?

2.1 試驗設(shè)備
　　試驗用生物活性濾池(濾柱)用有機玻璃做成，直徑為150mm，高為3.5m。濾層采用活性炭—石英砂雙層濾料(活性炭型號為PJ-09、層厚為55cm；石英砂層厚為35cm、粒徑為0.5～ 1.2cm)。在距活性炭頂部為5、25、45、65和85cm等處分別設(shè)有取樣孔。
2.2 分析方法
　　溶解氧用YSI-99型便攜式溶解氧儀測定。
　　　　?CODMn、NH₄⁺-N、NO₂^--N均按標(biāo)準(zhǔn)方法測定。

3 結(jié)果及分析 ?

3.1 微生物總活性
　　一般來說，在飲用水生物活性濾池中的溶解氧量是充足的，所生長的微生物以好氧細(xì)菌為主，因此溶解氧的變化可以間接地表示總生物活性的大小。試驗中測得的ISOUR沿濾層深 度的變化曲線如圖1所示。?

　　從圖1可見，在生物活性濾池中微生物的總活性沿濾層深度的變化比較明顯，微生物的活性主要集中于濾層上部1/3的深度內(nèi)，濾層下部的生物活性很低，在最底部微生物甚至表現(xiàn)不出活性。?
3.2 異養(yǎng)菌、亞硝化菌和硝化菌活性
　　生物活性濾池中的異養(yǎng)細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌等三類細(xì)菌的活性沿濾層深度分布曲線分別如圖2～4所示。
　　圖2～4表明，濾層上部的三類細(xì)菌活性均遠(yuǎn)大于濾層下部。濾層下部的細(xì)菌活性非常低(甚至為零)，這主要是因為濾層下部的基質(zhì)濃度非常低，從而抑制了細(xì)菌的活性。?

　　　

3.3 　ISOUR與ISCUR、ISAUR和ISNUR之間的關(guān)系
　　為了便于不同量之間的比較，需要將這幾個量的單位統(tǒng)一起來。根據(jù)物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系，氧化1mg的NH₄⁺-N(以N計)需要3.43mg的O₂，同時生成1 mg的NO₂^--N(以N計)，氧化1mg的NO₂^--N需要1.14mg的O₂，經(jīng)過計算可得ISCUR、ISAUR、ISNUR三種活性 之和，再把ISOUR同三種活性之和沿濾層深度的變化分別繪制曲線(見圖5)并計算得出兩曲線的相關(guān)系數(shù)為0.99，這說明它們之間具有很好的相關(guān)性。?

3.4 　基質(zhì)攝取速率與基質(zhì)攝取潛能的關(guān)系
　　微生物的一切生命活動都是在特定的環(huán)境中進(jìn)行的，若假定存在這樣一種環(huán)境：能夠為微生物提供足夠的活動空間、足夠的攝取基質(zhì)、最適宜的溫度及pH值，同時沒有外界的干擾及有毒物質(zhì)的威脅，在這樣的環(huán)境中微生物能夠最大限度地生長，這時微生物具有最大的基質(zhì)攝取速率，稱其為微生物的基質(zhì)攝取潛能。
　　實際上微生物所存在的環(huán)境并不具備這些條件，所以微生物的基質(zhì)攝取速度并不能發(fā)揮到最大限度，而只是表現(xiàn)為某一具體數(shù)值，稱之為微生物基質(zhì)攝取速度，也就是表觀基質(zhì)攝取潛能。
　　在生物活性濾池中，由于飲用水源水的營養(yǎng)水平相當(dāng)?shù)停⑸锸冀K處于被抑制的狀態(tài)，隨著沿層基質(zhì)濃度的降低，水中的營養(yǎng)甚至降到了“零”的地步，這時微生物基質(zhì)攝取速率為零，雖然微生物具有基質(zhì)攝取潛能，但并不能發(fā)揮出來。?

4 結(jié)論

　?、?原位基質(zhì)攝取速率生物活性檢測方法是一種準(zhǔn)確、方便、快捷的檢測方法，不但可以檢測總生物活性，而且也可檢測異養(yǎng)細(xì)菌和硝化細(xì)菌的活性。
　　② ISSURM非常適用于推流式反應(yīng)器。
　?、?ISSURM很好地解決了超微觀尺度和低基質(zhì)濃度下生物活性的檢測問題。
　?、?測量的是微生物基質(zhì)攝取速率，而不是微生物基質(zhì)攝取潛能。

參考文獻(xiàn)：

　?。?］Lazarova V,Manem J.Biofilm characterization and activity analysis in water and w astewater treatment［J］.Wat Res,1995,29(10):2227-2244.
　?。?］Satoshi Okabe,Hisashi Satoh,Yoshimasa Watanabe.In situ analysis of nitrifying biofilm as determined by in situ hybridization and the use of microelectrodes［J］.Applied and Environmental Microbiology,1999,65(7):3182-3191.
　　［3］Andreas Schramm.Structure and function of a nitrifying biolfilm as determined by in situ hybridization and the use of microelectrodes［J］.Applied and Environme ntal Microbiology,1996,62(12):4641-4647.
　?。?］國家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測分析方法(第3版)［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1989.

---

　　電　　話：(010)62779012
　　E-mail:tjqiao99@mails.tsinghua.edu.cn
　　收稿日期：2002-01-09