1 引言
　　廢水生物降解的實(shí)質(zhì)是，基質(zhì)通過活性污泥或生物膜中微生物細(xì)胞分泌的各種酶系的催化而逐步被氧化分解的過程．其中，催化劑以氧化還原酶系最為主要。因此，根據(jù)不同水質(zhì)條件下微生物所產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)酶特性，可通過測(cè)定酶的催化能力大小來(lái)衡量微生物的活性。
　　對(duì)于生物活性的測(cè)定分析，尚無(wú)統(tǒng)一的定量標(biāo)準(zhǔn)。目前提出的一些方法，如ATP法、脫氫酶法等，測(cè)定技術(shù)都比較復(fù)雜，過程也難以控制，不利于實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。
　　利用電化學(xué)的方法，運(yùn)用微生物傳感電極測(cè)定活性，目前在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中報(bào)道較少，本文將對(duì)此進(jìn)行初步的研究和探索。
2 試驗(yàn)原理
　　微生物活性是以微生物體內(nèi)優(yōu)勢(shì)酶系的活性來(lái)表征的。由于酶的活性大小可由一定條件下它所催化的某一化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度來(lái)表示，所以酶的活性高低(實(shí)質(zhì)上是酶的定量測(cè)定)表現(xiàn)在酶促反應(yīng)的速度，即單位時(shí)間內(nèi)底物或產(chǎn)物濃度的變化。
　　酶促反應(yīng)符合米氏公式，則有：
　
式中：V—— 酶促反應(yīng)的反應(yīng)速度；
　　　v_m——酶促反應(yīng)的最大反應(yīng)速度
　　　K_m——米氏常數(shù)；
　　　s— — 底物濃度；
　　　i——響應(yīng)電流，與反應(yīng)速度相一致。反應(yīng)速度越快，響應(yīng)電流越大。
　　在一定范圍內(nèi)，1/i∝1/s呈線性關(guān)系，這個(gè)范圍也稱之為線性范圍。隨著s值的增大，i趨向于一個(gè)極限值，即底物濃度無(wú)限大時(shí)，達(dá)到了酶促反應(yīng)的最大反應(yīng)速度v_m 。
　　米氏常數(shù)K 表征了酶與底物的親和力大小，它是酶自身所決定的，與溫度、pH值、酶自身特性均有關(guān)。K 越小，酶與底物的親和力越強(qiáng)。而酶促反應(yīng)的最大速度v_m則反映了酶活性的高低，v_m越大，則酶活性越高。因此，微生物電極的活性主要采用酶促反應(yīng)的最大反應(yīng)速度v_m表征。
3 試驗(yàn)方法
　　本試驗(yàn)以天津某食品公司冰淇淋生產(chǎn)廢水作為原水，生物處理主工藝為升流式厭氧污泥復(fù)合床(UASCB)一移動(dòng)床好氧生物膜反應(yīng)器(MBBR)。對(duì)試驗(yàn)原水水質(zhì)的初步分析表明，冰淇淋廢水中富含油脂和脂肪。油脂和脂肪的典型代表物為三乙酸三甘油酯和豆油乳液。試驗(yàn)中以配制的三乙酸三甘油酯和豆油乳液作為底物來(lái)測(cè)定微生物體內(nèi)所含的酯酶和脂肪酶(類)，得到了較好的響應(yīng)曲線。
3.1 電極響應(yīng)特性的測(cè)試
　　通過測(cè)量化學(xué)反應(yīng)體系的電流(密度)、電量、電極電位和電解時(shí)間等因素之間的函數(shù)關(guān)系來(lái)研究電極過程時(shí)，只需要簡(jiǎn)單的儀器設(shè)備，便能獲得有關(guān)的電極過程動(dòng)力學(xué)的參數(shù)。循環(huán)伏安法(CV法)是目前研究電極過程常用的方法。
　　本試驗(yàn)主要栗用CV法，其電化學(xué)測(cè)試線路如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過程中介體為氧氣時(shí)，其電位范圍一般為250±500mV；介體為二甲胺基甲基二茂鐵時(shí)，電位范圍為100～400mV；介體為苯醌時(shí)，電位范圍為100～400mV；介體為鐵氰酸鉀時(shí)，電位范圍為550mV。電極掃描速度為25～100mV／s。實(shí)驗(yàn)中采用電解液為pH=6．0，7．5，8．0的0.2mol／L PBS緩沖溶液和pH=5．0 5．6的0．2rnol／L檸檬酸鹽緩沖溶液。
　　所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為穩(wěn)定后所測(cè)，

　　電解池采有三電極體系，研究電極為鉑片，面積為0.2cm ，參比電極為飽和甘汞電極(PTFE)，輔助電極為鎳絲，鉑電極結(jié)構(gòu)如圖2所示。文中所有電板電位均指對(duì)于飽和甘汞電極(SCE)而言。

3.2 電極預(yù)處理
　　將燒結(jié)好的Pt電極用5^#金相砂紙打磨，然后用Al₂O₃拋光粉拋光至鏡面，在超聲波清洗器中清洗5min后將電極浸泡在lmol／LH₂SO₄溶液中煮沸5～10min，取出后將電極用二次蒸餾水洗滌，最后在lmol／LH₂SO₄溶液中以100mV／s速度在一250～250mV范圍內(nèi)對(duì)電極進(jìn)行線性電位掃描，直至得到通常Pt電極的循環(huán)伏安圖，且曲線穩(wěn)定不再變化為止．取出用二次蒸餾水洗滌、待用。
3.3 微生物電極的制備
3.3.1 醋酸纖維素(CA)基膜的制備
　　醋酸纖維素是一種羥基聚合物，是沒有強(qiáng)烈氫鍵的無(wú)定形鏈狀高分子化合物。它是一種非常優(yōu)秀的制膜材料，具有很好的成膜和使用性能，這種材料制膜的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在對(duì)它的認(rèn)識(shí)。通過對(duì)CA作某些化學(xué)改性，能制備出新型膜。CA生物活性膜的形成采用了溶出一凝凍法，其和備過程如下：以二氯甲烷為溶劑于30℃ 下攪拌溶解CA，按配方加入無(wú)水乙醇、1，6．己二胺、并緩慢滴加50％ 戊二醛溶液快速攪拌狀態(tài)下反應(yīng)1.5h。 在一定的溶劑蒸發(fā)條件下，將制膜液澆鑄于10cm×10cm帶罩光滑平板玻璃上，均勻展開，流延成膜，靜置24h。待溶劑完全蒸發(fā)后，將膜小心的揭下，煮沸5～10min后即可待用。
3.3.2 微生物電極的制備
　　從填料上刮下附著生長(zhǎng)的微生物膜或吸取含活性污泥的懸浮液，取樣的生物量均為5mg左右，滴加于基膜上，真空抽濾5～10min，外面再包覆一層基膜以防測(cè)試中微生物流失，用0型圈固定在Pt電極表面，制得微生物電極結(jié)構(gòu)如圖3。

3.4 豆油乳液的配制
　　稱取2gPVA熱溶于80mL蒸餾水中．定容于100mL。量取13mL豆油與之混合．于恒溫0～5℃冰水浴中超聲波乳化約8h．儲(chǔ)存于冰箱中待用。
4 結(jié)果與討論
　　本試驗(yàn)所制備的電極中的微生物分剮來(lái)自好氧生物膜、好氧懸浮污泥、厭氧生物膜和厭氧生物污泥。當(dāng)進(jìn)水容積負(fù)荷相同時(shí)，分別選取脂肪酶(系)和醇酶作為待測(cè)優(yōu)勢(shì)酶表征微生物電極活性，電極性能優(yōu)劣如附表所示。
　　從附表可以看出，無(wú)論是以三乙酸三甘油酯還是以豆油乳液作為底物，好氧微生物電極的v_m值都遠(yuǎn)高于厭氧微生物電極。這表明好氧微生物電極的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于厭氧微生物電極活性。對(duì)比測(cè)試微生物的COD_cr去除情況時(shí)還發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水容積負(fù)荷較低時(shí)，好氧微生物的活性較低，表明該系統(tǒng)中厭氧處理部分去除了廢水中大部分的COD_cr，抑制了好氧微生物活性，使其處于饑餓狀態(tài)。這些與測(cè)試結(jié)果吻合，也就是說(shuō)，證明了微牛物電極活性與微生物的其他活性參數(shù)有著良好的相關(guān)性。

附表:電極性能測(cè)試結(jié)果

待測(cè)優(yōu)勢(shì)酶對(duì)應(yīng)底物 三乙酸三甘油酯 豆油乳液 性能參數(shù) v_m/μA 線性范圍/mmol k_m/μA v_m/μA 線性范圍/mmol k_m/μA 厭氧 生物膜 33.6 10 8.3 20.55 0.8 1.73 微生物 生物污泥 11.12 6 2.71 33.79 0.7 9.508 好氧

生物膜

75.58 20 22.6 128.5 7 22.62 微生物 懸浮污泥 35.46 25 23.37 86.36 1.8 9.07

　　此外，試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，好氧反應(yīng)器內(nèi)生物膜中酯酶和脂肪酶(類)的活性均高于其在懸浮污泥中的活性；厭氧反應(yīng)器的生物膜中酯酶活性也高于其在厭氧污泥中的活性，而脂肪酶(類)活性卻較厭氧污泥中低。這表明，厭氧處理時(shí)．污水中的酯類化合物主要為厭氧反應(yīng)器上層的生物膜所分解，而脂肪酸則主要被UASCB下部污泥床的厭氧污泥所礦化。好氧處理時(shí)，懸浮污泥的密度大干填料，在能夠維持填料轉(zhuǎn)動(dòng)的最小氣量下，污泥集中在反應(yīng)器下部，使得填料與污水的接觸機(jī)會(huì)大大高于懸浮污泥，因而2種優(yōu)勢(shì)酶(系)在生物膜中的活性都高于懸浮污泥中的活性。


　　真實(shí)廢水中的優(yōu)勢(shì)酶系為脂肪酶(類)和酯酶。由于測(cè)定厭氧和好氧微生物電極響應(yīng)時(shí)采用了不同的介體，為了減少由此帶來(lái)的誤差，我們將兩部分分開來(lái)討論。圖4、圖5所示分別為厭氧和好氧反應(yīng)器中v_m隨去除負(fù)荷Nr增大的變化曲線。
　　從圖中可以看出，微生物優(yōu)勢(shì)酶系的活性與去除負(fù)荷具有相同的增減趨勢(shì)；對(duì)應(yīng)相同去除負(fù)荷的微生物電極．去除率高時(shí)，所對(duì)應(yīng)電極的米氏常數(shù)K_m值較??；厭氧去除負(fù)荷在15kg／m d時(shí)，無(wú)論是醋酶還是脂肪酶．其活性都發(fā)生了突變。根據(jù)在冰淇淋廢水處理中的試驗(yàn)結(jié)果，厭氧去除負(fù)荷在15kg／m³·d時(shí)．其容積負(fù)荷亦為15kg／m³·d左右．試驗(yàn)測(cè)試表明，在此容積負(fù)荷下，COD_cr去除率達(dá)到最大值，說(shuō)明酵活性最高時(shí)，微生物的新陳代謝達(dá)到旺盛的頂點(diǎn)，有機(jī)物的去除最快，因而COD_cr去除率也達(dá)到最大。
　　因此，以微生物優(yōu)勢(shì)酶系活性作為測(cè)定參數(shù)的方法將大大簡(jiǎn)化生物膜(污泥)括性測(cè)定的試驗(yàn)步驟，對(duì)實(shí)現(xiàn)污水生物指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

第一作者宋亞文．女，1971年出生。畢業(yè)于天津大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)．工學(xué)碩士，工程師．現(xiàn)在北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總皖工作。