喬鐵軍， 張曉健
(清華大學 環境科學與工程系，北京 100084)

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

1 基本原理

　　原位基質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。
　　原位基質攝取速率檢測法的基本思路是將變量的時間變化轉化為空間變化。該方法的第一條假設是基質的濃度是濾池高度的函數，而且這種函數是可微的。另一條假設是從濾池內部所選取的任一微元體在一定條件下能夠達到穩態。
　　獲取基質降解速率的最終表達式有全微分法和質量守恒定律法兩種途徑，在此采用比較直觀的質量守恒定律法。?
1.1　ISOURM
　　在不改變微生物生長環境的情況下，單位時間內、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、出水溶解氧的濃度分別為DOinf和DOeff，在微元體內由于微生物作用而引起的溶解氧變化為ISOUR·(1-e)ωdh，根據質量守恒定律得：
　　　　　　　　　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
　　異養細菌的活性可以用對有機物(CODMn表示)的攝取速率來表示。在不改變其生長環境的情況下，單位體積濾料上所生長的異養細菌在單位時間內所降解的CODMn量即為原位有機物攝取速率(ISCUR)，其值除以異養細菌量則為比原位有機物攝取速率(SISCUR)。
　　通過與ISOUR類似的推導過程，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
　　亞硝化細菌的作用是將NH₄⁺-N轉化為NO₂^--N，其活性可以用對NH₄⁺-N的攝取速率來表示。在不改變其生長環境的情況下，單位體積濾料所生長的亞硝化細菌在單位時間內所氧化NH₄⁺-N量即為原位氨氮攝取速率(ISAUR)，其值除以亞硝化細菌量則為比原位氨氮攝取速率(SISAUR)。
　　通過與ISOUR類似的推導過程，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
　　在不改變其生長環境的情況下，硝化細菌在單位時間內所氧化的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 試驗設備和方法 ?

2.1 試驗設備
　　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均按標準方法測定。

3 結果及分析 ?

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，濾層下部的生物活性很低，在最底部微生物甚至表現不出活性。?
3.2 異養菌、亞硝化菌和硝化菌活性
　　生物活性濾池中的異養細菌、亞硝化細菌和硝化細菌等三類細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，濾層上部的三類細菌活性均遠大于濾層下部。濾層下部的細菌活性非常低(甚至為零)，這主要是因為濾層下部的基質濃度非常低，從而抑制了細菌的活性。?

　　　

3.3 　ISOUR與ISCUR、ISAUR和ISNUR之間的關系
　　為了便于不同量之間的比較，需要將這幾個量的單位統一起來。根據物質轉化關系，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系數為0.99，這說明它們之間具有很好的相關性。?

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

4 結論

　　① 原位基質攝取速率生物活性檢測方法是一種準確、方便、快捷的檢測方法，不但可以檢測總生物活性，而且也可檢測異養細菌和硝化細菌的活性。
　　② ISSURM非常適用于推流式反應器。
　　③ ISSURM很好地解決了超微觀尺度和低基質濃度下生物活性的檢測問題。
　　④ 測量的是微生物基質攝取速率，而不是微生物基質攝取潛能。

參考文獻：

　　［1］Lazarova V,Manem J.Biofilm characterization and activity analysis in water and w astewater treatment［J］.Wat Res,1995,29(10):2227-2244.
　　［2］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.
　　［4］國家環保局.水和廢水監測分析方法(第3版)［M］.北京:中國環境科學出版社,1989.

---

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