铜离子对复合硝化菌群硝化能力影响作用的初步研究

董春宏 胡洪营 钱易
清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京，100084

　　微生物的硝化作用是自然界氮循环的关键环节之一。硝化过程进行的程度，直接影响到水体中氮的循环过程。在水生生态环境中，以亚硝酸菌和硝酸菌为主体的复合硝化菌群是实现硝化过程的主要承担者。复合硝化菌群的生物活性，即硝化能力是影响硝化过程能否顺利进行的决定因素之一。有毒有害化学物质对硝化能力影响的大小不仅能反映其对硝化过程的抑制程度，而且能反映有毒有害化学物质对生态系统氮循环过程的抑制程度。因此，评价有毒有害化学物质对复合硝化菌群硝化能力的抑制作用，对研究有毒有害化学物质的生态效应具有重要意义。本文研究了Cu²⁺（CuSO₄）对自然水体底泥及活性污泥中复合硝化菌群硝化能力的抑制作用。
　　铜在工农业生产中起重要作用，是生命体必不可少的微量元素之一，但过量的Cu²⁺又会对生命活动产生抑制作用。随着工业的发展，尤其是冶金、电镀、石化以及化学工业的发展，大量含Cu²⁺的工业废水被排入自然水体，使自然水体中铜离子含量增加，造成严重污染，引起水体自净功能下降，水生生物中毒甚至死亡。

1． 实验材料与方法

1.1 材料
　　实验用底泥取自清华园与圆明园湖中，在实验室内进行富集培养。培养室长60cm，宽30cm，高45cm，培养室模拟自然水体的一些特点如缓慢流动、向下渗透等。经3个月富集培养以后投入使用，用MPN（最大可能记数法）法测得底泥中的硝化细菌数约为1.2×10⁷/mL。活性污泥取自某氧化沟污水处理装置，用MPN法测得硝化细菌数量约为1.5×10⁸ /mL。
　　实验药剂：硫酸铜，分析纯。
1.2 实验原理
　　硝化菌在将氨氮氧化为亚硝酸进而继续氧化为硝酸的过程中，如果有抑制硝化作用的物质存在，硝化菌的硝化活性将受到抑制，甚至完全丧失。通过测定硝化菌的硝化活性，就可以表示出硝化菌受抑制作用的程度。
　　实验用培养液由去离子水配制而成，氨氮含量为50mg/L，pH值为7.0-7.5之间，DO大于5mg/L。
　　实验采用摇瓶法，容器为200mL的锥型瓶，内放90mL的实验用培养液，10mL的底泥。摇床温度为30±1℃，转速160转/分。

2． 实验步骤

2.1 实验用培养液浓度选择
　　抑制剂浓度对底泥设置为2，6，8，10，20，40mg/L，对活性污泥设置为5，10，15，25，40，50mg/L，并做空白对照实验。
2.2 实验用培养液的配制
　　实验用培养液采用高浓度逐步稀释法配置而成。
　　1#液的配制：含Cu²⁺200mg/L和NH3-N40mg/L的溶液2000mL。
　　2#液的配制：含NH3-N40mg/L的溶液2000mL。
　　使用时根据抑制剂浓度，先移取相应体积的1#液，再用2#液将体积稀释至90mL。
2.3 实验用复合硝化菌群的投放
　　实验前取出足量的底泥，混合均匀后从中取出10mL加入实验用培养液中。活性污泥需要浓缩后加入。
2.4 实验测定
　　氨氮浓度的测定采用纳氏试剂分光光度法，实验结束后测定SS。

3．结果与结论

　　先将氨氮浓度对时间作图，求出反应速率r，再利用 求出各抑制剂浓度下反应速率的统计平均值 （见表1）。

表1 不同Cu²⁺浓度下的抑制率 底泥 活性污泥 Cu²⁺(mg/L) LgC Ir(%) Cu²⁺(mg/L) LgC Ir(%) 2 0.301 3.79 5 0.699 16.97 6 0.778 9.94 10 1.000 24.91 8 0.903 35.15 15 1.176 30.33 10 1.00 56.51 25 1.398 42.24 20 1.301 70.54 40 1.602 63.18 40 1.602 81.96 50 1.699 69.31 70 1.845 75.45

　　求出硝化作用抑制率Ir后，由Ir对应的概率单位与对数浓度作图，采用直线内插法得到Cu²⁺（CuSO₄）对复合硝化菌群的EC50。
　　实验结果采用内插直线法得到，Cu²⁺（CuSO₄）对底泥和活性污泥中复合硝化菌群的EC50分别为9.8mgCu/L为30.9mgCu/L。通过分析发现，活性污泥中所含Cu²⁺的浓度明显高于自然水体底泥中Cu²⁺的浓度，硝化菌群长期处于受Cu²⁺污染的环境中，复合硝化菌群对Cu²⁺的耐受性较强，敏感程度相应降低；自然水体底泥中的复合硝化菌群由于受Cu污染程度轻或几乎没有，因而对Cu²⁺的敏感性较高。
　　本研究表明选择复合硝化菌群用于有毒有害污染物安全性评价的指示生物时，应选择那些未受污染或受污染很轻的环境中的复合硝化菌群，更能反映实际受污染的情况。以底泥中的复合硝化菌群作为污染物安全性评价的指示生物，建立评价指标以及有毒有害污染物对硝化作用影响的研究将是该领域的一个新的生长点。

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（本项目由国家重点基础研究专项973经费资助，项目编号：G1999045711）