滲濾液處理微生物電子傳遞體系中鈣鎂的影響

電子傳遞體系廣泛存在于動(dòng)植物體內(nèi)及微生物細(xì)胞中，其通過(guò)接受電子體釋放的電子氫并將基質(zhì)脫下的電子傳遞給最終電子受體，同時(shí)伴隨著腺嘌呤核苷三磷酸的生成，進(jìn)而為微生物生長(zhǎng)代謝提供足夠的能量，在微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中起著重要的作用。微生物電子傳遞體系主要由脫氫酶組成，當(dāng)微生物受到外界環(huán)境脅迫時(shí)脫氫酶活性受到影響，從而使微生物電子傳遞體系的活性遭到破壞，進(jìn)而影響微生物正常的生長(zhǎng)代謝。因此，研究污染物對(duì)微生物電子傳遞體系活性的影響具有重要意義。不同污染物對(duì)微生物電子傳遞體系活性產(chǎn)生的影響不同，并且微生物電子傳遞體系活性隨著污染物濃度的變化而變化。然而，目前研究主要集中在單一污染物對(duì)微生物電子傳遞體系的影響，較少有混合污染物的影響研究，而環(huán)境中的污染物大多是以混合物的形式存在，混合污染物的影響更復(fù)雜，因此，具有更重要的研究意義。

垃圾滲濾液中普遍存在鈣、鎂離子，濃度為幾十到數(shù)千mg/L。但鈣、鎂離子對(duì)垃圾滲濾液厭氧生物處理過(guò)程中微生物電子傳遞體系的影響研究較少。鑒于此，筆者首先研究了單獨(dú)鈣離子和鎂離子對(duì)垃圾滲濾液處理過(guò)程中厭氧微生物電子傳遞體系的影響，然后重點(diǎn)研究了鈣、鎂離子的聯(lián)合作用。首先采用直接均分射線法設(shè)計(jì)3種不同濃度配比的鈣、鎂離子混合物，分別采用非線性回歸方法S型、J型曲線對(duì)濃度-效應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并繪制濃度-效應(yīng)曲線；利用等效線圖法分析鈣、鎂離子混合物對(duì)微生物電子傳遞體系的聯(lián)合作用，進(jìn)而全面系統(tǒng)地分析不同濃度鈣、鎂離子對(duì)微生物電子傳遞體系的影響，以期為垃圾滲濾液生物處理中鈣、鎂離子的影響提供參考。

1、材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)置及種泥來(lái)源

試驗(yàn)中的垃圾滲濾液及種泥均取自合肥市某垃圾滲濾液處理廠。試驗(yàn)設(shè)置不同濃度梯度的鈣離子、鎂離子和兩者混合物的厭氧序批式活性污泥反應(yīng)器，反應(yīng)器有效容積為500mL，直徑為8cm，高為12cm，試驗(yàn)裝置如圖1所示。反應(yīng)器水力停留時(shí)間為36h，其中進(jìn)水1h、反應(yīng)34.6h、沉淀0.2h、出水0.2h。振蕩頻率為140r/min，試驗(yàn)溫度維持在35℃左右。鈣、鎂離子采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法檢測(cè)。電子傳遞體系活性采用碘硝基氯化四氮唑藍(lán)作為電子受體進(jìn)行測(cè)定。

1.2 污染物抑制率及作用效應(yīng)分析

向反應(yīng)器中投加不同濃度的鈣、鎂離子及其混合物，待反應(yīng)器穩(wěn)定后，分別檢測(cè)其電子傳遞體系活性，計(jì)算不同濃度鈣離子、鎂離子及其混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的抑制率X，如下：

式中：C0為空白對(duì)照組的厭氧微生物電子傳遞體系活性，μg/（mg?h）；C為不同濃度鈣離子、鎂離子及其混合物影響下厭氧微生物電子傳遞體系活性，μg/（mg?h）。

采用BiPhasic函數(shù)擬合J型濃度-效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。BiPhasic函數(shù)如下：

式中：c為鈣離子、鎂離子或兩者混合物濃度，mg/L；c01、c02為鈣離子、鎂離子或兩者混合物的半數(shù)有效濃度EC50，mg/L；Bmin為最低抑制率（即濃度-效應(yīng)曲線的最低點(diǎn)，也是最大促進(jìn)效應(yīng)點(diǎn)）；Bmax1為達(dá)到Bmin之前的最高抑制率；Bmax2為達(dá)到Bmin之后的最高抑制率；d1、d2為斜率。

采用Logistic函數(shù)擬合S型濃度-效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。Logistic函數(shù)如下：

式中：Amax為不同濃度下鈣離子、鎂離子或兩者混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的最大抑制率；A0為空白對(duì)照組的抑制率；α為鈣離子、鎂離子或兩者混合物的潛在抑制能力常數(shù)；c為鈣離子、鎂離子或兩者混合物的濃度，mg/L；c0為鈣離子、鎂離子或兩者混合物的半數(shù)有效濃度EC50，mg/L。

1.3 鈣、鎂離子濃度設(shè)計(jì)

為了研究鈣、鎂離子二元混合物的聯(lián)合作用效應(yīng)，先采用直接均分射線法構(gòu)建鈣離子和鎂離子二元混合體系，如圖2所示。鈣、鎂離子設(shè)置3種配比：當(dāng)鈣、鎂離子配比為L1時(shí)，鈣、鎂離子的占比分別為0.27和0.73；當(dāng)鈣、鎂離子配比為L2時(shí)，鈣、鎂離子占比分別為0.52和0.48；當(dāng)鈣、鎂離子配比為L3時(shí)，鈣、鎂離子占比分別為0.77和0.23。再采用稀釋因子法確定不同配比下不同濃度組合的鈣、鎂離子混合物，其中稀釋因子的確定方法如下：

式中：W為稀釋因子；Pmin為最低濃度，mg/L；Pmax為最高濃度，mg/L；n為濃度點(diǎn)個(gè)數(shù)。

1.4 鈣、鎂離子混合物作用關(guān)系分析

該試驗(yàn)采用等效線圖法分析不同濃度配比的鈣、鎂離子對(duì)垃圾滲濾液處理過(guò)程中厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系。等效線圖法如圖3所示。A、B分別表示鈣、鎂離子在單獨(dú)作用條件下達(dá)到某一相同作用效應(yīng)時(shí)對(duì)應(yīng)的濃度值，連接點(diǎn)A和點(diǎn)B，形成的線段AB稱為加和作用線，該線段表示鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系為加和作用。白色區(qū)域表示鈣、鎂離子對(duì)電子傳遞體系的作用關(guān)系為拮抗作用；藍(lán)色區(qū)域表示鈣、鎂離子對(duì)電子傳遞體系的作用關(guān)系為部分加和作用；黃色區(qū)域表示鈣、鎂離子對(duì)電子傳遞體系的作用關(guān)系為協(xié)同作用。

2、結(jié)果與討論

2.1 鈣離子對(duì)微生物電子傳遞體系的影響

不同濃度鈣離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的抑制作用隨時(shí)間的變化如圖4所示?？芍煌芷跅l件下，不同濃度鈣離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的濃度-效應(yīng)曲線形狀均為J型，而且鈣離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的促進(jìn)和抑制作用的轉(zhuǎn)折點(diǎn)濃度為687mg/L。當(dāng)鈣離子濃度<687mg/L時(shí)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性有一定的促進(jìn)作用，促進(jìn)效應(yīng)最高達(dá)到14.7%；當(dāng)鈣離子濃度>687mg/L時(shí)，隨著鈣離子濃度的增加，對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的促進(jìn)作用逐漸降低并向抑制作用轉(zhuǎn)變，而且隨著反應(yīng)周期的增加，鈣離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的抑制作用逐漸增強(qiáng)；當(dāng)鈣離子濃度達(dá)到8000mg/L時(shí)，對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的抑制率達(dá)到了77%左右。以上說(shuō)明，低濃度的鈣離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性具有促進(jìn)作用，而高濃度的鈣離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性具有抑制作用，并且隨著鈣離子濃度和作用時(shí)間的增加，抑制作用也逐漸增強(qiáng)。

2.2 鎂離子對(duì)微生物電子傳遞體系的影響

不同濃度鎂離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的抑制作用隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖5。鎂離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的抑制作用具有明顯的時(shí)間依賴性，表現(xiàn)為在一定濃度條件下，抑制作用隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增強(qiáng)。另外，當(dāng)鎂離子濃度在549~8000mg/L時(shí)，厭氧微生物電子傳遞體系活性受到的抑制作用隨鎂離子濃度的增加而顯著增強(qiáng)，當(dāng)鎂離子濃度為8000mg/L時(shí)，抑制率達(dá)到了81.4%，說(shuō)明高濃度的鎂離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的抑制作用具有明顯的濃度依賴性。

2.3 鈣、鎂離子對(duì)微生物電子傳遞體系的影響

不同濃度配比的鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的抑制作用隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6?？芍?，3種不同濃度配比的鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的濃度-效應(yīng)曲線均呈現(xiàn)J型曲線。在鈣、鎂離子配比為L1的條件下，當(dāng)鈣、鎂離子混合物濃度549mg/L時(shí)，對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的抑制作用隨著濃度的增加而逐漸升高。在鈣、鎂離子配比為L2和L3的條件下，當(dāng)鈣、鎂離子混合物濃度687mg/L時(shí)，對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的抑制作用隨著濃度的增加而逐漸升高。不同配比的鈣、鎂離子混合物在相同濃度條件下，隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的抑制作用逐漸增強(qiáng)。這說(shuō)明不同濃度配比的鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性的作用效應(yīng)既具有濃度依賴性又具有時(shí)間依賴性。綜上，不同濃度配比的鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系活性均表現(xiàn)出低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的作用，并且促進(jìn)作用隨著鈣離子占比的增加而逐漸降低。

2.4 鈣、鎂離子與電子傳遞體系的作用關(guān)系

采用等效線圖法分析不同周期下不同濃度配比鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行到第1周期時(shí)，可畫(huà)出EC20和EC30效應(yīng)濃度水平下的等效線圖。由圖7（a）、（b）可知，在第1周期，當(dāng)鈣、鎂離子配比為L1時(shí)，鈣、鎂離子的濃度點(diǎn)均落在白色區(qū)域，表明鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系為拮抗作用；當(dāng)鈣、鎂離子配比為L2時(shí)，鈣、鎂離子的濃度點(diǎn)由白色區(qū)域逐漸過(guò)渡到藍(lán)色區(qū)域，表明鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系由拮抗作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠旨雍妥饔?；?dāng)鈣、鎂離子配比為L3時(shí)，鈣、鎂離子的濃度點(diǎn)均落在黃色區(qū)域，表明鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系為協(xié)同作用。

當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行到第2~3周期時(shí)，可畫(huà)出EC30和EC40效應(yīng)濃度水平下的等效線圖。由圖7（c）~（f）可知，在第2~3周期，當(dāng)鈣、鎂離子配比為L2和L3時(shí)，鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系為協(xié)同作用；當(dāng)鈣、鎂離子配比為L1時(shí)，鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系為拮抗作用。

當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行到第4周期時(shí)，可畫(huà)出EC50和EC60效應(yīng)濃度水平下的等效線圖。由圖7（g）和（h）可知，在第4周期，當(dāng)鈣、鎂離子配比為L1時(shí)，鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系由拮抗作用轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同作用；當(dāng)鈣、鎂離子配比為L2和L3時(shí)，鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系為協(xié)同作用。

當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行到第5周期時(shí)，可畫(huà)出EC60和EC70效應(yīng)濃度水平下的等效線圖。由圖7（i）和（j）可知，在第5周期，當(dāng)鈣、鎂離子配比為L1時(shí)，鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系由部分加和作用轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同作用；當(dāng)鈣、鎂離子配比為L2和L3時(shí)，鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系為協(xié)同作用。

綜上可知，鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系隨著兩者配比的不同而發(fā)生變化。微生物電子傳遞體系主要由脫氫酶組成，在微生物代謝過(guò)程中，基質(zhì)脫氫是生物進(jìn)行氧化分解的關(guān)鍵步驟，在微生物降解有機(jī)污染物的過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，微生物脫氫酶活性易受外界環(huán)境的影響，進(jìn)而影響電子傳遞體系的活性。當(dāng)鈣、鎂離子混合物配比為L1時(shí)，鎂離子占比較高，鈣離子占比較低，較高的鎂離子可能會(huì)阻礙鈣離子與脫氫酶結(jié)合，而鈣離子在低濃度條件下對(duì)脫氫酶活性具有促進(jìn)作用，會(huì)削弱鎂離子對(duì)脫氫酶的抑制作用，因此，當(dāng)鈣、鎂離子混合物配比為L1時(shí)，鈣、鎂離子混合物對(duì)微生物電子傳遞體系的作用關(guān)系主要表現(xiàn)為拮抗作用。當(dāng)鈣、鎂離子濃度配比為L3時(shí)，鈣離子起主導(dǎo)作用，高濃度的鈣、鎂離子均會(huì)對(duì)脫氫酶產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而影響微生物電子傳遞體系活性，因此，當(dāng)鈣、鎂離子濃度配比為L3時(shí)，鈣、鎂離子混合物對(duì)微生物電子傳遞體系表現(xiàn)的作用關(guān)系主要為協(xié)同作用。不同配比鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

3、結(jié)論

①鈣離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用呈現(xiàn)低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的特點(diǎn)；而鎂離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用均為抑制。在同一濃度條件下，鈣離子或鎂離子對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的抑制作用隨作用時(shí)間的增加而逐漸升高。

②不同濃度配比的鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系的作用效應(yīng)均具有濃度依賴性和時(shí)間依賴性。不同濃度配比的鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系均表現(xiàn)出低濃度促進(jìn)作用，但是該促進(jìn)作用隨著鈣離子占比的增加而逐漸降低；而高濃度鈣、鎂離子混合物對(duì)厭氧微生物電子傳遞體系具有抑制作用。隨著作用時(shí)間的增加，促進(jìn)作用逐漸降低，抑制作用逐漸升高。（來(lái)源：安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，環(huán)境污染控制與廢棄物資源化利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）