蚯蚓对生态滤池土壤酶的作用

基于我国农村地区经济发展水平及水环境现状，高效、节能、绿色生态和环境友好的污水处理技术成为研究热点[1,2]，蚯蚓生态滤池（vermifilter）是近年来在国内外被广泛应用的新型污水处理技术[2~5]，该技术通过在普通的生态滤池基础上引入蚯蚓，延长和扩展了原有的微生物代谢链，充分利用了蚯蚓与微生物的协同作用，以及蚯蚓的增加通气性、分解有机物等功能，更好得更有效得进行污水处理[6~8]。作为一种全新概念的污水处理工艺，蚯蚓生态滤池的工艺性能尚缺乏深入系统的机理研究。土壤中的酶主要来源于微生物、植物根系和土壤动物的分泌，它们的活性与土壤微生物活性密切相关[9~11]。土壤酶参与了包括土壤生物化学过程在内的自然界物质循环，与有机物质分解、营养物质循环、能量转移、环境质量等密切相关，是土壤生物化学过程的主要调节者[10,11]。土壤酶在以土壤为主要处理单元的生态滤池系统中也起着重要作用，很多学者认为土壤酶会对水处理系统中环境因子的变化做出响应[12,13]，并以酶活性强度来评价净化效果[14~16]。因此，研究生态滤池中的土壤酶的分布及变化，对于阐明生态滤池污水净化机理有重大的意义。本实验以构建生态滤池为研究对象，以期找出蚯蚓生态滤池土壤酶的空间分布与季节动态特征，并说明生态滤池土壤酶活性如何对蚯蚓活动做出相应，旨在为阐明蚯蚓生态滤池净化机理以提高净化效率提供依据。

1材料与方法

1.1实验概况

实验构筑于江苏省无锡市胡埭镇龙岩村。生态滤池小试系统自2009年8月运行至今，系统运行稳定。试验流程如图1所示：当地住户的生活污水经管道收集，汇聚于三格化粪池，化粪池末格污水经泵提升至第一级垂直流人工湿地，湿地出水进入试验所用生态滤池。

1.2试验设计

实验以生态滤池小试装置的表层土壤基质为研究对象。试验设置两个处理：蚯蚓生态滤池和无蚯蚓的对照生态滤池，均采用垂直流人工湿地出水作为试验进水。供试生态滤池装置由PVC桶制成，直径×高为Φ40cm×100cm。池体内填充物从底至表，依次是：底层，由粒径20~40mm的卵石组成，厚度10cm；承托层，粒径5~7mm的砾石组成，厚度10cm；隔离层，由粒径0.5~1mm的粗砂组成，厚度10cm；土壤层，厚度20cm。土壤层土壤（0~20cm）是特殊配置的人工土，由当地土壤、锯木屑及铁矿粉渣按照体积比10∶3∶1配成，土壤成分含有机质23.38gkg-1，全氮16.19gkg-1，全磷15.34gkg-1，pH6.23。试验期间生态滤池进水水质为COD49.9~183.28mgL-1，铵态氮19.4~64.7mgL-1，总氮25.0~83.7mgL-1，总磷0.26~4.38mgL-1，pH7.39~8.21。供试蚯蚓品种为大平2号赤子爱胜蚓（Eiseniafoetida）。

1.3样品的采集与分析

1.3.1土样样品的采集与分析

取样时间为2008年春（3月）、夏（6月）、秋（9月）、冬（12月）四个季节，在供试蚯蚓生态滤池及对照生态滤池中进行梅花形布点，按三个层面（0~5cm、5~10cm、10~20cm）利用柱状采样器采集土样，等量混合。土壤样品封口袋封装4℃环境下带回实验室，仔细去除新鲜土样中可见植物残体及土壤动物，过2mm孔径筛后混匀，于一周内测定样品土壤酶活性。其他土壤风干过筛后，测定基本理化指标[17]。土壤酶活性的测定[10]：土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，以葡萄糖含量表示（mgkg-1h-1）；土壤脲酶活性测定采用苯酚钠比色法，以土壤中NH4+表示（mgkg-1h-1）；土壤碱性磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法，以酚含量表示（mgkg-1h-1）。

1.3.2水样的采集与分析

实验期间内，土样采集前一天采集生态滤池进水和出水，过滤后利用滤液测定pH值，采用重铬酸钾消解法测定COD，采用荷兰Skalar公司的流动分析仪测定NH4+、TN、TP浓度。

1.3.3蚯蚓采集与分析

分别于2009年9月及2010年9月两次接种蚯蚓，接种密度均为7.96g蚯蚓/L土壤。采集土壤样品同时期，进行蚯蚓样品的计数，在Schmidt的方法[18]基础上适当改进，具体如下：于蚯蚓生态滤池内随机插入一个Φ10cm×25cm的铁管，刨出管内土壤，并以手拣法采取蚯蚓，带回实验室用清水将蚯蚓洗净并用滤纸吸干后，分别称取蚯蚓鲜重及记录个数，蚯蚓数量调查之后，将采取的蚯蚓重新回接。

1.4数据处理

数据处理与分析采用SPSS13.0及DPS12.0。

2结果分析

2.1季节因素对蚯蚓生物量的影响

在试验期一年时间内共进行了4次蚯蚓计数，结果如表1所示，蚯蚓生态滤池中的蚯蚓数量随着季节因素波动较大。全年蚯蚓数量变化曲线表现，相比最初投加量，3月蚯蚓数量表现为小波谷；此后，蚯蚓数量快速回升，在6月蚯蚓数量达到观测结果的最高值；7、8月份由于高温天气及较大的降雨量的出现，生态滤池先后发生堵塞现象，9月蚯蚓生物量降为零点；随后，蚯蚓的接种使得蚯蚓生态滤池中的蚯蚓生物量在12月得到回升。

2.2蚯蚓活动对0~20cm填料层土壤酶活性的影响

为了考察蚯蚓活动对生态滤土壤酶活性的空间分布的影响，将各采样季的酶活性结果按照酶种类的不同，分别求均值并作图（图2）。结果表明，蚯蚓生态滤池与对照生态滤池的土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性的空间分布特征基本一致，都随剖面深度的增加呈下降趋势；同时，对比两个处理的各个水平深度，蚯蚓活动能够不同程度的提高生态滤池的三种土壤酶活性，对滤池内土壤蔗糖酶及脲酶活性的增强作用较为显著，而对碱性磷酸酶的作用仅在5~10cm的土层上达到了显著水平。

2.3季节对滤池基质酶活性的影响

如图3所示，土壤蔗糖酶活性、脲酶活性和碱性磷酸酶活性均表现出明显的相类似的季节波动趋势，总体表现为三种基质酶在秋季活性最高，而秋季和夏季的酶活性高于春季和冬季。