水生生態(tài)系統(tǒng)中，溶解有機(jī)氮是營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)[1, 2]，不僅可以與溶解無機(jī)氮之間相互轉(zhuǎn)化，而且是一類潛在的可被生物利用的重要營養(yǎng)源. 其中,一些小分子量的DON如尿素、 溶解游離態(tài)氨基酸、 核酸等已被證明是可以被浮游植物直接吸收利用[3, 4, 5, 6]，對浮游植物生長、 種群演替及初級生產(chǎn)力的影響不容忽視. 其中，總?cè)芙鈶B(tài)氨基酸是構(gòu)成溶解有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，其構(gòu)成和豐度可用來指示DOM生物可利用性的潛力[7, 8].

　　膠州灣位于黃海之濱，是中國北方海區(qū)典型的半封閉海灣. 自20世紀(jì)70年代末以來，隨著青島市社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，陸源污染物排放總量不斷增加，富營養(yǎng)化已成為膠州灣海域最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，氮污染是導(dǎo)致膠州灣海域富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子[9]. 目前，關(guān)于膠州灣氮污染物的來源、 構(gòu)成和分布研究側(cè)重于溶解無機(jī)氮，而忽視了溶解有機(jī)氮對膠州灣氮污染的貢獻(xiàn).

　　為減少陸源排污，環(huán)膠州灣已經(jīng)建成和運(yùn)行多個(gè)公共污水處理廠，污水處理量達(dá)到114萬t·d-1，占入膠州灣污水總量的90%[10]. 在2008年后，為減少氮污染物的排放，環(huán)膠州灣各污水處理廠經(jīng)過升級改造，相繼增加了硝化/反硝化系統(tǒng); 盡管這些脫氮工藝可能對DIN特別是氨氮的去除十分有效，但對其他形態(tài)氮包括硝態(tài)氮和DON的去除率往往較低[11, 12]. 研究表明，經(jīng)污水處理廠處理后的廢水進(jìn)入近海水體后，一方面，其中DON可通過微生物降解作用和光化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為小分子量的DON和DIN; 另一方面，通過鹽度調(diào)節(jié)作用，將原吸附于腐殖質(zhì)上而難以被生物利用的氨氮以自由態(tài)釋放，這些過程都增大了氮的生物可利用性，從而加重近海氮污染負(fù)荷和富營養(yǎng)化程度[13]. 然而，目前尚未對環(huán)膠州灣污水處理廠排污口污水中DON的構(gòu)成和生物可利用性進(jìn)行系統(tǒng)研究.

　　本研究通過在不同季節(jié)對直排入膠州灣的4個(gè)公共污水處理廠排放口不同形態(tài)氮的調(diào)查，比較分析排入膠州灣不同公共污水處理廠TDN的構(gòu)成，并以TDAA的構(gòu)成及其在DOM中的豐度作為指標(biāo)，評價(jià)所排放DON的生物可利用性.

　　1 材料與方法

　　1.1 膠州灣簡介

　　膠州灣位于山東半島南岸，水域面積約320km2，灣口狹小，最窄處僅為3.1 km，水深較淺，平均水深僅8.8 m，最大水深為64 m. 青島市主城區(qū)環(huán)膠州灣而建，膠州灣不僅是青島市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要承載體，也是青島市農(nóng)業(yè)、 工業(yè)和生活污水的主要承納體，約占青島市面積的65%的陸域所產(chǎn)生的污染物通過河流和排污口進(jìn)入膠州灣[9]. 20世紀(jì)70年代末以來，伴隨著青島市經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，人口不斷增加，陸源污染物排放數(shù)量持續(xù)增多，導(dǎo)致膠州灣水質(zhì)不斷惡化，引發(fā)了赤潮(綠潮)災(zāi)害頻發(fā)等一系列生態(tài)環(huán)境問題[9, 14].

　　1.2 直排膠州灣污水處理廠簡介

　　目前，所調(diào)查區(qū)域的直排入膠州灣污水處理廠都位于膠州灣東部人口密集的建成區(qū)，各污水處理廠的集污范圍、 處理量和處理工藝等見圖 1和表 1.

　　圖 1 直排膠州灣污水處理廠集污范圍和采樣站位示意

 

　　表 1 直排膠州灣公共污水處理廠集污區(qū)范圍和處理工藝簡介

　　1.3 樣品采集和處理方法

　　分別于2012年7月、 2012年11月、 2013年3月及2013年5月在直排膠州灣4個(gè)污水處理廠排放口進(jìn)行取樣分析，采樣站位如圖 1所示. 用有機(jī)玻璃采水器采集排放口水樣5 L，0~4℃冷藏保存并在4 h內(nèi)轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室用全玻璃濾器過濾，濾膜孔徑為0.7 μm(GF/F玻璃纖維濾膜,英國Whatman公司)，并在使用前450℃下灼燒4 h; 將所得濾液轉(zhuǎn)入潔凈的玻璃瓶中，-20℃保存，用于總?cè)芙鈶B(tài)氮(TDN)、 硝態(tài)氮(NO3--N)、 亞硝態(tài)氮(NO2--N)、 銨態(tài)氮(NH4+-N)、 溶解有機(jī)碳(DOC)和總?cè)芙鈶B(tài)氨基酸(TDAA)的測定.

　　1.4 樣品分析方法

　　NO3--N、 NH4+-N及NO2--N分別通過鎘銅還原法[15]、 次溴酸鈉法[15]和重氮-偶氮法[16]測定; DOC、 TDN根據(jù)高溫催化氧化方法進(jìn)行測定[17]，所用儀器為TOC-VCPH分析儀，以鄰苯二甲酸氫鉀和硝酸鉀分別作為DOC和TDN測定的標(biāo)準(zhǔn)品. 每個(gè)樣品平行測定6次，相對偏差小于0.5%. 溶解有機(jī)氮為TDN與溶解無機(jī)氮的差值，其中DIN為NH4+-N、 NO2--N和NO3--N三者之和.

　　氨基酸通過柱前鄰苯二甲醛衍生后高效液相色譜法進(jìn)行分離測定[18]，所用儀器為e2695型高效液相色譜儀并配置以熒光檢測器和Agilent分離柱. 所用標(biāo)準(zhǔn)品為14種氨基酸混標(biāo)，共分離檢測14種氨基酸，包括天冬氨酸、 谷氨酸、 絲氨酸、 組氨酸、 甘氨酸、 蘇氨酸、 精氨酸、 丙氨酸、 酪氨酸、 纈氨酸、 甲硫氨酸、 苯丙氨酸、 異亮氨酸、 亮氨酸，相對偏差在3%～5%.

　　1.5 數(shù)據(jù)處理方法

　　利用Origin 8.0軟件繪制相關(guān)參數(shù)柱狀分布; 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析是應(yīng)用SPSS 16.0.軟件進(jìn)行，相關(guān)性分析是利用皮爾森相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析，若P<0.001(雙邊檢驗(yàn))，說明參量之間具有明顯相關(guān)性.

　　2 結(jié)果與討論 2.1 直排膠州灣污水處理廠不同季節(jié)TDN含量和構(gòu)成特征

　　直排膠州灣的各污水處理廠排放口不同季節(jié)TDN含量變化如圖 2所示. 可以看出，各污水處理廠不同季節(jié)排放口TDN濃度和構(gòu)成有所不同，其中，李村河污水處理廠和海泊河污水處理廠季節(jié)差異顯著，而婁山河污水處理廠和團(tuán)島污水處理廠差異相對較小，但基本上呈現(xiàn)3月和11月高、 5月和7月低的變化特征. 對于海泊河污水處理廠，其排放口3月TDN最高，達(dá)3 580.65 μmol·L-1，其次為11月，達(dá)1 262.50 μmol·L-1; 而5月和7月相差不大，分別為526.73 μmol·L-1和624.45 μmol·L-1; 相應(yīng)地，TDN的構(gòu)成也有顯著差異，3月以DON為主，摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)88.75%，DIN摩爾分?jǐn)?shù)僅為12%，DIN中以還原態(tài)的NH4+-N和NO2--N為主，而其余3個(gè)季節(jié)TDN中以DIN為主，摩爾分?jǐn)?shù)在65.4%~97.9%，DIN中以NO3--N為主，占比都在69%以上. 3月海泊河污水處理廠TDN含量顯著高于其他季節(jié)且構(gòu)成以具有還原態(tài)氮(包括DON、 NH4+-N和NO2--N)為主，表明該污水處理廠的生化處理工藝對氮的生物氧化作用效果不佳. 同樣，李村河污水處理廠排放口TDN濃度和構(gòu)成也有較大差異. 實(shí)際上，調(diào)查期間這兩個(gè)污水處理廠正處于擴(kuò)容和改造階段，導(dǎo)致其污水負(fù)荷和處理工藝尚不穩(wěn)定. 而團(tuán)島污水處理廠和婁山河污水處理廠處理工藝較為穩(wěn)定，其排放口不同季節(jié)TDN差異不大.

　　圖 2 直排膠州灣各污水處理廠不同季節(jié)TDN的濃度和構(gòu)成

　　另外，調(diào)查結(jié)果表明，海泊河污水處理廠排放口不同季節(jié)氨氮含量明顯高于其他污水處理廠，這可能是由于該污水處理廠采用AB法即兩段活性污泥法工藝，對生活污水中氨氮處理排放執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中一級B指標(biāo)，即氨氮≤8mg·L-1的要求，而其它3個(gè)污水處理廠均采用改進(jìn)的A2/O工藝，可以滿足該標(biāo)準(zhǔn)中一級A指標(biāo)即氨氮≤5mg·L-1的要求[19, 20, 21, 22, 23].

　　2.2 直排膠州灣污水處理廠不同季節(jié)DON生物可利用性潛力評價(jià) 2.2.1 基于DOC/DON分析直排膠州灣污水處理廠排放口有機(jī)質(zhì)生物可利用性

　　DOC/DON可以作為指征DOM生物可利用性的一個(gè)重要參數(shù). DOC/DON 值低，表明有機(jī)質(zhì)礦化程度低，生物可利用高，反之則表明有機(jī)質(zhì)礦化程度高，生物可利用低[24, 25]. Pagilla等[26]研究結(jié)果表明，DOC/DON≤11時(shí)，DOM具有較高的生物可利用性潛力，對受納水體的氮污染具有顯著影響. 膠州灣各污水處理廠不同季節(jié)水體中DOC/DON變化差異較大，分布在0.2~26.2 mol·mol-1之間，年平均值為(5.05±6.39) mol·mol-1(圖 3)，不同季節(jié)DOC/DON的平均值分別為(9.78±11.92) mol·mol-1 (5月)、 (6.90±2.52) mol·mol-1(7月)、 (1.77±0.93) mol·mol-1(11月)和(1.76±2.32) mol·mol-1 (3月). 整體而言，11月和3月有機(jī)質(zhì)的生物可利用性較5月和7月高，可能是由于這兩個(gè)季節(jié)溫度較低，未達(dá)到污水處理池中硝化/反硝化過程的適宜溫度(30℃左右)[27].

　　圖 3 入膠州灣污水處理廠排放口不同季節(jié)DOC/DON值

　　對于環(huán)膠州灣各污水處理廠的DOC/DON，只有5月海泊河污水處理廠和團(tuán)島污水處理廠出口大于11 mol·mol-1，而其余季節(jié)各污水處理廠出口都小于11 mol·mol-1，表明有機(jī)質(zhì)具有一定的可礦化和生物可利用性潛力; 特別是各污水處理廠排放口在3月和11月時(shí)都低于5 mol·mol-1，與美國伊利諾斯州污水處理廠和波蘭北部污水處理廠(1.1~3.2 mol·mol-1)排污口中DOC/DON值接近[26, 28]，表明這些污水處理廠的有機(jī)質(zhì)具有較高的生物可利用性潛力.

　　2.2.2 直排膠州灣污水處理廠排放口中氨基酸豐度和構(gòu)成對DON生物可利用性指示

　　(1) 基于氨基酸在有機(jī)質(zhì)中豐度指示DON生物可利用性潛力

　　作為溶解有機(jī)質(zhì)(DOM)中易于生物降解的組分，TDAA在DOM中的占比可作為DOM生物可利用性潛力的評價(jià)指標(biāo)，其值越高，表明DOM的生物可利用性潛力越大[7, 8]. 由于DOC的測定誤差小于DON,本研究以TDAA中所含碳在DOC中的摩爾分?jǐn)?shù)即x(TDAA/DOC)來評價(jià)入膠州灣各污水處理廠排放口不同季節(jié)DOM的生物可利用性. 結(jié)果表明(圖 4)，直排膠州灣各污水處理廠排放口不同季節(jié)TDAA/DOC值差異較大，分布在0.33%~3.02%之間，平均值為1.54%±0.78%，這與長江水體(1.79%~2.60%)[29]和美國Atchafalaya河水(0.94%~2.95%)相近，而高于Mississippi河(0.85%~1.40%)[30].

　　TDAA/DOC表示TDAA中所含碳在DOC中的摩爾分?jǐn)?shù)圖 4 直排膠州灣各污水處理廠排放口不同季節(jié)氨基酸中所含碳在DOC中占比

　　Davis等[31]通過生物降解現(xiàn)場培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，分析了DOM降解前后TDAA的豐度，提出TDAA/DOC值為1.60%和1.10%時(shí)可分別作為有機(jī)質(zhì)易降解DOM 和半易降解DOM(Semi-labile DOM,S-DOM)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以水體中TDAA/DOC值與標(biāo)準(zhǔn)值相減，二者差值再除以TDAA/DOC的占比可以大體估算S-DOM和L-DOM的比例[30, 31]. 據(jù)此方法估算出直排入膠州灣各污水處理廠排污口水體不同季節(jié)L-DOM有較大差異，其中，3月海泊河污水處理廠、 5月團(tuán)島污水處理廠以及7月婁山河污水處理廠排放口L-DOM較高，摩爾分?jǐn)?shù)分別達(dá)到46.95%、 46.71%和32.85%; 5月李村河污水處理廠和海泊河污水處理廠、 11月婁山河污水處理廠L-DOM較低，摩爾分?jǐn)?shù)分別達(dá)到21.91%、 16.55%和12.60%，其余季節(jié)各污水處理廠排放口水體無L-DOM. 而以S-DOM標(biāo)準(zhǔn)衡量，則直排入膠州灣各污水處理廠排污口水體在不同季節(jié)具有S-DOM，3月、 5月、 7月和11月的平均摩爾分?jǐn)?shù)分別達(dá)到31.11%、 46.97%、 20.50%和0.44%. 這與應(yīng)用DOC/DON指示入膠州灣各污水處理廠排放口DOM具有一定生物可利用性的結(jié)果基本一致. 需要指出的是，DOM生物可利用性與DOM的來源和受納水體密切相關(guān). 由于入膠州灣各污水處理廠DOM來源與河流有較大差異，且膠州灣海域微生物構(gòu)成等與密西西比河流入的墨西哥灣有所不同，具有高生物可利用性的TDAA/DOC標(biāo)準(zhǔn)值的確定最好通過在膠州灣現(xiàn)場進(jìn)行的生物降解實(shí)驗(yàn)來確定.

　　(2) 氨基酸構(gòu)成

　　盡管直排膠州灣各污水處理廠排放口污水中氨基酸酸絕對豐度有所差異，但所檢測出的12種氨基酸在TDAA中摩爾分?jǐn)?shù)排序基本一致，其中，Gly的含量最高，達(dá)到27.76%以上; 其次為Leu，占比在14.61%左右，再次為Asp、 Ala、 Glu、 Thr、 Ser和Val，摩爾分?jǐn)?shù)在5.25%~10.86%之間，而His、 Arg、 Ile和Tyr含量較低，摩爾分?jǐn)?shù)在3.50%以下(圖 5)，這與黃滿紅等[32]應(yīng)用氨基酸分析儀所測定的生活污水中的氨基酸組成由所不同，該研究表明生活污水中Glu、 Asp、 Ala、 Val和Leu含量較高. 污水中氨基酸構(gòu)成不同，這一方面可能與污水的來源不同有關(guān)，另一方面，也與污水處理廠排放口污水經(jīng)生化降解過程有關(guān)，在此過程中，一些易降解的氨基酸組分相對含量降低，而相對難降解的氨基酸組分則被富集，導(dǎo)致氨基酸相對豐度發(fā)生變化.

　　AAi/TDAA表示每種氨基酸(Asp、 Gly、 Ser、 His等12種)在TDAA中的摩爾百分比; Asp：天冬氨酸; Gly：谷氨酸; Ser：絲氨酸; His：組氨酸; Arg：精氨酸; Gly：甘氨酸; Thr：蘇氨酸; Ala：丙氨酸; Tyr：酪氨酸; Val：纈氨酸; Ile：異亮氨酸; Leu：亮氨酸圖 5 直排膠州灣各污水處理廠排放口不同季節(jié)氨基酸的構(gòu)成

　　水體中氨基酸的構(gòu)成和相對豐度與不同種類氨基酸的生物可利用性有關(guān)，因此，氨基酸的組成可以粗略指示有機(jī)質(zhì)的降解程度[33, 34]. 環(huán)膠州灣各污水處理廠排放口中Gly含量最高，這可能是由于微生物細(xì)胞壁中富含Gly[35]，相對于細(xì)胞質(zhì)中的氨基酸，Gly較難被生物降解，因此，隨著DOM生物降解程度的加重，Gly相對豐度會進(jìn)一步增大[34, 36, 37]. 比如，海泊河污水處理廠3月TDN較高(圖 2)，DOC/DON值較低(圖 3)，Gly含量較低，表明其DOM未經(jīng)過深度生物降解; 而7月該污水處理廠TDN含量較3月顯著降低，DOC/DON值和Gly含量則較3月顯著増高，表明7月該排放口污水中DOM發(fā)生明顯的生物降解. 另外，作為TDAA的重要組成部分，組氨酸(His)富含于微生物細(xì)胞質(zhì)中[35]，較其他種類氨基酸易于降解，因而His含量隨DOM生物降解加劇和生物可利用性減小而減小. 進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)表明His/TDAA與TDAA/DOC呈正相關(guān)(n=16，R2=0.586 1，P<0.01,圖 6)，表明His/TDAA與TDAA/DOC一樣，可作為DOM生物可利用性潛力的指標(biāo). 這與Zhang等[38]應(yīng)用氨基酸構(gòu)成和豐度對長江口及其鄰近海域DOM生物可利用性的研究結(jié)果基本一致.具體參見污水寶商城資料或http://m.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 6 直排膠州灣各污水處理廠排放口TDAA/DOC與His/TDAA的相關(guān)性

　　3 結(jié)論

　　(1)直排膠州灣污水處理廠排放口水體中TDN濃度及其構(gòu)成因季節(jié)和污水處理廠工藝不同而具有顯著差異，TDN的變化范圍為413.10~3 580.65 μmol·L-1，并基本呈現(xiàn)3月和11月月高、 5月和7月低的季節(jié)變化特征，其中，DON占比的變化范圍在2.14%~88.75%之間.

　　(2)直排膠州灣污水處理廠排放口5月、 7月、 11月和3月的DOC/DON的平均值分別為(9.78±11.92)、 (6.90±2.52)、 (1.77±0.93)和(1.76±2.32) mol·mol-1，DOC/DON值較低，表明DOM具有較高的生物可利用性，可能會加重膠州灣海域氮污染.

　　(3)直排膠州灣各污水處理廠排放口不同季節(jié)TDAA/DOC值差異較大，分布在0.33%~3.02%之間，具有生物可利用DOM的摩爾分?jǐn)?shù)則在0.44%~46.97%之間; 其中，TDAA中His/TDAA可作為評價(jià)DOM生物可利用性潛力的指標(biāo).（來源及作者：中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 孔秀君   張鵬 楊南南 梁生康）