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基于我國農村地區經濟發展水平及水環境現狀，高效、節能、綠色生態和環境友好的污水處理技術成為研究熱點[1,2]，蚯蚓生態濾池（vermifilter）是近年來在國內外被廣泛應用的新型污水處理技術[2~5]，該技術通過在普通的生態濾池基礎上引入蚯蚓，延長和擴展了原有的微生物代謝鏈，充分利用了蚯蚓與微生物的協同作用，以及蚯蚓的增加通氣性、分解有機物等功能，更好得更有效得進行污水處理[6~8]。作為一種全新概念的污水處理工藝，蚯蚓生態濾池的工藝性能尚缺乏深入系統的機理研究。土壤中的酶主要來源于微生物、植物根系和土壤動物的分泌，它們的活性與土壤微生物活性密切相關[9~11]。土壤酶參與了包括土壤生物化學過程在內的自然界物質循環，與有機物質分解、營養物質循環、能量轉移、環境質量等密切相關，是土壤生物化學過程的主要調節者[10,11]。土壤酶在以土壤為主要處理單元的生態濾池系統中也起著重要作用，很多學者認為土壤酶會對水處理系統中環境因子的變化做出響應[12,13]，并以酶活性強度來評價凈化效果[14~16]。因此，研究生態濾池中的土壤酶的分布及變化，對于闡明生態濾池污水凈化機理有重大的意義。本實驗以構建生態濾池為研究對象，以期找出蚯蚓生態濾池土壤酶的空間分布與季節動態特征，并說明生態濾池土壤酶活性如何對蚯蚓活動做出相應，旨在為闡明蚯蚓生態濾池凈化機理以提高凈化效率提供依據。 1材料與方法 1.1實驗概況 實驗構筑于江蘇省無錫市胡埭鎮龍巖村。生態濾池小試系統自2009年8月運行至今，系統運行穩定。試驗流程如圖1所示：當地住戶的生活污水經管道收集，匯聚于三格化糞池，化糞池末格污水經泵提升至第一級垂直流人工濕地，濕地出水進入試驗所用生態濾池。 1.2試驗設計 實驗以生態濾池小試裝置的表層土壤基質為研究對象。試驗設置兩個處理：蚯蚓生態濾池和無蚯蚓的對照生態濾池，均采用垂直流人工濕地出水作為試驗進水。供試生態濾池裝置由PVC桶制成，直徑×高為Φ40cm×100cm。池體內填充物從底至表，依次是：底層，由粒徑20~40mm的卵石組成，厚度10cm；承托層，粒徑5~7mm的礫石組成，厚度10cm；隔離層，由粒徑0.5~1mm的粗砂組成，厚度10cm；土壤層，厚度20cm。土壤層土壤（0~20cm）是特殊配置的人工土，由當地土壤、鋸木屑及鐵礦粉渣按照體積比10∶3∶1配成，土壤成分含有機質23.38gkg-1，全氮16.19gkg-1，全磷15.34gkg-1，pH6.23。試驗期間生態濾池進水水質為COD49.9~183.28mgL-1，銨態氮19.4~64.7mgL-1，總氮25.0~83.7mgL-1，總磷0.26~4.38mgL-1，pH7.39~8.21。供試蚯蚓品種為大平2號赤子愛勝蚓（Eiseniafoetida）。 1.3樣品的采集與分析 1.3.1土樣樣品的采集與分析 取樣時間為2008年春（3月）、夏（6月）、秋（9月）、冬（12月）四個季節，在供試蚯蚓生態濾池及對照生態濾池中進行梅花形布點，按三個層面（0~5cm、5~10cm、10~20cm）利用柱狀采樣器采集土樣，等量混合。土壤樣品封口袋封裝4℃環境下帶回實驗室，仔細去除新鮮土樣中可見植物殘體及土壤動物，過2mm孔徑篩后混勻，于一周內測定樣品土壤酶活性。其他土壤風干過篩后，測定基本理化指標[17]。土壤酶活性的測定[10]：土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以葡萄糖含量表示（mgkg-1h-1）；土壤脲酶活性測定采用苯酚鈉比色法，以土壤中NH4+表示（mgkg-1h-1）；土壤堿性磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法，以酚含量表示（mgkg-1h-1）。 1.3.2水樣的采集與分析 實驗期間內，土樣采集前一天采集生態濾池進水和出水，過濾后利用濾液測定pH值，采用重鉻酸鉀消解法測定COD，采用荷蘭Skalar公司的流動分析儀測定NH4+、TN、TP濃度。 1.3.3蚯蚓采集與分析 分別于2009年9月及2010年9月兩次接種蚯蚓，接種密度均為7.96g蚯蚓/L土壤。采集土壤樣品同時期，進行蚯蚓樣品的計數，在Schmidt的方法[18]基礎上適當改進，具體如下：于蚯蚓生態濾池內隨機插入一個Φ10cm×25cm的鐵管，刨出管內土壤，并以手揀法采取蚯蚓，帶回實驗室用清水將蚯蚓洗凈并用濾紙吸干后，分別稱取蚯蚓鮮重及記錄個數，蚯蚓數量調查之后，將采取的蚯蚓重新回接。 1.4數據處理 數據處理與分析采用SPSS13.0及DPS12.0。 2結果分析 2.1季節因素對蚯蚓生物量的影響 在試驗期一年時間內共進行了4次蚯蚓計數，結果如表1所示，蚯蚓生態濾池中的蚯蚓數量隨著季節因素波動較大。全年蚯蚓數量變化曲線表現，相比最初投加量，3月蚯蚓數量表現為小波谷；此后，蚯蚓數量快速回升，在6月蚯蚓數量達到觀測結果的最高值；7、8月份由于高溫天氣及較大的降雨量的出現，生態濾池先后發生堵塞現象，9月蚯蚓生物量降為零點；隨后，蚯蚓的接種使得蚯蚓生態濾池中的蚯蚓生物量在12月得到回升。 2.2蚯蚓活動對0~20cm填料層土壤酶活性的影響 為了考察蚯蚓活動對生態濾土壤酶活性的空間分布的影響，將各采樣季的酶活性結果按照酶種類的不同，分別求均值并作圖（圖2）。結果表明，蚯蚓生態濾池與對照生態濾池的土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性的空間分布特征基本一致，都隨剖面深度的增加呈下降趨勢；同時，對比兩個處理的各個水平深度，蚯蚓活動能夠不同程度的提高生態濾池的三種土壤酶活性，對濾池內土壤蔗糖酶及脲酶活性的增強作用較為顯著，而對堿性磷酸酶的作用僅在5~10cm的土層上達到了顯著水平。 2.3季節對濾池基質酶活性的影響 如圖3所示，土壤蔗糖酶活性、脲酶活性和堿性磷酸酶活性均表現出明顯的相類似的季節波動趨勢，總體表現為三種基質酶在秋季活性最高，而秋季和夏季的酶活性高于春季和冬季。#p#分頁標題#e# 2.4土壤酶活性與COD、NH4+-N、TN、TP去除率的相關性分析 將各處理的不同采樣季的土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶的活性與當季的COD、NH4+-N、TN、TP的去除效率進行相關分析（表2）。結果表明，各采樣季的污染物去除效果差異較大，各項污染物的去除率與土壤酶活性沒有表現出的顯著的相關性，但蔗糖酶活性與COD的降解效率之間相關性較高、脲酶活性與NH4+-N及TN降解率相關性較高。 3討論 3.1環境因素對蚯蚓數量的影響 環境因素，尤其是土壤環境因素的變化直接影響土壤動物的個體數量[19]，土壤質地、土壤有機質含量、土壤濕度、土壤溫度、pH等土壤因素都與蚯蚓生長繁殖關系密切[20]。土壤濕度和溫度往往共同影響蚯蚓活動[22]。土壤過于濕潤，蚯蚓滯育、逃逸、甚至死亡[21]，而溫度超過一定限度，蚯蚓亦將死亡。在實驗期內，蚯蚓群落個體數量與生物量均表現出較大的時空變異性，由于土壤溫度和濕度的變化對蚯蚓的生存與繁殖造成影響，由于4、5月的溫度濕度較適宜蚯蚓生存，所以試驗期內的最大蚯蚓生物量出現在6月；而9月蚯蚓生態濾池中蚯蚓零生存率，主要因為7、8兩月高溫和強降雨致蚯蚓大量逃逸合或死亡。張衛信等[23]對廣東鶴山人工林內的蚯蚓群落季節變化的研究中也有類似的觀察結果。 3.2生態濾池酶活性的時空特性及蚯蚓活動的影響 兩種生態濾池土壤酶活性最大值均出現在生態濾池的表層0~5cm土層，最小值出現基質層的最底的10~20cm層。這與國內外相關研究成果基本一致[14,15]。土壤基質中酶活性的垂直分布的層次性與生態濾池的營養元素含量、土壤生物狀況及土壤基本性質有關[23]。由于采用垂直流進水方式，廢水中的污染物在土壤表層即被截留或降解，底物濃度降低隨著土層加深而降低；同時，土壤熟化程度、微生物生物量與活性也都隨土層加深而降低。 蚯蚓活動對生態濾池中的各種酶活性均有促進作用。土壤蔗糖酶活性通常被用來反映土壤微生物食物資源（低分子量糖）的釋放，本試驗研究中，在生態濾池中接種蚯蚓顯著增加了土壤蔗糖酶的活性。這個結果說明蚯蚓活動能促進廢水中有機物質的降解，從而增加了輕組有機碳的釋放[24]，所以以輕組有機碳為基質底物的蔗糖酶活性增強了[25]。土壤脲酶促進尿素水解成CO2和NH4+，進入土壤填料中的尿素只有在脲酶的參與下才能水解，蚯蚓和微生物的相互作用能夠促進尿素水解微生物在土壤和蚓糞中的增加[26]，試驗研究結果表明，蚯蚓活動能促進進水中的尿素降解，更有利于進水中的尿素轉變成硝酸鹽和亞硝酸鹽。土壤堿性磷酸酶活性不僅與動物和微生物細胞合成有關[27]，還參與有機磷向無機磷轉化過程[28]，本實驗研究中，對比對照，蚯蚓活動僅顯著提高了5~10cm的堿性磷酸酶活性，對0~5cm、10~20cm無顯著影響。Tao等2009年研究接種蚯蚓對稻麥輪作土壤中酶活性影響，其結果表明接種蚯蚓促進了土壤堿性磷酸酶活性的增加[29]，但本試驗中未得到如此結果，可能與土壤基質中鐵礦廢渣粉末的添加有關，鐵礦廢渣中的Fe2+、Fe3+、Ca2+這些微量元素對土壤胞外酶有鈍化作用，能不同程度的抑制土壤堿性磷酸酶活性[23,30]。 實驗區的季節變化不僅僅表現為四季氣候不同，同時也表現為土壤溫度、濕度及土壤性質上的變化，這些變化將導致微生物區系的變化從而影響酶的分布變化。土壤酶活性的季節變化主要與氣候因子、作物種類、土壤類型、土壤濕度、土壤養分狀況、土壤動物和微生物區系都有關[10，11，23]。實驗期間內，兩個處理的生態濾池基質的三種土壤酶活性均表現出較顯著的年動態變化，造成其季節差異的主要原因是：（1）秋季是人工濕地植物的凋落季節，凋落物影響了進水中的污染物濃度與土壤環境，從而產生了“起爆劑效應”[11]，導致了與土壤酶分泌有關的微生物、土壤動物的活動頻繁，進而促使了酶活性的提高；（2）夏、秋的溫度相對較高，植物的生長相對較旺盛，土壤動物與微生物的活動比較頻繁，相對較高的溫度、根系分泌物和土壤生物的活動對于酶活性的提高起到一定的促進作用[15]。 3.3酶活性對生活污水凈化效率的影響 土壤酶在在物質轉化過程中起著非常重要的作用，存在于污水生物處理系統中的大量顆粒狀有機物(主要是蛋白質、多糖和脂肪等)只有被胞外酶水解成小分子物質才能進入微生物細胞并被其吸收和利用[32]。賀峰等研究了復合垂直流構建濕地基質中的磷酸酶和脲酶活性及與污水凈化效果的關系，發現復合垂直流人工濕地中脲酶的活性與濕地污水中全氮、凱式氮的去除率具有顯著的正相關性，為利用酶活性強度作為評價凈化效果提供了理論依據[14]；Newman通過野外模擬實驗[33]，發現人為加入磷酸鹽營養物2~3周后，濕地表層磷酸酶活性有明顯降低，說明磷酸酶活性降低可以做為濕地磷富營養化的預警，土壤中磷酸酶和有效無機磷酸鹽間一般呈負相關性。本文的研究中，蔗糖酶活性與COD的降解效率之間相關性較高、脲酶活性與NH4+-N及TN降解率相關性較高。土壤酶在化合物降解過程中起到了重要作用，蚯蚓活動對土壤蔗糖酶活性和脲酶有較顯著的促進作用，對污染物去除的也起到了間接的作用。