自然水体生物膜上有机质的表征

第42卷　第2期 吉林大学学报(理学版) V o l.42　N o.2 2004年4月 JOU RNAL O F J I L I N UN I V ER S IT Y(SC IEN CE ED IT I ON)A p r　2004自然水体生物膜上有机质的表征李　鱼,刘　亮,董德明,姜百川,刘金凤,王丽莉(吉林大学环境与资源学院,长春130023)摘要:用测定化学需氧量(COD)和总有机碳(TOC)表征自然水体生物膜上有机质含量,利用方差分析对COD和TOC之间的关系进行了探讨.结果表明,时间因素对于生物膜上COD TOC值影响不显著,深度因素在一定范围内对其影响亦不显著,因而认为,在一定范围内COD TOC值恒定,均可以用COD和TOC表征自然水体生物膜上有机质的含量.关键词:自然水体;生物膜;有机质;化学需氧量;总有机碳中图分类号:X132 文献标识码:A 文章编号:167125489(2004)022*******Character ization of organ ic mater i als i nthe natural water surface coati ngsL I Yu,L I U L iang,DON G D e2m ing,J I AN G B ai2chuan,L I U J in2feng,W AN G L i2li (Colleg e of E nv ironm ent and R esou rces,J ilin U niversity,Chang chun130023,Ch ina)A bs tra c t:T he o rgan ic m aterials of natu ral w ater su rface coatings w ere quan tified by m easu ring chem i2 cal oxygen dem and(COD)and to tal o rgan ic carbon(TOC)in the natu ral w ater su rface coatings,and the relati on sh i p betw een COD and TOC w as investigated w ith the variance analysis.T he resu lts indi2 cate that the ti m e facto r has no sign ifican t effect on the rati o of COD to TOC,w h ile the dep th facto r has no obvi ou s effect on it w ith in the dep th range selected.So bo th COD and TOC cou ld be u sed fo r deter m in ing the am oun t of o rgan ic m aterials of natu ral w ater su rface coatings.Ke yw o rds:natu ral w ater;su rface coating;o rgan ic m aterial;chem ical oxygen dem and;to tal o rgan ic carbon自然水体生物膜由于对重金属以及有机污染物具有高的吸附活性,可以在很大程度上影响水环境中各种污染物的迁移转化[1],且常被用于研究痕量重金属在水环境中的分布规律,同时还能起到监视污染的作用[2～5].其中,生物膜上有机质是研究生物膜吸附性能的重要指标,它可以直接吸附污染物,也可通过影响生物膜上铁氧化物、锰氧化物的形成和性质间接影响生物膜的吸附性质[2,3,6～9].目前对自然水体生物膜上有机质的表征主要采用化学需氧量(Chem ical O xygen D em and,COD),但COD值既包括有机还原性物质部分,也包含无机还原性物质[10],即用COD值表征生物膜上有机质的含量从定义上说并不十分严密,测定膜上总有机碳(To tal O rgan ic Carbon,TOC)含量表征膜上有机质含量更具科学性.本文对自然水体生物膜上有机质COD与TOC之间的关系进行探讨,判断能否在收稿日期:2003211225.作者简介:李　鱼(1965～),男,博士,副教授,从事环境中痕量金属形态及其迁移转化规律的研究,E2m ail:liyuxx@ m .联系人:董德明(1957～),男,博士,教授,博士生导师,从事环境污染与控制化学、环境规划与评价、环境污染物形态研究,E2m ail:dm dong@m .基金项目:教育部博士学科点基金(批准号;20020183052)和吉林大学创新基金.现有的实验条件下用COD 值代替TOC 值,对自然水体生物膜上有机质进行表征.1　实验部分111　生物膜的获取采用人工培养生物膜[4,5],将载玻片(48mm ×75mm ×1mm )固定在玻载生物膜培养装置上,置于长春南湖水面下培养.在时间序列上,分别在水面以下013m 处培养生物膜12,17,22,27,32d ;在深度序列上,分别于水面下013,018,113,118,213m 处培养32d 后同时取出.将生物膜培养装置移至实验室后,立即对载玻片用二次去离子水冲洗1s ,自然风干,用不锈钢刀片刮下载玻片上风干后的生物膜,用硫酸纸包好,置于干燥器中干燥衡重后进行膜上有机质COD 和TOC 含量测定.112　膜上COD 及T OC 的测定利用重铬酸钾法测定生物膜上有机质COD 含量.称取一定量自然水体生物膜置于500mL 磨口的回流锥形瓶中,加入014g 硫酸汞和20mL 蒸馏水,准确加入10100mL 重铬酸钾标准溶液及数粒玻璃珠,连接磨口回流冷凝管,从冷凝管上口缓慢加入30mL 硫酸2硫酸银溶液,轻轻摇动锥形瓶使溶液混匀,加热回流2h .冷却后,用90mL 水冲洗冷凝管壁,取下锥形瓶,加3滴试亚铁灵指示液,用硫酸亚铁铵标准溶液滴定,溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点.按同样操作步骤做空白实验. 用岛津TOC 2V CPH 型总有机碳测定仪(配置SS M 25000型固体燃烧装置)测定生物膜上有机质TOC 含量.将称取的样品分别放入SS M 固体样品燃烧装置的总碳(TC )反应管中,在900℃、有氧条件下燃烧测定TC ;再将另一样品置于SS M 固体样品燃烧装置无机碳(I C )反应管中,在200℃、磷酸条件下酸化,测定I C ,TC 值减去I C 值即为生物膜上有机质总有机碳(TOC )值.2　结果与讨论211　不同时间、水深生物膜上有机质COD T OC 值与理论值的比较 不同时间、不同水深培养的生物膜上有机质COD 与TOC 之间的关系见表1和表2.Table 1　Ratio of COD to T OC i n natural surface coati ngs at differen t per iod ti m es Peri od ti m e d12172232COD TOCSamp le 1219549310507216320216323(m g g )Samp le 2216856217038217294218601Samp le 3217442216909217501218627Samp le 4412489215306218374217601M ean311584217440217372217788Table 2　Ratio of COD to T OC i n natural surface coati ngs at differen t depthsD ep th s m013018113118213COD TOC Samp le 1217588217199217915312972315752(m g g )Samp le 2217029216774219057315657314334Samp le 32176232187453314469317794Samp le 4217734217928215019312181312645M ean217493217662217330313820315131 3Samp le lo st . 理论上,假设K 2C r 2O 7与纯氧的氧化率相同,并且在待测混合物中没有除C 以外的其他还原性物质的情况下,COD 与TOC 的比值约为2167[10].利用t 检验法对表1、表2中膜上有机质COD TOC 值与理论值(2167)进行显著性差异检验,结果显示:在99%的置信水平下,实验所采用时间序列,自然水体生物膜上有机质COD TOC 值与理论值无显著性差异;而在深度序列上,在一定深度范围内,膜上有机质COD TOC 值与理论值无显著性差异,但随着深度的增加(118,213m ),膜上有机质COD TOC 值呈显著增加趋势,与理论值存在显著性差异.由于随培养水深的增加,水体中光照、营养303　第2期李　鱼,等:自然水体生物膜上有机质的表征 物质的含量逐渐减少,温度降低,从而水体中微生物、藻类等有机成分也减少,矿物成分、盐类等则增加,导致附着在生物膜上的无机物含量相对增加,即生物膜上除C 以外其他还原性物质的相对含量逐渐增加,致使膜上有机质COD 与TOC 的比值呈增加趋势.212　培养时间、水深对COD 与T OC 关系的影响 运用方差分析研究培养时间、水深对生物膜上有机质COD 与TOC 之间的关系.方差分析中,样本总体平均值、各个水平的平均值、水平内的离差平方和Q 1以及水平间的离差平方和Q 2计算公式如下:X {=∑ki =1∑n ij =1X ij∑ki =1n i,(2.1)X {i =1n i∑n ij =1Xij,(2.2)Q 1=∑ki =1∑n ij =1(Xij-X{i )2,(2.3)Q 2=∑ki =1n i(X{i-X{)2.(2.4) 统计检验:(1)假设H 0:Λ1=Λ2=…=Λk ,H 1:至少有两个均值不相等;(2)选取统计量为F =[Q 2(k -1)] [Q 1 (n -k )]～F (k -1,n -k );(3)显著性水平Α=0101,在自由度k -1,n -k 条件下查表求得F Α(k -1,n -k );(4)当F >F Α(k -1,n -k )时,拒绝H 0,否则接受H 0.根据以上公式及检验方法进行计算,统计检验结果见表3和表4.Table 3　Var i ance analysis of ratio of COD to T OC i n natural surface coati ngs at differen t per iod ti m es Source of variance F reenessQV 3ARFD ifferent levels k -1=3　Q 2=014961011653F =[Q 2(k -1)] [Q 1 (n -k )]～F (k -1,n -k )=110865Sam e level (erro r )　n -k =12　Q 1=118266011522F Α(k -1,n -k )=F 0101(3,12)=5195Sum　n -1=15　Q =213228011848F <F Α 3A verage variance .由表3可知,统计量F <F Α,表明在置信度Α=0101,F 接受H 0,即认为4个培养时间水平膜上有机质COD TOC 的均值无显著性差异,即随着培养时间的增长,膜上有机质COD 与TOC 的比值恒定,因此培养时间对于膜上有机质COD TOC 的关系影响不显著.由表4可知,F >F Α,表明在置信度Α=0101,F 拒绝H 0,即认为5个培养水深水平膜上有机质COD TOC 的均值存在显著性差异,因而表明培养水深对膜上有机质COD TOC 之间的关系影响显著.Table 4　Var i ance analysis of ratio of COD to T OC i n natural surface coati ngs at differen t depthsSource of variance F reenessQV 3ARFD ifferent levels k -1=4　Q 2=212834015708F =[Q 2(k -1)] [Q 1 (n -k )]～F (k -1,n -k )=2414379Sam e level (erro r )　n -k =14　Q 1=013270010233F Α(k -1,n -k )=F 0101(3,12)=5104Sum　n -1=19　Q =216104011450F >F Α 3A verage variance .利用最小显著差乘法对5个深度水平生物膜上有机质COD TOC 均值进行多重比较,进一步检验每两个样本均值差异的显著性.设X{i 和X {j 是两水平总体观察值的平均数,它们是相互独立的随机变量:(1)检验H 0:Λi =Λj (i ≠j );(2)选择统计量(X {i -X {j ) (1 n i +1 n j )[Q 1 (n -k )]～t Α 2(n -k );(3)查出临界值t Α 2(n -k ),设Α=0105,Α 2=01025,得到t Α 2(n -k )=211448;(4)根据上述公式计算,统计检验结果见表5.由表5可以看出,水深013～113m 培养的生物膜上有机质COD TOC 值之间均不存在显著性差异,而与水深118m 和213m 培养的生物膜上有机质COD TOC 值之间存在显著性差异,但水深118403 吉林大学学报(理学版)第42卷　m 和213m 培养的生物膜上有机质COD TOC 值之间并不存在显著性差异,表明在一定深度范围内,COD 和TOC 之间的关系为定值,超过了一定深度范围,则会出现较大差异.Table 5　Results of level m ean m ultiple co m par ison atdifferen t depthL evel 013m 018m 113m 118m 213m 013m 001155601139751852437106553018m 001283951696736190983113m 051560836168463118m 0112131　213m 3Significant level at Α=0105and n =5.对于本实验,由于颗粒物吸附了无机还原性物质而沉积于湖底,因而随着培养水深度的增加,水域中的还原型物质相对增加,从而导致118m 和213m 水深培养的生物膜上有机质COD TOC 值偏大,与013～113m 水深培养的生物膜上有机质COD TOC 值呈现明显差异.因此培养水深对于COD TOC 之间的关系有明显影响,即说明在一定深度范围内,可以用COD 替换TOC ,即可用测定膜上有机质COD 和TOC 的方法表征自然水体生物膜上有机质的含量.综上所述,培养时间对于生物膜上有机质COD TOC 之间的关系影响不显著,培养水深对于膜上有机质COD TOC 之间的关系有一定影响.通过测定膜上有机质COD 和TOC 来表征生物膜上有机质的含量,COD 值虽不能完全代表生物膜上的有机质含量,但在一定范围内,它与TOC 之间存在着一定的对应关系,因此可以用测定生物膜COD 值来表征膜上有机质的含量.参考文献[1]　L aw rence J R ,Kopf G ,H eadley J V ,et al .So rp ti on and m etabo lis m of selectedherbicides in river bi ofil m com 2m unities [J ].Can J M icrobiol ,2001,47:6342641.[2]　N elson Y M ,L o W ,L i on L W ,et al .L ead binding to m etal and o rganic phases of natural aquatic bi ofil m s [J ].L i m nol O ceanog r ,1999,44(7):171521729.[3]　Dong D ,N elson Y M ,L i on L W ,et al .A dso rp ti on of Pb and Cd onto m etal oxides and o rganic m aterial in natu 2ral surface coatings as deter m ined by selective extracti ons :new evidence fo r the i m po rtance of M n and Fe oxides [J ].W ater R es ,2000,34(2):4272436.[4]　DON G D e 2m ing (董德明),L I Yu (李　鱼),HUA X iu 2yi (花修艺),et al .Effect of pH on Pb and Cd adso rp ti onto surface coatings developed in the aquatic environm ent of w etland (pH 对湿地水环境中生物膜吸附铅、镉的影响)[J ].J ou rnal of J ilin U niversity (S cience E d ition )[吉林大学学报(理学版)],2002,40(3):3032307.[5]　DON G D e 2m ing (董德明),L I Yu (李　鱼),HUA X iu 2yi (花修艺),et al .Characteristic of k inetics of Pb and Cdreleased by the freshw ater surface coatings (淡水生物膜上铅、镉解吸的动力学特征)[J ].J ou rnal of J ilin U ni 2versity (S cience E d ition )[吉林大学学报(理学版)],2002,40(3):3132315.[6]　DON G D e 2m ing ,L I Yu ,ZHAN G Bai 2yu ,et al .Selective chem ical extracti on and separati on of M n ,Fe oxidesand o rganic m aterial in natural surface coatings :app licati on to the study of trace m etal adso rp ti on m echanis m in aquatic environm ents [J ].M icroche m ical J ou rnal ,2001,69(1):89294.[7]　DON G D e 2m ing (董德明),L I Yu (李　鱼),HUA X iu 2yi (花修艺),et al .R elati onsh i p betw een chem ical compo 2nents of surface coatings and the m axi m um adso rp ti on of Cd and Pb by surface coatings developed in natural w a 2ters (自然水体中生物膜不同化学组分与铅、镉最大吸附量的关系)[J ].Che m J Ch inese U niversities (高等学校化学学报),2001,22(8):137921381.[8]　DON G D e 2m ing (董德明),HUA X iu 2yi (花修艺),L I Yu (李　鱼),et al .Studies on contributi on of chem icalcomponents to lead adso rp ti on by different natural surface coatings (不同水体生物膜中各化学组分对铅的吸附作用研究)[J ].Che m J Ch inese U niversities (高等学校化学学报),2002,23(2):2942296.[9]　DON G D e 2m ing (董德明),L I Yu (李　鱼),HUA X iu 2yi (花修艺),et al .R elati onsh i p betw een chem ical compo 2siti on of surface coatings and w aters in natural w aters (自然水体中生物膜主要化学组分与水体中相关化学物质的关系)[J ].Che m J Ch inese U niversities (高等学校化学学报),2002,23(8):150721509.[10]　X ID an 2li (奚旦立).Environm ental and engineering m anual ,Environm ental monito ring vo lum e (环境工程手册・环境监测卷)[M ].Beijing (北京):H igh Educati on P ress (高等教育出版社),1998:4002404,4122414.(责任编辑:李桂英)503　第2期李　鱼,等:自然水体生物膜上有机质的表征 。