活性污泥吸附污水中的腐殖质, 使其较难进行生物降解。酸碱溶解性能的不同使腐殖质可分为以下3类:可溶于碱液的胡敏酸(humic acid, HA), 既溶于碱液也溶于酸液的富里酸(fulvic acid, FA)和二者都不溶的腐黑物(胡敏素, humin)^[21]。有学者采用国际腐殖酸协会(International Humic Acid Association, IHSS)推荐的方法研究发现, 污泥中腐殖酸含量约占总固体的14.6%, 其中主要是胡敏酸, 占90.6%; 碱提取法获得的腐殖酸占总固体的5.5%, 其中胡敏酸占71.7%。污泥中胡敏酸的C元素含量为57.2%, 富里酸的C元素含量为46.8%, H/C值说明污泥中腐殖酸含较多的脂肪结构, O/C值说明污泥腐殖酸中的含氧官能团含量较小^[22]。

腐殖酸中的胡敏酸、富里酸和胡敏素3种成分均对植物的生长有促进作用^[23]。国内关于腐殖酸对植物生长的作用研究时间较久^[24]。早在20世纪80年代, 梅慧生等^[24]从大田试验中观察到腐殖酸钠(由富含腐殖酸原料加入氢氧化钠而制成)具有类似植物激素的作用, 植株苗期对腐植酸钠的反应表现为叶色深绿、茎秆茁壮、根系发达, 既像生长素的效应, 又类似细胞分裂素的作用。他们应用溶液培养方法研究了腐殖酸钠对植物生长的刺激作用发现, 施加腐殖酸钠延长了番茄(Solanum lycopersicum)、棉花(Gossypium spp.)、小麦(Triticum aestivum)等植物的苗期生长, 尤其促进了根的生长。此外, 他们还发现腐殖酸钠处理提高了植物幼苗应对干旱、缺磷、低温等逆境的能力^[24]。有研究表明, 腐殖酸肥因可以改善土壤结构、改良土壤品质、提高肥料利用效率, 进而使蔬菜增产、品质提升而在蔬菜生产中具有十分重要的作用^[25]。

污水厂多采用活性污泥法处理生活污水^[26], 产生的副产物污泥中含有大量的有机质, 其中30%70%是蛋白质^[27], 提取污泥蛋白是近年发展起来的新型资源化技术^[28]。Park等^[29]认为如果污泥有机质中蛋白质含量达到50%, 由蛋白质水解产生的氨基酸也会是污泥厌氧消化的主成分。Moon等^[30]发现施用污泥与不施用对照相比可以提高大豆(Glycine max)氨基酸(如谷氨酸)的含量。另有一些研究者致力于将污泥蛋白酸解成氨基酸再合成叶面肥的研究^{[31, 32]}, 还有研究者发现微生物单细胞蛋白质是污泥中有机成分含量最高的组分, 是一种高价值饲料, 从污泥中提取微生物单细胞蛋白具有很高的经济意义^[33]。

生长素对植物生长发育有重要作用, 当植物遇到干旱胁迫时, 诸如生长素、脱落酸等植物激素作为次级信使调控植物的响应^{[34, 35, 36]}。已有研究发现, 污泥中含有具有活性的生长素^[37], Zhang等^[11]测量了不同处理污泥中的生长素含量为0.52.4 μ g· g^-1, 之后设计试验探究了污泥中生长素含量提高是否可以增强在温室中种植的草地早熟禾(Poa pratensis)的生物适应能力和抗旱性^[11], 结果发现, 污泥处理或单独施加植物生长调节剂吲哚丁酸(IBA)的处理在干旱条件下较没有污泥和外源IBA的处理有更高的根际生物量, 污泥能提高草地早熟禾的坪观质量, 降低其萎蔫程度, 含有生长素的污泥可以增强植物在土壤水分受限期间的化学防御系统, 从而提高植物的抗旱性。污泥的这种有益影响也许与增加了诸如生长素之类的激素活性有关^[8]。也有试验得出相似的结论, 污泥处理的草地早熟禾叶片在水分胁迫条件下生长素含量不仅没有下降反而上升, 从而抑制了由脱落酸介导的气孔的关闭, 使植物比无污泥处理的对照有更好的表型^[38]。进一步发现, 当草地早熟禾遇到水分胁迫时, 全污泥处理对其叶片生长素含量的促进作用更大^[15]。

在栽培基质中加入污泥可提高正常条件下黑麦草(Lolium perenne)、高羊茅(Festuca arundinacea)、马尼拉草(Zoysia matrella)、草地早熟禾等草坪草的叶绿素含量及光合作用^{[39, 40, 41, 42, 43]}。由于不同的污泥用量以及堆肥介质的不同, 各种草坪草叶绿素含量变化趋势稍有不同^{[39, 40, 41, 42, 43]}(表2)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 污泥对草坪草叶绿素含量及光合效应的影响 Table 2 Effect of biosolid on turf grass chlorophyll content and photosynthetic efficiency 草坪草 Turfgrass 污泥对草坪草叶绿素含量及光合效应的影响 Biosolid impact on turf grass chlorophyll content and photosynthetic efficiency 参考文献 Reference 多年生黑麦草、高羊茅、马尼拉草、草地早熟禾 Lolium perenne, Festuca arundinacea, Zoysia matrella and Poa pratensis 提高叶绿素含量 increase chlorophyll content [39-43] 高羊茅、草地早熟禾、黑麦草 Festuca arundinacea, Poa pratensis, Lolium perenne 提高净光合速率 improve net photosynthetic rate [2] 高羊茅Festuca arundinacea 提高干旱条件下光化学效率 improve photochemical efficiency in drought stress [37] 苜蓿Medicago sativa 提高干旱条件下光合速率和水分利用效率 improve photosynthetic rate and water use efficiency in drought stress [44] 苜蓿Medicago sativa 提高干旱条件下净光合速率 improve net photosynthetic rate in drought stress [45] 注:表中均为适量的污泥对草坪草的影响。下同。 Note: The table are a certain amount of biosolid effect on the turfgrass. similarly for the following tables.

表2 污泥对草坪草叶绿素含量及光合效应的影响 Table 2 Effect of biosolid on turf grass chlorophyll content and photosynthetic efficiency

研究发现, 泥土比为3∶ 13处理的黑麦草叶绿素总含量最高^[39]。高羊茅泥土比为1∶ 7、3∶ 13和1∶ 3的处理总叶绿素含量较对照分别高出44.8%、44.8%和54.5%, 说明施用污泥可以提高草坪草对光能的利用效率^[39]。罗艳等^[40]按不同质量比将干化剩余污泥和土壤混合盆栽马尼拉草的试验也得出了相似的结果。加入干化剩余污泥处理的叶绿素含量显著高于未添加对照, 且处理所含干化剩余污泥的比例越高, 其生物量也越大。这说明将干化剩余污泥混入基质栽培马尼拉草对其生长有促进作用, 且污泥用量越大促进作用越强^[40]。

也有研究得出相反的结论, 他们发现随着污泥与土壤重量比的增加, 草地早熟禾叶绿素含量呈现波动式变化, 当污泥与土壤重量比为10%时, 其叶绿素含量为最高^[41]。高等植物光合作用的主要色素是叶绿素a和叶绿素b, 其含量的多少可在一定程度上反映光合作用的大小^[42]。有研究表明, 黑麦草叶片内的叶绿素含量的变化趋势与污泥用量变化的趋势并不完全一致, 污泥用量增加, 叶绿素含量波动变化, 在施用量为25~30 g· kg^-1时达到极大值^[42]。产生这种现象的原因可能是污泥中丰富的营养物质在试验早期促进了植物的生长; 随着试验的推进, 污泥中的重金属等有毒物质对植物的影响在试验后期显现出来, 表现为叶绿素含量下降; 植物自身的抗逆性使叶绿素含量再次升高; 当外界胁迫超出植物自身调节能力时, 植物无法正常生长, 叶绿素含量下降^[42]。针对生物干化污泥对马尼拉草坪生长状况的影响的研究得出了相似的结论, 各处理随着生物干化污泥用量的增加, 叶绿素含量均显著增加。但是施用量超过一定值后, 叶绿素含量增加不显著^[43]。

针对污泥对草坪草光合效应的影响, 学者研究发现随污泥堆肥施用量的增加, 高羊茅叶片净光合速率呈现先升高后降低的趋势; 早熟禾和黑麦草叶片净光合速率随污泥用量的增加而升高^[2]。说明污泥堆肥施用可提高植物的净光合速率, 促进其生长, 高羊茅在低浓度下效果较好, 早熟禾和黑麦草则在中高浓度下效果较好。

也有学者认为污泥施加的时期对草本植物光合作用的影响至关重要。Singh和Agrawal^[46]认为春季施用污泥比夏季施用可引起植物更高的光合速率。Jurado和Wester^[47]发现在发病季和生长季之前施用污泥比在夏季施用污泥更有益于草坪草的生长。

污泥除了可以提高正常生长条件下草坪草光合效率外, 也可提高处于胁迫条件下的草坪草光化学效率^{[37, 44, 45]}。干旱的环境会导致气孔关闭和新陈代谢受限, 从而降低植物的光合速率^[48]。Zhang等^[37]研究表明, 生物污泥在高羊茅最干旱的时期与未添加污泥对照相比光化学效率提高了14%。加入苜蓿(Medicago sativa)田的污泥可以通过促进其N₂的固定和硝酸盐的同化两条途径, 提高处于干旱环境下苜蓿的氮素供应, 从而提高处于逆境胁迫下苜蓿的光合速率和水分利用效率^[44]。Antolí n等^[45]的研究也发现了相似的结论, 他们认为以90%的珍珠岩和蛭石(体积比为2∶ 1)与10%的污泥混合作为苜蓿的栽培基质, 可以提高干旱环境下苜蓿的净光合速率进而使植物生长更快和光合作用产物(可溶性糖)积累更多。这些研究都表明污泥可以通过提高植物的光合效应, 增强草的耐旱能力。

研究发现, 施用污泥可以提高土壤中N、P、K等营养元素的含量, 具有明显的培肥效应^[50], 植物吸收和利用这些营养元素后得到更好的生长^{[50, 51, 52]}(表3)。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 污泥对草坪草矿质营养的影响 Table 3 Effect of biosolid on turf grass mineral nutrition 草坪草 Turfgrass 污泥对草坪草矿质营养的影响 Biosolid impact on turf grass mineral nutrition 参考文献 Reference 高羊茅Festuca arundinacea, 万寿菊Tagetes erecta 促进全氮、全磷、全钾、钙、镁的吸收 promoted the absorption of total N, total P, total K, Ca, Mg [51] 针茅Stipa capillata 提高N含量improve N content [52] 车前Plantago asiatica 提高P含量improve P content [52] 黑麦草Lolium perenne 提高N、P含量improve N, P content [53]

表3 污泥对草坪草矿质营养的影响 Table 3 Effect of biosolid on turf grass mineral nutrition

研究表明, 净水厂污泥能促进植物全N、全P、全K、Ca、Mg的吸收^[51], 随着污泥堆肥施用量的增加, 土壤中的N、P含量增加, 污泥堆肥用量高的处理氮磷含量增加显著^[50]。当用污泥堆肥与壤质黏土混合栽培针茅和车前时, 针茅的N吸收量基本随污泥堆肥混合比例的提高而升高, 而污泥堆肥对针茅体内的P吸收量的促进作用不明显^[52]。混合污泥堆肥能够促进车前对N和P的吸收, 而车前体内的N吸收量与混合比例无关^[52]。针对黑麦草的研究也得出了类似的结论, 污泥堆肥基质无需另外施入化肥, 便可维持草坪草的良好生长^[53]。与化肥处理相比, 在草坪草的生长后期, 施加污泥堆肥时叶片的N、P含量均高于施加化肥时, 说明污泥堆肥可以延缓营养成分的释放, 使植物得以充分利用^[53]。Orman等^[54]研究发现, 施用污泥会使种植苜蓿的土壤pH值降低, 但土壤电导率、有机质含量、全N、可利用和全P、可交换和全K和Na、可交换Mg、Zn、Cu、Cr、Pb的总量均增加。然而, 并非污泥浓度越高越好。徐加庆等^[55]的试验发现, 较高含量的污泥最终会导致马尼拉草的死亡。Madyiwa等^[56]认为, 污泥在农业土地上的应用应在不超过其毒性限度情况下进行。

诸如Co、Cu、Zn、Fe、Mn和Sr的许多元素为植物正常生长所必需的元素, 例如正常浓度的Cu和Zn是参与植物代谢的重要因子^[10], 而高浓度的重金属元素可能会有毒性^[57], 植物体内重金属的积累会对物质运输、光合作用、酶活性、种子萌发和蛋白质的合成产生消极影响^[58]。植物叶片中的重金属含量会随污泥用量的增加而升高^[53]。如, 污泥盆栽马尼拉草根际土壤中重金属元素As、Ni、Pb、Cr、Mn、Co、Fe、V的含量较无污泥对照均有所增加, 表明根际土壤中的重金属成分被马尼拉草根系分泌的有机物螯合固定并积累^[55], 同时Cu、Zn的富集量远大于以上元素^[55]。此外, 马尼拉草对Cd、Co和As的富集系数(BCF)值比其它剩余元素高^[55], 可能是由于这些元素在根际作用下的活化程度较高, 呈现易于被植物吸收的状态^[59]。

Singh等在总结前人研究的基础上对大田应用污泥进行了风险评估, 认为污泥中重金属离子的释放受土壤pH、阳离子交换量、有机质含量、特殊金属离子的形态及其流动性等影响很深, 在土壤中施用过量污泥会提高土壤中植物可吸收重金属离子的含量, 但较低用量的污泥不会引起这个问题^[46]。徐加庆等^[55]运用欧共体标准署(European Community Bureau of Reference, BCR)的连续提取法^[60]分析种植后的马尼拉草根际金属离子含量发现, 马尼拉草的生长过程对根际土中Zn、Cu、Cd和Cr的生物可利用性具有激活作用, 在增加了Zn和Cu的可利用性的同时, 也提高了Cd和Cr的环境风险程度。

以上研究均说明污泥可以增加土壤中矿质营养和重金属离子的浓度, 适宜用量污泥释放的矿质营养有利于草坪草的生长, 植物吸收的重金属离子短期不会对草坪草的生长和周围环境产生危害。

可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、丙二醛等渗透调节物质, 在植物的代谢生理中发挥着重要的作用^[61]。研究表明, 污泥能提高植物体内渗透调节物质的含量, 增强其应对逆境胁迫的能力^{[15, 37, 38, 39, 42, 49]}(表4)。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 污泥对草坪草渗透调节物质的影响 Table 4 Effect of biosolid on turf grass osmoregulation substance 草坪草 Turfgrass 污泥对草坪草渗透调节物质的影响 Biosolid impact on turf grass osmoregulation substance 参考文献 Reference 草地早熟禾Poa pratensis 提高了脯氨酸含量improve proline content [15, 37] 草地早熟禾Poa pratensis 提高了可溶性糖含量improve soluble sugar content [38] 黑麦草Lolium perenne, 马尼拉草Zoysia matrella 提高了丙二醛含量improve MDA content [39, 49] 黑麦草Lolium perenne 提高了可溶性糖、可溶性蛋白含量 improve soluble sugar content, soluble protein content [42] 草地早熟禾Poa pratensis 降低了丙二醛含量decrease MDA content [38]

表4 污泥对草坪草渗透调节物质的影响 Table 4 Effect of biosolid on turf grass osmoregulation substance

研究表明, 在一定范围内提高污泥用量可以促进黑麦草可溶性糖含量的升高; 超过阈值后黑麦草可溶性糖含量降低; 黑麦草体内的可溶性蛋白也呈现出相似的变化规律^[42]。于芳芳^[38]的研究也得出了相似的结论, 污泥在初始阶段提高了草地早熟禾叶片中可溶性糖的含量, 随后可溶性糖含量的增加速率变慢; 并且在干旱胁迫下, 污泥处理的可溶性糖含量高于无污泥对照, 减轻了植物受伤害程度。

在基质中加入污泥可以显著提高黑麦草体内丙二醛(MDA)的含量, 而高羊茅MDA含量各污泥基质处理与无污泥对照之间无显著差异, 说明一定量的污泥对黑麦草有一定的伤害作用, 并且对不同草坪植物的影响不同^[39]。也有研究结果表明, 随着污泥施用量的增加, 黑麦草体内MDA含量呈现先增加后降低的趋势, 可能由于试验初期污泥用量增大, 为植物提供的营养增加, 同时携带的有毒物质也增加, 对植物产生伤害, 使其细胞发生一定程度的损伤; 后期植物适应了这种胁迫, 毒害效应减小^[42]。污泥对马尼拉草体内MDA含量的影响也有相似的变化规律^[49]。于芳芳^[38]在针对生物污泥对草地早熟禾抗旱机制影响的研究中发现, 正常水分条件下全污泥(75 mg· kg^-1)和半污泥(37.5 mg· kg^-1)处理下, 草地早熟禾体内的MDA含量均低于无污泥对照, 这可能与污泥用量较低有关。在干旱胁迫下, 全污泥和半污泥的处理在不同的干旱水平均较无污泥对照有更低的MDA含量, 说明污泥可以在一定程度上降低草地早熟禾在干旱条件下受到的伤害^[38]。禚来强研究发现污泥处理可以提高干旱胁迫下草地早熟禾叶片中脯氨酸的含量, 有利于草地早熟禾抵抗干旱胁迫^[15], Zhang等^[37]的研究也得出了类似的结论。

植物体内保护酶系统主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)。抗坏血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循环是植物叶绿体和胞质中主要的H₂O₂清除系统, APX是该反应的关键酶^[62]。大量研究发现, 污泥可以影响草坪草的抗氧化酶系统活性, 促进其生长, 提高植物应对逆境的能力^{[12, 38, 39, 42, 49, 63]}(表5)。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 污泥对草坪草抗氧化酶系统的影响 Table 5 Effect of biosolid on turf grass antioxidant enzyme system 草坪草 Turfgrass 污泥对草坪草抗氧化酶系统的影响 Biosolid impact on turf grass antioxidant enzyme system 参考文献 Reference 黑麦草Lolium perenne 提高过氧化物酶、过氧化氢酶活性 improve peroxidase(POD), catalase activity (CAT) [39] 高羊茅Festuca elata 提高POD活性improve POD activity [39] 高羊茅Festuca elata, 马尼拉草Zoysia matrella 降低CAT活性decrease CAT activity [39, 49] 草地早熟禾Poa pratensis 提高干旱条件下超氧化物歧化酶、POD、抗坏血酸过氧化物酶活性 improve superoxide dismutase(SOD), POD, ascorbate peroxidase(APX) activity in drought stress [12, 38] 高羊茅Festuca elata 提高干旱条件下SOD、CAT、APX、POD活性 improve SOD, CAT, APX, POD activity in drought stress [63]

表5 污泥对草坪草抗氧化酶系统的影响 Table 5 Effect of biosolid on turf grass antioxidant enzyme system

有学者研究发现, 施加风干污泥基质显著提高了正常生长环境下黑麦草和高羊茅POD活性, 黑麦草CAT活性, 且随污泥用量的增加均呈略微上升后下降的变化趋势, 而高羊茅CAT活性则随污泥用量的增加呈下降趋势^[39]。类似的试验结论在针对马尼拉草的研究中也有报道, 降低污泥用量CAT活性则随时间的延长而降低, 且降幅较大^[49], 说明合适量的污泥可以提高植物清除体内H₂O₂的能力, 从而促进植物的生长。也有研究发现, 在正常的生长环境下, 随着污泥用量的提高, 黑麦草体内的SOD含量呈现先降低后增加的趋势, 这说明当污泥用量较低时, 可以提高土壤的营养物质, 进而提高了保水性能, 比较适宜黑麦草的生长, 而当浓度超过一定量(25 g· kg^-1)时, 污泥中毒性物质的危害也便显现出来, 表现为抑制或破坏植物的生长系统, 而植物本身的抗逆性使其生成一定量的植物防护系统保护酶, 引起SOD含量的上升^[42]。

于芳芳^[38]在研究污泥的草地早熟禾抗旱性影响时发现, 在干旱胁迫下, 污泥处理(75 mg· kg^-1)的草地早熟禾SOD活性出现两次升高, POD、APX活性高于无污泥对照。这与Zhang等^[12]的研究结果相似, 他们发现生物污泥可以提高干旱条件下高羊茅叶片抗氧化酶活性, 尤其是SOD和APX, 并且猜测可能是生物污泥中生长素等活性物质作为信号分子引起了植物的抗氧化系统防御, 使得抗氧化酶活性提高。韩朝^[63]在污泥对高羊茅抗旱性影响的研究中也发现, 污泥可以提高干旱条件下高羊茅SOD、POD、CAT和APX的活性。