再生废水长期灌溉对土壤酶活性及微生物群落的影响机制研究

本研究针对全球干旱与水资源短缺背景下再生废水灌溉的环境影响问题，通过比较三种不同处理程度的城市废水（二级出水、紫外处理出水及超滤/紫外联合处理出水）与河水在两年灌溉期内对土壤细菌酶活性的影响。研究发现，处理后的废水显著提升表层土壤脱氢酶活性（DHA），尤其是超滤/紫外处理出水使DHA最高增加59%；但潜在硝化活性（PNA）在第一年普遍下降达82%，表明微生物群落结构向非硝化菌转变。第二年微生物活性趋于稳定，土壤温度、腐殖质含量与酶活性显著相关（p < 0.001）。该成果为废水回用对土壤微生物健康及氮循环动态的长期影响提供了关键数据，对水资源可持续管理具有重要指导意义。

　　

随着全球气候变化加剧和人口持续增长，水资源短缺已成为威胁人类生存与发展的重大挑战。据统计，欧洲约三分之一地区和全球近50亿人口面临水资源匮乏风险，干旱导致的年经济损失高达数十亿欧元。在这一背景下，废水回用（wastewater reuse）作为循环经济模式下的重要策略，逐渐成为缓解农业灌溉用水压力的潜在解决方案。然而，再生废水虽能提供有机碳和营养物质，促进作物生长，却也可能引入重金属、微量污染物（micropollutants）和病原微生物，进而改变土壤理化性质及微生物群落功能。尤其值得关注的是，土壤微生物通过脱氢酶（dehydrogenase, DHA）和硝化酶等关键酶参与养分循环、污染物降解及重金属解毒过程，其活性变化可直接反映土壤健康状况。

目前，多数研究聚焦于废水灌溉对作物产量或土壤化学性质的影响，却长期忽视了对微生物酶活性的系统监测，尤其缺乏对不同处理工艺（如紫外UV、超滤UF等）出水灌溉效果的比较。此外，以往试验多仅在灌溉期首尾采样，难以捕捉微生物活动的动态变化。为此，来自捷克化学技术大学（University of Chemistry and Technology）的Adéla Pu?ká?ová、Dominik Matysek等研究人员在《Water Science and Engineering》上发表论文，通过为期两年的控制实验，探究三种处理废水及河水灌溉对土壤酶活性与微生物功能的长期影响。

为开展本研究，团队构建了四组模拟灌溉系统，填充黏土并种植典型城市公园植物，分别施用河水、二级出水、UV处理出水和UF/UV处理出水。灌溉水每月采样检测化学需氧量（COD_Cr）、五日生化需氧量（BOD₅）、溶解无机盐（DIS）及大肠杆菌（E. coli）等指标。土壤样品则按0–25 cm（d₁）和25–45 cm（d₂）分层采集，定期分析腐殖质含量、氧化碳（C_ox）、磷含量及温度湿度，并采用标准方法（?SN EN ISO 23753-1 和 ISO 15685:2012）测定脱氢酶活性（DHA）和潜在硝化活性（PNA）。所有水样与土样均在采集后24小时内处理，并使用原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分析微量元素。

3.1. 灌溉水性质

数据分析表明，所有废水类型的BOD₅、COD_Cr、溶解无机盐（DIS）和总溶解固体（TDS）均高于河水，但均符合欧盟2020/741条例的农业回用标准。UV与UF/UV处理显著降低微生物负荷，其中UF/UV出水大肠杆菌数仅1 MPN/100 mL，达到Class A水质标准。

3.2. 土壤理化特性变化

土壤pH在灌溉初期上升13.8%–15.4%，第二年则下降5.8%–12.5%，整体波动不显著。孔隙度普遍增加，以河水灌溉组最高（+10%）。腐殖质含量稳定在7.26%–18.77%之间，与DHA和PNA均呈显著相关（p < 0.001）。土壤磷含量在初期上升后因植物吸收和淋溶而下降。

3.3. 脱氢酶活性（DHA）动态

第一年灌溉期内，所有处理组DHA均先降后升；第二年则趋于稳定。稳态期DHA较基线最高增加59%（UF/UV组，d₁层）。与河水相比，废水灌溉使d₁层DHA提高18.2%–23.4%，但d₂层降低2.5%–15.0%。UF/UV处理表现出最强的温度依赖性（r = 0.57–0.70）。

3.4. 潜在硝化活性（PNA）变化

PNA在第一年急剧下降，幅度达75%–82%，显示硝化菌群被显著抑制。第二年趋于平衡，稳态PNA较基线下降68%–81%。与河水相比，废水灌溉使d₁和d₂层PNA分别降低8%–31%和4.5%–49%。

3.5. 处理工艺对微生物活性的影响

UV处理通过降解大分子有机物提高底物生物可利用性，但也可能产生抑制性副产物；UF则有效去除悬浮物和部分微生物，增强后续UV效果。废水中的营养物质和污染物共同导致微生物群落结构重组，表现为总菌量增长（DHA升高）而硝化功能衰退（PNA下降）。

本研究通过长期灌溉试验证明，再生废水回用可提升土壤微生物总生物量（以DHA为指标），但抑制硝化功能（PNA下降），暗示微生物群落结构从硝化菌向异养菌转型。这种变化可能与废水中有机物输入、盐分升高及微量污染物累积有关。尽管土壤理化参数在短期内未发生显著恶化，但微生物功能的重组可能进一步影响氮循环效率与土壤生态健康。该成果强调，在推进废水回用策略时，必须结合微生物酶活性指标进行长期监测，以平衡水资源利用与土壤生态安全。研究也为优化废水处理工艺（如UF/UV联合技术）提供了实证依据，对干旱地区农业水管理具有重要参考价值。