棉漿廢液培養(yǎng)異養(yǎng)硝化菌降解土壤中硝態(tài)氮的研究

高紅+侯思琰

摘要：棉漿廢液屬于高濃度有機廢水，較難降解，利用其作為微生物培養(yǎng)基培養(yǎng)異養(yǎng)硝化細菌應用于土壤硝態(tài)氮的降解，既能達到污染物的轉(zhuǎn)化又可實現(xiàn)土壤修復作用。試驗結(jié)果表明，N4菌能在土壤環(huán)境中發(fā)生反硝化反應去除硝態(tài)氮，投菌30 d后土壤中的硝態(tài)氮含量低于或接近正常值，同時銨態(tài)氮含量略有提高，對促進植物生長起到一定的積極作用。為便于大規(guī)模田間應用，確定最低投菌量為3.0×1010 個/kg；投菌周期為30 d。

關鍵詞：棉漿廢液；光合細菌；土壤；硝態(tài)氮；投菌量

中圖分類號： X703文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0330-02

收稿日期：2014-01-14

作者簡介：高紅（1981—），女，天津人，碩士，講師，主要從事環(huán)境污染治理教學與研究。E-mail：gh0121@126.com。我國每年產(chǎn)生大量的棉稈廢棄物，處置困難，而棉稈本身的化學形態(tài)及纖維結(jié)構決定了它是一種較為優(yōu)質(zhì)的造紙原料。從解決造紙資源緊缺、保護環(huán)境及實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的角度考慮，將棉稈與APMP（堿性過氧化氫機械漿）技術相結(jié)合，可制造出高得率的瓦楞原紙的本色漿[1]。但APMP廢水的污染負荷屬于高濃度有機廢水，利用普通的物理、生化等方法處理較難達到造紙工業(yè)廢水排放標準[2-3]。

通過生物轉(zhuǎn)化的途徑可對棉漿廢液進行資源化，由于棉漿廢液中含有大量的纖維素及其分解產(chǎn)生的低分子量的半纖維素、甲醛、醋酸、乙酸、多糖、果膠、蛋白等多種營養(yǎng)物質(zhì)，是一種天然的微生物培養(yǎng)基。可利用這些營養(yǎng)成分作為培養(yǎng)光合細菌的基質(zhì)，生產(chǎn)出有益微生物制劑，最終實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟。

土壤生物修復是新近發(fā)展起來的一項清潔環(huán)境的新興技術。它是指利用特定的生物（植物、微生物或原生動物）吸收、轉(zhuǎn)化、清除或降解環(huán)境污染物，實現(xiàn)環(huán)境凈化、生態(tài)效應恢復的生物措施。優(yōu)點主要為處理費用低，處理成本只相當于物化方法的1/3～1/2；處理效果好，對環(huán)境的影響低，不會造成二次污染，不破壞植物生長所需要的土壤環(huán)境；處理簡單，可以就地進行處理?；谶@些優(yōu)點，應用生物修復已成為當今土壤污染治理技術研究的一大熱點。

土壤本身是缺氧和兼性厭氧的環(huán)境，有利于光合細菌發(fā)生反硝化反應將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮氣脫出系統(tǒng)，對降低土壤中的硝酸鹽氮有非常重要的意義。本試驗中利用棉稈機械漿廢液作為培養(yǎng)光合細菌的培養(yǎng)基，培養(yǎng)一種產(chǎn)酸克雷伯式菌（筆者所在實驗室從土壤中篩選獲得，命名為N4），將其應用于土壤中硝酸鹽氮的降解。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1材料試驗所用的廢液為棉稈經(jīng)APMP機械制漿后的擠出液，其過程中只加入了堿液NaOH，以降低棉稈原料中纖維與木質(zhì)素、半纖維素之間的結(jié)合強度。擠出廢液中仍保留有棉稈本身的大量天然營養(yǎng)物質(zhì)，這些成分適宜用作微生物培養(yǎng)基。

1.1.2儀器和藥品儀器：QYC200恒溫空氣搖床，上海富馬儀器公司生產(chǎn)；定氮蒸餾裝置，天津玻璃廠生產(chǎn)；BS110S分析天平，德國SARTORIUS公司生產(chǎn)。主要藥品：飽和硫酸鈣溶液、鹽酸標準溶液（0.01 mol/L）、甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑、氧化鎂懸液、硫酸亞鐵鋅還原劑、硼酸（20 g/L）。

1.2方法

1.2.1試驗設計取3個錐形瓶，各加入100 g風干土，并施入預先配制好的KH2PO4 0.15 mg。同時加入15 mL蒸餾水將土潤濕，塞好棉塞置于溫度為20～30 ℃的室內(nèi)，培養(yǎng) 10 d 后分別施入普通培養(yǎng)基培養(yǎng)的N4菌液，并加入棉漿廢液培養(yǎng)基培養(yǎng)的N4菌液。試驗共設3個處理，分別為處理1施入普通培養(yǎng)基培養(yǎng)的N4菌液20 mL、處理2加入棉漿廢液培養(yǎng)基菌液10 mL、處理3加入棉漿廢液培養(yǎng)基培養(yǎng)的N4菌液5 mL，每處理重復3次。不同處理土壤保持同一濕度。

在測定最低投菌量時，培養(yǎng)方式同上，將5、2、1、0.5、0.1 mL 棉漿廢液培養(yǎng)的菌液分別投入已經(jīng)培養(yǎng)好的土壤中，處理間保持濕度一致。

1.2.2測定時間及方法投菌前取樣1次，投菌后每隔10 d取樣1次，分別測定土壤中NO-3-N、NH+4-N含量[4]。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理N4菌對土壤中硝態(tài)氮降解的影響

由于普通細菌培養(yǎng)基中含有銨鹽，在好氧培養(yǎng)過程中部分銨態(tài)氮被合成為細菌自身細胞物質(zhì)，部分好氧硝化為硝態(tài)氮，大部分硝態(tài)氮被N4菌同步反硝化為氮氣脫除，有部分殘留于培養(yǎng)基中，故施加普通培養(yǎng)基培養(yǎng)的N4菌的土壤中硝態(tài)氮本底值高于其他2種處理（圖1）。

總體來看，3個土樣中硝態(tài)氮初始值均高于正常值（0.5～50.0 mg/kg）。經(jīng)過處理后，土壤中的硝態(tài)氮均有明顯的降低，處理后前20 d去除速率較快而后變緩。試驗初期處理1中硝態(tài)氮的去除速率不及處理2、處理3，因為培養(yǎng)基中有未被N4菌代謝完的銨鹽存在，使得處理1的土樣在開始時銨態(tài)氮含量就高于其他2個土樣，阻礙了反硝化反應的正向進行。后期由于N4菌的衰亡，處理1中的菌數(shù)優(yōu)勢體

現(xiàn)出來，最終硝態(tài)氮的去除率達到79.3 %，略高于其他2個處理（圖1）。3個土樣硝態(tài)氮的最終含量均低于或接近正常值，說明N4菌能明顯降低土壤中的硝態(tài)氮，2種培養(yǎng)方式對其作用效果沒有影響。3個處理中不同菌量對硝態(tài)氮去除的影響也不明顯，說明還未達到最低投菌量。土壤是缺氧而非嚴格厭氧的環(huán)境，可以斷定N4菌在土壤中發(fā)生的是好氧反硝化反應，與異氧硝化菌一般都是好氧反硝化菌的報道一致[5]。N4菌利用好氧反硝化酶[6]的作用，在有氧條件下進行反硝化作用去除硝態(tài)氮。據(jù)報道，好氧反硝化菌要求的溶解氧濃度較低，在一定范圍內(nèi)反硝化率不受溶解氧的影響[7]，所以N4菌能在有氧環(huán)境土壤中很好地去除硝態(tài)氮。

2.2土壤中銨態(tài)氮的變化

3個土樣中銨態(tài)氮的變化如圖2所示。在土壤中N4菌主要發(fā)生的是反硝化反應，硝態(tài)氮被還原為氮氣脫出系統(tǒng)（圖2）。3個處理中銨態(tài)氮含量均有所升高，銨態(tài)氮是能被植物直接吸收利用的存在形式[8]，被吸收到植物體內(nèi)的銨態(tài)氮可直接與光合作用產(chǎn)物有機酸結(jié)合，形成氨基酸，進而形成其他含氮有機物。N4菌能夠使土壤中硝態(tài)氮降解的同時，銨態(tài)氮含量略有增加，對植物生長能起到一定的促進作用。

2.3最佳投菌量

為便于大規(guī)模田間應用，試驗設計5種不同投菌量，測定處理后10 d土壤中硝態(tài)氮含量及20 d后低投菌量處理中硝態(tài)氮的變化（圖3）。由圖3可見，隨著投菌量的減少硝態(tài)氮去除率降低，投菌量低于2 mL去除率降低明顯。

20 d后測定3種低投菌量處理土樣中硝態(tài)氮的變化，結(jié)果（表1）表明，20 d后低投菌量處理硝態(tài)氮降解量均較低，說明2 mL是N4菌在土壤中的最低投菌量，即投菌量為 3.0×1010 個/kg。

2.4土壤中N4菌的生長情況

投菌后用基本細菌培養(yǎng)基，采用稀釋平皿法按10-4、10-5、10-63個稀釋度測定土壤中的N4菌數(shù)，結(jié)果如表2所示。N4菌在投菌30 d后數(shù)量明顯減少，說明在土壤這個復雜的微生物環(huán)境中，菌群之間相互競爭，N4菌由于生長周期較長，不能一直保持數(shù)量上的優(yōu)勢，在一段時間后出現(xiàn)衰亡。若持續(xù)降低硝態(tài)氮的含量，應每隔30 d投加N4菌以保持其優(yōu)勢，投菌量為3.0×1010 個/kg。

培養(yǎng)時間（d）N4菌的數(shù)量（107 個/g）102.3202.1301.540 0.6

3結(jié)論

試驗結(jié)果表明，N4菌能在土壤環(huán)境中發(fā)生反硝化反應去除硝態(tài)氮，棉漿廢液、普通培養(yǎng)基這2種培養(yǎng)方式對N4菌降解硝態(tài)氮沒有影響。投菌30 d后土壤中的硝態(tài)氮含量低于或接近正常值，對降低種植地土壤中硝態(tài)氮的本底值，進而對降低蔬菜中硝酸鹽殘留有重要的意義。N4菌能夠在促進土壤中硝態(tài)氮降解的同時使銨態(tài)氮含量略有提高，對促進植物生長起到一定的積極作用。為便于大規(guī)模田間應用，確定最低投菌量為3.0×1010 個/kg；若要保持土壤中N4菌的優(yōu)勢，投菌周期為30 d。

參考文獻：

[1]秦麗娟，劉廷志，陳夫山，等. 新技術、新設備、新方法提高瓦楞原紙強度[J]. 黑龍江造紙，2005，33（1）：22-24.

[2]武書彬. 造紙工業(yè)水污染控制與治理技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2001.

[3]楊學富. 制漿造紙工業(yè)廢水處理[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2001.

[4]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M]. 上海：上?？茖W技術出版社，1978.

[5]Scholten E，Lukow T，Auling G，et al. Thauera mechernichensis sp. nov.，an aerobic denitrifier from a leachate treatment plant[J]. International Journal of Systematic Bacteriology，1999，49（3）：1045-1051.

[6]Robertson L A，Gijskuenen J. Aerobic denitrification：a controversy revived[J]. Arch Microbiology，1984，13（3）：351-354.

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[8]劉光崧. 土壤理化分析與剖面描述[M].

2.3最佳投菌量

為便于大規(guī)模田間應用，試驗設計5種不同投菌量，測定處理后10 d土壤中硝態(tài)氮含量及20 d后低投菌量處理中硝態(tài)氮的變化（圖3）。由圖3可見，隨著投菌量的減少硝態(tài)氮去除率降低，投菌量低于2 mL去除率降低明顯。

20 d后測定3種低投菌量處理土樣中硝態(tài)氮的變化，結(jié)果（表1）表明，20 d后低投菌量處理硝態(tài)氮降解量均較低，說明2 mL是N4菌在土壤中的最低投菌量，即投菌量為 3.0×1010 個/kg。

2.4土壤中N4菌的生長情況

投菌后用基本細菌培養(yǎng)基，采用稀釋平皿法按10-4、10-5、10-63個稀釋度測定土壤中的N4菌數(shù)，結(jié)果如表2所示。N4菌在投菌30 d后數(shù)量明顯減少，說明在土壤這個復雜的微生物環(huán)境中，菌群之間相互競爭，N4菌由于生長周期較長，不能一直保持數(shù)量上的優(yōu)勢，在一段時間后出現(xiàn)衰亡。若持續(xù)降低硝態(tài)氮的含量，應每隔30 d投加N4菌以保持其優(yōu)勢，投菌量為3.0×1010 個/kg。

培養(yǎng)時間（d）N4菌的數(shù)量（107 個/g）102.3202.1301.540 0.6

3結(jié)論

試驗結(jié)果表明，N4菌能在土壤環(huán)境中發(fā)生反硝化反應去除硝態(tài)氮，棉漿廢液、普通培養(yǎng)基這2種培養(yǎng)方式對N4菌降解硝態(tài)氮沒有影響。投菌30 d后土壤中的硝態(tài)氮含量低于或接近正常值，對降低種植地土壤中硝態(tài)氮的本底值，進而對降低蔬菜中硝酸鹽殘留有重要的意義。N4菌能夠在促進土壤中硝態(tài)氮降解的同時使銨態(tài)氮含量略有提高，對促進植物生長起到一定的積極作用。為便于大規(guī)模田間應用，確定最低投菌量為3.0×1010 個/kg；若要保持土壤中N4菌的優(yōu)勢，投菌周期為30 d。

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2.3最佳投菌量

為便于大規(guī)模田間應用，試驗設計5種不同投菌量，測定處理后10 d土壤中硝態(tài)氮含量及20 d后低投菌量處理中硝態(tài)氮的變化（圖3）。由圖3可見，隨著投菌量的減少硝態(tài)氮去除率降低，投菌量低于2 mL去除率降低明顯。

20 d后測定3種低投菌量處理土樣中硝態(tài)氮的變化，結(jié)果（表1）表明，20 d后低投菌量處理硝態(tài)氮降解量均較低，說明2 mL是N4菌在土壤中的最低投菌量，即投菌量為 3.0×1010 個/kg。

2.4土壤中N4菌的生長情況

投菌后用基本細菌培養(yǎng)基，采用稀釋平皿法按10-4、10-5、10-63個稀釋度測定土壤中的N4菌數(shù)，結(jié)果如表2所示。N4菌在投菌30 d后數(shù)量明顯減少，說明在土壤這個復雜的微生物環(huán)境中，菌群之間相互競爭，N4菌由于生長周期較長，不能一直保持數(shù)量上的優(yōu)勢，在一段時間后出現(xiàn)衰亡。若持續(xù)降低硝態(tài)氮的含量，應每隔30 d投加N4菌以保持其優(yōu)勢，投菌量為3.0×1010 個/kg。

培養(yǎng)時間（d）N4菌的數(shù)量（107 個/g）102.3202.1301.540 0.6

3結(jié)論

試驗結(jié)果表明，N4菌能在土壤環(huán)境中發(fā)生反硝化反應去除硝態(tài)氮，棉漿廢液、普通培養(yǎng)基這2種培養(yǎng)方式對N4菌降解硝態(tài)氮沒有影響。投菌30 d后土壤中的硝態(tài)氮含量低于或接近正常值，對降低種植地土壤中硝態(tài)氮的本底值，進而對降低蔬菜中硝酸鹽殘留有重要的意義。N4菌能夠在促進土壤中硝態(tài)氮降解的同時使銨態(tài)氮含量略有提高，對促進植物生長起到一定的積極作用。為便于大規(guī)模田間應用，確定最低投菌量為3.0×1010 個/kg；若要保持土壤中N4菌的優(yōu)勢，投菌周期為30 d。

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