一體化人工濕地微生物群落結(jié)構(gòu)與分布特征

稅永紅，蒲劍紅

(1.成都紡織高等?？茖W(xué)校，四川成都611731;2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610041)

0 引言

濕地在維持生物多樣性、促進(jìn)區(qū)域生態(tài)與環(huán)境建設(shè)、保障城市的持續(xù)健康發(fā)展以及人與自然和諧共存等方面具有不可替代的作用，人工濕地因其成本低、處理效果好、管理運(yùn)行簡單等優(yōu)點(diǎn)，被單獨(dú)或與其他技術(shù)組合廣泛用于校園生活污水、社區(qū)污水、奶產(chǎn)品加工廢水、農(nóng)業(yè)面源污染控制、工業(yè)廢水、石油開采廢水、養(yǎng)殖廢水以及水體富營養(yǎng)化治理等領(lǐng)域［1－5］。目前，對于人工濕地的研究主要集中在人工濕地優(yōu)化設(shè)計(jì)、出水水質(zhì)的提高、營養(yǎng)鹽的去除及在水、基質(zhì)和植物之間的轉(zhuǎn)化等方面［6－8］，對濕地微生物特別是浮游生物的研究相對缺乏，而微生物又是濕地污水凈化過程中重要的影響因子，它具有提高濕地的初級生產(chǎn)力、凈化環(huán)境污染等不可替代的重要生態(tài)功能。

微生物主要指形體微小、單細(xì)胞或個(gè)體結(jié)構(gòu)簡單的多細(xì)胞、甚至無細(xì)胞結(jié)構(gòu)，用肉眼看不見或看不清楚的低等生物的總稱，一般需要借助顯微鏡來觀察研究［9］。對濕地微生物的研究，大都集中在對于病原微生物的去除、濕地植物根系和濕地基質(zhì)中微生物的群落結(jié)構(gòu)、微生物種類和活性、微生物空間分布特點(diǎn)以及影響其分布因素的探討及酶活性等的研究［10－13］。而對濕地中浮游藻類、原生及后生動物的研究幾乎沒有，對進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期的人工濕地微生物群落結(jié)構(gòu)及分布對人工濕地凈化機(jī)理研究有著重要的指導(dǎo)意義。針對這種現(xiàn)狀，本文利用我們自主構(gòu)建的，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的，已穩(wěn)定運(yùn)行二年的一體化人工濕地處理系統(tǒng)，于2012年4月～5月，觀察人工濕地植物浮床生物膜區(qū)不同深度水層以及總出水中的微生物群落結(jié)構(gòu)，分析了其在時(shí)空分布上的差異特征，并結(jié)合水質(zhì)理化指標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)分析。

傳統(tǒng)顯微鏡觀察可同時(shí)獲得觀測點(diǎn)浮游生物的種類組成和數(shù)量，但由于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行的形態(tài)和生態(tài)特征研究主要為大于20um和3um的小型浮游生物(micro-phytoplankon)和微型浮游生物(nano-phytoplankon)，因此，本研究所述浮游微生物不包括超微型浮游生物(pico-phytoplankon)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為安置于成都紡織高等?？茖W(xué)校實(shí)驗(yàn)樓頂樓且運(yùn)行穩(wěn)定的一體化人工濕地箱，由PVC塑料構(gòu)成，其長×寬×高為2m×1m×1m，如圖1所示。

圖1 一體化人工濕地裝置

一體化系統(tǒng)由三部分構(gòu)成:

(1)一級處理系統(tǒng):一級濕地含由泡沫構(gòu)成的人工浮床，其上生長有植物三葉草，同時(shí)在水體中掛有由無紡布材質(zhì)構(gòu)成的生物膜載體，供微生物附著生長。

(2)主濕地區(qū):濕地植物由蘆葦、菖蒲、香蒲、水草四種構(gòu)成，主要植物為蘆葦和菖蒲。填料由粒徑不同的卵石、碎石、碎磚、土組成，填料鋪設(shè)高度為85cm。

(3)出水區(qū):出水區(qū)生長有挺水植物睡蓮，填料由細(xì)沙構(gòu)成，填料高度為40cm，填料距水面高度約40cm。

1.2 試驗(yàn)污水及運(yùn)行

試驗(yàn)污水來源于食堂及實(shí)驗(yàn)樓化糞池發(fā)黑發(fā)臭的混合污水(如圖2)。系統(tǒng)采用間歇進(jìn)水方式運(yùn)行，每周300L污水以10～13L/h的流速24小時(shí)內(nèi)全部進(jìn)入濕地系統(tǒng)。

圖2 人工濕地進(jìn)水采集點(diǎn)

1.3 分析方法

試驗(yàn)微生物的群落結(jié)構(gòu)分析方法采用顯微鏡鏡檢法。采樣時(shí)間上午9:00～10:00間，在一級濕地的上、中、下層、人工生物膜以及出水共設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，采樣方法如下:

一級處理系統(tǒng):用堿式滴定管(去掉下面的橡膠管)分別在距水面20cm、45cm、60cm深處各采集水樣100ml，每層布設(shè)8個(gè)采樣點(diǎn)，然后混合各采樣點(diǎn)的水樣。

生物膜:用特定的刮片在選取的幾片生物膜上刮取適量的附著物，然后用蒸餾水稀釋至100ml，混勻。

出水:用上述堿式滴定管分別在出水區(qū)離水面10cm、20cm、30cm 深處采集水樣共 100ml，每層水樣采樣點(diǎn)布設(shè)如上所述。

對每個(gè)樣點(diǎn)采集的樣品各取10ml(一個(gè)樣點(diǎn)取兩個(gè)樣本水樣)上清液，分別進(jìn)行定性和半定量的鏡檢，其中半定量樣品在獲取后盡快加入福爾馬林溶液進(jìn)行固定，并借助血球計(jì)數(shù)板在顯微鏡下進(jìn)行半定量觀察，同時(shí)利用顯微鏡附帶的成像功能對所觀察到的微生物進(jìn)行成像鑒定。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游藻類組成

對一體化人工濕地微生物群落組成的觀察集中在4月下旬到5月中旬，每旬對一級濕地和出水采集一次樣品進(jìn)行定性和半定量的觀察，每個(gè)樣品觀察10個(gè)樣片。表1列出了150個(gè)樣片浮游藻類顯微鏡鏡檢結(jié)果。

表1 人工濕地浮游藻類的組成變化

(接上表)

4－5月鏡檢結(jié)果顯示，150個(gè)樣片中共檢出浮游藻類4門34屬以及其他藻57種共組成，這四門分別為藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門、裸藻門。優(yōu)勢種群為綠藻和硅藻，占總計(jì)數(shù)藻類的42%和37%(圖3)。

圖3 人工濕地浮游生物組成

隨著時(shí)間的推移，溫度不斷升高，藻的種類變化比較明顯，濕地系統(tǒng)浮游藻類的種類也在增加，硅藻中的菱形藻、舟形藻、羽紋藻，綠藻中的柵藻、頂棘藻、四角藻種類較多。

2.2 浮游動物組成

人工濕地中除浮游藻類外，還觀察到部分浮游動物，表2列出了浮游動物顯微鏡鏡檢結(jié)果。

表2 人工濕地浮游動物組成

從表2可以看出濕地中浮游動物的種類不是很多，主要以游泳形纖毛蟲為代表的原生動物為主，共計(jì)18種(屬)。且其種隨時(shí)間的變化規(guī)律不是很明顯。

在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)斜毛蟲屬和表殼蟲屬只在濕地一級處理系統(tǒng)上、中、下層發(fā)現(xiàn)，且下層最多，中層次之，上層最少，且其在顯微鏡下表現(xiàn)為畏光，當(dāng)剛移動到視野中央，其很快就會運(yùn)動到視野之外，說明這兩種生物是不喜在強(qiáng)光照和較高溫度下生存，這也就是為何從4月下旬到5月中旬隨著溫度的升高和光照的增強(qiáng)，最后在顯微鏡下觀察不到這兩種生物的原因了。

2.3 浮游藻類多樣性變化

在采集樣本進(jìn)行微生物觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)濕地一級處理系統(tǒng)上、中、下三個(gè)水層采集的水樣中下層水樣顏色最深，呈明顯的綠色;中層水樣除含有一些懸浮物外幾乎無色，上層水樣除含較多懸浮物外，還呈明顯的白色渾濁。在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)一級處理系統(tǒng)下層水樣藻類種類數(shù)最多，上層次之，中層最少，而生物膜上的藻種類最豐富。濕地總出水無色透明，在顯微鏡下觀察到的藻種類和數(shù)量也相對較少，如圖4所示。

圖4 各個(gè)取樣點(diǎn)藻類的種類數(shù)的變化

從圖4可以看出，一級系統(tǒng)分層采樣及出水中浮游藻類以生物膜上種類最為豐富，數(shù)量最多，增長也最快，在一級系統(tǒng)上、中、下層水樣中觀察到的藻幾乎都能在生物膜上觀察到。而上、中、下層藻的主要屬類差異不大。這是因?yàn)橐患壪到y(tǒng)上、中、下層處于相似的環(huán)境，只是在種類和數(shù)量上，下層更豐富、上層次之，中層最少，而總出水藻的種類也相對較少。隨著氣溫的升高，5月濕地處理系統(tǒng)浮游藻類種群總量達(dá)到較大值，由4月62種上升到130種以上(包括重復(fù)種計(jì)數(shù))，增長了近220%。其中，浮游藻類主要以硅藻門和綠藻門為主(圖5)。

圖5 5月人工濕地浮游生物組成

從圖5可看出，5月浮游藻類中硅藻門藻類最多，占44%，其次是綠藻門藻類，占37%，硅藻門和綠藻門占觀察到的浮游藻類的81%，且生物多樣性豐富。

分析硅藻門及綠藻門中浮游藻類的組成，硅藻門中以菱形藻屬最多，占硅藻門的38%，其次是舟形藻，占硅藻門的23%。綠藻門中的優(yōu)勢種為柵藻屬占綠藻門33%。觀察到的浮游藻類優(yōu)勢種群結(jié)構(gòu)如圖6和7所示。

圖6 硅藻門種屬組成

圖7 綠藻門種屬組成

2.4 與水質(zhì)凈化的關(guān)系

20世紀(jì)初德國學(xué)者B.科爾克維茨和M.馬松提出指示生物的概念，水污染指示生物是在一定水質(zhì)條件下生存，對水體環(huán)境質(zhì)量的變化反應(yīng)敏感而被用來監(jiān)測和評價(jià)水體污染狀況的水生生物。浮游生物、水生微型動物、大型底棲無脊椎動物、顫蚓、溞、搖蚊幼蟲、硅藻、小球藻、柵藻、水生維管束植物等均可用來作為水污染的指示生物。利用指示生物可以對水體污染程度作出綜合判斷并進(jìn)行定性分析。

水中浮游生物的藻類植物是有機(jī)物和氧氣的重要來源。無論是在淡水，還是在海水中，藻類都是水生生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者的重要成員。據(jù)估計(jì)，自然界光合作用制造的有機(jī)物中，有近一半是由藻類等微生物產(chǎn)生的，這些有機(jī)物作為浮游動物和高等水生動物的食料。水中浮游生物的原生動物及后生動物是水中微環(huán)境食物鏈的頂端，它們可以通過牧食對污水起到凈化作用。

由于藻類對環(huán)境變化非常敏感或具有耐受力，人們根據(jù)水體中藻類的種類及數(shù)量變化，判斷水質(zhì)是否受到污染物及污染程度，從而在水體環(huán)境監(jiān)測中起到指示作用，水體清潔狀況與藻類的對應(yīng)關(guān)系如表3。

表3 水體狀況與藻類的對應(yīng)關(guān)系

同時(shí)由于不同藻對污染物耐受性的不同，還可依據(jù)水體中存在的某些藻的種類和數(shù)量判定水體藻的污染程度。

從我們對5月上旬處理系統(tǒng)一級上、中、下三個(gè)水層及出水浮游生物的觀察發(fā)現(xiàn)，觀察到的優(yōu)勢種與水質(zhì)有一定的相關(guān)性。5月上旬優(yōu)勢種藻及水質(zhì)在濕地系統(tǒng)的空間分布如表4和5所示。

表4 5月上旬優(yōu)勢種藻在濕地系統(tǒng)的空間分布

表5 5月上旬濕地系統(tǒng)的水質(zhì)空間變化

結(jié)合表4和表5，我們可以看出，硅藻的二個(gè)優(yōu)勢種(菱形藻和舟形藻)在一級處理區(qū)上、中、下層和出水均有檢出，且在一級處理區(qū)下層分布較多，這表明水質(zhì)均受一定的污染，且一級處理區(qū)污染較嚴(yán)重，與水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果是一致的。

同時(shí)，我們從上面二個(gè)表中還可以看出，綠藻優(yōu)勢種柵藻僅在一級處理區(qū)檢出，出水中未檢出，這表明在濕一級處理區(qū)的污染程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于出水，這是由于柵藻在污水凈化過程中，可為細(xì)菌提供氧以分解有機(jī)物并破壞其他有害物質(zhì)，這也與我們水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

通過鏡檢，4～5月濕地系統(tǒng)包含藍(lán)藻、硅藻、綠藻和裸藻四門34屬以及其他藻種(屬)共332種，浮游動物及其它微生物共18種;隨氣溫變暖上升，隨著氣溫的升高，濕地處理系統(tǒng)浮游藻類種群更加豐富，較4月增長了近220%，浮游藻類主要以硅藻門和綠藻門為主，生物膜上藻的種類最豐富，包含了一級處理系統(tǒng)中上、中、下層所出現(xiàn)的藻類。

根據(jù)水體中浮游藻類優(yōu)勢種群在濕地空間變化與相應(yīng)主要污染物的檢測比對，硅藻優(yōu)勢種(菱形藻和舟形藻)及綠藻優(yōu)勢種柵藻的數(shù)量可以定性判斷水質(zhì)受污染的狀況和相對潔凈程度。

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