蕹菜—微生物菌劑修復(fù)富營養(yǎng)化水體的效果

廖濤+饒丹華+惠陽+白嬋+王代軍+張金木+鉏曉艷+何建軍

摘要：通過添加0.001 3%以枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、酵母菌和放線菌為主要成分的新型微生物菌劑復(fù)合蕹菜浮床處理，研究不同程度富營養(yǎng)化污染水體的氮、磷濃度變化。結(jié)果表明，微生物菌劑復(fù)合植物浮床系統(tǒng)有良好的去除氮、磷修復(fù)水體的能力，且磷濃度1 mg/L組去除磷的效果最好，總氮濃度 2 mg/L組去除氮元素的效果最好。磷濃度達(dá)到2 mg/L以上、總氮濃度達(dá)到10 mg/L以上，浮床菌劑的凈化能力受到削弱。浮床-菌劑系統(tǒng)對水體總磷的凈去除率達(dá)到43.9%～73.4%，總氮、硝酸鹽氮、氨氮的凈去除率分別達(dá)到26.8%～51.2%、16.5%～44.6%、11.3%～23.3%，明顯高于單純浮床處理的效果。

關(guān)鍵詞：蕹菜；浮床；富營養(yǎng)化；微生物菌劑

中圖分類號：X52；X172 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）24-4744-04

水體氮、磷物質(zhì)造成的富營養(yǎng)化問題是水污染中普遍存在的問題，近年來用生態(tài)學(xué)技術(shù)治理備受關(guān)注，且前景廣闊。作為生態(tài)學(xué)治理主要途徑的植物治理和微生物治理已被廣泛研究、應(yīng)用[1-3]，但植物治理和微生物治理結(jié)合起來的研究還不夠成熟，植物-微生物治理在不同污染水體中的規(guī)律研究更是缺乏。

枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）是一種好氧的革蘭氏陽性菌，所具有的胞外酶可以有效降解水環(huán)境中的有機(jī)質(zhì)，對氨氮和亞硝酸鹽氮有良好的去除效果，同時抑制致病菌[4]，可以促進(jìn)蕹菜的生長。放線菌是廣泛存在的好氧菌，可以產(chǎn)生抗生素，在抑制病原微生物控制病害方面有顯著優(yōu)勢[5，6]。酵母菌是一類蛋白含量很高的好氧菌，在水環(huán)境中可以成為營養(yǎng)物質(zhì)，加快有益菌類的生長繁殖。因此，本試驗采用以枯草芽孢桿菌、酵母菌[7]和放線菌為主的新型微生物菌劑復(fù)合蕹菜浮床凈化水體，旨在優(yōu)化植物-微生物組合，更有效的降低氮、磷污染。

本試驗通過蕹菜浮床和混合菌劑，模擬4種污染水平的水體，探究植物-微生物治理在污染程度不同的水體中的治理效果，研究植物-微生物系統(tǒng)修復(fù)水體的能力與水體氮、磷濃度之間的關(guān)系，探索實(shí)際水體應(yīng)用的適宜條件。

1 材料與方法

1.1 材料

蕹菜：由湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院菜市場菜農(nóng)大棚培育，選取生長健康狀況良好、長勢均勻、沒有損傷、沒有黃葉的蕹菜幼苗，于沒有氮、磷元素的霍格蘭培養(yǎng)液中馴化培養(yǎng)7 d，使其適應(yīng)水體生長。開始試驗時蕹菜平均株高約20 cm。

試驗浮床：以中等密度平整泡沫板作為材料，將泡沫板裁剪成長寬為50 cm×30 cm的浮床板。每塊浮床板上按5 cm×3 cm的布局均勻打上15個直徑約2 cm的圓孔用來放置蕹菜幼苗，孔間距為10 cm×10 cm。

試驗箱：以同種型號的塑料水箱為容器，數(shù)目為16個，每兩個為一組，長寬高分別為70、30、50 cm，每個水箱都安放一個15孔泡沫板作為浮島床體。試驗組的泡沫板上每個孔放置2株蕹菜幼苗，對照組不放置蕹菜。提供每日10 h的光照。

微生物菌劑：由枯草芽孢桿菌、酵母菌和放線菌等菌類混合而成，有效活菌數(shù)>107個/g。

試驗水體為自配富營養(yǎng)水體，除氮、磷元素不添加外，其余均按霍格蘭培養(yǎng)液配制。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)置4組濃度的水體，試驗組設(shè)有蕹菜浮床并添加微生物菌劑，對照組無蕹菜浮床，也不添加微生物菌劑，均設(shè)兩個平行。根據(jù)地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，濃度1為Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，濃度2為Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，濃度3、濃度4是不同程度富營養(yǎng)化污染的劣Ⅴ類水體。4個濃度組的氮、磷初始濃度設(shè)定值及試驗處理見表1、表2。

以5 d為一個周期，測量4組水體（每組水樣包括試驗組和對照組）中總氮、總磷、氨氮、硝酸鹽氮以及溶解氧、pH等指標(biāo)，連續(xù)監(jiān)測至35 d。

1.3 方法

菌劑的活化：使用前菌劑和水按1∶1混合，加入5%的紅糖，攪拌均勻，培養(yǎng)2 h。使用時按照1 g/75 L水的比例向試驗組添加培養(yǎng)好的菌劑，對照組不添加。

試驗前測得培育蕹菜的泥土pH約6.5，為了讓蕹菜茁壯生長，也為了避免pH過高造成氨氮損失影響試驗效果，每次測量時監(jiān)測水體pH，并調(diào)節(jié)至6.0～7.0。

每次測量后將水位補(bǔ)到初始位置，保持體積不變。同時，每次將蕹菜剪枝到只剩兩節(jié)。

水中的總磷采用鉬酸鹽分光光度法測定[8]；總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測量[9]；硝酸鹽氮采用紫外分光光度法進(jìn)行測量[10]；氨氮采用納氏試劑分光光度法測量[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕹菜生長狀況

試驗周期內(nèi)，蕹菜植株共計死亡2棵，死亡率忽略不計，死亡植株及時更換成新的健康植株。浮床栽種蕹菜初期，蕹菜普遍出現(xiàn)一定程度萎蔫、倒伏、掉葉子現(xiàn)象，最終只剩少數(shù)嫩葉，經(jīng)過3～4 d的適應(yīng)與自行恢復(fù)便重新挺拔、葉片舒展，且冒出新芽。培養(yǎng)7 d后，蕹菜根系均普遍生長旺盛，已經(jīng)有些新根生成。培養(yǎng)30 d后，蕹菜出現(xiàn)葉片發(fā)黃、葉片呈斑狀以及葉片枯黃凋謝等發(fā)病癥狀，經(jīng)過噴灑農(nóng)藥，大部分植株癥狀有所減輕，病蟲害情況得到改善。

2.2 水體感官變化

試驗初期水體底部沒有物質(zhì)沉積，水質(zhì)都較為清澈。4～5 d后各試驗組水質(zhì)仍較為清澈，但對照組有一定濁度。到10 d左右，試驗組水體底部明顯有塊狀物質(zhì)沉積，顏色呈棕色或黑色，對照組有少量細(xì)而散的黑色顆粒物沉積在池底，這與高艷玲等[12]聚磷菌富集、聚沉磷元素的結(jié)論相吻合。

2.3 水體總磷的去除效果

在無外源污染進(jìn)入的條件下，4個試驗組和對照組對總磷的平均去除率見圖1。由圖1可知，5 d時，4個試驗組對磷元素就有明顯的去除效果，10 d后去除速率加快，尤其是磷濃度1 mg/L的試驗組除磷效果最好，最高可達(dá)93.85%，與對照組相比除磷率提高73.4%。35 d時，除去空白對照水體的自身除磷，4個試驗組水體磷濃度從低到高對磷的凈去除率分別為43.9%、65.6%、73.4%、52.1%。對磷的去除能力表現(xiàn)為1 mg/L試驗組>0.4 mg/L試驗組>2 mg/L試驗組>0.2 mg/L試驗組，表明水體磷元素污染程度不同，浮床植物-微生物菌劑系統(tǒng)的凈化能力也會有差異。endprint

水體污染程度越大，一方面，植物可吸收利用的營養(yǎng)鹽就越多，既可以促進(jìn)植物的茁壯生長又反過來增強(qiáng)植物的吸收能力，有利于磷元素富集在植物體中而被去除；另一方面，富營養(yǎng)化環(huán)境容易滋生水體中的聚磷菌等微生物，這些微生物可以高效快速的分解有機(jī)物等污染物，使得更易被植物吸收，同時在微生物作用下，磷可以大量被聚沉或合成細(xì)胞貯存物-多聚磷酸鹽而加以去除[13]。但污染過于嚴(yán)重則會抑制植物的生長，破壞植物微生物的互利共生環(huán)境，不利于磷的去除。4組磷濃度下，磷濃度1 mg/L是植物微生物互利共生除磷的最適環(huán)境，磷濃度2 mg/L時植物微生物則開始受到抑制。

2.4 水體總氮的去除效果

4個試驗組和對照組對總氮的平均去除率見圖2。由圖2可知，試驗開始5 d時，試驗組和對照組總氮含量均有下降，但試驗組與對照組差異不大。10 d后，試驗組的凈化能力逐漸顯現(xiàn)，與對照組相比，試驗組的除氮速率加快。35 d時，2 mg/L試驗組總氮的去除率最高，達(dá)到62.69%，20 mg/L試驗組最低，為39.32%?？鄢瞻讓φ眨囼?5 d時，4個試驗組水體氮濃度從低到高對總氮的凈去除率分別為26.8%、51.2%、47.7%、29.5%，對總氮的去除能力表現(xiàn)為1 mg/L試驗組>10 mg/L試驗組>20 mg/L試驗組>1 mg/L試驗組，表明植物-微生物系統(tǒng)發(fā)揮最大除氮能力的適用水體總氮不宜過低，也不宜過高，氮濃度2 mg/L時植物-微生物系統(tǒng)除氮效果最好。

2.5 水體硝酸鹽氮和氨氮的去除效果

4個試驗組和對照組對硝酸鹽氮的平均去除率見圖3，對氨氮的平均去除率見圖4。水環(huán)境中總氮的去除主要依靠微生物作用和植物的吸收富集作用。浮床植物根系發(fā)達(dá)密集，水上部位光合作用產(chǎn)生的氧送達(dá)根部，在根部周圍形成有氧、厭氧、兼性厭氧區(qū)域，可以很好地為各類微生物提供生存環(huán)境，加上根系的過濾攔截功能，根部聚集大量微生物，極大強(qiáng)化了根部的硝化-反硝化等途徑，促進(jìn)了氮的去除。

試驗初期各試驗組的硝酸鹽氮降低并不明顯，15 d后硝酸鹽氮降低速率逐漸加快，且各試驗組差異明顯（圖3）。氨氮卻是試驗初期各試驗組降低的速率最快，隨后逐漸變慢，后期趨于平緩（圖4）。試驗5 d左右時，植物根系微環(huán)境還未建立，水體含氧量還較高，好氧類微生物如硝化細(xì)菌的生命活動較強(qiáng)，通過硝化作用除去氨氮。后期微環(huán)境穩(wěn)固后，厭氧類微生物如反硝化細(xì)菌的生命活動開始增強(qiáng)，通過反硝化作用除去硝酸鹽氮，轉(zhuǎn)化為N2等揮發(fā)或氨基酸等形成植物、微生物體內(nèi)的生命物質(zhì)。Silvennoinen等[14]研究指出NO3-去除的主要途徑不是NO3-轉(zhuǎn)變?yōu)镹H4+，而是被微生物吸收，與本研究結(jié)論一致。

試驗35 d時，扣除空白對照，4個試驗組硝酸鹽氮濃度由低到高對硝酸鹽氮的凈去除率分別為16.5%、44.6%、36.3%、22.0%，對氨氮含量的凈去除率分別為11.3%、23.3%、20.3%、21.2%，對硝酸鹽氮的去除能力均表現(xiàn)為1 mg/L試驗組>5 mg/L試驗組>10 mg/L試驗組>0.5 mg/L試驗組?？傮w來說，植物-微生物系統(tǒng)對硝酸鹽氮的去除較明顯，對氨氮的去除效率雖然也很高，但與對照組相比差異較小。這可能與空白對照組缺少厭氧微環(huán)境有關(guān)，對照組的反硝化作用比較微弱，而硝化作用不受影響。

蕹菜浮床、微生物菌劑的結(jié)合能強(qiáng)化植物微生物的互惠互利作用，能有效提高單純蕹菜浮床較為有限的去除能力。饒丹華等[15]單純利用蕹菜凈化復(fù)合污水，最終水體磷去除率最高達(dá)19.8%，總氮去除率達(dá)26.1%，均低于本試驗。

3 小結(jié)與討論

本試驗結(jié)果表明，蕹菜-微生物菌劑系統(tǒng)對氮、磷的凈化效果較好，扣除對照，所提高的總磷凈去除率達(dá)43.9%～73.4%，總氮凈去除率達(dá)26.8%～51.2%。其中總氮的去除主要依靠硝酸鹽氮的去除，氨氮降低較多，但與對照相比，優(yōu)勢不明顯。系統(tǒng)對硝酸鹽氮的凈去除率達(dá)到16.5%～44.6%，對氨氮的凈去除率達(dá)11.3%～23.3%。系統(tǒng)的去氮除磷能力由水體中氮、磷濃度由低到高是先增強(qiáng)后減弱，說明適當(dāng)?shù)母粻I養(yǎng)化污染可以提高系統(tǒng)的凈化能力。

試驗最終對磷的去除效果較好，對總氮的去除率則相對較差，仍有待加強(qiáng)。如果微生物菌劑不是直接投撒到水中，而是固定在植物根部區(qū)域，可能效果會優(yōu)化。對于磷濃度達(dá)到2 mg/L以上、總氮濃度達(dá)到10 mg/L以上污染過重的水體，浮床菌劑體系的凈化能力受到削弱，污染越重，削弱越多，此時植物-微生物菌劑技術(shù)效果不佳。

在試驗結(jié)束后即撤走浮床系統(tǒng)，30 d后，試驗組水體依然保持清澈，而對照組愈發(fā)渾濁，氮濃度為2～20 mg/L、磷濃度為0.4～2.0 mg/L，出現(xiàn)依次增多的水綿，試驗組則無此現(xiàn)象，可能是植物-微生物系統(tǒng)向水體釋放的抑藻抑菌等物質(zhì)仍在起作用，說明本試驗浮床-微生物系統(tǒng)對水體環(huán)境的改善是持久有效的，生態(tài)效益較好。

參考文獻(xiàn)：

[1] ZHANG Q Z，ACHAL V，XU Y，et al. Aquaculture wastewater quality improvement by water spinach（Ipomoea aquatica Forsskal） floating bed and ecological benefit assessment in ecological agriculture district[J].Aquacultural Engineering，2014， 60（3）：48-55.

[2] 蔣 斌，王永浩.組合生態(tài)浮床對富營養(yǎng)化水體水質(zhì)改善效果的研究[J].環(huán)境科技，2011，24（6）：11-14.

[3] 蔡魯祥，吳文磊，高 一，等.生態(tài)浮島復(fù)合技術(shù)凈化黑臭河道廢水的實(shí)驗研究[J].環(huán)境污染與防治，2016，38（12）：17-21.

[4] 劉 穎，丁桂珍，胡傳紅，等.枯草芽孢桿菌對養(yǎng)殖水體水質(zhì)影響研究[J].淡水漁業(yè)，2004，34（5）：12-14.

[5] 傅麗君，安新麗，鄭天凌.環(huán)境中放線菌及其抑藻活性物質(zhì)研究的若干進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（9）：960-965.

[6] 梁锏文，林煒鐵.溶藻放線菌的分離鑒定及其溶藻特性[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32（9）：68-72.

[7] 葉秋雯.酵母菌對水華藻的競爭性抑制研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[8] GB 11893-89，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].

[9] GB 11894-89，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].

[10] HJ/T 346-2007，中華人民共和國環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[11] HJ 535-2009，中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[12] 高艷玲，馬 達(dá).污水生物處理新技術(shù)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2006.

[13] 朱德銳，賁亞琍，韓 睿，等.聚磷菌生物除磷機(jī)理研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（5）：62-65.

[14] SILVENNOINEN H，LIIKANEN A，TORSSONEN J，et al. Denitrification and nitrous oxide effluxes in boreal， eutrophic river sediments under increasing nitrate load：A laboratory microcosm study[J].Biogeochemistry，2008，91（2）：105-116.

[15] 饒丹華，何建軍，惠 陽，等.蕹菜對復(fù)合污染水體的凈化效果研究[J].環(huán)境影響評價，2016，38（1）：79-83.endprint