棉浆废液培养异养硝化菌降解土壤中硝态氮的研究

2014-08-12高红侯思琰

江苏农业科学 2014年6期

关键词：土壤

高红+侯思琰

摘要：棉浆废液属于高浓度有机废水，较难降解，利用其作为微生物培养基培养异养硝化细菌应用于土壤硝态氮的降解，既能达到污染物的转化又可实现土壤修复作用。试验结果表明，N4菌能在土壤环境中发生反硝化反应去除硝态氮，投菌30 d后土壤中的硝态氮含量低于或接近正常值，同时铵态氮含量略有提高，对促进植物生长起到一定的积极作用。为便于大规模田间应用，确定最低投菌量为3.0×1010 个/kg；投菌周期为30 d。

关键词：棉浆废液；光合细菌；土壤；硝态氮；投菌量

中图分类号： X703文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0330-02

收稿日期：2014-01-14

作者简介：高红（1981—），女，天津人，硕士，讲师，主要从事环境污染治理教学与研究。E-mail：gh0121@126.com。我国每年产生大量的棉秆废弃物，处置困难，而棉秆本身的化学形态及纤维结构决定了它是一种较为优质的造纸原料。从解决造纸资源紧缺、保护环境及实现循环经济的角度考虑，将棉秆与APMP（碱性过氧化氢机械浆）技术相结合，可制造出高得率的瓦楞原纸的本色浆[1]。但APMP废水的污染负荷属于高浓度有机废水，利用普通的物理、生化等方法处理较难达到造纸工业废水排放标准[2-3]。

通过生物转化的途径可对棉浆废液进行资源化，由于棉浆废液中含有大量的纤维素及其分解产生的低分子量的半纤维素、甲醛、醋酸、乙酸、多糖、果胶、蛋白等多种营养物质，是一种天然的微生物培养基。可利用这些营养成分作为培养光合细菌的基质，生产出有益微生物制剂，最终实现循环经济。

土壤生物修复是新近发展起来的一项清洁环境的新兴技术。它是指利用特定的生物（植物、微生物或原生动物）吸收、转化、清除或降解环境污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。优点主要为处理费用低，处理成本只相当于物化方法的1/3～1/2；处理效果好，对环境的影响低，不会造成二次污染，不破坏植物生长所需要的土壤环境；处理简单，可以就地进行处理。基于这些优点，应用生物修复已成为当今土壤污染治理技术研究的一大热点。

土壤本身是缺氧和兼性厌氧的环境，有利于光合细菌发生反硝化反应将硝酸盐氮转化为氮气脱出系统，对降低土壤中的硝酸盐氮有非常重要的意义。本试验中利用棉秆机械浆废液作为培养光合细菌的培养基，培养一种产酸克雷伯式菌（笔者所在实验室从土壤中筛选获得，命名为N4），将其应用于土壤中硝酸盐氮的降解。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1材料试验所用的废液为棉秆经APMP机械制浆后的挤出液，其过程中只加入了碱液NaOH，以降低棉秆原料中纤维与木质素、半纤维素之间的结合强度。挤出废液中仍保留有棉秆本身的大量天然营养物质，这些成分适宜用作微生物培养基。

1.1.2仪器和药品仪器：QYC200恒温空气摇床，上海富马仪器公司生产；定氮蒸馏装置，天津玻璃厂生产；BS110S分析天平，德国SARTORIUS公司生产。主要药品：饱和硫酸钙溶液、盐酸标准溶液（0.01 mol/L）、甲基红-溴甲酚绿混合指示剂、氧化镁悬液、硫酸亚铁锌还原剂、硼酸（20 g/L）。

1.2方法

1.2.1试验设计取3个锥形瓶，各加入100 g风干土，并施入预先配制好的KH2PO4 0.15 mg。同时加入15 mL蒸馏水将土润湿，塞好棉塞置于温度为20～30 ℃的室内，培养 10 d 后分别施入普通培养基培养的N4菌液，并加入棉浆废液培养基培养的N4菌液。试验共设3个处理，分别为处理1施入普通培养基培养的N4菌液20 mL、处理2加入棉浆废液培养基菌液10 mL、处理3加入棉浆废液培养基培养的N4菌液5 mL，每处理重复3次。不同处理土壤保持同一湿度。

在测定最低投菌量时，培养方式同上，将5、2、1、0.5、0.1 mL 棉浆废液培养的菌液分别投入已经培养好的土壤中，处理间保持湿度一致。

1.2.2测定时间及方法投菌前取样1次，投菌后每隔10 d取样1次，分别测定土壤中NO-3-N、NH+4-N含量[4]。

2结果与分析

2.1不同处理N4菌对土壤中硝态氮降解的影响

由于普通细菌培养基中含有铵盐，在好氧培养过程中部分铵态氮被合成为细菌自身细胞物质，部分好氧硝化为硝态氮，大部分硝态氮被N4菌同步反硝化为氮气脱除，有部分残留于培养基中，故施加普通培养基培养的N4菌的土壤中硝态氮本底值高于其他2种处理（图1）。

总体来看，3个土样中硝态氮初始值均高于正常值（0.5～50.0 mg/kg）。经过处理后，土壤中的硝态氮均有明显的降低，处理后前20 d去除速率较快而后变缓。试验初期处理1中硝态氮的去除速率不及处理2、处理3，因为培养基中有未被N4菌代谢完的铵盐存在，使得处理1的土样在开始时铵态氮含量就高于其他2个土样，阻碍了反硝化反应的正向进行。后期由于N4菌的衰亡，处理1中的菌数优势体

现出来，最终硝态氮的去除率达到79.3 %，略高于其他2个处理（图1）。3个土样硝态氮的最终含量均低于或接近正常值，说明N4菌能明显降低土壤中的硝态氮，2种培养方式对其作用效果没有影响。3个处理中不同菌量对硝态氮去除的影响也不明显，说明还未达到最低投菌量。土壤是缺氧而非严格厌氧的环境，可以断定N4菌在土壤中发生的是好氧反硝化反应，与异氧硝化菌一般都是好氧反硝化菌的报道一致[5]。N4菌利用好氧反硝化酶[6]的作用，在有氧条件下进行反硝化作用去除硝态氮。据报道，好氧反硝化菌要求的溶解氧浓度较低，在一定范围内反硝化率不受溶解氧的影响[7]，所以N4菌能在有氧环境土壤中很好地去除硝态氮。

2.2土壤中铵态氮的变化

3个土样中铵态氮的变化如图2所示。在土壤中N4菌主要发生的是反硝化反应，硝态氮被还原为氮气脱出系统（图2）。3个处理中铵态氮含量均有所升高，铵态氮是能被植物直接吸收利用的存在形式[8]，被吸收到植物体内的铵态氮可直接与光合作用产物有机酸结合，形成氨基酸，进而形成其他含氮有机物。N4菌能够使土壤中硝态氮降解的同时，铵态氮含量略有增加，对植物生长能起到一定的促进作用。

2.3最佳投菌量

为便于大规模田间应用，试验设计5种不同投菌量，测定处理后10 d土壤中硝态氮含量及20 d后低投菌量处理中硝态氮的变化（图3）。由图3可见，随着投菌量的减少硝态氮去除率降低，投菌量低于2 mL去除率降低明显。

20 d后测定3种低投菌量处理土样中硝态氮的变化，结果（表1）表明，20 d后低投菌量处理硝态氮降解量均较低，说明2 mL是N4菌在土壤中的最低投菌量，即投菌量为 3.0×1010 个/kg。

2.4土壤中N4菌的生长情况

投菌后用基本细菌培养基，采用稀释平皿法按10-4、10-5、10-63个稀释度测定土壤中的N4菌数，结果如表2所示。N4菌在投菌30 d后数量明显减少，说明在土壤这个复杂的微生物环境中，菌群之间相互竞争，N4菌由于生长周期较长，不能一直保持数量上的优势，在一段时间后出现衰亡。若持续降低硝态氮的含量，应每隔30 d投加N4菌以保持其优势，投菌量为3.0×1010 个/kg。

培养时间（d）N4菌的数量（107 个/g）102.3202.1301.540 0.6

3结论

试验结果表明，N4菌能在土壤环境中发生反硝化反应去除硝态氮，棉浆废液、普通培养基这2种培养方式对N4菌降解硝态氮没有影响。投菌30 d后土壤中的硝态氮含量低于或接近正常值，对降低种植地土壤中硝态氮的本底值，进而对降低蔬菜中硝酸盐残留有重要的意义。N4菌能够在促进土壤中硝态氮降解的同时使铵态氮含量略有提高，对促进植物生长起到一定的积极作用。为便于大规模田间应用，确定最低投菌量为3.0×1010 个/kg；若要保持土壤中N4菌的优势，投菌周期为30 d。

参考文献：

[1]秦丽娟，刘廷志，陈夫山，等. 新技术、新设备、新方法提高瓦楞原纸强度[J]. 黑龙江造纸，2005，33（1）：22-24.

[2]武书彬. 造纸工业水污染控制与治理技术[M]. 北京：化学工业出版社，2001.

[3]杨学富. 制浆造纸工业废水处理[M]. 北京：化学工业出版社，2001.

[4]中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M]. 上海：上海科学技术出版社，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.

[7]Wilson L P，Bouwer E J. Biodegradation of aromatic compounds under mixed oxygen/denitrifying conditions：a review[J]. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology，1997，18（2/3）：116-130.

[8]刘光崧. 土壤理化分析与剖面描述[M].