蕹菜—微生物菌剂修复富营养化水体的效果

廖涛+饶丹华+惠阳+白婵+王代军+张金木+鉏晓艳+何建军

摘要：通过添加0.001 3%以枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、酵母菌和放线菌为主要成分的新型微生物菌剂复合蕹菜浮床处理，研究不同程度富营养化污染水体的氮、磷浓度变化。结果表明，微生物菌剂复合植物浮床系统有良好的去除氮、磷修复水体的能力，且磷浓度1 mg/L组去除磷的效果最好，总氮浓度 2 mg/L组去除氮元素的效果最好。磷浓度达到2 mg/L以上、总氮浓度达到10 mg/L以上，浮床菌剂的净化能力受到削弱。浮床-菌剂系统对水体总磷的净去除率达到43.9%～73.4%，总氮、硝酸盐氮、氨氮的净去除率分别达到26.8%～51.2%、16.5%～44.6%、11.3%～23.3%，明显高于单纯浮床处理的效果。

关键词：蕹菜；浮床；富营养化；微生物菌剂

中图分类号：X52；X172 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）24-4744-04

水体氮、磷物质造成的富营养化问题是水污染中普遍存在的问题，近年来用生态学技术治理备受关注，且前景广阔。作为生态学治理主要途径的植物治理和微生物治理已被广泛研究、应用[1-3]，但植物治理和微生物治理结合起来的研究还不够成熟，植物-微生物治理在不同污染水体中的规律研究更是缺乏。

枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）是一种好氧的革兰氏阳性菌，所具有的胞外酶可以有效降解水环境中的有机质，对氨氮和亚硝酸盐氮有良好的去除效果，同时抑制致病菌[4]，可以促进蕹菜的生长。放线菌是广泛存在的好氧菌，可以产生抗生素，在抑制病原微生物控制病害方面有显著优势[5，6]。酵母菌是一类蛋白含量很高的好氧菌，在水环境中可以成为营养物质，加快有益菌类的生长繁殖。因此，本试验采用以枯草芽孢杆菌、酵母菌[7]和放线菌为主的新型微生物菌剂复合蕹菜浮床净化水体，旨在优化植物-微生物组合，更有效的降低氮、磷污染。

本试验通过蕹菜浮床和混合菌剂，模拟4种污染水平的水体，探究植物-微生物治理在污染程度不同的水体中的治理效果，研究植物-微生物系统修复水体的能力与水体氮、磷浓度之间的关系，探索实际水体应用的适宜条件。

1 材料与方法

1.1 材料

蕹菜：由湖北省农业科学院菜市场菜农大棚培育，选取生长健康状况良好、长势均匀、没有损伤、没有黄叶的蕹菜幼苗，于没有氮、磷元素的霍格兰培养液中驯化培养7 d，使其适应水体生长。开始试验时蕹菜平均株高约20 cm。

试验浮床：以中等密度平整泡沫板作为材料，将泡沫板裁剪成长宽为50 cm×30 cm的浮床板。每塊浮床板上按5 cm×3 cm的布局均匀打上15个直径约2 cm的圆孔用来放置蕹菜幼苗，孔间距为10 cm×10 cm。

试验箱：以同种型号的塑料水箱为容器，数目为16个，每两个为一组，长宽高分别为70、30、50 cm，每个水箱都安放一个15孔泡沫板作为浮岛床体。试验组的泡沫板上每个孔放置2株蕹菜幼苗，对照组不放置蕹菜。提供每日10 h的光照。

微生物菌剂：由枯草芽孢杆菌、酵母菌和放线菌等菌类混合而成，有效活菌数>107个/g。

试验水体为自配富营养水体，除氮、磷元素不添加外，其余均按霍格兰培养液配制。

1.2 试验设计

设置4组浓度的水体，试验组设有蕹菜浮床并添加微生物菌剂，对照组无蕹菜浮床，也不添加微生物菌剂，均设两个平行。根据地表水质标准，浓度1为Ⅲ类水标准，浓度2为Ⅴ类水标准，浓度3、浓度4是不同程度富营养化污染的劣Ⅴ类水体。4个浓度组的氮、磷初始浓度设定值及试验处理见表1、表2。

以5 d为一个周期，测量4组水体（每组水样包括试验组和对照组）中总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮以及溶解氧、pH等指标，连续监测至35 d。

1.3 方法

菌剂的活化：使用前菌剂和水按1∶1混合，加入5%的红糖，搅拌均匀，培养2 h。使用时按照1 g/75 L水的比例向试验组添加培养好的菌剂，对照组不添加。

试验前测得培育蕹菜的泥土pH约6.5，为了让蕹菜茁壮生长，也为了避免pH过高造成氨氮损失影响试验效果，每次测量时监测水体pH，并调节至6.0～7.0。

每次测量后将水位补到初始位置，保持体积不变。同时，每次将蕹菜剪枝到只剩两节。

水中的总磷采用钼酸盐分光光度法测定[8]；总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测量[9]；硝酸盐氮采用紫外分光光度法进行测量[10]；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测量[11]。

2 结果与分析

2.1 蕹菜生长状况

试验周期内，蕹菜植株共计死亡2棵，死亡率忽略不计，死亡植株及时更换成新的健康植株。浮床栽种蕹菜初期，蕹菜普遍出现一定程度萎蔫、倒伏、掉叶子现象，最终只剩少数嫩叶，经过3～4 d的适应与自行恢复便重新挺拔、叶片舒展，且冒出新芽。培养7 d后，蕹菜根系均普遍生长旺盛，已经有些新根生成。培养30 d后，蕹菜出现叶片发黄、叶片呈斑状以及叶片枯黄凋谢等发病症状，经过喷洒农药，大部分植株症状有所减轻，病虫害情况得到改善。

2.2 水体感官变化

试验初期水体底部没有物质沉积，水质都较为清澈。4～5 d后各试验组水质仍较为清澈，但对照组有一定浊度。到10 d左右，试验组水体底部明显有块状物质沉积，颜色呈棕色或黑色，对照组有少量细而散的黑色颗粒物沉积在池底，这与高艳玲等[12]聚磷菌富集、聚沉磷元素的结论相吻合。

2.3 水体总磷的去除效果

在无外源污染进入的条件下，4个试验组和对照组对总磷的平均去除率见图1。由图1可知，5 d时，4个试验组对磷元素就有明显的去除效果，10 d后去除速率加快，尤其是磷浓度1 mg/L的试验组除磷效果最好，最高可达93.85%，与对照组相比除磷率提高73.4%。35 d时，除去空白对照水体的自身除磷，4个试验组水体磷浓度从低到高对磷的净去除率分别为43.9%、65.6%、73.4%、52.1%。对磷的去除能力表现为1 mg/L试验组>0.4 mg/L试验组>2 mg/L试验组>0.2 mg/L试验组，表明水体磷元素污染程度不同，浮床植物-微生物菌剂系统的净化能力也会有差异。endprint

水体污染程度越大，一方面，植物可吸收利用的营养盐就越多，既可以促进植物的茁壮生长又反过来增强植物的吸收能力，有利于磷元素富集在植物体中而被去除；另一方面，富营养化环境容易滋生水体中的聚磷菌等微生物，这些微生物可以高效快速的分解有机物等污染物，使得更易被植物吸收，同时在微生物作用下，磷可以大量被聚沉或合成细胞贮存物-多聚磷酸盐而加以去除[13]。但污染过于严重则会抑制植物的生长，破坏植物微生物的互利共生环境，不利于磷的去除。4组磷浓度下，磷浓度1 mg/L是植物微生物互利共生除磷的最适环境，磷浓度2 mg/L时植物微生物则开始受到抑制。

2.4 水体总氮的去除效果

4个试验组和对照组对总氮的平均去除率见图2。由图2可知，试验开始5 d时，试验组和对照组总氮含量均有下降，但试验组与对照组差异不大。10 d后，试验组的净化能力逐渐显现，与对照组相比，试验组的除氮速率加快。35 d时，2 mg/L试验组总氮的去除率最高，达到62.69%，20 mg/L试验组最低，为39.32%。扣除空白对照，试验35 d时，4个试验组水体氮浓度从低到高对总氮的净去除率分别为26.8%、51.2%、47.7%、29.5%，对总氮的去除能力表现为1 mg/L试验组>10 mg/L试验组>20 mg/L试验组>1 mg/L试验组，表明植物-微生物系统发挥最大除氮能力的适用水体总氮不宜过低，也不宜过高，氮浓度2 mg/L时植物-微生物系统除氮效果最好。

2.5 水体硝酸盐氮和氨氮的去除效果

4个试验组和对照组对硝酸盐氮的平均去除率见图3，对氨氮的平均去除率见图4。水环境中总氮的去除主要依靠微生物作用和植物的吸收富集作用。浮床植物根系发达密集，水上部位光合作用产生的氧送达根部，在根部周围形成有氧、厌氧、兼性厌氧区域，可以很好地为各类微生物提供生存环境，加上根系的过滤拦截功能，根部聚集大量微生物，极大强化了根部的硝化-反硝化等途径，促进了氮的去除。

试验初期各试验组的硝酸盐氮降低并不明显，15 d后硝酸盐氮降低速率逐渐加快，且各试验组差异明显（图3）。氨氮却是试验初期各试验组降低的速率最快，随后逐渐变慢，后期趋于平缓（图4）。试验5 d左右时，植物根系微环境还未建立，水体含氧量还较高，好氧类微生物如硝化细菌的生命活动较强，通过硝化作用除去氨氮。后期微环境稳固后，厌氧类微生物如反硝化细菌的生命活动开始增强，通过反硝化作用除去硝酸盐氮，转化为N2等挥发或氨基酸等形成植物、微生物体内的生命物质。Silvennoinen等[14]研究指出NO3-去除的主要途径不是NO3-转变为NH4+，而是被微生物吸收，与本研究结论一致。

试验35 d时，扣除空白对照，4个试验组硝酸盐氮浓度由低到高对硝酸盐氮的净去除率分别为16.5%、44.6%、36.3%、22.0%，对氨氮含量的净去除率分别为11.3%、23.3%、20.3%、21.2%，对硝酸盐氮的去除能力均表现为1 mg/L试验组>5 mg/L试验组>10 mg/L试验组>0.5 mg/L试验组。总体来说，植物-微生物系统对硝酸盐氮的去除较明显，对氨氮的去除效率虽然也很高，但与对照组相比差异较小。这可能与空白对照组缺少厌氧微环境有关，对照组的反硝化作用比较微弱，而硝化作用不受影響。

蕹菜浮床、微生物菌剂的结合能强化植物微生物的互惠互利作用，能有效提高单纯蕹菜浮床较为有限的去除能力。饶丹华等[15]单纯利用蕹菜净化复合污水，最终水体磷去除率最高达19.8%，总氮去除率达26.1%，均低于本试验。

3 小结与讨论

本试验结果表明，蕹菜-微生物菌剂系统对氮、磷的净化效果较好，扣除对照，所提高的总磷净去除率达43.9%～73.4%，总氮净去除率达26.8%～51.2%。其中总氮的去除主要依靠硝酸盐氮的去除，氨氮降低较多，但与对照相比，优势不明显。系统对硝酸盐氮的净去除率达到16.5%～44.6%，对氨氮的净去除率达11.3%～23.3%。系统的去氮除磷能力由水体中氮、磷浓度由低到高是先增强后减弱，说明适当的富营养化污染可以提高系统的净化能力。

试验最终对磷的去除效果较好，对总氮的去除率则相对较差，仍有待加强。如果微生物菌剂不是直接投撒到水中，而是固定在植物根部区域，可能效果会优化。对于磷浓度达到2 mg/L以上、总氮浓度达到10 mg/L以上污染过重的水体，浮床菌剂体系的净化能力受到削弱，污染越重，削弱越多，此时植物-微生物菌剂技术效果不佳。

在试验结束后即撤走浮床系统，30 d后，试验组水体依然保持清澈，而对照组愈发浑浊，氮浓度为2～20 mg/L、磷浓度为0.4～2.0 mg/L，出现依次增多的水绵，试验组则无此现象，可能是植物-微生物系统向水体释放的抑藻抑菌等物质仍在起作用，说明本试验浮床-微生物系统对水体环境的改善是持久有效的，生态效益较好。

参考文献：

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