吲哚乙酸对周丛生物去除水体中氮磷的影响及机理

孙沉沉 ， 马兰 ， 吴永红 ， 俞元春 *

（1.南京林业大学南方现代林业协同创新中心，南京 210037；2.南京林业大学生物与环境学院，南京 210037；3.中国科学院南京土壤研究所，南京 210008）

吲哚乙酸（indoleacetic acid，IAA）是一种普遍存在于植物体内的天然生长素，对植物体内各种生理反应起着重要的调控作用[1]。Duca等[2]和Tsavkelova等[3]从藻类、细菌以及真菌中均分离出吲哚乙酸。研究表明，吲哚乙酸能促进细菌更好的适应压力条件[4]；一些能够独立产生吲哚乙酸的微生物，利用吲哚乙酸作为信号分子来指导微生物行为[5]。

周丛生物是一种生长在水-土界面上，由藻类、细菌、真核微生物、原生动物、后生动物等组成的微生物聚集体[6-7]。周丛生物组成的独特性以及群落结构的多样性使其能够有效地吸收水体中过量的氮、磷等营养元素，近年来被广泛用于水污染控制[8]、生境构建[9]、水质净化、土壤修复[10-13]及生物能源[14]等方面。马兰[15]研究表明，吲哚乙酸可提高周丛生物对水体中氮磷的去除效率。因此，深入研究吲哚乙酸对周丛生物去除水体中氮磷的影响及其作用机理具有重要意义。本研究以人工培养的周丛生物为研究对象，一部分周丛生物经过吲哚乙酸培养作为预处理组，另一部分未经过吲哚乙酸培养的周丛生物作为对照组，将预处理组和对照组的周丛生物均置于含有不同质量浓度吲哚乙酸的氮磷污水中培养，探讨吲哚乙酸对周丛生物去除水体氮磷的影响，并进一步分析不同处理下周丛生物的微生物群落结构，为修复氮磷污水提供新思路。

1 材料与方法

1.1 周丛生物的培育

为模拟自然环境下生长的周丛生物，试验选用南京市玄武区玄武湖的湖水。于5 L烧杯中加入1 L湖水和11 mL的WC培养液[15]，并放入长5 cm、宽2 cm的工业弹性填料，置于光照强度2 500 Lux、温度28℃、光暗比12 h/12 h环境下培育20 d，至表面出现一层墨绿色的粘稠状物质视为培养成功。

1.2 试验设计

首先，使用少量乙醇和去离子水溶解吲哚乙酸，配制500 mg·L-1IAA标准溶液。再将标准溶液稀释成0、5和10 mg·L-1的标准使用液用于周丛生物处理。然后，用去离子水分别溶解适量（NH4）2SO4和KH2PO4，配置成100 mg·L-1铵态氮和磷标准储备液。最后，将适量IAA、铵态氮和磷标准溶液混合配制成模拟污水，其中，氮最终质量浓度为2.0 mg·L-1，磷最终质量浓度为0.5 mg·L-1，吲哚乙酸质量浓度按需求调整。

试验分为预处理组（A）和对照组（B），其中，预处理组中的周丛生物预先使用吲哚乙酸培养；而对照组采用未使用吲哚乙酸培养的新鲜周丛生物。

预处理组（A）：使用5和10 mg·L-1吲哚乙酸标准使用液分别培养一组周丛生物（每个处理按质量浓度记作A5、A10），7 d后取处理后的周丛生物1.0 g加入100 mL的铵态氮和磷标准储备液中，置于光照强度2 500～3 000 lx、温度28℃、光暗比12 h/12 h条件下培养7 d，每组3个平行试验。每天测定混合溶液中的NO-3-N、NH+4-N、PO3-4-P含量。

对照组（B）：分别在5和10 mg·L-1吲哚乙酸标准使用液中加入1.0 g上述培养成功的新鲜人工周丛生物（每个处理按质量浓度记作B5和B10），再加入100 mL的铵态氮和磷标准储备液，置于光照强度2 500～3 000 lx、温度28℃、光暗比12 h/12 h条件下培养7 d，每组3个平行试验。每天测定混合溶液中的含量。

试验以不添加吲哚乙酸的处理作为对照（CK）。

1.3 测定项目与方法

磷脂脂肪酸（phospholipids fatty acid，PLFA）含量采用改良后的Bligh-Dyer法[16-17]测定，PLFAs组成采用MIDI Sherlock微生物鉴定系统进行分析。

1.4 数据分析

使用Excel 2016、Origin 2015和SPSS 21.0软件进行实验数据的统计和绘图。使用单因素方差分析进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理下周丛生物去除水中氮的效果

2.2 不同处理下周丛生物去除水中磷的效果

图2 不同处理下溶液中PO3-4-P质量浓度的变化Fig.2 Changes of PO3-4-P in solution under different treatments

2.3 不同处理下周丛生物的微生物群落结构、叶绿素荧光以及pH的变化

2.3.1 周丛生物微生物群落结构的变化 如表1所示，不同处理的总PLFA差异不显著（P＞0.05）；CK处理中细菌、放线菌以及革兰氏阳性菌（G+）均低于其他处理（P＜0.05），说明IAA的添加影响了周丛生物中部分微生物的组成结构。IAA质量浓度越高，预处理组中细菌、真菌和放线菌含量与对照组的差异越小（P＞0.05），表明高质量浓度IAA可能对微生物的生长产生了抑制作用。A5、B5、B10处理在原生动物含量方面表现出显著差异（P＜0.05），对比 A5、A10、B5、B10处理，革兰氏阴性菌与原生动物的含量有显著性差异，且IAA的质量浓度越高，差异越显著（P＜0.05）。

表1 不同处理下周丛生物的磷脂脂肪酸种类Table 1 Different PLFA of the periphyton in the different treatments（n=3）

2.3.2 周丛生物Ft和溶液pH变化 不同处理下周丛生物的叶绿素荧光Ft值变化不同（图3）。其中，预处理组Ft值在试验过程中变化波动较大，而对照组Ft值整体处于稳定状态；但2组整体均呈下降趋势，且预处理组降幅达50%。总体上，B5和B10处理Ft值均高于其他处理，即对照组处理中吲哚乙酸对Ft影响较小。不同处理周丛生物的pH整体呈上升趋势，对照组pH显著高于预处理组，且pH波动幅度较大；A5、A10与CK处理在试验后期pH无显著差异。

图3 不同处理下周从生物的Ft和pHFig.3 Ftand PH of periphyton in the different treatments

3 讨论

本研究表明，各处理在试验前期对NH+4-N的去除速率最快，至试验后期对NH+4-N的去除率可达 100%。除 A10处理外，CK、A5、B5和 B10处理对NO-3-N的去除率达99%。预处理组与对照组比较结果表明，对照组对NH+4-N的去除效果优于预处理组；预处理组中，氮、磷去除速率随着IAA质量浓度的增加而加快。在试验中，溶液中NH+4-N质量浓度不断下降，而NO-3-N质量浓度在试验前期不断上升但在中后期开始下降，由此可见，周丛生物通过硝化作用将含氮物质转化为NO-3-N并最终利用，与任南琪等[18]、Jetten等[19]研究结果相一致。吲哚乙酸有利于周丛生物提高氮的转化能力，即将NH+4-N转化为NO-3-N，从而达到对氮的去除。但高质量浓度吲哚乙酸一方面促进了NH+4-N的硝化反应，另一方面可能阻碍了周丛生物对NO-3-N的利用[20]，因此，A10处理中NO-3-N质量浓度较高。

吲哚乙酸处理方式影响周丛生物对PO3-4-P的去除。B5和B10处理对PO3-4-P的去除率分别为95.3%和91.7%，而A5和A10处理对PO3-4-P的去除率分别为54.1%和59.9%。研究发现，周丛生物可大量吸收磷，其作用机制包括吸收、沉降以及过滤等，其中吸收主要通过聚磷菌降解磷[21]。Jarvie等[22]认为，周丛生物表面的碳酸钙可以与磷共沉淀，通过过滤达到对磷的去除；Liu等[23]发现蓝细菌相对丰度的提高，可以提升周丛生物群落富集磷的能力。本研究表明，对照组处理对溶液中PO3-4-P的去除效果更显著，尤其添加5 mg·L-1吲哚乙酸时去除率可达95%。

不同质量浓度吲哚乙酸处理下，周丛生物中微生物群落结构发生显著变化。与CK相比，总PLFA组成呈下降趋势，细菌、放线菌以及革兰氏阳性菌（G+）含量显著增加。结合不同处理下氮、磷的去除速率推断，添加吲哚乙酸更有利于周丛生物中细菌（如蓝细菌等[23]微生物）的生长，且对照组处理对氮、磷的去除效率更高。周丛生物中微生物聚集体变得复杂、庞大，且使得其中充满空隙和通道，这些不仅为周丛生物储存养分提供了空间，而且也增大了周丛生物中各组分与水体中氮、磷发生反应的面积，加快了周丛生物对氮、磷的富集速度，从而提高周丛生物对水体中氮磷的去除效率[3]。

周丛生物作为一种复杂的微型生态系统[24-25]，富含各种细菌、真菌、藻类以及自养和异养微生物，其中优势种主要为藻类。目前，研究发现，周丛藻类对氮、磷有较高的吸收效率，如颤藻、硅藻等[26-27]，而吲哚乙酸可促进藻类的生长发育。本研究表明，各处理Ft值和pH在反应过程中处于变化状态，这可能是由于藻类的光合作用[20]。溶液叶绿素荧光Ft值越大、pH处于中性范围时，周丛生物对水体中氮、磷的去除效率越高，且对照组处理溶液中氮磷的去除效率最高，可能是由于pH的增加促进铵离子向NH3转化，增加氨挥发[28]，从而促进对氮的去除，而pH又会对藻类生长产生影响，进而影响叶绿素荧光Ft值，与邓旭等[29]、马军等[30]的研究结果相一致。因此，需营造适宜周丛生物生长的pH环境，才能保证其高效发挥作用。

本研究表明，在周丛生物中添加吲哚乙酸在一定程度上提高了其去除水体中氮磷的能力，且在周丛生物与污染水体中直接加入吲哚乙酸的处理方式对氮磷的去除效率更好，去除效率可达80%以上；添加吲哚乙酸促进了周丛生物的生长并改变了周丛生物的微生物群落结构以及内部生长环境，从而提高了其对水体中氮磷的去除效率。但外源吲哚乙酸对周丛生物影响的作用机制还需进一步深入研究，确定最适宜周丛生物吸收氮磷的吲哚乙酸条件，以便为周丛生物与吲哚乙酸应用于大规模污水处理提供理论依据。