ISSAPGPR技术在农业面源污染水体修复中的应用研究

左继超 莫明浩 聂小飞 王嘉 涂安国

关键词：农业面源污染；水土流失；水体修复；ISSA PGPR；末端治理

前言

农业面源污染是分布最为广泛且重要的污染来源之一，大量肥料施用导致土壤氮、磷污染物等盈余并以侵蚀、渗漏等途径损失，对水体质量和生态系统造成严重威胁。农业面源污染治理难度较大，相应的治理技术效果有限。探究安全、快速、有效的污水治理技术手段来降低农业面源污染对水体环境造成的污染尤为重要。尤其对于长期集中承接大量农业坡面来水的沟渠、水塘等水域面积小、流动性差的水体，源头消减和过程阻控技术对污染物拦截效果有限，应重点突出微生物原位生态修复等末端治理关键生物技术。

原位选择性激活植物根际促生菌（ISSA PGPR）是一种水体污染原位生态修复技术，通过酶选择性激活水环境中的土著PGPR微生物，并使之快速繁殖，通过PGPR微生物的代谢去除水体氮、磷、有机质以降低水体中的富营养物质；通过建立高效的生态食物链，实现对水生态系统的原位修复和提升。ISSAPGPR技术在消除河湖黑臭、景观水修复等环境水体修复方面均有良好的效果，但对于情况更为复杂的农业面源污染水体，尚未有探索应用研究。

红壤坡地是中国重要的土地资源，但不合理的开发利用往往会带来较为严重的水土流失和面源污染。鉴于此，研究以常年种植茶园的坡面集水河道为研究对象，布设ISSA PGPR修复系统，并开展污染河道原位净化试验，定位监测ISSA PGPR技术对面源污染水体主要污染物的净化效果，探究IS-SA PGPR技术在农业面源污染水体修复的适用性，为农业面源污染水体的末端治理提供技术支持和数据支撑。

1材料与方法

1.1试验区概况

研究在江西省九江市德安县的燕沟小流域进行。该区域属亚热带季风区，多年平均降雨量为1469mm。小流域位于中国红壤的中心区域，土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主。土壤类型为第四纪红壤，土壤pH值5.0，有机质1.55%，总氮0.08%，总磷0.07%。试验水体选择在小流域范围内的江西水土保持生态科技示范园油茶园下坡位集水河道，该河道面积约2000m2，平均水深1.5m，主要承接来自于油菜园坡面汇集的径流，水体流动性差，2020年8-10月，坡面径流排水进入河道入水处水体总氮浓度为2.79-4.01mg/L，总磷平均浓度0.04mg/L，化学需氧量浓度为26.55mg/L，五日生化需氧量（BODs）平均浓度为12.19mg/L，存在明显氮素污染，属于劣V类水，水体存在一定富营养化风险；由于水质较差，藻类大量繁殖，导致水体缺氧，沉水植物出现大面积死亡现象。

1.2试验布设

试验河段全长约200m，水面宽度随水位变化，约4m～12m。2020年11月份，在河面最宽处布设ISSA PGPR技术装备，定点在不同时间段进行采样和水质监测，为期1年。ISSA PGPR技术装备中初次添加生物修复剂量为20kg，随着修复进行，水质情况改善后（3个月后），每次添加生物修复剂量逐次减少，为每次1～5kg，每月1次。根据湖体的特点和设备布设位置，在设备循环出水口位置不同距离设置6个采样点位，如图1所示，采样点位1设置在设备出水口处、点位2位于点位1的下游，距离设备出水口10米、点位3位于点位1的下游，距离设备出水口20米、点位4位于点位1的上游，距离设备出水口10米、点位5位于点位1的上游，距离设备出水口20米、点位6为湖体上游集水区入水口，距离设备出水口100米。分别于设备安装运行前和运行过程中进行采样，共采集8次。

1.3样品采集与分析

ISSA PGPR设备布设后，在其完工运行过程中的2020年12月26日、2021年2月19日、3月10日、5月16日、7月22日和8月18日，分别在设备修复后的出水口上游和下游选取不同监测点位进行水质监测，水质检测指标为总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD.r）、五日生化需氧量（BODs）。上下游的监测点位距离设备出水口20 m等距各选取2个，并在湖体上游集水区入水口选取一个监测点位，同时，在设备安装前的2020年8月25日和2020年10月10日多点采集了水样作为水体修复前的对照。

在距表层水深0.3m处采集水样，立即带回实验室分析测试。pH、化学需氧量（COD.r）测定按照GB3838-2002地表水环境质量标准方法，总磷测定按照GB 11893-89钼酸铵分光光度法，总氮测定按照GB11894-1989碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，化学需氧量测定按照GB 11914-89重铬酸钾法，五日生化需氧量采用稀释与接种法测定（GB 7488-87）。

1.4数据处理与分析

试验数据取3个重复样品的平均值，数据分析与作图采用Microsoft Excel 2010和Origin2019处理。

2结果与讨论

2.1水质指标变化情况

2.1.1pH变化

pH值是重要的化学和生态因子，天然水体pH值范围在6.5～8.5之间。ISSA PGPR技术布设前、后各采样点位pH值变化情况如图2所示，各监测点水体pH变化幅度在5.60～6.60。其中，在ISSAPGPR技术修复前，2次监测的水体pH平均值为6. 40，而在设备运行后，水体pH值则逐渐降低。从整个动态监测结果来看，pH值呈现下降趋势，这可能是由于随着水体生态修复技术的应用，水体富营养化程度降低，藻类生长繁殖受到抑制，藻类光合作用消耗的C02减少，同时有机物分解生成C02，导致pH有所降低。

2.1.2水体总氮、总磷变化情况

如图3所示，水体总氮的波动范围是0.21～15.33mg/L。在ISSA PGPR技术修复前，2次监测的水体总氮平均值为3.40mg/L，设备运行后，水体总氮浓度逐渐降低，且稳定在相对较低水平（0.39～1.03mg/L）。其中采样点6中总氮浓度由修复前的11.97mg/L显著降低到修复稳定后的1.33mg/L。采样点位1（设备出水口处）、2、3总氮浓度平均值分别为0.27、0.29、0.39mg/L，小于采样点位4、5的0. 41、0.53mg/L，说明距离设备出水口越近，总氮修复效果越好，下游修复效果好于上游。

水体中总磷浓度由修复前的0.014～0.168mg/L下降至修复后的0.006～0.092mg/L（如图3所示）。6号采样点位总磷浓度在修复前显著高于其他采样点位，这是由于6号采样点位承接油茶园坡面来水，且处于上游，该点区域水体交换能力相对较差，导致该区域聚集了较多氮磷等污染物，通过ISSA PGPR技术的修复，6号采样点位总磷浓度逐渐下降，到修复后期，基本达到稳定低水平。其他点位的总磷水平相对均较低，修复前后未有明显变化。

2.1.3化学需氧量（COD.r）和五日生化需氧量（BODs）变化情况

化学需氧量（COD.r）和五日生化需氧量（BODs）是检测水体受有机物污染程度的重要指标。如图4所示，各采样点位CODrr浓度均随修复时间延长而逐渐减小，其中采样点位6中COD浓度在未修复前最高，平均为35.00mg/L，经过ISSA PGPR技术修复后，浓度逐渐下降至15.66mg/L，降低了55.3%。其他采样点位修复前COD.r平均浓度范围为24.01～25.57mg/L，经过ISSA PGPR技术修复后，各采样点位COD.r浓度逐渐下降，修复后期浓度降低至5.31～13.20mg/L。

与COD浓度变化趋势一致，水体中BODs同样随修复时间延长而逐渐减小，浓度的波动范围为2.23～18.67mg/L。水体BODs浓度平均值由修复前的12.19mg/L逐渐降低至修复后的4.38mg/L。且BODs/COD.r比值由修复前的0.49逐渐下降至修复后的0.41，说明修复过程中水体中可被微生物降解的有机物逐渐下降，原位激活的水体微生物发挥作用，已降解了大部分可降解的有机物。

2.2污染物去除效果

以集水区入水口采样点位6为对照，计算ISSAPGPR技术运行过程中不同时期对各个采样点位污染物的消减率。如表1所示，运行初期对采样点位1、2、3、4和5中总氮的消减率分别为94.99%、96.17%、92.41%、88.74%和81.91%；运行稳定期，对各点位的消减率分别为60.20%、54.39%、42.83%、43.66%和34.51%。ISSA PGPR对各点位总磷、CODcr、BODs等污染物浓度消减率的规律与总氮规律基本一致，运行初期对各个点位总磷、COD、BODs的平均去除率分别为93.22%、44.92%、41.57%；而运行稳定期则有所降低。

距离ISSA PGPR设备出水口越近，对总氮、总磷、COD。和BODs的修复效果越好，且位于设备出水口下游的修复效果好于上游，这是因为水体中PGPR经过水流从外部水体环境进入到生态修复系统内部进行激活后，更容易随水体流动方向向下游输入；对于设备出水口上游方向，修复效果略小于下游，本技术对上游50～100m范围的水体仍有一定修复效果。ISSA PGPR技术更适用于对较为宽阔、且有一定流速的污染水体进行修复，而针对狭长水体的修复，根据修复有效控制范围需要多个设备多级修复。

2.3综合污染指数评价

如表2所示综合污染指数法评价结果可以看出，ISSA PGPR技术修复前，水体水质处于中、轻度污染状况，经过修复后，水质逐渐转好，达到较好的水平。通过单因子指数和综合污染指数法对修复前后的水质情况进行评价，均表明经ISSA PGPR技术修复后，水体污染程度明显降低，水质等级得到提升。

3结论

经过ISSA PGPR原位生态修复技术修复后，污染河道水体总氮、总磷、COD.r和BODs等污染物浓度从河道上游入口至下游均明显降低，平均消减率分别可达90.84%、93.22%、44.92%、41.57%；该技术对水体上游50～100m范围的水体仍有一定修复效果，对下游的有效修复控制范围更加广泛。对于水土流失引起的面源污染严重地区，尤其是南方红壤坡地集中种植区域，长期集中承接大量农业坡面来水的沟渠、水塘等水域面积小、流动性差的水体，可引入ISSA PGPR原位生态修复技术实施有效修复，以提升水体自净能力，提高生物多样性，建立稳定而完整的生态系统。该技术是一种安全、快速、有效、健康的污水治理技术，可用于农业面源污染水体修复，值得推广应用。