唐 利,楊 奇,邱江平,李旭東

(上海交通大學(xué)生態(tài)毒理和環(huán)境污染與防治實驗室,上海 200042)

人工濕地污水處理系統(tǒng)是在植物、微生物和基質(zhì)的共同作用下達到污水凈化目的的水處理技術(shù).隨著我國對小城鎮(zhèn)污水治理的日益重視,以及“十一·五”對生態(tài)修復(fù)技術(shù)、脫氮除磷要求,人工濕地已成為國內(nèi)環(huán)境界關(guān)注的一個新興領(lǐng)域.

人工濕地污水中的氮、磷可通過基質(zhì)作用去除[1],也可通過植物吸收去除[2],除植物吸收作用去除氮、磷等污染物外,植物更重要的作用是通過根分泌物影響系統(tǒng)中微生物的特性進而影響系統(tǒng)的處理效果[3-4].植物根分泌物種類繁多,數(shù)量各異,不僅有糖、有機酸、氨基酸等初生代謝產(chǎn)物,還有酮酚和胺等次生代謝產(chǎn)物以及一些不知名的代謝物.植物根分泌物作用于周圍環(huán)境形成根際,產(chǎn)生根際效應(yīng),其中分泌的糖份、醇類和酸類可為根際微生物提供足夠的能量,使根際微生物的種類和數(shù)量及代謝活性遠高于非根際土壤[5].這種植物誘導(dǎo)的微生物群體增加的根際效應(yīng)可提高根際有機污染物的降解.另外,植物的存在使人工濕地系統(tǒng)中的微生物如硝化細菌、反硝化細菌、磷細菌、纖維素分解菌的數(shù)量顯著增加[6].硝化作用和反硝化作用是人工濕地氮素去除的主要途徑[7];硝化細菌和反硝化細菌的增加無疑強化了氮素的去除效果.不同植物根際的硝化細菌和反硝化細菌數(shù)目存在一定的差異[8],這勢必與植物的類型及其分泌物有關(guān).因此,研究根分泌物的特性對于從微生物的角度研究人工濕地系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的變化和污染物的去除機理具有重要意義.

本文通過探討不同植物的根分泌物差異及其對微生物的種類、數(shù)量和活性及植物吸收污染物的影響,深入研究根系分泌物在人工濕地污染物轉(zhuǎn)化過程中的影響因素,從而為人工濕地的設(shè)計和運行提供經(jīng)驗參數(shù)和理論數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 根分泌物連續(xù)收集裝置

連續(xù)收集裝置(圖1)主體為 50 cm高無底玻璃盒,外被鋁膜;另配有橡皮塞、“T”形管、小玻璃管、玻璃柱、橡皮管和彎形玻璃管:在橡皮塞中部打一直徑為 7 mm的孔,外面涂一層硅酮(silicone),以防橡皮塞中有機成分的溶出.“T”形管的外直徑為 8mm.小玻璃管的外直徑為 8mm,長約為 5 cm.玻璃柱上內(nèi)直徑(約 2 cm)應(yīng)與橡皮塞相配.彎形玻璃管長 20 cm.

1.1.2 試驗用植物

幼苗期野生花葉蘆葦、香蒲,采自上海市奉賢區(qū)燎原農(nóng)場,于根分泌物連續(xù)收集裝置中直接無菌培養(yǎng).穩(wěn)定 2周后收集根分泌物.

圖1 根分泌物收集裝置

1.1.3 潛流式人工濕地

潛流式人工濕地 6個,材料均為 PVC;規(guī)格:總長 150 cm,寬 40 cm,高 70 cm;濕地凈長 120 cm,寬40 cm,高 50 cm;進水口接近地面;出水口離地面60 cm;裝填礫石高度為離濕地上端 20 cm.設(shè)計進水體積為:0.3 m3,水力停留時間為 1 d.

人工濕地分為 3組,前兩組作為空白對照和配水對照,分別間歇式通入凈水和模擬污水(碳酸鈣∶硝酸鉀∶磷酸二氫鈉 =300∶15∶3);第 3組為試驗組,種植蘆葦、香蒲,同時通入模擬污水.

1.2 試驗方法

1.2.1 根分泌物的收集與組成成分鑒定

利用離子交換樹脂和溶劑萃取法在無菌條件下分離純化蘆葦、香蒲根系分泌物;用改良苯酚 -硫酸顯色反應(yīng)測定糖的存在與質(zhì)量濃度;用考馬斯亮藍G250顯色反應(yīng)測定蛋白質(zhì)的存在與質(zhì)量濃度;用茚三酮顯色反應(yīng)測定氨基酸的存在與質(zhì)量濃度.

1.2.2 根際微生物種類、數(shù)量測定

采用牛肉膏 -蛋白胨培養(yǎng)基為細菌培養(yǎng)基;改良高氏一號培養(yǎng)基為放線菌培養(yǎng)基;孟加拉紅培養(yǎng)基為真菌培養(yǎng)基.

采用平板計數(shù)方法取各人工濕地中的根際微生物進行檢測,考察人工濕地中蘆葦、香蒲根分泌物對微生物種類及數(shù)量的影響.

1.2.3 氮、磷質(zhì)量濃度測定

利用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定總氮質(zhì)量濃度;利用鉬酸銨分光光度法測定總磷質(zhì)量分數(shù);利用碘化汞和碘化鉀的堿性溶液與氨反應(yīng)的原理測定氨氮質(zhì)量濃度.考察濕地植物本身和根際微生物脫氮除磷的能力.

表1 空白對照組微生物

表2 配水對照組微生物

2 結(jié)果與討論

2.1 根分泌物連續(xù)收集裝置最適條件

無底玻璃瓶中加入 3 000mL去離子水;收集分泌物的時間為 5 d;收集洗滌根分泌物為 6次;真空減壓條件下水浴槽中恒溫 60℃濃縮根分泌物;

2.2 蘆葦、香蒲組成成分初探

2.2.1 糖、蛋白質(zhì)、氨基酸質(zhì)量濃度

蘆葦根際分泌的營養(yǎng)物質(zhì)中,總糖平均:35.29 μg/m L,蛋白質(zhì)平均 =48.73μg/m L,總氨基酸平均=56.24μg/mL;

香蒲根際分泌的營養(yǎng)物質(zhì)中,總糖平均:39.68 μg/m L,蛋白質(zhì)平均 =19.08μg/m L,總氨基酸平均=54.07μg/mL.

2.2.2 糖、蛋白質(zhì)、氨基酸比例蘆葦營養(yǎng)物質(zhì)中,糖∶蛋白質(zhì)∶氨基酸 =4.3∶6∶8;香蒲營養(yǎng)物質(zhì)中,糖∶蛋白質(zhì)∶氨基酸 =8∶4∶11.

2.2.3 根分泌物組成成分與植物種類關(guān)系

趙麗娜、丁為民[9]等發(fā)現(xiàn),在春季,南京地區(qū)的菖蒲、香蒲和蘆葦長勢良好,是適宜春季種植的濕地水生植物;項學(xué)敏、孫祥宇[8]等也認為蘆葦和香蒲根系發(fā)達,繁殖力強,具有發(fā)達的通氣組織,為人工濕地中常用植物.蘆葦、香蒲根分泌物中蛋白質(zhì)、糖及氨基酸含量高,可能與這兩種挺水植物春季適應(yīng)性強有關(guān).

蘆葦、香蒲根分泌物蛋白質(zhì),糖,氨基酸含量較為平均.LIAOMin[10]等提到,可溶性根分泌液中包括了脂肪族和芳香族的碳氫化合物、氨基酸和糖類物質(zhì).根際礦物營養(yǎng)的改變會影響到根系分泌物的種類和數(shù)量,從而間接地影響根際微生物的種群密度和種類,而根際環(huán)境又是由土壤、水分、植物根系、根分泌物和微生物等非生物和生物因子形成的復(fù)雜環(huán)境.因此,本文猜測,植物根際分泌的營養(yǎng)物質(zhì)含量和比例和植物能夠維持穩(wěn)定的根際環(huán)境,繼而增強對外界環(huán)境的適應(yīng)性有關(guān).

2.3 根分泌物與根際微生物互作機制

2.3.1 各組潛流式人工濕地中微生物數(shù)量

表3 蘆葦濕地微生物

表4 香蒲濕地微生物

2.3.2 蘆葦、香蒲濕地微生物形態(tài)描述

1)細菌

蘆葦進水口:較大,直徑 5mm左右;土黃色;扁平;圓滑濕潤,邊緣整齊;

蘆葦根際附近:較小,氣泡狀;白色;中間略鼓;圓滑濕潤,邊緣整齊;

蘆葦出水口:大小介于上述兩種細菌之間;白色;扁平;圓滑濕潤,邊緣整齊.

香蒲進水口:較大,直徑 7mm左右;乳白色;平展而中間略鼓;圓滑濕潤,邊緣整齊;

香蒲根際附近:較小,氣泡狀;白色;扁平;圓滑濕潤,邊緣整齊,連成一片;

香蒲出水口:大小介于上述兩種細菌之間;白色;扁平;圓滑濕潤,邊緣整齊.

2)放線菌

蘆葦進水口:細小,狀如珍珠粉;顏色從透明到橙黃不等;扁平,中略有凹陷;圓滑濕潤,邊緣整齊,有同心環(huán);

蘆葦根際附近:細小,狀如珍珠粉;顏色有白色,明黃,橙色 3種;中間略鼓;圓滑濕潤,邊緣整齊,有同心環(huán);

蘆葦出水口:細小,狀如珍珠粉;顏色橙黃;扁平,中略有凹陷;圓滑濕潤,邊緣整齊,有同心環(huán).

香蒲進水口:極細小,狀如超細珍珠粉;乳白色;平展而中間略有凹陷;圓滑,略干,邊緣整齊;

香蒲根際附近:兩種放線菌:乳白的極細小,狀如超細珍珠粉,長在培養(yǎng)基里面;橙黃的稍大,狀如珍珠粉;顏色橙黃;扁平,中略有凹陷;圓滑濕潤,邊緣整齊,有同心環(huán),與進水口的相同;

香蒲出水口:極細小,狀如超細珍珠粉;顏色有白色,乳黃色兩種;扁平;圓滑,略干,邊緣整齊.

3)霉菌污染*

細菌培養(yǎng)基中:

菌落疏松,白色,絨毛狀,易挑起,直徑 1 cm左右.

放線菌培養(yǎng)基中有 3種:

a)菌落疏松,白色,絨毛狀,易挑起,直徑 1 cm左右.與細菌培養(yǎng)基中的相同.

b)菌落疏松,外圍白色中間青色,絨毛狀,易挑起,直徑 2 cm左右.

c)菌落疏松,橙黃色,菌絲絮狀,易挑起,直徑5 cm左右.

*只在 4組對照中出現(xiàn).孟加拉紅培養(yǎng)基中未檢出.

2.3.3 根分泌物與濕地微生物種類、數(shù)量變化的關(guān)系

總體來說,微生物的根際效應(yīng)是明顯的.植物根際細菌和放線菌的數(shù)量均遠大于非根際相應(yīng)項(空白對照、配水對照)的數(shù)量.放線菌受根分泌物正相調(diào)控最為顯著;

空白對照中霉菌為優(yōu)勢種;配水對照中細菌為優(yōu)勢種但總體數(shù)量較低;蘆葦、香蒲人工濕地中放線菌、細菌都非常多,但放線菌的數(shù)量更大.

根際微生物種類隨植物種類、外界環(huán)境的變化而變化;植物種類不同,植物的根際效應(yīng)不同,土壤各種微生物類型受根際效應(yīng)的影響也不同[11]:總的來說,香蒲根際微生物的數(shù)量大于蘆葦;可能的原因是,春季香蒲生長比蘆葦旺盛,根際活動更活躍;也可能香蒲根分泌物的含量和比例更適宜根分泌物的生長.

從微生物形態(tài)描述上看,蘆葦、香蒲濕地中的微生物種類也不盡相同.但總體看來,細菌的種類在進水口、根際附近、出水口都不同;蘆葦、香蒲中的細菌種類有相似處.放線菌的種類在進水口最多,根際附近、出水口的是進水口種類的子集;蘆葦、香蒲中的放線菌種類有較大差異[12].

從表1、2來看,空白對照中有大量霉菌,配水對照中還是能檢出霉菌,而蘆葦、香蒲濕地中則完全沒有.證明根分泌物對濕地中霉菌的生長有一定的抑制作用.但是對比空白對照和配水對照可知抑制霉菌的主要因素是配水.張利江,尹軍霞[10]等發(fā)現(xiàn),養(yǎng)蚌水體中霉菌數(shù)量遠遠小于細菌,這是由于育珠和消毒的需要,水體一般都施用生石灰,使養(yǎng)蚌水體的 pH值呈堿性或弱堿性.而本次實驗?zāi)M污水時投加的碳酸鈉、磷酸二氫鉀均為堿性,因此顯著抑制了霉菌的生長.

2.4 人工濕地氮磷去除研究

2.4.1 植物體內(nèi) TN、TP、NH3—N質(zhì)量濃度

見表5、6.

表5 蘆葦根、莖、葉中 TN、TP、NH 3—N質(zhì)量濃度

表6 香蒲根、莖、葉中 TN、TP、NH 3—N質(zhì)量濃度

2.4.2 人工濕地 TN、TP質(zhì)量濃度和氮磷去除率

見表7～9.

表7 蘆葦濕地中 TN、TP質(zhì)量濃度

表8 香蒲濕地中 TN、TP質(zhì)量濃度

表9 人工濕地總氮、總磷去除能力

2.4.3 人工濕地去除氮、磷機理

1)植物本身對人工濕地去除氮、磷的影響

根據(jù)表5～8,可知植物組織內(nèi) TN質(zhì)量濃度高而根際附近水樣 TN質(zhì)量濃度較低.這說明人工濕地中氮去除的途徑之一與植物本身的吸收利用、吸附和富集作用有關(guān);但植物直接攝取氮,還是通過微生物的作用間接地攝取氮,還需要進一步地試驗研究.

根據(jù)表5、6,可知植物組織中總磷質(zhì)量濃度較低,約為總氮質(zhì)量濃度的 1/30.按照模擬配水∶總氮∶總磷 =5∶1來看,植物對污水中磷的直接吸收是有限的.同樣,可知植物組織中氨氮質(zhì)量濃度很低,約為總氮質(zhì)量濃度的 1/100,也可以說明植物對污水中氨氮直接吸收非常少.

2)根際效應(yīng)對人工濕地去除氮、磷的影響

根據(jù)表7、8,根際附近磷質(zhì)量濃度較高而出水口磷含量低,說明人工濕地除磷主要不靠根際微生物.而植物攝取的磷質(zhì)量濃度又較少,這證明了濕地中磷的主要脫除方式為基質(zhì)吸附.

試驗結(jié)果表明,種植有蘆葦、香蒲的潛流式人工濕地總體去除氮、磷的能力還是相當(dāng)高的,而且TN去除能力由于植物本身和根際微生物的共同作用,比 TP的高 2～4倍;蘆葦濕地的去氮磷能力大于香蒲濕地.

3 結(jié) 論

1)循環(huán)水連續(xù)收集裝置運行最佳條件:

裝水 3 L,收集時間 5 d,濃縮溫度 60℃,連續(xù)收集 6管洗脫液,每管 20m L.

2)蘆葦、香蒲根分泌物中總糖、蛋白質(zhì)、氨基酸含量、比例與植物春季適應(yīng)性有關(guān),也和植物能夠維持穩(wěn)定的根際環(huán)境,繼而增強對外界環(huán)境的適應(yīng)性有關(guān).

3)蘆葦、香蒲根分泌物對根際微生物種類和數(shù)量的影響:

①香蒲根際微生物的數(shù)量大于蘆葦;

②微生物的根際效應(yīng)明顯,放線菌受根分泌物正相調(diào)控最為顯著;

③根際微生物種類隨植物種類、外界環(huán)境的變化而變化;

④堿性環(huán)境對霉菌的生長有抑制作用.

4)種植蘆葦、香蒲的濕地對總氮、總磷的去除能力與可能機理:

①蘆葦濕地中 TN去除率 77.6%,TP去除率33.3%;香蒲濕地中 TN去除率 93.2%,TP去除率20.0%;

②人工濕地中氮的主要去除途徑之一與植物本身的直接吸收利用、吸附和富集作用有關(guān);

③人工濕地除磷主要靠基質(zhì)吸附的作用.

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