王珊珊, 翁沁玉, 袁 檬, 陳紅兵, 盧進登

(湖北大學 資源環(huán)境學院，湖北 武漢 430062)

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浮床栽培蕹菜根際脫氮微生物研究

王珊珊, 翁沁玉, 袁 檬, 陳紅兵, 盧進登*

(湖北大學 資源環(huán)境學院，湖北 武漢 430062)

浮床栽培植物是一種利用植物根系的吸收和根際微生物作用來改善水質的生物修復技術.本研究以溫棚內浮床栽培蕹菜試驗為基礎，采用PFU法定期監(jiān)測脫氮細菌變化情況，并與水中總氮含量進行對比，分析在浮床栽培植物情況下脫氮細菌的特征及其與水中總氮含量變化的關系，結果表明：1)栽培蕹菜有利于脫氮細菌的穩(wěn)定生長；2)脫氮細菌的生長與總氮的去除有良好的相關性.研究為浮床栽培植物凈化水質提供了理論依據(jù)，對該技術的推廣應用有一定的理論和現(xiàn)實意義.表5，參10.

浮床栽培；蕹菜；脫氮細菌；總氮

生態(tài)浮床技術通過水生植物根系的截留、吸附、吸收和水生動物的攝取以及微生物的降解作用，達到水質凈化的目的，同時營造景觀效果[1].其基本原理主要包括以下兩個方面：一是植物在富營養(yǎng)化水體中的修復作用，水生植物能直接吸收利用污水中的總氮以供其生長發(fā)育和繁殖，而污水中的有機氮可以被微生物分解和轉化為無機氮從而被植物直接攝??；二是植物—微生物協(xié)同效應的修復作用，水生植物為微生物提供可附著的載體，強化了系統(tǒng)的除污能力，同時為水體中的微生物提供營養(yǎng)物，并能誘導微生物降解某些難降解的有毒物質[2].

根系是植物與外界環(huán)境進行物質與能量交換的重要器官，植物根際微生物、根際分泌物以及周圍環(huán)境構成了根際微生態(tài)[3].植物根際微生物及其分泌物對根際微生態(tài)環(huán)境起著重要的作用.與脫氮有關的微生物主要是氨化細菌、硝化細菌、反硝化細菌[4].這三類細菌是根際微生態(tài)氮循環(huán)過程中氮的轉化和去除的主導者，也是本研究的重點對象[5].

研究采取溫棚內浮床栽培蕹菜的試驗方法，對比分析根際脫氮細菌(即氨化細菌、硝化細菌、反硝化細菌)的特征變化和水中總氮含量這二者之間的關系，考察在浮床栽培植物情況下脫氮細菌的特征及其與水中總氮含量變化的關系，進而論證浮床栽培植物其根系脫氮細菌對水中總氮的去除效應.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選取5個大水箱，加入污水至試驗水深(80 cm)的1/2處，加自來水至試驗水深，在每個水箱中水面下40 cm處放置5個PFU塊.給水箱分別編號，1號與2號栽培占水面50%面積的蕹菜，3號和4號栽培占水面25%面積的蕹菜，5號作為空白對照，不栽培蕹菜.栽培地點在湖北大學溫棚內，栽培時間8周，每2周測量一次水箱中水樣的總氮含量和PFU塊樣品中脫氮細菌的數(shù)量.

1.2 藥品試劑

無氨水，200 g/L氫氧化鈉溶液，20 g/L氫氧化鈉溶液，堿性過硫酸鉀溶液，鹽酸1+9溶液，硝酸鉀標準溶液，100 mg/L硝酸鉀標準貯備液，10 mg/L硝酸鉀標準使用液，硫酸1+35溶液，蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基(檢測氨化細菌)，改良的史蒂芬遜培養(yǎng)基A(檢測亞硝酸菌)，改良的史蒂芬遜培養(yǎng)基B(檢測硝酸菌)，反硝化細菌培養(yǎng)基(檢測反硝化細菌)，納氏試劑，格里斯試劑，二苯胺試劑.

1.3 儀器設備

分光光度計UV2100，10 mm石英比色皿，蒸汽滅菌器，25 mL具玻璃磨口塞比色管，三角瓶、培養(yǎng)皿、滴管、白瓷比色板、酒精燈，潔凈工作臺、恒溫培養(yǎng)箱，以及試管、燒杯、玻璃棒、移液管等常用試驗器材.

1.4 取樣方法

試驗取樣時采用PFU微型生物群落監(jiān)測法，試驗原理為：應用聚氨酯泡沫塑料塊(簡稱PFU)作為人工基質收集水中的微生物群落，測定該群落結構與功能的各種參數(shù)，以評價水質[6].微型生物群落在水生生態(tài)系統(tǒng)中是客觀存在的，用PFU塊浸泡水中，曝露一定時間后，水體中大部分微型生物種類均可群集到PFU內，擠出的水樣能代表該水體中的微型生物群落.

1.5 測定方法

試驗采用MPN多管發(fā)酵法測定脫氮細菌的數(shù)量，最大可能數(shù)(或最大或然數(shù)法，most probable number，MPN)計數(shù)又稱稀釋培養(yǎng)計數(shù)，適用于測定在一個混雜的微生物群落中但卻具有特殊生理功能的微生物類群.該方法是基于選擇適當稀釋倍數(shù)的懸液，接種在特定的液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，檢查培養(yǎng)基中是否有該生理類群微生物的生長.根據(jù)不同稀釋度接種管的生長情況，用統(tǒng)計學方法求出該生理類群的微生物數(shù)量[7].總氮的測定采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法[8].

2 結果和分析

2.1 脫氮細菌的生長狀況

試驗栽培時間為2014年7月18日，由于恒溫培養(yǎng)箱嚴重故障，未能成功監(jiān)測初始的脫氮細菌數(shù)量，成功監(jiān)測的時間分別為7月31日，8月14日，8月28日，9月11日，通過測定各時期PFU塊擠出水樣中脫氮細菌的數(shù)量，分析其變化情況，同時將50%栽培面積、25%栽培面積、不栽培蕹菜這三組變化進行對比，分析栽培面積對脫氮細菌的影響：(見表1～表4).

表1 不同栽培面積氨化細菌數(shù)量 單位：個/mlTab.1 The number of ammoniated bacteria in different cultivation area Unit:pcs/ml

表2 不同栽培面積亞硝酸菌數(shù)量 單位：個/mlTab.2 The number of nitrite bacteria in different cultivation area Unit: pcs / ml

表3 不同栽培面積硝酸菌數(shù)量 單位：個/mlTab.3 The number of nitrate bacteria in different cultivation area Unit: pcs / ml

表4 不同栽培面積反硝化細菌數(shù)量 單位：個/mlTab.4 The number of denitrifying bacteria in different cultivation area Unit: pcs / ml

分析以上數(shù)據(jù)，可以得出以下結論：1)脫氮細菌的生長較快，數(shù)量大概以10倍速度增長；2)栽培蕹菜對脫氮細菌的生長有利，栽培蕹菜時脫氮細菌數(shù)量比不栽培蕹菜時的數(shù)量多，氨化細菌例外，蕹菜對氨化細菌的影響較??；3)蕹菜的栽培面積對脫氮細菌的影響較小，50%栽培面積和25%栽培面積的脫氮細菌數(shù)量基本一致，尤其體現(xiàn)在栽培后期.4)栽培蕹菜有利于脫氮細菌的穩(wěn)定生長，栽培蕹菜時氨化細菌、亞硝酸菌、硝酸菌、反硝化細菌的比例為1∶10∶10∶10，尤其體現(xiàn)在栽培后期，而不栽培蕹菜時脫氮細菌的比例波動很大；5)氨化細菌的生長受其他脫氮細菌的影響，隨著時間推移，氨化細菌的比例下降，而其他脫氮細菌比例上升.

2.2 不同條件下水中總氮的變化

在測定脫氮細菌數(shù)量的同一時間(7月18日，7月31日，8月14日，8月28日，9月11日)，監(jiān)測水箱中總氮的含量(單位：mg/l)，分析其隨時間的變化情況，同時將50%栽培面積、25%栽培面積、不栽培蕹菜這三組變化進行對比，分析栽培面積對水質的影響，分析如下：

表5 不同栽培面積時水中總氮的含量及總氮的去除率 單位：個/mlTab.5 Total nitrogen in water and total nitrogen removal rate in different cultivation area Unit: pcs / ml

由表5可知：1)栽培初期總氮含量變化很小，兩周后變化較大，當總氮含量達到2 mg/l時氮的去除比較困難； 2)不同栽培面積時總氮含量變化趨勢一致，栽培面積對氮的去除率影響較小，這明顯與前人研究有出入，宋超、陳家長[9]等人在浮床栽培空心菜對羅非魚養(yǎng)殖池塘水體中氮和磷的控制的研究中，證明了蕹菜栽培時間與栽培面積與氮的去除效果呈現(xiàn)較好的正相關關系，栽培時間越長(>60 d)，栽培面積與去除效果的正相關性越明顯.這有可能是本試驗中水箱較小，植物和微生物數(shù)量接近水箱中生物承載量所致.3)栽培蕹菜有效提高了水中總氮的去除率，栽培面積越大，提升幅度越大.

2.3 分析

根據(jù)本試驗中得出的一系列數(shù)據(jù)進行比較分析，1)蕹菜對總氮的去除效果：在栽培初期，蕹菜呈倒伏狀態(tài)，顯然尚未適應水箱中的環(huán)境，對總氮的去除效果不明顯，栽培兩周后，植株直立并開始快速生長，對總氮的去除效果非常顯著，后期由于水中總氮含量很低，蕹菜的生長速度和對總氮的去除效果同時降低；2)脫氮細菌對總氮的去除效果：由于脫氮細菌的生命周期較長，在栽培初期并未完全發(fā)揮出應有的作用，兩周后脫氮細菌對氮的去除較為明顯；3)蕹菜對水中脫氮細菌的生長有促進作用，栽培蕹菜的水箱中脫氮細菌數(shù)量比空白水箱高出近一個數(shù)量級，且栽培時間越長，差距越明顯；4)蕹菜栽培面積對氮的去除率影響較小，這與前人研究不一致，初步推測可能是由于宋超、陳家長等人的研究是在池塘中進行的，而本試驗是在水箱中進行的，環(huán)境不同所致；5)總氮去除率與是否栽培蕹菜有很大關系，栽培面積較大時去除率也有小幅提升，初步推測如果水域面積適合栽培數(shù)量，栽培面積與去除率的正相關性會更明顯[10].

3 結論與展望

3.1 主要結論

栽培蕹菜的情況下，脫氮細菌的生長有以下幾個特征：1)脫氮細菌的增長速度較快，以將近10倍的速度增長；2)栽培蕹菜對脫氮細菌的生長有促進作用，栽培蕹菜時脫氮細菌的數(shù)量明顯比不栽培時要多，但栽培面積對脫氮細菌的影響較?。?)栽培蕹菜對氨化細菌的促進作用不如其它脫氮細菌，氨化細菌、亞硝酸菌、硝酸菌、反硝化細菌的比例最終穩(wěn)定在1∶10∶10∶10.

脫氮細菌對總氮的去除主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1)栽培兩周后脫氮效果較好，當總氮含量達到2 mg/L時，氮的去除比較困難；2)脫氮細菌的數(shù)量與氮的去除有良好的正相關性.

3.2 展望

試驗過程中，還有許多地方有待進一步研究：1)該文因測量數(shù)據(jù)有限，只分析脫氮細菌對總氮的影響，而其對氨氮，亞硝酸鹽氮，硝酸鹽氮，有機氮，COD的影響可以進一步研究；2)對脫氮有影響的除了脫氮細菌這一因素之外，應該還有植物根系的吸收等其他因素，兩者之間是否存在一定的數(shù)量關系有待進一步研究；3)脫氮細菌除了對總氮有影響外，還可能對其他水質指標(如COD)有影響，有待進一步研究.若能解決以上幾個問題，相信浮床栽培技術的理論體系會更加完善，這一技術的應用也會更加廣泛.

[1] 陳紅兵.人工浮床栽培三種植物在不同濃度水體中的凈化效果及規(guī)律研究[D].湖北：湖北大學，2008. CHEN Hong-bing.The purifying effect and regularity of three plants cultivated on artificial floating bed at different concentrations in water[D].Hubei：Hubei University，2008.

[2] 胥丁文，陳玲娜，馬 前.生態(tài)浮床技術的應用及研究新進展[J].中國給水排水，2010，26(14)：11-15. XU Ding-wen，CHEN Ling-na，MA Qian.Application and New Research Process of Ecological Floating Bed Technology[J].China Water&Wastewater，2010，26(14)：11-15.

[3] 何 歡，王占武，胡 棟，等.根系分泌物與根際微生物互作的研究進展[J].河北農業(yè)科學，2011，15(3)：69-73. HE Huan，WANG Zhan-wu，HU Dong，et al.JIA Nan.Progress on Interactions between Root Exudates and Rhizosphere Microorganisms[J].Journal of Hebei Agricultural Sciences，2011，15(3)：69-73.

[4] 宋超鵬，梁玉婷，李定龍.脫氮微生物固定化材料的研究進展[J].常州大學學報(自然科學版)，2012，24(3)：88-92. SONG Chao-peng，LIANG Yu-ting，LI Ding-long.Research Progress of Materials Used as Immobilized Denitrifying Microorganisms[J].Journal of Changzhou University(Natural Science Edition)，2012，24(3)：88-92.

[5] 楊 持.生態(tài)學(第二版)[M].北京：高等教育出版社，2008.250-253. YANG Chi.Ecology(Second Edition)[M].Beijing：Higher Education Press，2008.250-253.

[6] GB 12990-1991.PFU微型生物群落監(jiān)測方法[S].2001. GB 12990-1991.PFU Microbial Community Monitoring[S].2001.

[7] 李振高，駱永明，滕 應.土壤與環(huán)境微生物研究法[M].北京:科學出版社，2008.312-315. LI Zhen-gao，LUO Yong-ming，TENG Ying.Soil and Environmental Microbiology Research Method[M].Beijing: Science Press，2008.312-315.

[8] GB 11894—1989.總氮的測定——堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[S].1990. GB 11894—1989.Determination of Total Nitrogen Alkaline potassium persulfate digestion UV spectrophotometry[S].1990.

[9] 宋 超，陳家長，戈賢平.浮床栽培空心菜對羅非魚養(yǎng)殖池塘水體中氮和磷的控制(蕹菜)[J].中國農學通報，2011,15(4):43-45. SONG Chao,Chen Jia-zhang,Ge Xian-ping.The Control of Nitrogen and Phosphorus to Tilapia Fish Pond by Floating-bed-grown Water Spinach(Ipomoea aquatica)[J].Chinese Agricutural Science Bulletin，2011,15(4):43-45.

[10] 李先寧，朱光燦，呂錫武.組合型生態(tài)浮床的動態(tài)水質凈化特性[J].環(huán)境科學，2007，28(11)：2 448-2 452. LI Xian-ning，ZHU Guang-can，LV Xi-wu.Characteristic of Combined Floating Bed Ecosystem for Water Purification Under Dynamic Condition[J].Enivironmental Science,2007，28(11)：2 448-2 452.

Biography： WANG Shan-shan,female,born in 1990,M.E.,research direction for environmental ecology.

The Research of Rhizosphere Microecological inFloating Bed Cultivated Swamp Cabbage

WANG Shan-shan, WENG Qin-yu, YUAN Meng,CHEN Hong-bing, LU Jin-deng*

(Faculty of Resources and Environmental Science Hubei University，Wuhan 430062,China)

The floating bed is a kind of ecological restoration technology conducted by the absorbing of plant roots and the activities of the microbial to solving the problem of eutrophication.This article is based on the experiment of the floating bed cultivated swamp cabbage inside the greenhouse,measuring the amount of the denitrification bacteria using regularly by the PFU method,compared with the content of total nitrogen in water,analyzing the characteristics of the denitrification bacteria and the relationship between the denitrification bacteria and the total nitrogen removal amount.The results show：First,cultivation of swamp cabbage is conducive to the stability of the denitrification bacteria growth; second,the denitrification bacteria have mutual effect with each others; thirdly,denitrification bacteria have a well correlation with total nitrogen removal amount.This provides theory basis for the floating in purifying water quality,and enrich the theory of the floating bed planting technology.5tabs.,10refs.

Floating bed cultivated plants Ipomoea denitrification bacteria total nitrogen amount

2014-10-25

國家星火計劃項目資助(編號：2008GA760007)

王珊珊(1990-)，女，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境生態(tài)學. *通訊作者，E-mail：ljd@hubu.edu.cn.

2095-7300(2015)01-006-05

Q939.9

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