徐文菊

（山東省臨沂市莒南縣水利局大店水利服務(wù)中心,山東 莒南 276600）

0 引言

當(dāng)前水體的各種污染原因中最多的就是水體富營(yíng)養(yǎng)化,水體富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)破壞水體的生態(tài)環(huán)境,滋生大量藻類(lèi),導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)死亡。針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的水體,常用的治理方式有化學(xué)藥劑殺藻、曝光、挖掘等,但上述治理措施實(shí)施起來(lái)成本較高,同時(shí)容易形成二次污染[1-3]。最近幾年,隨著科技的發(fā)展,生物修復(fù)技術(shù)逐漸應(yīng)用在治理富營(yíng)養(yǎng)化水體中,目前已有較多研究表明可通過(guò)植物生態(tài)浮床和微生物相結(jié)合的方式來(lái)對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行治理。當(dāng)前植物生態(tài)浮床對(duì)于水體的異位修復(fù)和原位修復(fù)主要分為兩種,但應(yīng)用較多的為前者[4]。對(duì)于異位修復(fù)技術(shù),Hu 等[5]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究了栽有植物的生態(tài)污泥浮床對(duì)TP 和TN 濃度超標(biāo)水體的凈化效果,但生態(tài)污泥浮床對(duì)TP 和TN 的凈化率未超過(guò)40%。Cui 等[6]通過(guò)制作垂直型生態(tài)浮島,并種有美人蕉,以此研究其去除TN 的效果,但結(jié)果表明凈化效果不足10%。所以生態(tài)浮床的異位修復(fù)在操作難度和凈化效果方面都不太理想。相比之下,原位修復(fù)操作簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉。胡綿好等[7]研究了富營(yíng)養(yǎng)化水體中負(fù)載微生物生態(tài)浮床的修復(fù)效果,發(fā)現(xiàn)其去除TP 和TN 率均超過(guò)60%。

基于此,為了掌握生態(tài)床凈化富營(yíng)養(yǎng)水體的機(jī)理,增強(qiáng)其凈化效果,本文通過(guò)制作植被生態(tài)浮床,對(duì)凈化后水體理化指標(biāo)、根際圈微生物種類(lèi)和數(shù)量的變化進(jìn)行對(duì)比和分析。

1 研究區(qū)概況

某景觀湖水深平均1.5 m,水體總?cè)萘拷?9000 m3,將其中160 m2作為生態(tài)浮床修復(fù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn),水深近0.6 m～1.3 m 的弧形小湖。富營(yíng)養(yǎng)化水體研究區(qū)總長(zhǎng)度近35 m,最寬處和最窄處分別為16 m 和4.6 m。研究區(qū)內(nèi)設(shè)置兩個(gè)生態(tài)浮床和4個(gè)取樣點(diǎn),取樣點(diǎn)編號(hào)分別為A、B、C、D,生態(tài)浮床主要分布在取樣點(diǎn)B 兩側(cè),A →B/C →D 為小湖內(nèi)水流方向,具體布置見(jiàn)圖1。

圖1 生態(tài)浮床布置情況

2 研究方法和材料

2.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

為所選植物為麻竹和美人蕉,均購(gòu)自研究區(qū)當(dāng)?shù)亟质?并購(gòu)買(mǎi)植物定植框、聚乙烯泡沫浮漂等。制作LB 固體培養(yǎng)基,準(zhǔn)備瓊脂粉15 g,10 gNaCl,5 g 酵母提取物,pH 值控制在7.0,制作完畢后在122℃環(huán)境下持續(xù)20 min 滅菌后方可使用。試驗(yàn)過(guò)程中使用到的主要儀器有高壓蒸汽滅菌鍋、COD 消解儀、堿式滴定管、臺(tái)式高速離心機(jī)、電熱恒溫培養(yǎng)箱、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)等。植物生態(tài)浮床的面積是3 m×1.5 m,其組成具體包括蘭花托架、支撐架、聚乙烯泡沫浮漂、固定化繩索等,植株最大允許種植數(shù)為120 株。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本研究的試驗(yàn)內(nèi)容主要分為觀測(cè)植物生態(tài)浮床對(duì)弧形小湖的治理效果和統(tǒng)計(jì)根際圈微生物的種類(lèi)、數(shù)量。對(duì)于前者,把美人蕉固定栽種在生態(tài)浮床的蘭花托架套筒中,種植間距為5 cm,對(duì)湖水中的TP、COD、TN 以及NO3-進(jìn)行定時(shí)測(cè)量,時(shí)間間隔為3 d。設(shè)置取樣點(diǎn)4 個(gè),依次是：浮床區(qū)水樣、出水口水樣、入水口水樣以及浮床對(duì)面水樣。除此之外,要對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖水中美人蕉的生長(zhǎng)情況進(jìn)行觀測(cè)和記錄。在對(duì)植物根際圈微環(huán)境進(jìn)行觀察時(shí),定時(shí)間隔15 d 統(tǒng)計(jì)各植株根際圈微生物的種類(lèi)和數(shù)量,由此來(lái)判斷水體治理過(guò)程中微生物和植物的作用,同時(shí)能夠在一定程度上體現(xiàn)出富營(yíng)養(yǎng)水體受生態(tài)浮床的凈化程度。在此次試驗(yàn)里,目標(biāo)植物隨機(jī)選擇了三株美人蕉,,每隔15 d 取1 g 根際圈泥土并置于溫室自然風(fēng)干12 h；之后通過(guò)2 mL 無(wú)菌水進(jìn)行稀釋,在9 mL 的無(wú)菌水中放入1 mL 稀釋后的溶液,制成1∶10 的樣品溶液；之后再次于9 mL 無(wú)菌水中放入1 mL 的1∶10 樣品溶液,制成1∶100的樣品溶液,重復(fù)此步驟,依次制成1∶103、1∶104、1∶105、1∶106、1∶107和1∶108的樣品溶液。樣品溶液制作完成后,各取出50μL 放置在 LB 固體培養(yǎng)基里,完成涂布后放置于恒溫培養(yǎng)箱（37°C）中培養(yǎng)1 d,各類(lèi)稀釋比例分別重復(fù)5 個(gè)平板。再通過(guò)最大或然數(shù)法對(duì)樣品中的微生物數(shù)量進(jìn)行計(jì)算,并結(jié)合形態(tài)學(xué)對(duì)根際圈微生物的類(lèi)型進(jìn)行判定。

2.3 測(cè)定方式和分析數(shù)據(jù)

選擇快速密閉催化消解-滴定法來(lái)對(duì)COD 進(jìn)行測(cè)定,選擇麝香草酚分光光度法對(duì)TN 和NO3-進(jìn)行測(cè)定,選擇鉬銻抗氧化分光光度法對(duì)PT 進(jìn)行測(cè)定。各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定均設(shè)置3個(gè)平行樣品,最終結(jié)果取3 個(gè)樣品測(cè)定結(jié)果的均值,同時(shí)將各組數(shù)據(jù)繪制成圖。

3 結(jié)果分析

3.1 分析水體理化指標(biāo)

試驗(yàn)區(qū)水體于2019年7 月至2020年7 月間多次出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化情況,通過(guò)測(cè)定發(fā)現(xiàn)水體各項(xiàng)理化指標(biāo)均超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),屬于劣 V 類(lèi)水,具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水體各項(xiàng)理化指標(biāo)

3.2 治理效果分析

通過(guò)植物生態(tài)浮床對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行治理,各指標(biāo)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。從圖中能夠看出,治理時(shí)間未超過(guò)40 d 時(shí),TP、NO3

圖2 時(shí)間增長(zhǎng)各指標(biāo)變化趨勢(shì)

-、COD 以及TN 的含量會(huì)因湖水容量的變化而變化。經(jīng)過(guò)比較后得知,各取樣點(diǎn)指標(biāo)大小為：出水口＜浮床區(qū)＜浮床正對(duì)面＜入水口。通過(guò)上述分析能夠得出,水體中各指標(biāo)在水體從入水口流入出水口時(shí)均有所降低；造成各指標(biāo)減小的原因可能是自然沉淀作用、湖底鵝卵石吸附作用、湖內(nèi)生物作用、生態(tài)浮床的作用以及根際圈微生物作用；同時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)生態(tài)浮床附近的各項(xiàng)指標(biāo)均低于正對(duì)面水體,這表示在湖水凈化過(guò)程中生態(tài)浮床在一定程度上發(fā)揮了積極作用。在試驗(yàn)進(jìn)行到15 d 時(shí),暴雨對(duì)泥土的沖刷導(dǎo)致試驗(yàn)區(qū)附近泥土流失到湖水里,從而大大提高了TP、NO3-、COD 以及TN 的數(shù)值,縮小了不同取樣點(diǎn)間的差值。從整體來(lái)看,生態(tài)浮床在凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體方面有一定的效果。在出水口處水質(zhì)達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),具體見(jiàn)表1。參考其他文獻(xiàn)能夠發(fā)現(xiàn),美人蕉能夠很好地在水中和土中生長(zhǎng),且能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行美化,是一種非常合適的植物。與此同時(shí),生態(tài)浮床可作為遮蔭場(chǎng)所給水中生物遮擋陽(yáng)光,形成的小型生態(tài)環(huán)境給根際圈生物創(chuàng)造了良好的環(huán)境,在很大程度上改善了水體環(huán)境。

3.3 美人蕉根際圈處微生物數(shù)量的變化

空氣、水和土體中均存在大量的微生物,而微生物生長(zhǎng)必不可少的就是磷、氮等元素,這給富營(yíng)養(yǎng)化水體中微生物的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),微生物的活性會(huì)受基質(zhì)中含氮量的影響,微生物的活性會(huì)隨著土壤中含氮量的增大而增大。同時(shí),植物根際圈微生物能夠提高植物的生長(zhǎng)速度,并且植物的快速生長(zhǎng)又會(huì)使微生物的活性大大提高,兩者相輔相成。所以,在評(píng)判植物的生長(zhǎng)情況和根系活性時(shí)根際圈微生物數(shù)量的把控十分重要。

此次研究在60 d 內(nèi)跟蹤記錄了美人蕉根際圈微生物數(shù)量的變化情況,具體見(jiàn)圖3。從圖3 中能夠發(fā)現(xiàn)植物生長(zhǎng)時(shí),微生物數(shù)量和根系數(shù)量呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,即植被根系越多,微生物數(shù)量也就越多。美人蕉根際圈微生物的數(shù)量在30 d 時(shí)增長(zhǎng)幅度較大,跨越2 個(gè)數(shù)量級(jí),之后增長(zhǎng)幅度較小,基本不再變化。結(jié)合上述分析,表明美人蕉在凈化治理富營(yíng)養(yǎng)化水體方面效果顯著,值得注意的是微生物和植物在這個(gè)凈化過(guò)程中都發(fā)揮了重要作用。

圖3 美人蕉根際圈微生物數(shù)量的變化情況

3.4 美人蕉根際圈處微生物種類(lèi)的變化

根據(jù)LB 固體培養(yǎng)基所得出的培養(yǎng)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn),隨機(jī)選擇的美人蕉根際圈微生物在60 d 內(nèi)種類(lèi)沒(méi)有出現(xiàn)改變。但不同植株間的微生物類(lèi)型相差較大,具體結(jié)果見(jiàn)表2。從表2能夠看出,A 組、B 組和C 組的微生物種類(lèi)分別為5 種、6 種和4 種。在3 組培養(yǎng)基種均存在的微生物是4 號(hào)菌落和1 號(hào)菌落代表的微生物,且C3 和B6 的菌落為3 組都有的微生物為1 號(hào)菌落和4 號(hào)菌落,B6 和C3 為同一種微生物。所以在水體凈化治理過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的微生物大概率是聚磷菌與反硝化細(xì)菌。

表2 菌落微生物特點(diǎn)

4 結(jié)論

為了研究植被生態(tài)浮床對(duì)水體的凈化效果,通過(guò)試驗(yàn)對(duì)凈化后水體理化指標(biāo)、根際圈微生物種類(lèi)和數(shù)量的變化進(jìn)行了對(duì)比和分析,得出以下結(jié)論：

1）各取樣點(diǎn)指標(biāo)大小為：出水口＜浮床區(qū)＜浮床正對(duì)面＜入水口,水體中各指標(biāo)在水體從入水口流入出水口時(shí)均有所降低,在出水口處水質(zhì)達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；生態(tài)浮床附近的各項(xiàng)指標(biāo)均低于正對(duì)面水體,這表示在湖水凈化過(guò)程中生態(tài)浮床在一定程度上發(fā)揮了積極作用。

2）植物生長(zhǎng)時(shí),微生物數(shù)量和根系數(shù)量呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,即植被根系越多,微生物數(shù)量也就越多；美人蕉根際圈微生物的數(shù)量在30 d 時(shí)增長(zhǎng)幅度較大,跨越2 個(gè)數(shù)量級(jí),之后增長(zhǎng)幅度較小,基本不在變化,表明美人蕉在凈化治理富營(yíng)養(yǎng)化水體方面效果顯著,值得注意的是微生物和植物在這個(gè)凈化過(guò)程中都發(fā)揮了重要作用。

3）隨機(jī)選擇的美人蕉根際圈微生物在60 d 內(nèi)種類(lèi)沒(méi)有出現(xiàn)改變,但不同植株間的微生物類(lèi)型相差較大,在水體凈化治理過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的微生物大概率是聚磷菌與反硝化細(xì)菌。