微生物在生物栅植物根系和填料生物膜上的数量分布差异

余瑞彰, 张 慧, 蒋 俊, 沈叶红, 杨清海, 李秀艳

(1.华东师范大学环境科学系,上海 200062;2.辽东学院城市环境系,辽宁丹东 118003)

微生物在生物栅植物根系和填料生物膜上的数量分布差异

余瑞彰1, 张 慧1, 蒋 俊1, 沈叶红1, 杨清海2, 李秀艳1

(1.华东师范大学环境科学系,上海 200062;2.辽东学院城市环境系,辽宁丹东 118003)

实验中以组合填料、美人蕉和水生动物为要素构建生物栅,以上海市苏州河支流绥宁河河水为实验用水,测定分析了功能微生物和微型动物在植物根系和填料生物膜上的数量分布差异,以研究生物栅强化处理污染景观水体的作用机理.结果表明,生物栅中有机物的矿化分解、氨化作用、硝化作用和反硝化作用可以在填料和植物根系上同时进行,有机物的矿化分解、氨化作用和硝化作用场所以植物根系为主,而反硝化作用主要在填料上进行.生物栅内植物根系和填料所具有的不同生境为异养细菌、硝化细菌和反硝化细菌的生长提供了各自适宜的场所,单位质量根系异养细菌数量比单位质量填料上异养细菌数量高出一个数量级,植物根系的泌氧作用提高了根系局部的溶解氧水平,硝化细菌对生境的选择结果使得单位质量根系或填料的硝化细菌数量表现为:实验组根系>实验组填料>对照组填料,而反硝化细菌对生境选择表现为:对照组填料>实验组填料>实验组根系.同时单位质量根系微型动物的数量和种类都要大于填料,根系和填料上微型动物的多样性指数值分别为2.16和2.08.

生物栅; 微生物; 微型动物; 植物根系; 填料

Abstract:The designed devicemainly consisted of combined packing,Cannas,and aquatic animals.Water f rom Suining Creek,a tributary of the Suzhou Creek in Shanghai,was used as experimental water.Differencesof microbial amountson p lant roots and packing biofilms in the device was analyzed to find themechanism sof microorganism s in the system.The resluts show thatthemineralization,amination,nitrification and denitrification may comp lete at the same time,w ith the mineralization,amination,nitrification mainly on the surface of plant roots,and the denitrification mainly on the filling material.The p lant roots and the filling material p rovide app rop riate natural environment fo r heterotrophic bacteria,nitrifying bacteria and denitrifying bacteria.The total amounts of heterotrophic bacteria on the surface of per unitmass p lant roots are about ten timesmore than those on the surface of the filling material.Plant could p rovide root w ith oxygen,hence,nitrifying bacteria amounts on the surface of per unitmass roots and of the filling material are:roots>filling material of experimental group>filling material of control group.But for the denitrifying bacteria,it behaves:filling material of control group>filling material of experimental group>roots.The amounts and types of microfauna on roots are mo re than those on the packing films,w hose diversity index were 2.16 and 2.08 respectively.

Key words:biological grid; microorganisms; miniature animals; plant roots; filling material

0 引言

中国主要水体污染日益严重,水资源日益紧缺,生态修复技术在景观水体治理上得到广泛的应用,并不断研究产生各种新的治理技术和方法[1].生物栅是一种生态修复强化装置,主要由微生物载体填料和水生植物组成,是利用水生植物、微生物和水生动物等生态要素的协同作用完成生态修复的功能,在有限的空间内可富集较大的生物量,达到快速、高效的处理效果[2-6].

植物和微生物是生物栅的重要生态要素.植物可以吸收水体中的N,P及一些无机盐,同化固定在植物体内,通过植物的收割,实现氮、磷从水体环境输出.同时,植物的根系作为微生物的载体,可以起到富集微生物,增加其生物量的作用,而且植物根系的泌氧作用有利于好氧微生物的生长和降解功能的完成[7].生物栅中的微生物主要固定在载体填料上和植物根系上.微生物能够有效地将有机物质分解或矿化,并从中获得生长繁殖的能量和物质,同时为水生动物提供食物,为植物提供可以吸收的营养元素或物质,微生物是生物栅生态系统食物链的重要一环.植物的吸收和微生物的分解作用的结果,水体得到了净化和治理.李华芝[8]利用生物栅技术对上海市某一富营养化水体进行修复,与没有使用生物栅技术的空白组比较,生物栅装置对水体 COD,TN,N H+4-N和 TP去除率分别提高了47.6%～53.4%,24.9%～48.3%,63.5%～74.3%和57.7%～76.4%.

生物栅中微生物主要分布在填料和植物根系上,而填料和植物根系都具有不同的微环境,适合于不同类型微生物.研究表明,微生物在植物根系上的不同位置分布的数量不一致,存在较大的差异.赵建刚等[9]发现,在表面流湿地种植的芦苇在其根系0～5 cm处生物量为(5.3±3.9)g/m2,在5～15 cm处生物量为(4.5±3.7)g/cm2;而在美人蕉根系0～5 cm处生物量为(13.9±13.9)g/m2,在5～15 cm处生物量为(23.2±22.3)g/m2.

生物栅中植物与填料交织生长,形成强大的生物膜表面,达到高效修复水体的作用.而水生动物作用于填料和植物根系生物膜时会加速生物膜更新,改善根系泌氧,促进DO在水体中的运输.Sonu Singh等[10]发现根系和微生物之间存在营养竞争作用.关于景观水体生物修复技术中微生物的研究大多是进行微生物数量分析和群落结构分析[8],本文在前期研究基础上,分析研究微生物(包括微型动物)在生物栅的填料和植物根系不同生境中的分布特点,以深入研究微生物的降解功能和机制,为生物栅技术及其它生态修复技术的研究提供参考.

1 实验方法与材料

1.1 实验装置[4]

设计一种由微生物载体填料、水生植物和水生动物为主要构件的生物栅处理装置,以强化处理污染景观水体.实验中选择组合填料和美人蕉构建生物栅.

实验设计的生物栅结构见图1,长方形外框材料为有机玻璃,尺寸1 000 mm×500 mm×600 mm,有效水深500 mm,微生物载体填料选用组合填料(专利号CN 89200853.9),组合填料密度为12串/m2,5～6片/串,组合填料由中间塑料骨架和周围一端游离的纤维构成,是生物膜反应器中常用的生物膜载体之一,具有表面积巨大、易于生物膜生长等特点.水生植物选用黄花美人蕉(Canna indica),植物密度数为8株/m2,植物鲜重221.2 g/株.为保证实验过程中系统内细菌生产力能够满足泥鳅需求,泥鳅投放密度确定为1 200 g/m3.

图1 生物栅装置示意图Fig.1 Scheme of the experimental device

首先进行生物栅的集成构建,植物适应生长和载体挂膜等过程.待生态系统构建完成后进行实验研究.生态系统构建成功的标志是植物生长良好,长出三级根系,并与填料交织一处.图2是将生物栅提出水面后拍摄的根系与填料结合情况的照片.植物在填料表面生长,根系与填料结合牢固,与填料共同形成复杂的空间结构(见图2)[2].这种空间结构既有巨大的表面积能够生长生物膜,也为水生动物提供了栖息场所,有利于提高生物栅中生物物种的丰度和密度,也有利于形成更复杂的食物链.微生物挂膜成熟的标志是显微镜检测有轮虫和钟虫生长.在进行实验前镜检植物根系生物膜,轮虫密度以膜干重计为8 753个/g,填料生物膜轮虫密度为1 900个/g,生物膜已经成熟[3].

图2 实验装置中植物根系与组合填料交织形态Fig.2 Sketch of experimental p lant roots and microbial carrier materials

1.2 实验设计

实验运行期间绥宁河水水质指标见表1,实验中以绥宁河富营养化河水为实验用水.

表1 绥宁河富营养化河水水质指标Tab.1 Water quality during experimental periodmg·L-1

实验按照接近自然的方式静态处理,分别测定0,24,48,72,120,168和240 h不同处理时间的水质指标,在实验结束后对生物栅进行取样,测定各部位微生物和微型动物的数量.实验对照组(不种植植物)采用单独的组合填料对富营养化河水进行处理,取样时间和处理方式同实验组.

1.3 研究方法

水质测定 在装置出水口处采样测定COD(重铬酸钾法)、TP(钼锑抗分光光度法)、NH4+-N(纳氏试剂分光光度法)和 TN(过硫酸钾分光光度法)[11],每个样品测定3次取平均值.

细菌数量测定 将生物栅内植物根系、填料纤维和对照组填料纤维随机剪取1～2 g(鲜重),放入盛有20 mL无菌水和若干玻璃珠的三角瓶中摇动30 min,超声波破碎器振荡3 min.取悬浊液测定异养细菌、亚硝酸细菌、硝酸细菌和反硝化细菌数量,异养细菌总数的测定采用稀释平板法,亚硝酸细菌、硝酸细菌和反硝化细菌数量数量的测定采用M PN多管法,具体测定方法参照文献[12],每个样品测定3次取平均值,平板计数的菌落数在30≤x≤50(个/皿),标准差 ±3.0～ ±7.0.

微型动物测定 原生动物和轮虫根据体积法估算出生物体积,即把生物体当作一个近似几何图形,按求积公式获得生物体积,并假定比重为1,这就得到体重.这种方法在原生动物、轮虫中广为应用.在不易直接按体积法测定时,参考《内陆水域调查规范》所列出的主要浮游动物的平均湿重测算数据[13,14].

生物种类多样性评价指数 依据沙农-维尔姆的种类多样性指数计算式[15]

2 结果与讨论

2.1 污染物去除率

污染物在0,36,48,72,120,168和240 h不同处理时间时的去除率如图3所示.

从图3可以看出COD在36 h去除率为26.7%,随后上升,至72 h时为66.7%,处理时间延长对COD去除作用不大,去除率稳定在68.0%～74.7%.硝态氮在处理72 h后也达到稳定,以后去除率维持在80%～82.9%;TN的去除率随时间变化较大,在168 h和240 h时去除率为53.8%和90.9%;TP在处理120 h时去除率为61.6%,168 h达到最高为68.7%,基本上维持在60%～70%.过程中系统p H基本上维持在7.0～7.4,溶解氧浓度的变化为初始为7.7 mg/L,经过24 h下降为1.9 mg/L,以后维持在这一溶解氧水平,处理168 h时水体的DO值为1.8 mg/L,体系处于微氧状态,生物栅在这样的条件下硝化和反硝化作用可以同时进行.

图3 绥宁河水处理效果Fig.3 Treatment effects of water from Suining Creek

2.2 生物栅中细菌数量

2.2.1 单位质量填料和根系功能细菌数量

表2显示了生物栅填料、根系和对照组填料纤维上异养细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量.从单位质量异养细菌数量来看,根系异养细菌要超出填料上异养细菌一个数量级.说明根系微环境比填料更适合好氧微生物的生长,水生植物茎和根的中心具有较大的通气组织,有利于植物将光合作用产生的氧输送到根区,这些氧除了满足根部的有氧呼吸之外,其中一部分在运输过程中通过根轴径向释放到根际环境中,称之为径向泌氧(ROL)[16].在根区还原态介质中形成氧化态的微环境[16,17].植物根系的径向泌氧,为好氧微生物的生长提供了适宜的环境,同时根系分泌一些小分子的有机物质,如有机酸、糖及各种氨基酸,为微生物的生长提供了营养[18].

实验组单位质量根系和填料反硝化细菌数量处于同一个数量级,对照组填料反硝化细菌密度为104,比实验组填料和根系高出一个数量级,实验组的植物与填料纤维相交织,植物根系径向泌氧改善了填料纤维和植物根系周围的溶解氧水平,而对照组没有种植植物,对照组填料的溶解氧水平低于实验组,表现为兼性厌氧的反硝化细菌对生存环境的选择性,首先是对照组填料,其次是实验组填料,最后是实验组根系.

对于硝酸细菌和亚硝酸细菌,单位质量数量最多的是实验组根系(见表2),硝酸细菌为1×107CFU/g,亚硝酸细菌为3.23×106CFU/g,其次是实验组填料,硝酸细菌为4.80×106CFU/g,亚硝酸细菌为8.58×105CFU/g,而对照组填料中的细菌的数量最少,分别为7.23×105CFU/g和9.04×105CFU/g.与反硝化细菌相反,硝化细菌选择性地生存于溶解氧水平高的生境中,选择生境首先是植物根系,其次是实验组填料,最后是对照组填料.

生物栅内植物根系和填料的不同的生境为反硝化细菌和硝化细菌的生长提供了各自适宜的场所,在微生态功能上起到了共生的效果,使得生物栅系统内的硝化作用和反硝化作用可以同时进行,加速了系统N素的转化.

表2 生物栅填料和根系中功能细菌数量Tab.2 The number of functional bacteria on root and packing films

2.2.2 填料和根系功能细菌总数

实验结束后,按照标准方法对生物栅填料和植物根系烘干、称量,得出根系的干重为35.5 g[18],生物栅填料的干重为42.3 g,对照组(即填料纤维)的干重为31.3 g.依据表2中细菌数量可以计算出生物栅中各不同部位功能细菌的总数.

生物栅中的异养细菌总数是对照组中的4.4倍,硝酸细菌是对照组中的24.6倍,亚硝酸细菌是对照组中的5.3倍.而对照组中反硝化细菌是生物栅中的7.1倍.说明水体中有机物的矿化分解反应、氨化反应、硝化反应和反硝化反应可以在生物栅填料和植物根系上同时进行,有机物的矿化分解反应、氨化反应和硝化反应的作用场所以植物根系为主,而反硝化作用主要在填料上进行.

2.2.3 生物栅单位体积功能细菌数量

单位体积细菌密度的大小在一定程度上对不同空间中污染物的去除率存在一定的影响,生物栅中不同功能细菌密度见表3.

表3 生物栅和对照组中单位体积细菌数量Tab.3 Quantity of bacteria in biological grid and contrastCFU·L-1

从表3中可以看出生物栅中单位体积硝酸细菌的数量是对照组的7倍,而亚硝酸细菌数量是对照组的2倍.生物栅和对照组中单位体积的异养细菌数量相当,而生物栅中异养细菌的总量要比对照组高出一个数量级,说明生物栅中水生植物的根系表面在很大程度上富集了大量的异养细菌,能有效的促进生物栅对污染水体的修复.对照组中单位体积反硝化细菌是生物栅中的22倍,从其总量来看,其数量也是最多的,这也可以充分验证了生物栅中反硝化作用主要是在填料上进行.矿化作用和硝化作用主要在生物栅植物根系中进行,反硝化作用则以填料纤维生物膜为主.

2.3 生物栅中微型动物数量分布

观察并测定生物栅中根系和填料上的微型动物,结果如图4所示.

图4 微型动物数量分布Fig.4 Distribution of miniature animals

观察到根系有微型动物8种6类,253 846个/g;填料上有7种6类,共有87 388个/g,在微型动物数量和种类上根系都要优于填料.钟虫和轮虫作为水质清洁的指示性微型动物,在根系中的数量比填料中要多,尤其是轮虫,在根系中的数量达到了8 753个/g,而填料中只有1 900个/g.生物栅系统中微型动物是系统运行状态的指示生物,在一定范围内微型动物种群丰富度表明整个系统处于良好的工作状态.从食物链角度看只有生物膜内细菌数量增加微型动物数量才会增加,而相应出水的处理效率才会相应提高.根系上微型动物的数量是填料上微型动物数量的3倍多.根系和填料上微型动物的多样性指数值分别是2.16和2.08,说明根系上的微生态系统要优于填料.

3 结论

(1)生物栅对COD的去除率为68.0%～74.7%,TP去除率在168 h达到最高为68.7%,TN的去除率在240 h时达到了90.9%,NO-3-N去除率为82.9%.

(2)生物栅单位质量根系异养细菌数量要比填料高一个数量级,而单位体积异养细菌数量跟对照组填料相当,表明生物栅根系表面更有利于好氧微生物的生长.

(3)反硝化细菌在填料中的密度要比根系中高一倍,植物根系的径向泌氧作用提高了根系局部的溶解氧水平,使得反硝化细菌对生存环境的选择性表现为对照组填料>实验组填料>实验组根系;而硝化细菌的选择性表现为实验组根系>实验组填料>对照组填料.

(4)从不同功能微生物在填料和根系中分布看出水体中有机物的矿化分解作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用可以在填料和根系上同时进行,前三项以植物根系为主要场所,而反硝化作用主要在填料上进行.

(5)在微型动物数量和种类上根系都要优于填料,根系上有微型动物8种6类,253 846个/g;填料上有7种6类,共有87 388个/g.轮虫和钟虫作为水质清洁的指示物,其在生物栅根系中的数量要高于填料,且根系和填料上微型动物的多样性指数值分别为2.16和2.08.

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Differences of m icrobial amounts on plan t rootsand packing biof ilms in the biological grid

YU Rui-zhang1, ZHANG Hui1, JIANG Jun1, SHEN Ye-hong1,YANG Qing-hai2, L IXiu-yan1

(1.Department of Environment Science,East China N ormal University,Shanghai 200062,China;2.Department of City Environment,Eastern L iaoning University,Dandong L iaoning 118003,China)

X173

A

1000-5641(2010)04-0058-09

2009-03

国家高技术研究发展(863)项目(2006AA06Z331);上海市科委项目(062312019,2007BAK27B05)

余瑞彰,男,硕士研究生.E-mail:w sy_yrz@126.com.

李秀艳,女,副教授,从事环境微生物学研究.E-mail:xyli@des.ecnu.edu.cn.