浮床栽培蕹菜根际脱氮微生物研究

王珊珊, 翁沁玉, 袁 檬, 陈红兵, 卢进登

(湖北大学 资源环境学院，湖北 武汉 430062)



浮床栽培蕹菜根际脱氮微生物研究

王珊珊, 翁沁玉, 袁 檬, 陈红兵, 卢进登*

(湖北大学 资源环境学院，湖北 武汉 430062)

浮床栽培植物是一种利用植物根系的吸收和根际微生物作用来改善水质的生物修复技术.本研究以温棚内浮床栽培蕹菜试验为基础，采用PFU法定期监测脱氮细菌变化情况，并与水中总氮含量进行对比，分析在浮床栽培植物情况下脱氮细菌的特征及其与水中总氮含量变化的关系，结果表明：1)栽培蕹菜有利于脱氮细菌的稳定生长；2)脱氮细菌的生长与总氮的去除有良好的相关性.研究为浮床栽培植物净化水质提供了理论依据，对该技术的推广应用有一定的理论和现实意义.表5，参10.

浮床栽培；蕹菜；脱氮细菌；总氮

生态浮床技术通过水生植物根系的截留、吸附、吸收和水生动物的摄取以及微生物的降解作用，达到水质净化的目的，同时营造景观效果[1].其基本原理主要包括以下两个方面：一是植物在富营养化水体中的修复作用，水生植物能直接吸收利用污水中的总氮以供其生长发育和繁殖，而污水中的有机氮可以被微生物分解和转化为无机氮从而被植物直接摄取；二是植物—微生物协同效应的修复作用，水生植物为微生物提供可附着的载体，强化了系统的除污能力，同时为水体中的微生物提供营养物，并能诱导微生物降解某些难降解的有毒物质[2].

根系是植物与外界环境进行物质与能量交换的重要器官，植物根际微生物、根际分泌物以及周围环境构成了根际微生态[3].植物根际微生物及其分泌物对根际微生态环境起着重要的作用.与脱氮有关的微生物主要是氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌[4].这三类细菌是根际微生态氮循环过程中氮的转化和去除的主导者，也是本研究的重点对象[5].

研究采取温棚内浮床栽培蕹菜的试验方法，对比分析根际脱氮细菌(即氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌)的特征变化和水中总氮含量这二者之间的关系，考察在浮床栽培植物情况下脱氮细菌的特征及其与水中总氮含量变化的关系，进而论证浮床栽培植物其根系脱氮细菌对水中总氮的去除效应.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选取5个大水箱，加入污水至试验水深(80 cm)的1/2处，加自来水至试验水深，在每个水箱中水面下40 cm处放置5个PFU块.给水箱分别编号，1号与2号栽培占水面50%面积的蕹菜，3号和4号栽培占水面25%面积的蕹菜，5号作为空白对照，不栽培蕹菜.栽培地点在湖北大学温棚内，栽培时间8周，每2周测量一次水箱中水样的总氮含量和PFU块样品中脱氮细菌的数量.

1.2 药品试剂

无氨水，200 g/L氢氧化钠溶液，20 g/L氢氧化钠溶液，碱性过硫酸钾溶液，盐酸1+9溶液，硝酸钾标准溶液，100 mg/L硝酸钾标准贮备液，10 mg/L硝酸钾标准使用液，硫酸1+35溶液，蛋白胨琼脂培养基(检测氨化细菌)，改良的史蒂芬逊培养基A(检测亚硝酸菌)，改良的史蒂芬逊培养基B(检测硝酸菌)，反硝化细菌培养基(检测反硝化细菌)，纳氏试剂，格里斯试剂，二苯胺试剂.

1.3 仪器设备

分光光度计UV2100，10 mm石英比色皿，蒸汽灭菌器，25 mL具玻璃磨口塞比色管，三角瓶、培养皿、滴管、白瓷比色板、酒精灯，洁净工作台、恒温培养箱，以及试管、烧杯、玻璃棒、移液管等常用试验器材.

1.4 取样方法

试验取样时采用PFU微型生物群落监测法，试验原理为：应用聚氨酯泡沫塑料块(简称PFU)作为人工基质收集水中的微生物群落，测定该群落结构与功能的各种参数，以评价水质[6].微型生物群落在水生生态系统中是客观存在的，用PFU块浸泡水中，曝露一定时间后，水体中大部分微型生物种类均可群集到PFU内，挤出的水样能代表该水体中的微型生物群落.

1.5 测定方法

试验采用MPN多管发酵法测定脱氮细菌的数量，最大可能数(或最大或然数法，most probable number，MPN)计数又称稀释培养计数，适用于测定在一个混杂的微生物群落中但却具有特殊生理功能的微生物类群.该方法是基于选择适当稀释倍数的悬液，接种在特定的液体培养基中培养，检查培养基中是否有该生理类群微生物的生长.根据不同稀释度接种管的生长情况，用统计学方法求出该生理类群的微生物数量[7].总氮的测定采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法[8].

2 结果和分析

2.1 脱氮细菌的生长状况

试验栽培时间为2014年7月18日，由于恒温培养箱严重故障，未能成功监测初始的脱氮细菌数量，成功监测的时间分别为7月31日，8月14日，8月28日，9月11日，通过测定各时期PFU块挤出水样中脱氮细菌的数量，分析其变化情况，同时将50%栽培面积、25%栽培面积、不栽培蕹菜这三组变化进行对比，分析栽培面积对脱氮细菌的影响：(见表1～表4).

表1 不同栽培面积氨化细菌数量 单位：个/mlTab.1 The number of ammoniated bacteria in different cultivation area Unit:pcs/ml

表2 不同栽培面积亚硝酸菌数量 单位：个/mlTab.2 The number of nitrite bacteria in different cultivation area Unit: pcs / ml

表3 不同栽培面积硝酸菌数量 单位：个/mlTab.3 The number of nitrate bacteria in different cultivation area Unit: pcs / ml

表4 不同栽培面积反硝化细菌数量 单位：个/mlTab.4 The number of denitrifying bacteria in different cultivation area Unit: pcs / ml

分析以上数据，可以得出以下结论：1)脱氮细菌的生长较快，数量大概以10倍速度增长；2)栽培蕹菜对脱氮细菌的生长有利，栽培蕹菜时脱氮细菌数量比不栽培蕹菜时的数量多，氨化细菌例外，蕹菜对氨化细菌的影响较小；3)蕹菜的栽培面积对脱氮细菌的影响较小，50%栽培面积和25%栽培面积的脱氮细菌数量基本一致，尤其体现在栽培后期.4)栽培蕹菜有利于脱氮细菌的稳定生长，栽培蕹菜时氨化细菌、亚硝酸菌、硝酸菌、反硝化细菌的比例为1∶10∶10∶10，尤其体现在栽培后期，而不栽培蕹菜时脱氮细菌的比例波动很大；5)氨化细菌的生长受其他脱氮细菌的影响，随着时间推移，氨化细菌的比例下降，而其他脱氮细菌比例上升.

2.2 不同条件下水中总氮的变化

在测定脱氮细菌数量的同一时间(7月18日，7月31日，8月14日，8月28日，9月11日)，监测水箱中总氮的含量(单位：mg/l)，分析其随时间的变化情况，同时将50%栽培面积、25%栽培面积、不栽培蕹菜这三组变化进行对比，分析栽培面积对水质的影响，分析如下：

表5 不同栽培面积时水中总氮的含量及总氮的去除率 单位：个/mlTab.5 Total nitrogen in water and total nitrogen removal rate in different cultivation area Unit: pcs / ml

由表5可知：1)栽培初期总氮含量变化很小，两周后变化较大，当总氮含量达到2 mg/l时氮的去除比较困难； 2)不同栽培面积时总氮含量变化趋势一致，栽培面积对氮的去除率影响较小，这明显与前人研究有出入，宋超、陈家长[9]等人在浮床栽培空心菜对罗非鱼养殖池塘水体中氮和磷的控制的研究中，证明了蕹菜栽培时间与栽培面积与氮的去除效果呈现较好的正相关关系，栽培时间越长(>60 d)，栽培面积与去除效果的正相关性越明显.这有可能是本试验中水箱较小，植物和微生物数量接近水箱中生物承载量所致.3)栽培蕹菜有效提高了水中总氮的去除率，栽培面积越大，提升幅度越大.

2.3 分析

根据本试验中得出的一系列数据进行比较分析，1)蕹菜对总氮的去除效果：在栽培初期，蕹菜呈倒伏状态，显然尚未适应水箱中的环境，对总氮的去除效果不明显，栽培两周后，植株直立并开始快速生长，对总氮的去除效果非常显著，后期由于水中总氮含量很低，蕹菜的生长速度和对总氮的去除效果同时降低；2)脱氮细菌对总氮的去除效果：由于脱氮细菌的生命周期较长，在栽培初期并未完全发挥出应有的作用，两周后脱氮细菌对氮的去除较为明显；3)蕹菜对水中脱氮细菌的生长有促进作用，栽培蕹菜的水箱中脱氮细菌数量比空白水箱高出近一个数量级，且栽培时间越长，差距越明显；4)蕹菜栽培面积对氮的去除率影响较小，这与前人研究不一致，初步推测可能是由于宋超、陈家长等人的研究是在池塘中进行的，而本试验是在水箱中进行的，环境不同所致；5)总氮去除率与是否栽培蕹菜有很大关系，栽培面积较大时去除率也有小幅提升，初步推测如果水域面积适合栽培数量，栽培面积与去除率的正相关性会更明显[10].

3 结论与展望

3.1 主要结论

栽培蕹菜的情况下，脱氮细菌的生长有以下几个特征：1)脱氮细菌的增长速度较快，以将近10倍的速度增长；2)栽培蕹菜对脱氮细菌的生长有促进作用，栽培蕹菜时脱氮细菌的数量明显比不栽培时要多，但栽培面积对脱氮细菌的影响较小；3)栽培蕹菜对氨化细菌的促进作用不如其它脱氮细菌，氨化细菌、亚硝酸菌、硝酸菌、反硝化细菌的比例最终稳定在1∶10∶10∶10.

脱氮细菌对总氮的去除主要体现在以下几个方面：1)栽培两周后脱氮效果较好，当总氮含量达到2 mg/L时，氮的去除比较困难；2)脱氮细菌的数量与氮的去除有良好的正相关性.

3.2 展望

试验过程中，还有许多地方有待进一步研究：1)该文因测量数据有限，只分析脱氮细菌对总氮的影响，而其对氨氮，亚硝酸盐氮，硝酸盐氮，有机氮，COD的影响可以进一步研究；2)对脱氮有影响的除了脱氮细菌这一因素之外，应该还有植物根系的吸收等其他因素，两者之间是否存在一定的数量关系有待进一步研究；3)脱氮细菌除了对总氮有影响外，还可能对其他水质指标(如COD)有影响，有待进一步研究.若能解决以上几个问题，相信浮床栽培技术的理论体系会更加完善，这一技术的应用也会更加广泛.

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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

国家星火计划项目资助(编号：2008GA760007)

王珊珊(1990-)，女，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向：环境生态学. *通讯作者，E-mail：ljd@hubu.edu.cn.

2095-7300(2015)01-006-05

Q939.9

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