浮床栽培蕹菜根际微生物特征研究

卢进登, 袁 檬, 翁沁玉, 解 玲, 陈红兵

(湖北大学资源环境学院,湖北武汉430062)

浮床栽培蕹菜根际微生物特征研究

卢进登, 袁 檬, 翁沁玉, 解 玲, 陈红兵

(湖北大学资源环境学院,湖北武汉430062)

以浮床栽培蕹菜根际微生物中的细菌为例,分别在水箱中栽培25%、50%面积的蕹菜以及不栽培蕹菜的空白对照组,采用PFU法定期观察培养期间细菌的动态特征,以及细菌总数与水中COD含量的变化,分析它们之间的关系,得出:(1)25%和50%栽培面积的细菌数比对照组高1个数量级;(2)蕹菜生长4周内,蕹菜的栽培面积与细菌总数呈正相关关系,生长4周后水中细菌总数与栽培面积无明显相关;(3)50%栽培面积的COD去除率为63. 54%,25%栽培面积的去除率为47.92%,对照组为25%,故浮床栽培植物根际微生物的生长对水中有机物的降解有显著作用.研究从微生物角度定量地论证了浮床栽培植物的根际微生物对水中有机物的降解作用,从而完善了浮床栽培植物治理富营养化水体的理论基础,有利于该技术的推广应用.图2,表3,参8.

浮床栽培;根际微生物;细菌总数;COD;PFU法

水体的富营养化是一个引起全球关注且亟待解决的环境问题,它的预防、治理方法有很多.其中,生态浮床技术——一种运用无土栽培技术原理,以高分子材料为载体和基质,采用现代农艺与生态工程措施综合集成的水面无土栽培植物技术,以其具有运行维护简单、投资省、没有二次污染、可改善生态与景观等诸多优点得到人们亲睐,得到广泛研究和应用[1-3].通过水生植物根系的截留、吸附、吸收和水生动物的摄食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[4].

对浮床栽培植物净化水质的研究大多仅停留在植物生长从水中吸收了多少营养物质上,对其发达根系周围的微生物、微生态环境特征及其对净化水质的贡献尚无研究.试验表明水中浮床栽培植物的根系生物量大大超过土壤栽培同样植物的根系生物量,极其发达的根系周围集聚大量的微生物, James F.Reilly等认为这些微生物在有机物降解、氮的去除上可能起着主导作用[5].此外,根系创造的微生态环境必定还有大量的微小动物甚至昆虫生活其中,对他们的研究更未见报道.研究设计温棚内浮床栽培蕹菜的试验方案,定期监测试验水箱中COD含量、用PFU法(应用聚氨酯泡沫塑料块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])测定相关微生物类群(以细菌总数为例)的变化情况,并与空白对照进行对比分析,观察在浮床栽培植物情况下的植物根际微生物的特征及其与水中COD含量之间的变化的关系,进而论证浮床栽培植物其根系微生物是否对有机物降解有显著效应.为浮床栽培技术提供微生物在降解有机物方面的依据.

1 材料与方法

1.1 实验设计

实验选取5个长120 cm,宽60 cm,高100 cm的大水箱,编号并贴上标签.污水取自湖北大学污水池,加入污水至实验水深(估计80 cm左右)的1/2处,加自来水至实验水深,试验水样COD初始值48㎎/L.在每个水箱中水面下20 cm、50 cm处各放置4个PFU块.1号与2号栽培50%水箱表面积的蕹菜,3号与4号栽培25%水箱表面积的蕹菜,5号作为空白对照,不栽培蕹菜.

1.2 采样方法

栽培时间为8周,每2周采样一次.采样前测量一次水箱中受试水体的pH、DO、COD、水温电导率、氧化还原电位、叶绿素a等指标.采样使用PFU微型生物群落监测法,即提取不同高度的PFU块各一个,挤出水样保存.采样后加自来水至水箱实验水深标线处,测量水箱中受试水体的水温,各水箱中泡沫板和蕹菜的总质量以及蕹菜的高度,并记录.

1.3 测定方法

COD:重铬酸钾法(GB11914—89)[7];

细菌总数:平板菌落计数法(GB47892—94)[8].

2 结果与分析

试验采样、监测日期分别为7月31、8月14、8月28、9月11,主要测定细菌总数、COD,分析根际微生物的数量变化及有机物的降解率.培养后细菌生长情况良好,试验期间细菌总数变化情况如表1.

表1 试验期间细菌总数变化情况Tab.1 The change of total bacteria during the test

据表1可知,细菌数量以近10倍的速度增长,增长数量较大,故取对数值作图1.由图可知,不同栽培面积的蕹菜根际的细菌总数都是随时间而不断增长的,栽培了蕹菜的培养池中细菌总数相近,且都显著高于空白培养池,9月11日,50%和25%栽培面积的细菌数相同,与空白的细菌数相差最大,比空白高1个数量级.这表明栽培蕹菜有利于微生物的生长,而蕹菜根系发达,也有利于微生物在其表面附着、生长和繁殖.

图1 试验期间细菌总数变化图Fig.1 The change of total bacteria during the test

观察不同栽培面积的培养池中细菌总数随时间变化的情况,50%栽培面积的细菌总数最大,其次是25%的,空白最少,即蕹菜的栽培面积与细菌总数呈正相关关系.8月28日与9月11日栽培面积为50%和25%的细菌总数无明显变化,这表明蕹菜生长4周后,培养池中细菌总数与蕹菜栽培面积无明显差异,可能与蕹菜生长一定时间后其根系已相对发达,而试验水箱容积有限的情况下细菌总数就不再表现出明显差异.

分析水中COD含量与细菌总数之间的关系,如表2、图2.

表2 试验期间COD浓度变化情况Tab.2 The change of COD concentration during the test

图2 试验期间COD浓度变化情况Fig.2 The change of COD concentration during the test

由表2、图2可以看出,培养池中COD都随时间而降低.其中,栽培面积为50%的培养池中,COD降解最快、最多,在实验前2周COD的降解速率最大,第2到4周降解速率稍减,第4到8周速率最小, COD无明显减少.空白培养池中COD减少量最小,降解速率缓慢而平稳.栽培面积25%的培养池中COD在前4周降解较快,后4周几乎没有变化.最终的COD浓度按从低到高的顺序为:50%栽培面积＜25%栽培面积＜空白.

整体来说,栽培蕹菜的培养池中COD的减少量比空白的大,这说明栽培蕹菜有利于微生物的生长,有利于水中有机物的去除.

以9月11日的COD值求得最终的COD去除率,如表3,培养池中的COD都有所降低,50%栽培面积的去除率是25%的1.3倍,是空白的2.5倍, COD的去除率随栽培面积的降低而降低,故COD的去除率与蕹菜栽培面积呈正相关关系.

表3 COD的去除率Tab.3 The removal rate of COD

3 结论与讨论

研究可以得出如下主要结论:(1)25%和50%栽培面积的细菌总数比对照组高1个数量级,因而栽培蕹菜有利于根际微生物的生长;(2)蕹菜生长4周内,蕹菜的栽培面积与细菌总数呈正相关关系; (3)50%栽培面积的COD去除率为63.54%,25%栽培面积的去除率为47.92%,对照组为25%,COD的去除率随栽培蕹菜面积的减小而减小,故浮床栽培植物根际微生物的生长对水中有机物的降解有显著作用.综上所述,浮床栽培植物其根系微生物对有机物降解是有显著效应的.

研究可能存在问题及对后续研究的展望:(1)根际微生物在数量和种类上都比非根际多,其代谢活动也比非根际旺盛,采用PFU法在培养水箱中采样可能由于水箱中微生物分布不均,使试验结果存在偏差;(2)植物根系分泌物对根际微生物生长的影响,本研究未能就此问题进行探讨,有待进一步研究;(3)根际微生物中还有其它可去除COD的种类,如放线菌、霉菌、酵母菌等,研究均未涉及,也有待进一步的研究;(4)如能就不同的栽培植物种类,对不同微生物类群进行更详细、深入的研究,则可有更全面的数据支持,有利于建立浮床栽培植物与微生物的关系、有机物降解的关系的数学模型,为浮床栽培植物净化水质提供更有力的理论支持.

[1]Miao Li,Yue-Jin Wu,Zeng-Liang Yu,etal.Nitrogen removal from eutrophic water by floating-bed-grown water spinach (Ipomoea aquatica Forsk.)with ion implantation[J].Water Research,2007,41(14):3 152-3 158.

[2]Kathleeb S,Nicole W,Emily PG.Mercury uptake and accumulation by four species of aquatic plants[J].Environmental Pollution,2007,145(1):234-237.

KATHLEEB S,NICOLEW,EMILY PG.四种水生植物对汞的吸收和积累[J].环境污染,2007,145(1): 234-237.

[3]宋祥甫,邹国燕,吴伟明,等.浮床水稻对富营养化水体中氮、磷的去除效果及规律研究[J].环境科学学报, 1998,18(5):489-493.

SONG Xiang-fu,ZOU Guo-yan,WU Wei-ming,et al.Study on the removal effect and regulation of rice plants on floating-beds tomain nutrients N and P in Eutrophicated water bodies[J].Acta Scientiae Circumstantiae,1998,18(5): 489-493.

[4]胥丁文,陈玲娜,马 前.生态浮床技术的应用及研究新进展[J].中国给排水,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&WASTE WATER,2010,26 (14):11-15.

[5]James F R,Alex JH,Craig D M.Nitrate removal from a drinking water supply with large free-surface constructed wetlands prior to groundwater recharge[J].Ecological Engineering,1999,14(1-2):33.

[6]GB 12990—1991.PFU微型生物群落监测方法[S].2001.

GB 12990—1991.Water quality-Microbial community biomonitoring-PFU method[S].2001.

[7]GB11914-89.COD测定重铬酸钾法[S].

GB11914—89.Water quality-The determination of COD-potassium dichromatemethod[S].

[8]GB47892—94.中华人民共和国国家标准食品卫生微生物学检验菌落总数测定[S].1994.

GB47892—94.Microbiological examination of food hygiene Detection of aerobic bacterial count[S].1994.

The characteristic research of rhizospherem icrobes in floating bed cultivated swam p cabbage

LU Jin-deng, YUAN M eng, WENG Qin-yu, XIE Ling, CHEN Hong-bin

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

This paper researched the characteristics of rhizospheremicrobes in floating bed cultivated swamp cabbage,took an example of bacteria.The testwas divided into 3 groups according to the cultivation area ratio of swamp cabbage:50%group,25%group and zero,as a experimental control.We regularly observed the dynamic characteristics of bacteria and COD by PFU method during the test,and then analyzed the relationship between them.The results showed that:first,the total bacterias of both 50%and 25%group were an order ofmagnitude higher than those of the control one.Second,swamp cabbage grew within 4 weeks,its cultivation area ratio had relative correlation to the total bacteria,and they showed no significant difference after 4 weeks.Third,the rate of COD removal was 63.54%by the 50%group, 47.92%by the 25%group,25%by the control group,so the growth of rhizospheremicrobes in floating bed cultivated plants had significant,linear correlation to the degradation of organic compounds in wastewater.Research quantitatively demonstrated the relationship between them from biological aspects to develop the theoretical foundation on eutrophied water treatment by floating bed cultivation,it benefits to popularize and apply this technology.2figs.,3tabs.,8refs.

Floating bed cultivated plants,rhizospheremicrobe,total bacteria,COD,PFU method

X52

A

2095-7300(2015)03-001-04

2015-09-01

科技部科技惠民计划(编号:S2013GMD100042);湖北省科技支撑计划(编号:2015BCA294)

卢进登(1965-),男,湖北咸宁人,教授,研究方向:环境工程.

Biography:LU Jin-deng,male,born in 1965,Professor,research direction for environmental engineering.