环境因子对光合细菌提升猪粪水肥效的影响

秦 秦,孙丽娟*,宋 科,孙雅菲,段海芹,江建兵,薛 永**

(1 上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海201403;2 上海低碳农业工程技术研究中心,上海201403;3 上海农业环境保护监测站,上海201403;4 上海海洋大学,上海201306;5 安顺学院,安顺561000)

随着我国畜禽养殖业的迅猛发展,畜禽粪便排放量剧增,它所带来的环境污染问题也越来越突出。据估算,2012 年畜禽粪便总产量可达26.89 亿t[1],已成为水环境污染的主要源头[2-3]。 另一方面,畜禽粪便污水中丰富的氮、磷等营养物质也是较好的有机肥源,可作为液体肥料用于提高土壤肥力[4-5]。 因此,畜禽粪便肥料化处理一直受到学者们的广泛关注。

光合细菌是一类以光作为能源、可在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物[6],在我国被广泛用于畜禽粪便污水处理等。 张桂馥等[7]研究表明,猪粪水经光合细菌处理后,其主要营养元素磷、钠增加较多。 史家梁等[4]研究证明粪便污水经光合细菌处理后可以全部转化为含有大量光合细菌的安全、优质和高效的有机肥料,田间施用后可使青菜、莴笋、黄瓜增产1.6%—50%。 吴淑杭等[8]利用光合细菌对猪粪水进行资源化处理,将其转化成优质有机液肥,番茄施用后,增产效果显著。 文珊[9]和张正红等[10]研究发现,光合细菌还能够通过自身代谢处理猪粪水中卤代烃、芳香烃等诸多难降解的有机化合物,减轻农田土壤有机污染。 本研究以猪粪水为原料,研究温度、酸碱度和培养周期等环境因子对光合细菌处理猪粪水中氮素、磷素的影响,旨在为畜禽废水污染问题的解决提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试光合细菌液体菌剂购自江苏绿科生物技术有限公司,细菌含量为10 亿个∕mL。 供试小青菜种子(‘新夏青3 号’)由上海市农业科学院设施园艺研究所提供。 供试猪粪水采自上海市农业科学院庄行综合试验站养猪厂。 猪粪水的基本理化性质如表1 所示。

表1 猪粪水的基本性质Table 1 The piggery wastewater property

1.2 不同环境因子对光合细菌提升猪粪水肥效的影响

1.2.1 温度

100 mL 猪粪水添加0.1%光合细菌液体菌剂后,在光照强度为3 000—3 500 lx、16 h 光照∕8 h 黑暗条件下,分别置于25 ℃、30 ℃和35 ℃的光照培养箱中,培养5 d,研究温度对光合细菌提升猪粪水肥效的影响。

1.2.2 酸碱度

100 mL 猪粪水添加0.1%光合细菌液体菌剂后,分别调节pH 至4.5、5.5、7.5、8.5,在光照强度为3 000—3 500 lx,16 h 光照∕8 h 黑暗条件下,30 ℃培养5 d,研究pH 对光合细菌提升猪粪水肥效的影响。

1.2.3 培养周期

100 mL 猪粪水添加0.1%光合细菌液体菌剂后,在光照强度为3 000—3 500 lx、16 h 光照∕8 h 黑暗、30 ℃条件下,分别培养0 d、3 d、5 d、10 d、15 d、20 d、30 d,研究培养周期对光合细菌提升猪粪水肥效的影响。

1.3 光合细菌处理的猪粪水对小青菜萌发及幼苗生长的影响

参考秦亚芬[11]和梁肖娜[12]的方法,分别将光合细菌猪粪水液肥稀释0 倍(未稀释)、10 倍、100 倍和1 000 倍,每种液肥稀释液中浸泡40 粒小青菜种子,以浸泡在蒸馏水的种子作为对照,重复3 次。8 h 后取出,平放在铺有消毒、湿润的无菌滤纸的培养皿中,置于30 ℃恒温培养箱中,24 h 后观察并记录萌发种子数目。 向500 mL 烧杯中(用消毒纱布将皿口绷紧)注入清水至与皿口相平,各处理挑选20 粒发芽种子,将其平铺在纱布上,将烧杯置于30 ℃培养箱(16 h 光照∕8 h 黑暗)下培养7 d。 随机挑选10 株小青菜幼苗测定根长、株高、鲜重、干重。

1.4 数据分析

使用Excel 2010 和SPSS 18.0 软件进行统计分析,并采用多重比较法进行显著性检验,显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 温度对光合细菌提升猪粪水肥效的影响

如图1 所示,相比25 ℃和35 ℃,在30 ℃培养条件下,光合细菌处理后的猪粪水中氮素浓度最高。 其中,总氮、硝氮和氨氮浓度分别为109.78 mg∕L、11.58 mg∕L 和66.50 mg∕L,分别是25 ℃和35 ℃培养条件下猪粪水中氮素营养的1.08 倍、1.02 倍、1.0 倍和1.16 倍、2.18 倍、1.17 倍。 但不同处理间的猪粪水中各类氮素含量无显著差异。

由图2 可知,在25 ℃条件下,光合细菌处理后的猪粪水中总磷浓度为8.51 mg∕L。 随着温度升高,光合细菌处理后的猪粪水中总磷浓度逐渐下降,但不同处理间差异并不显著。 光合细菌处理猪粪水中活性磷酸盐浓度呈先增加后下降的趋势。 30 ℃条件下,猪粪水中活性磷酸盐浓度最高,分别是25 ℃和30 ℃培养的猪粪水中活性磷酸盐浓度的1.30 倍和1.14 倍,但差异并不显著。

2.2 酸碱度对光合细菌提升猪粪水肥效的影响

由图3 所示,酸碱度显著影响光合细菌处理的猪粪水中总氮和硝氮浓度,但对氨氮浓度无显著影响。pH 从4.5 升高至7.5,光合细菌处理的猪粪水中总氮浓度显著上升,当pH 从7.5 升高至8.5 时,猪粪水中总氮浓度虽然上升,但与pH 7.5 时总氮浓度无显著差异。 而随着pH 升高,光合细菌处理的猪粪水中硝氮浓度呈现先上升后下降的趋势,pH 7.5 时光合细菌处理的猪粪水中硝氮浓度最高,分别比pH 4.5、pH 5.5 和pH 8.5 时高137.24%、74.18%和7.67%。

由图4 可知,不同pH 条件下,光合细菌处理的猪粪水中磷素含量发生了显著变化。 总体上,酸性条件下光合细菌处理猪粪水中总磷和活性磷酸盐浓度显著高于碱性条件下。 pH 4.5 时,光合细菌处理的猪粪水中总磷和活性磷酸盐浓度最高,分别是pH 5.5 时的1.13 倍和1.07 倍。

2.3 培养周期对光合细菌提升猪粪水肥效的影响

如图5 所示,除培养30 d 外,其余培养周期对光合细菌处理的猪粪水中总氮浓度整体无显著影响,培养3—5 d 时,光合细菌处理的猪粪水中总氮浓度相对较高。 培养30 d 时,光合细菌处理的猪粪水中总氮浓度明显下降,与培养5 d 相比,总氮浓度下降8.82%。 培养20 d 时,光合细菌处理的猪粪水中硝氮浓度开始呈下降趋势,但不同培养天数对光合细菌处理猪粪水中硝氮浓度整体影响较小。 培养时间超过3 d,光合细菌处理的猪粪水中氨氮浓度开始显著下降,培养15 d 时,氨氮浓度开始显著升高,除培养30 d外,其余各处理与经光合细菌处理3 d 的猪粪水中氨氮浓度差异较小。

从图6 可知,培养3 d,光合细菌处理猪粪水中总磷浓度最高,培养30 d,光合细菌处理的猪粪水中总磷浓度最低,与培养3 d 时相比,下降了70.41%。 光合细菌处理的猪粪水中活性磷酸盐浓度整体呈下降的趋势,培养1 d 和3 d 时猪粪水中活性磷酸盐浓度相对较高,分别为44.40 mg∕L 和33.19 mg∕L。

2.4 光合细菌处理的猪粪水对小青菜种子萌发和幼苗生长的影响

如表2 所示,100 倍和1 000 倍稀释后的猪粪水处理的小青菜种子,其发芽率是对照的1.02 倍和1.32 倍,而0 倍和10 倍稀释的猪粪水处理的小青菜种子发芽率却显著低于对照。 与对照相比,不同稀释倍数猪粪水处理的小青菜根长显著升高,0 倍、10 倍、100 倍和1 000 倍稀释的猪粪水处理的小青菜幼苗根长分别提高了42.77%、12.24%、14.94%、26.07%;100 倍和1 000 倍稀释的猪粪水处理的小青菜幼苗株高均显著增加,分别提高了16.08%、26.81%,其中1 000 倍稀释处理幼苗株高最大,达4.73 cm;1 000 倍稀释处理的小青菜幼苗鲜重和干重分别比对照提高了15.79%和33.33%。

表2 光合细菌处理的猪粪水对小青菜种子萌发和幼苗生长的影响Table 2 The effect of piggery wastewater treated by photosynthetic bacteria on the seed germination and seedling growth of brassica chinensis

3 结论与讨论

通过微生物的降解转化作用,畜禽粪便可以实现循环利用,进而减轻对水环境的污染[8]。 光合细菌无论是在光照厌氧还是在黑暗好氧条件下,都具有降解高浓度有机废水(如畜禽粪污)的能力,同时光合细菌还能产生诸多维生素、光合色素、辅酶Q 和促生因子等活性物质,可明显促进农作物生长[13-14]。 探索光合细菌提升畜禽粪便污水肥效因子,提高畜禽粪便污水利用效率,对解决周边水环境污染、提高农作物产量和品质具有重要的现实意义。

3.1 光合细菌提升猪粪水氮素营养的最适环境因子

本研究中,温度对光合细菌处理的猪粪水中氮素含量总体无显著影响,但30 ℃条件下,光合细菌处理的猪粪水中氮素含量比25 ℃和35 ℃条件下高,这可能是因为30 ℃条件下光合细菌的光合速率较高[15],进而影响猪粪水中氮素营养的合成所致。 酸碱度显著影响光合细菌处理猪粪水中总氮和硝氮浓度,pH 7.5 时,经光合细菌处理的猪粪水中总氮和硝氮浓度最高。 这可能是该pH 条件适宜光合细菌生长,增强了光合细菌的固氮能力,提高了猪粪水中的氮素水平所致[7]。

3.2 光合细菌提升猪粪水磷素营养的最适环境因子

活性磷酸盐是一种限制性磷素营养盐,可以被植物、细菌和藻类所利用。 提升光合细菌处理的猪粪水中活性磷酸盐含量更有利于增加猪粪水中磷素营养利用效率。 本研究中,温度对光合细菌处理的猪粪水中总磷和活性磷酸盐浓度影响不同。 25 ℃条件下,光合细菌处理的猪粪水中总磷浓度最高,而30 ℃培养的猪粪水中活性磷酸盐浓度最高。 在30 ℃条件下,当pH 降至4.5 时,经光合细菌处理的猪粪水中总磷和活性磷酸盐浓度最高。 这可能是因为酸性条件下,光合细菌对活性磷酸盐的吸收能力降低,磷代谢能力减弱,生物体内储备的磷化物以可溶性盐的形式逆向释放所致[16]。

3.3 光合细菌处理猪粪水的应用效果

光合细菌处理的猪粪水经适宜的倍数(即100 倍和1 000 倍)稀释能够显著促进小青菜种子萌发,其中,高稀释倍数的光合细菌处理的猪粪水对小青菜种子萌发促进效果最好,与秦亚芬等[11]研究结果一致,这可能是因为低稀释倍数的光合细菌处理的猪粪水中活菌浓度较高,高浓度的活菌进入种皮后,活菌附着在胚上,破坏了胚的完整性,致使胚活力降低。 在植株生长发育方面,光合细菌处理的猪粪水经适宜的倍数稀释能够促进小青菜的根长、株高、干重和鲜重,尤其是1 000 倍的光合细菌处理的猪粪水对小青菜根长和株高有显著的促进作用,这可能是因为光合细菌提高了根系周围微生物活性,有效改善了植株根际环境,从而促进了植株生长发育,使得小青菜根长和株高显著提高[17]。