植物生态浮床富营养化河道净化效果研究

徐文菊

（山东省临沂市莒南县水利局大店水利服务中心,山东 莒南 276600）

0 引言

当前水体的各种污染原因中最多的就是水体富营养化,水体富营养化会破坏水体的生态环境,滋生大量藻类,导致鱼类死亡。针对富营养化的水体,常用的治理方式有化学药剂杀藻、曝光、挖掘等,但上述治理措施实施起来成本较高,同时容易形成二次污染[1-3]。最近几年,随着科技的发展,生物修复技术逐渐应用在治理富营养化水体中,目前已有较多研究表明可通过植物生态浮床和微生物相结合的方式来对水体富营养化进行治理。当前植物生态浮床对于水体的异位修复和原位修复主要分为两种,但应用较多的为前者[4]。对于异位修复技术,Hu 等[5]在实验室内研究了栽有植物的生态污泥浮床对TP 和TN 浓度超标水体的净化效果,但生态污泥浮床对TP 和TN 的净化率未超过40%。Cui 等[6]通过制作垂直型生态浮岛,并种有美人蕉,以此研究其去除TN 的效果,但结果表明净化效果不足10%。所以生态浮床的异位修复在操作难度和净化效果方面都不太理想。相比之下,原位修复操作简单,造价低廉。胡绵好等[7]研究了富营养化水体中负载微生物生态浮床的修复效果,发现其去除TP 和TN 率均超过60%。

基于此,为了掌握生态床净化富营养水体的机理,增强其净化效果,本文通过制作植被生态浮床,对净化后水体理化指标、根际圈微生物种类和数量的变化进行对比和分析。

1 研究区概况

某景观湖水深平均1.5 m,水体总容量近49000 m3,将其中160 m2作为生态浮床修复实验点,水深近0.6 m～1.3 m 的弧形小湖。富营养化水体研究区总长度近35 m,最宽处和最窄处分别为16 m 和4.6 m。研究区内设置两个生态浮床和4个取样点,取样点编号分别为A、B、C、D,生态浮床主要分布在取样点B 两侧,A →B/C →D 为小湖内水流方向,具体布置见图1。

图1 生态浮床布置情况

2 研究方法和材料

2.1 试验材料和设备

为所选植物为麻竹和美人蕉,均购自研究区当地街市,并购买植物定植框、聚乙烯泡沫浮漂等。制作LB 固体培养基,准备琼脂粉15 g,10 gNaCl,5 g 酵母提取物,pH 值控制在7.0,制作完毕后在122℃环境下持续20 min 灭菌后方可使用。试验过程中使用到的主要仪器有高压蒸汽灭菌锅、COD 消解仪、碱式滴定管、台式高速离心机、电热恒温培养箱、紫外可见分光光度计等。植物生态浮床的面积是3 m×1.5 m,其组成具体包括兰花托架、支撑架、聚乙烯泡沫浮漂、固定化绳索等,植株最大允许种植数为120 株。

2.2 试验内容

本研究的试验内容主要分为观测植物生态浮床对弧形小湖的治理效果和统计根际圈微生物的种类、数量。对于前者,把美人蕉固定栽种在生态浮床的兰花托架套筒中,种植间距为5 cm,对湖水中的TP、COD、TN 以及NO3-进行定时测量,时间间隔为3 d。设置取样点4 个,依次是：浮床区水样、出水口水样、入水口水样以及浮床对面水样。除此之外,要对富营养化湖水中美人蕉的生长情况进行观测和记录。在对植物根际圈微环境进行观察时,定时间隔15 d 统计各植株根际圈微生物的种类和数量,由此来判断水体治理过程中微生物和植物的作用,同时能够在一定程度上体现出富营养水体受生态浮床的净化程度。在此次试验里,目标植物随机选择了三株美人蕉,,每隔15 d 取1 g 根际圈泥土并置于温室自然风干12 h；之后通过2 mL 无菌水进行稀释,在9 mL 的无菌水中放入1 mL 稀释后的溶液,制成1∶10 的样品溶液；之后再次于9 mL 无菌水中放入1 mL 的1∶10 样品溶液,制成1∶100的样品溶液,重复此步骤,依次制成1∶103、1∶104、1∶105、1∶106、1∶107和1∶108的样品溶液。样品溶液制作完成后,各取出50μL 放置在 LB 固体培养基里,完成涂布后放置于恒温培养箱（37°C）中培养1 d,各类稀释比例分别重复5 个平板。再通过最大或然数法对样品中的微生物数量进行计算,并结合形态学对根际圈微生物的类型进行判定。

2.3 测定方式和分析数据

选择快速密闭催化消解-滴定法来对COD 进行测定,选择麝香草酚分光光度法对TN 和NO3-进行测定,选择钼锑抗氧化分光光度法对PT 进行测定。各项指标的测定均设置3个平行样品,最终结果取3 个样品测定结果的均值,同时将各组数据绘制成图。

3 结果分析

3.1 分析水体理化指标

试验区水体于2019年7 月至2020年7 月间多次出现富营养化情况,通过测定发现水体各项理化指标均超过国家标准,属于劣 V 类水,具体结果见表1。

表1 水体各项理化指标

3.2 治理效果分析

通过植物生态浮床对富营养化水体进行治理,各指标变化趋势见图2。从图中能够看出,治理时间未超过40 d 时,TP、NO3

图2 时间增长各指标变化趋势

-、COD 以及TN 的含量会因湖水容量的变化而变化。经过比较后得知,各取样点指标大小为：出水口＜浮床区＜浮床正对面＜入水口。通过上述分析能够得出,水体中各指标在水体从入水口流入出水口时均有所降低；造成各指标减小的原因可能是自然沉淀作用、湖底鹅卵石吸附作用、湖内生物作用、生态浮床的作用以及根际圈微生物作用；同时对比发现生态浮床附近的各项指标均低于正对面水体,这表示在湖水净化过程中生态浮床在一定程度上发挥了积极作用。在试验进行到15 d 时,暴雨对泥土的冲刷导致试验区附近泥土流失到湖水里,从而大大提高了TP、NO3-、COD 以及TN 的数值,缩小了不同取样点间的差值。从整体来看,生态浮床在净化富营养化水体方面有一定的效果。在出水口处水质达到了国家标准,具体见表1。参考其他文献能够发现,美人蕉能够很好地在水中和土中生长,且能够对环境进行美化,是一种非常合适的植物。与此同时,生态浮床可作为遮荫场所给水中生物遮挡阳光,形成的小型生态环境给根际圈生物创造了良好的环境,在很大程度上改善了水体环境。

3.3 美人蕉根际圈处微生物数量的变化

空气、水和土体中均存在大量的微生物,而微生物生长必不可少的就是磷、氮等元素,这给富营养化水体中微生物的应用创造了条件。相关研究发现,微生物的活性会受基质中含氮量的影响,微生物的活性会随着土壤中含氮量的增大而增大。同时,植物根际圈微生物能够提高植物的生长速度,并且植物的快速生长又会使微生物的活性大大提高,两者相辅相成。所以,在评判植物的生长情况和根系活性时根际圈微生物数量的把控十分重要。

此次研究在60 d 内跟踪记录了美人蕉根际圈微生物数量的变化情况,具体见图3。从图3 中能够发现植物生长时,微生物数量和根系数量呈现出正相关关系,即植被根系越多,微生物数量也就越多。美人蕉根际圈微生物的数量在30 d 时增长幅度较大,跨越2 个数量级,之后增长幅度较小,基本不再变化。结合上述分析,表明美人蕉在净化治理富营养化水体方面效果显著,值得注意的是微生物和植物在这个净化过程中都发挥了重要作用。

图3 美人蕉根际圈微生物数量的变化情况

3.4 美人蕉根际圈处微生物种类的变化

根据LB 固体培养基所得出的培养结果能够发现,随机选择的美人蕉根际圈微生物在60 d 内种类没有出现改变。但不同植株间的微生物类型相差较大,具体结果见表2。从表2能够看出,A 组、B 组和C 组的微生物种类分别为5 种、6 种和4 种。在3 组培养基种均存在的微生物是4 号菌落和1 号菌落代表的微生物,且C3 和B6 的菌落为3 组都有的微生物为1 号菌落和4 号菌落,B6 和C3 为同一种微生物。所以在水体净化治理过程中发挥关键作用的微生物大概率是聚磷菌与反硝化细菌。

表2 菌落微生物特点

4 结论

为了研究植被生态浮床对水体的净化效果,通过试验对净化后水体理化指标、根际圈微生物种类和数量的变化进行了对比和分析,得出以下结论：

1）各取样点指标大小为：出水口＜浮床区＜浮床正对面＜入水口,水体中各指标在水体从入水口流入出水口时均有所降低,在出水口处水质达到了国家标准；生态浮床附近的各项指标均低于正对面水体,这表示在湖水净化过程中生态浮床在一定程度上发挥了积极作用。

2）植物生长时,微生物数量和根系数量呈现出正相关关系,即植被根系越多,微生物数量也就越多；美人蕉根际圈微生物的数量在30 d 时增长幅度较大,跨越2 个数量级,之后增长幅度较小,基本不在变化,表明美人蕉在净化治理富营养化水体方面效果显著,值得注意的是微生物和植物在这个净化过程中都发挥了重要作用。

3）随机选择的美人蕉根际圈微生物在60 d 内种类没有出现改变,但不同植株间的微生物类型相差较大,在水体净化治理过程中发挥关键作用的微生物大概率是聚磷菌与反硝化细菌。