0371-60972711
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2017-07-21 15:21:09 來(lái)源： 點(diǎn)擊：
濱海河口區(qū)受潮汐作用影響，水體多為咸水或半咸水，經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象普遍存在.近年來(lái)，生態(tài)浮床技術(shù)在水生態(tài)修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用，生態(tài)浮床利用植物根系的吸附和吸收作用，能夠有效地降低水體中污染物濃度，同時(shí)，浮床植物根系能夠附著微生物，利用微生物的降解功能進(jìn)一步提高生態(tài)浮床對(duì)水體的凈化能力.有研究表明，在淡水環(huán)境中，植物根系分泌的有機(jī)酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)能夠促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，根系泌氧為植物內(nèi)生菌和根際微生物提供氧氣;同時(shí)，微生物降解產(chǎn)生的小分子有機(jī)物、無(wú)機(jī)物等可以被植物吸收利用，植物和微生物產(chǎn)生協(xié)同增效作用，進(jìn)一步強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)水質(zhì)的凈化效果;然而目前將生態(tài)浮床應(yīng)用于凈化濱海地區(qū)鹽堿水體的研究較少.受鹽堿脅迫的影響，一方面，植物的生長(zhǎng)受到限制，光合作用強(qiáng)度降低，根系活力下降，生態(tài)浮床對(duì)水體的凈化效果尚不清楚;另一方面，在鹽堿環(huán)境中，植物和微生物在凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體中能否產(chǎn)生與淡水環(huán)境中相同的協(xié)同增效作用有待進(jìn)一步探究.本研究選用鹽生植物堿蓬(Suaeda salsa)作為浮床植物，在浮床上安裝附著有微生物的人工介質(zhì)，構(gòu)建組合型浮床;通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，探究該組合型浮床對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化微鹽堿水體的凈化效果，對(duì)植物和微生物在水質(zhì)凈化過(guò)程中的協(xié)同增效作用進(jìn)行探討，并對(duì)浮床植物生長(zhǎng)狀況和微生物特征進(jìn)行分析，以期為組合型浮床在微鹽堿水體生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用提供理論支撐.1 材料與方法1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)在4個(gè)相同的反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)器長(zhǎng)寬高為80 cm×20 cm×50 cm，反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)70 cm，有效水深30 cm，反應(yīng)器由進(jìn)水系統(tǒng)、浮床系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)和出水系統(tǒng)4部分組成，如圖 1所示.其中，浮床系統(tǒng)由浮床植物、浮板和懸掛在浮板下的人工介質(zhì)3部分組成.實(shí)驗(yàn)選取濱海鹽生植物堿蓬作為浮床植物，選用聚乙烯泡沫板為浮板(50 cm×19 cm×2.5 cm)，浮板上帶有直徑為5 cm的植物種植孔，可以將植物固定在種植孔中;浮板下懸掛人工介質(zhì)(醛化纖維)，每組懸掛六串，每串長(zhǎng)25 cm;在反應(yīng)區(qū)底部安裝有曝氣系統(tǒng).
圖 1 組合型浮床示意
1.2 實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)用水為自行配置的模擬水，各項(xiàng)指標(biāo)均參考青島市李村河河口區(qū)水質(zhì)狀況，如表 1，水體鹽度為5‰~7‰，pH值為8.5~9.0.
表 1 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)指標(biāo)
實(shí)驗(yàn)用植物堿蓬采自青島市李村河河口區(qū).實(shí)驗(yàn)開始前，先將堿蓬植株在Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中水培15 d，待長(zhǎng)出新根后，選取長(zhǎng)勢(shì)良好且株高和根長(zhǎng)相近的植株作為浮床植物，并清洗根部.稱取200 g堿蓬植物種植于浮床的種植孔中，浮床植物平均株高19 cm，平均根長(zhǎng)4.5 cm，平均種植密度500株·m-2.浮床所用人工介質(zhì)在掛膜前進(jìn)行消毒，選對(duì)植物具有抗病蟲害、促進(jìn)植物生長(zhǎng)的枯草桿菌作為菌劑，采用悶曝法進(jìn)行掛膜，掛膜3 d后，人工介質(zhì)上出現(xiàn)淡黃色黏稠狀生物膜后，安裝于浮床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn).
1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)在編號(hào)為A、B、C、D的4個(gè)相同的反應(yīng)器中進(jìn)行，分別安裝空白浮床A、植物浮床B、微生物浮床C、植物+微生物組合型浮床D. 4組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)一供水，實(shí)驗(yàn)用水通過(guò)計(jì)量泵連續(xù)進(jìn)入配水池，再通過(guò)布水隔板上的布水孔均勻地進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，并從出水口(閥門2) 連續(xù)出水;調(diào)節(jié)進(jìn)水流速，控制力停留時(shí)間(HRT)為4 d. 4組實(shí)驗(yàn)均連續(xù)曝氣，調(diào)節(jié)曝氣量為0.8 L·min-1.實(shí)驗(yàn)從2016年5月26日(0 d)開始，至2016年6月19日(24 d)結(jié)束，實(shí)驗(yàn)期間各組水溫為15~18℃.采光良好，室內(nèi)氣溫為18~25℃.
1.4 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)試方法
實(shí)驗(yàn)開始后，每天上午08:00從反應(yīng)器出水口采集水樣，迅速在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行分析，測(cè)定水樣中的鹽度、pH、氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷的濃度和高錳酸鹽指數(shù).實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定各組水體中的細(xì)菌總量.分別在各組實(shí)驗(yàn)開始時(shí)和結(jié)束時(shí)，測(cè)量每組堿蓬的鮮重、株高和根長(zhǎng).
水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)按文獻(xiàn)方法測(cè)定.其中，水體中的氨氮采用納氏試劑分光光度法;硝態(tài)氮采用氨基磺酸紫外分光光度法;總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法;總磷采用過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法;高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定采用高錳酸鉀法;水體中細(xì)菌總量采用平板涂布法.
1.5 高通量測(cè)序分析
在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行24 d時(shí)從反應(yīng)器C、D中采集菌體樣品，并采用CTAB對(duì)樣本的基因組DNA進(jìn)行提取，檢測(cè)DNA的純度和濃度，進(jìn)行PCR擴(kuò)增和產(chǎn)物純化(委托北京諾禾致源公司完成).使用TruSeq® DNA PCR-Free Sample Preparation Kit建庫(kù)試劑盒進(jìn)行文庫(kù)構(gòu)建，構(gòu)建好的文庫(kù)經(jīng)過(guò)Qubit和Q-PCR定量，文庫(kù)合格后，使用HiSeq2500 PE250對(duì)細(xì)菌16S rDNA V4區(qū)進(jìn)行測(cè)序(委托北京諾禾致源公司完成).
利用Uparse軟件(Uparse v7.0.1001，http://drive5.com/uparse/)對(duì)所有樣品的全部Effective Tags進(jìn)行聚類，默認(rèn)以97%的一致性(Identity)將序列聚類成為OTUs(operational taxonomic units)，同時(shí)會(huì)選取OTUs的代表性序列，依據(jù)其算法原則，篩選的是OTUs中出現(xiàn)頻數(shù)最高的序列作為OTUs的代表序列.
選取每個(gè)樣品在門水平(Phylum)上最大豐度排名前10的物種，生成物種相對(duì)豐度分布圖.對(duì)不同樣品在97%一致性閾值下的Alpha Diversity分析指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).
1.6 數(shù)據(jù)分析
為探究組合型浮床在凈化富營(yíng)養(yǎng)化微鹽堿水體的過(guò)程中植物單元和微生物單元的作用，本研究在測(cè)定水體中各項(xiàng)污染物指標(biāo)的基礎(chǔ)上，用c/c0來(lái)表征出水污染物濃度變化，其中，c為出水污染物濃度(mg·L-1)，c0為進(jìn)水污染物濃度(mg·L-1);分別計(jì)算各污染物的去除率η1，其他作用(曝氣、光照等)去除率η2，植物單元去除率η3，微生物單元去除率η4，增效作用去除率η5，計(jì)算方法為：
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
對(duì)各組實(shí)驗(yàn)出水中污染物的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行初步分析表明，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10 d后出水中各污染物濃度基本趨于穩(wěn)定，因此選取第0、2、4、6、8、10、12、18、24 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并計(jì)算10~24 d的出水平均濃度.數(shù)據(jù)分析采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 19.0，通過(guò)單因素方差分析(ANOVA)比較各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)條件下的顯著性差異，并在P=0.05水平下進(jìn)行Tukey檢驗(yàn);采用主成分分析法對(duì)反應(yīng)過(guò)程中各因素的主成分進(jìn)行分析.數(shù)據(jù)作圖采用Origin 8.5.
2 結(jié)果與討論2.1 組合型浮床對(duì)氮的凈化效果2.1.1 不同組合浮床對(duì)氮的凈化效果
4組浮床進(jìn)出水中氨氮、硝態(tài)氮、總氮的濃度變化如圖 2(a)~2(c)所示.實(shí)驗(yàn)初期，各組實(shí)驗(yàn)出水中氨氮、總氮濃度均隨時(shí)間的延長(zhǎng)顯著降低(P < 0.05)，10 d后4組實(shí)驗(yàn)出水中氨氮、總氮濃度逐漸趨于穩(wěn)定;4組實(shí)驗(yàn)出水中硝態(tài)氮濃度出現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，在0~4 d，水體中硝態(tài)氮濃度逐漸升高，其中添加有微生物的C組和D組實(shí)驗(yàn)出水中硝態(tài)氮濃度顯著高于進(jìn)水(P < 0.05);在4~12 d，4組實(shí)驗(yàn)出水中硝態(tài)氮濃度迅速降低，并趨于穩(wěn)定.待出水穩(wěn)定后，D組實(shí)驗(yàn)出水中氨氮、硝態(tài)氮、總氮平均濃度最低，出水平均濃度為0.83、0.91和1.82 mg·L-1，均達(dá)到地表Ⅴ類水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).
圖 2 不同組合浮床對(duì)氮的凈化效果
2.1.2 植物和微生物對(duì)氮的凈化作用
水體中的氮主要由氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和有機(jī)氮組成.水體中氮的去除機(jī)制主要有物理吸附作用、植物吸收和微生物降解作用.按照1.6節(jié)中污染物去除率的計(jì)算方法，得到組合型浮床凈化氨氮、硝態(tài)氮和總氮的過(guò)程中其他作用去除率η2、植物單元去除率η3和微生物單元去除率η4，如圖 2(d)所示.浮床D對(duì)氨氮的去除率η1為77.8%，其中η4(38.6%)>η2(24.9%)>η3(16.5%)，表明微生物在組合型浮床去除水體中氨氮的過(guò)程中發(fā)揮著主要作用.在有氧環(huán)境中，植物可以直接吸收利用氨氮合成多種氨基酸，而大部分的氨氮?jiǎng)t主要通過(guò)硝化細(xì)菌的硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，一部分被植物吸收利用，一部分被反硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦鏊w.同時(shí)，在堿性環(huán)境下，一部分游離態(tài)的NH4+轉(zhuǎn)化為分子態(tài)的NH3和NH3·H2O，在連續(xù)曝氣作用下，通過(guò)揮發(fā)作用逐漸被去除.
水體中硝態(tài)氮的去除方式主要有兩種，一是被植物根系吸收利用，作為植物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)入植物體內(nèi)被轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮;二是在缺氧或厭氧環(huán)境中通過(guò)水體中反硝化細(xì)菌的硝化作用，轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為N2進(jìn)入到空氣中.由圖 2(b)可知，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，在添加有微生物的C組和D組實(shí)驗(yàn)出水中硝態(tài)氮濃度顯著高于進(jìn)水(P < 0.05)，主要是由于在實(shí)驗(yàn)初期植物和微生物的生長(zhǎng)狀態(tài)尚不穩(wěn)定，植物對(duì)硝態(tài)氮的吸收速率小于微生物的硝化作用速率，水體中的硝態(tài)氮不斷積累;隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，一方面，浮床植物生長(zhǎng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定，植物對(duì)硝態(tài)氮的吸收速率加快，硝態(tài)氮濃度逐漸降低;另一方面，人工介質(zhì)表面生物膜厚度增加，在生物膜內(nèi)部形成厭氧環(huán)境，有利于反硝化細(xì)菌的生N2排出水體.在硝態(tài)氮的凈化過(guò)程中，微生物單元去除率η4>植物單元去除率η3>其他作用去除率η2，表明微生物在組合型浮床去除水體中硝態(tài)氮的過(guò)程中發(fā)揮著主要作用.
由圖 2(c)和2(d)可知，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10 d后，4組實(shí)驗(yàn)出水中總氮濃度趨于穩(wěn)定，浮床D實(shí)驗(yàn)出水中總氮平均濃度最低，平均去除率為70.5%，明顯高于浮床B對(duì)總氮的平均去除率(32.5%);其中植物單元和微生物單元對(duì)總氮的去除率分別為20.6%和37.7%，大于其他作用去除率，表明植物的吸收作用和微生物的硝化-反硝化作用是去除總氮的兩個(gè)主要途徑，且微生物的作用占主要地位.在本實(shí)驗(yàn)后期，植物根系脫落的腐殖質(zhì)進(jìn)入水體，水體中的有機(jī)氮濃度增加，出水中總氮濃度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.在傳統(tǒng)的植物浮床系統(tǒng)中，植物的生長(zhǎng)速率和吸收能力限制了其對(duì)污染物的凈化能力，而在組合型浮床中，微生物的硝化-反硝化作用極大地提高了對(duì)水體中氮的去除能力.
2.1.3 組合型浮床的增效作用
通過(guò)計(jì)算浮床D凈化氨氮、硝態(tài)氮、總氮的增效作用去除率η5，探究微鹽堿水體中堿蓬植物與微生物凈化水體的協(xié)同增效作用.由圖 2(d)可知，與淡水中植物和微生物的增效作用不同，浮床D對(duì)氨氮的去除率η1小于η2、η3、η4之和，表明在微鹽堿環(huán)境中堿蓬植物和枯草桿菌在去除氨氮過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生協(xié)同增效作用，而浮床D凈化硝態(tài)氮和總氮的增效作用去除率分別為12.2%、0.3%，表明浮床D對(duì)硝態(tài)氮的去除產(chǎn)生了一定的增效作用，而對(duì)總氮的去除沒(méi)有產(chǎn)生明顯的增效作用.
在微鹽堿水體中，植物的生長(zhǎng)受到抑制，根系活力下降，光合作用速率降低，植物細(xì)胞通過(guò)無(wú)機(jī)離子和有機(jī)溶質(zhì)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外滲透壓.有研究表明，鹽度能夠影響根系分泌物的種類和數(shù)量，使植物根際微環(huán)境發(fā)生變化，從而對(duì)微生物活性和種類產(chǎn)生影響.王鄭等采用水生植物與人工填料構(gòu)建的組合型浮床對(duì)某農(nóng)家樂(lè)污水進(jìn)行凈化實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，組合型浮床對(duì)氨氮和總氮的去除效率為88.67%、73.88%，進(jìn)一步的計(jì)算結(jié)果表明，組合型浮床去除農(nóng)家樂(lè)污水中氨氮和總氮的增效作用去除率均達(dá)到10%以上.與此研究結(jié)果不同，在本研究中，受鹽堿脅迫的影響，植物+微生物組合型浮床對(duì)氨氮、總氮沒(méi)有產(chǎn)生與淡水環(huán)境中相同的協(xié)同增效作用.
2.2 組合型浮床對(duì)磷的凈化效果2.2.1 不同組合浮床對(duì)磷的凈化效果
不同組合型浮床對(duì)總磷的凈化效果如圖 3.從中可知，A組實(shí)驗(yàn)出水中總磷濃度沒(méi)有出現(xiàn)顯著差異(P < 0.05).在B組和D組實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的0~4 d，總磷濃度下降緩慢;在4~10 d，總磷濃度顯著下降(P < 0.05)，10 d后出水總磷濃度基本趨于穩(wěn)定(P < 0.05);在C組中，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10 d后，出水總磷濃度基本趨于穩(wěn)定(P < 0.05)，可能是實(shí)驗(yàn)前期植物生長(zhǎng)狀態(tài)尚未穩(wěn)定，速率較慢，10 d后植物適應(yīng)了相應(yīng)的生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)磷的吸收速率增加并趨于穩(wěn)定. 4組實(shí)驗(yàn)出水總磷平均濃度大小順序?yàn)椋篈組>B組>C組>D組，表明植物+微生物組合型浮床對(duì)水體中總磷的去除效果均高于其他3組.
圖 3 不同組合浮床對(duì)總磷的凈化效果
2.2.2 植物和微生物對(duì)磷的凈化作用
按照1.6節(jié)中的公式分別計(jì)算4組浮床對(duì)總磷的去除率和各單元的去除率.浮床B和浮床D對(duì)總磷的平均去除率分別為14.3%和34.7%，其中η4(21.6%)>η3(13.6%)>η2(0.7%)，表明植物+微生物組合浮床型浮床對(duì)總磷的去除率顯著高于植物浮床，且微生物在組合型浮床去除水體中磷的過(guò)程中發(fā)揮著主要作用.一方面，磷元素是微生物生長(zhǎng)繁殖的必須元素，微生物對(duì)磷的富集和降解作用能夠有效降低水體中總磷濃度;另一方面，人工介質(zhì)對(duì)分子態(tài)和顆粒態(tài)的磷有一定的吸附作用.其他作用去除率η2幾乎為0，表明其他作用包括曝氣、光照等對(duì)水體中總磷濃度幾乎沒(méi)有影響.然而，植物+微生物組合型浮床對(duì)總磷的增效作用去除率為-1.3%，表明植物+微生物組合型浮床對(duì)水體中總磷的去除沒(méi)有產(chǎn)生協(xié)同增效作用.
對(duì)4組實(shí)驗(yàn)出水中的總磷檢測(cè)結(jié)果表明，水體中磷的去除機(jī)制包括植物吸收、微生物富集和降解作用，而植物對(duì)磷的吸收作用受植物吸收能力的限制，對(duì)水體中總磷的去除率不高，而在植物和微生物聯(lián)合作用下，能夠有效降低水體中總磷濃度，且微生物的富集作用和人工介質(zhì)的吸附作用占主要地位.然而，受植物吸收能力和微生物對(duì)磷的降解能力的限制，組合型浮床對(duì)總磷的去除效果有限，這與楊林燕等的研究結(jié)果相似.選擇具有較強(qiáng)吸附能力的人工介質(zhì)或填料以及選用具有較強(qiáng)富集效應(yīng)的聚磷菌等方法能夠進(jìn)一步提高組合型浮床對(duì)總磷的去除效果.
2.3 組合型浮床對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的凈化效果2.3.1 不同組合浮床對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的凈化效果
對(duì)4組實(shí)驗(yàn)進(jìn)出水中高錳酸鹽指數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，高錳酸鹽指數(shù)變化如圖 4.實(shí)驗(yàn)開始后，A組和B組出水中高錳酸鹽指數(shù)均出現(xiàn)小幅降低，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行4 d后即趨于穩(wěn)定(P < 0.05);在添加有微生物的C組和D組中，從實(shí)驗(yàn)開始到第8 d，出水中高錳酸鹽指數(shù)顯著降低(P < 0.05);在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行8 d后實(shí)驗(yàn)出水中高錳酸鹽指數(shù)之間均沒(méi)有顯著性差異(P < 0.05)，4組實(shí)驗(yàn)出水中高錳酸鹽指數(shù)平均值大小順序?yàn)椋篈組>B組>C組>D組，表明植物+微生物組合型浮床對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除效果最佳.
圖 4 不同組合浮床對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的凈化效果
2.3.2 植物和微生物對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的凈化作用
水體中過(guò)高濃度的有機(jī)物是導(dǎo)致水體惡臭的主要原因，對(duì)水體中有機(jī)污染物的去除機(jī)制主要有微生物的降解、植物根系的截留和人工介質(zhì)或填料的吸附作用，其中微生物的降解作用占主要地位.與本研究結(jié)果相似，通過(guò)計(jì)算得到組合型浮床在去除高錳酸鹽指數(shù)過(guò)程中各單元的去除效率，其中，η4(44.5%)>η3(17%)>η2(11.2%)，微生物對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除作用明顯大于植物，表明微生物的降解作用在去除高錳酸鹽指數(shù)的過(guò)程中發(fā)揮著主要作用.水體中的有機(jī)污染物能夠?yàn)槲⑸锾峁┨荚础⒌础o(wú)機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為微生物的生長(zhǎng)和繁殖提供能量來(lái)源.
在本研究中，浮床D對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的平均去除效率為70.8%，明顯高于浮床B(28.2%)，其中增效作用去除率為-1.9%，表明在微鹽堿環(huán)境中，堿蓬植物和枯草桿菌之間沒(méi)有產(chǎn)生協(xié)同增效作用，較高的去除率是植物和微生物聯(lián)合作用的結(jié)果.
2.4 浮床植物的生長(zhǎng)狀況
植物的生長(zhǎng)狀態(tài)是反映水質(zhì)改善的一個(gè)關(guān)鍵因素.植物可以通過(guò)根部吸收、吸附等作用去除水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽.
實(shí)驗(yàn)初期，浮床B和浮床D中的堿蓬植物生長(zhǎng)良好，根部長(zhǎng)出新根，并有新芽長(zhǎng)出，植株高度明顯增加，植株頂部有新芽長(zhǎng)出，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行6 d左右時(shí)，浮床D中植物根部有微生物黏膜形成.實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)，B組和D組實(shí)驗(yàn)中堿蓬植物的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)如表 2. B組和D組中的植物鮮重、株高和根長(zhǎng)均有所增加，表明在增加曝氣、人工介質(zhì)等條件下，鹽生植物堿蓬可以在浮床上正常生長(zhǎng). D組實(shí)驗(yàn)中植物各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)的增加量均高于B組，這表明植物+微生物組合型浮床比僅有植物的浮床更適合浮床植物的生長(zhǎng)，這可能與D組中的微生物有關(guān).一方面，微生物通過(guò)降解作用，將水體中的污染物降解為可直接被植物吸收利用的小分子物質(zhì)和微量元素，并促進(jìn)植物的生長(zhǎng);另一方面，微生物可以通過(guò)降低植物病原體對(duì)植物的毒害作用，提高植物的生存能力.
表 2 實(shí)驗(yàn)前后浮床B、D中堿蓬生長(zhǎng)指標(biāo)
2.5 浮床微生物特征
實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)4組實(shí)驗(yàn)進(jìn)出水中細(xì)菌總數(shù)進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果表明，C組和D組實(shí)驗(yàn)出水中細(xì)菌總數(shù)顯著高于A組和B組.因此，在97%相似水平下從C組、D組中提取微生物的OTUs代表序列，用Mothur方法與SILVA的SSUrRNA數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行物種注釋分析，獲得分類學(xué)信息，并得出門水平的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相對(duì)豐度，如圖 5所示.結(jié)果顯示，浮床微生物主要由10個(gè)門類組成，分別是Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes、Cyanobacteria、Chloroflexi、Actinobacteria、Verrucomicrobia、Gemmatimonadetes、Gracilibacteria、Hydrogenedentes，兩組實(shí)驗(yàn)中優(yōu)勢(shì)菌種均為Proteobacteria.
圖 5 門水平上微生物群落相對(duì)豐度分布
對(duì)不同樣品在97%一致性閾值下的Alpha Diversity分析指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表 3. C組、D組樣品文庫(kù)覆蓋率均在99.9%以上，表明本研究樣品中的大多數(shù)微生物種類都被檢測(cè)到了.由樣品菌群豐富度指數(shù)(chao1指數(shù)和ACE指數(shù))可知，D組浮床中微生物的豐度高于C組，由樣品多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù))可知，D組浮床中微生物的多樣性也高于C組.這些研究結(jié)果表明，與僅安裝人工介質(zhì)的浮床C相比，浮床D中微生物具有更高的豐富度和多樣性，進(jìn)而說(shuō)明在浮床上種植堿蓬植物有利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖，這與浮床D具有較高的污染物去除率的結(jié)果相一致.
表 3 浮床微生物群落多樣性
浮床植物根系可以為微生物提供附著位點(diǎn)，根系泌氧為微生物的新陳代謝提供氧氣，植物根際為微生物提供適宜生長(zhǎng)和繁殖的微環(huán)境.一方面，浮床C和浮床D上安裝的人工介質(zhì)為微生物提供了充足的附著位點(diǎn)，有利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖;另一方面，人工介質(zhì)可以吸附氮、磷和小分子有機(jī)物等，這些物質(zhì)又可以為微生物提供營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)一步促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)和繁殖.
為了探究不同變量之間的相互作用關(guān)系，對(duì)植株鮮重增量、細(xì)菌總量及水體中各污染物的去除率進(jìn)行主成分分析(PCA)，提取得到第1、第2主成分，如圖 6.其中，第1主成分主要反映了細(xì)菌總量和水體各污染物去除率的關(guān)系，第2主成分主要反映了植物鮮重增量與水體中各污染物去除率之間的影響.分析結(jié)果表明，浮床植物的營(yíng)養(yǎng)吸收作用和微生物的降解作用在水體凈化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，其中，微生物在植物+微生物組合型浮床凈化微鹽堿水體中發(fā)揮著主要作用.
圖 6 組合型浮床實(shí)驗(yàn)中各變量PCA分析
綜上所述，組合型浮床對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化微鹽堿水體具有較好的凈化效率，一方面鹽生植物堿蓬對(duì)微鹽堿環(huán)境具有一定的耐受能力，通過(guò)增加曝氣等條件，堿蓬植物能夠在微鹽堿水體中生長(zhǎng)，并通過(guò)吸收和吸附作用去除微鹽堿水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽;另一方面，人工介質(zhì)中的微生物通過(guò)富集和降解作用，極大地降低了微鹽堿水體中污染物濃度.高通量測(cè)序結(jié)果表明，組合型浮床有利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖，從而強(qiáng)化了組合型浮床對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果.通過(guò)比較植物單元和微生物單元對(duì)污染物的去除率，表明微生物的降解作用在植物+微生物組合型浮床凈化富營(yíng)養(yǎng)化微鹽堿水體的過(guò)程中發(fā)揮主要作用.與本研究結(jié)果相似，王國(guó)芳等探究了組合型浮床中的水生植物單元、水生動(dòng)物單元、微生物單元對(duì)污染物的去除率，結(jié)果表明，人工介質(zhì)附著的微生物是氮磷等污染物的凈化主體，其中微生物單元對(duì)總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)的去除率分別為48.5%、46.7%、49.9%，均高于水生植物和水生動(dòng)物單元.
植物根系分泌的低分子量有機(jī)酸、小分子量蛋白質(zhì)等物質(zhì)能夠改善植物根部微環(huán)境，并對(duì)微生物的生長(zhǎng)和繁殖產(chǎn)生影響.不同植物根系分泌物的種類和數(shù)量不同.劉雯等研究了茭白和美人蕉植物根系分泌物與脫氮之間的關(guān)系，結(jié)果表明，美人蕉根系能夠比茭白分泌更多的溶解性有機(jī)碳(DOC)，這些可溶性的有機(jī)碳可以為污水中微生物提供碳源，有利于氮的反硝化.然而，植物根系分泌物的種類和數(shù)量隨生存環(huán)境的變化而變化，在鹽堿環(huán)境中，植物分泌的有機(jī)酸種類發(fā)生了變化，小分子蛋白質(zhì)活性降低，這些都對(duì)微生物的生長(zhǎng)和繁殖產(chǎn)生影響. Rocha等研究了鹽度對(duì)蘆葦根系分泌低分子量有機(jī)酸的影響，在鹽環(huán)境中，蘆葦根系檸檬酸含量增加，能夠?qū)ΩH微生物的生長(zhǎng)和繁殖產(chǎn)生影響.在本研究中，受鹽堿脅迫的影響，植物和微生物之間沒(méi)有出現(xiàn)明顯的協(xié)同增效作用.在實(shí)際應(yīng)用中可進(jìn)一步篩選不同的鹽生植物和微生物進(jìn)行搭配，以提高組合型浮床對(duì)微鹽堿水體的凈化效果。
3 結(jié)論
(1) 植物+微生物組合型浮床對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化微鹽堿水體有較好的凈化效果.浮床系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，組合型浮床對(duì)水體中的總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)的平均去除率分別為70.5%、34.7%、70.7%，顯著高于只有堿蓬的植物浮床.
(2) 在微鹽堿環(huán)境中，植物+微生物浮床對(duì)去除硝態(tài)氮、總氮增效作用去除率為12.2%和0.3%，對(duì)去除氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)的增效作用去除率為負(fù)值，表明在微鹽堿環(huán)境下，鹽生植物和微生物之間的增效作用受到不同程度的抑制.
(3) 高通量測(cè)序分析結(jié)果表明，浮床微生物的優(yōu)勢(shì)菌種為Proteobacteria，與僅安裝人工介質(zhì)的微生物浮床相比，組合型浮床更有利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖.
(4) 主成分分析(PCA)結(jié)果表明，浮床植物的吸收作用和微生物的降解作用是水質(zhì)凈化的主要機(jī)制，其中微生物對(duì)污染物的去除率高于植物.
(5) 該組合型浮床首次將鹽生植物與微生物進(jìn)行組合，用于修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化微鹽堿水體，有效提高了組合型浮床的凈化效率，同時(shí)具有較好的景觀效果，在微鹽堿水體生態(tài)修復(fù)中具有很好的應(yīng)用價(jià)值.探究鹽堿脅迫下植物根系分泌物與微生物的相互作用機(jī)制并篩選不同鹽生植物+微生物組合有助于進(jìn)一步提高浮床的凈化效果.
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