人工濕地中土著微生物量及酶活性研究

　　1 引言

　　人工濕地是人工設(shè)計(jì)建造的由填料、植物和微生物組成的可控制工程化的污水處理生態(tài)系統(tǒng)，依靠系統(tǒng)中物理、化學(xué)及生物共同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化.人工濕地具有投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)方便的特點(diǎn)，且對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的降解能力，對(duì)N、P去除率較高，對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)，以及兼具美學(xué)價(jià)值，因而受到了越來(lái)越多的關(guān)注.

　　我國(guó)華北、東北、西北地區(qū)冬季氣候寒冷漫長(zhǎng)，冰凍期長(zhǎng)達(dá)3~6個(gè)月，其中，北部邊陲地區(qū)年最低氣溫可達(dá)到-30 ℃以下.嚴(yán)酷的氣候條件使該地區(qū)人工濕地系統(tǒng)中的植物在冬季基本上都會(huì)枯萎死亡，系統(tǒng)中微生物的數(shù)量也會(huì)大幅度減少;同時(shí)，微生物代謝外源物質(zhì)的能力也有所降低，導(dǎo)致污水處理效果變差，甚至不達(dá)標(biāo).因此，如何保證人工濕地在冬季的污水處理效果成為亟待解決的問(wèn)題.

　　微生物作為人工濕地除污的主體和核心，完成物質(zhì)的礦化、硝化、反硝化等轉(zhuǎn)化的作用不言而喻.根據(jù)微生物生長(zhǎng)溫度特性可將其分為高溫微生物、中溫微生物和低溫微生物3類.其中，低溫微生物是極端微生物之一，其具有獨(dú)特的生理功能適應(yīng)環(huán)境，因此，研究這類微生物不僅具有重要的理論意義，而且在實(shí)際推廣應(yīng)用中還產(chǎn)生了日益明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.在寒冷的冬季，這些低溫微生物在人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，為人工濕地污水處理提供了嶄新的發(fā)展途徑.

　　降解菌能否在自然環(huán)境中發(fā)揮降解作用是降解菌投入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵，也是水污染生物修復(fù)技術(shù)能否成功的關(guān)鍵.外源投加的微生物本身在環(huán)境中的行為和對(duì)環(huán)境的影響如何也是關(guān)系到降解菌使用的一個(gè)重要問(wèn)題，目前也越來(lái)越受到關(guān)注.然而人工濕地是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，既要充分發(fā)揮降解菌的降解作用，同時(shí)又要防止破壞濕地自然的生態(tài)結(jié)構(gòu)，就有必要研究降解菌對(duì)濕地土壤中土著微生物的影響，為評(píng)價(jià)外源投加菌在水污染修復(fù)過(guò)程中對(duì)人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).基于此，本研究在山東南四湖人工濕地的底泥中分離馴化出一株在低溫條件下生長(zhǎng)速率及代謝速率最高的菌株，并對(duì)其進(jìn)行形態(tài)特征、生理生化特性及16S rDNA序列分析鑒定.同時(shí)，探索在北方冬季條件下，該菌投加到人工濕地中在提高廢水處理效率的同時(shí)，對(duì)濕地中土著可培養(yǎng)微生物類群數(shù)量和酶活性的影響.

　　2 材料與方法

 　 2.1 復(fù)合垂直流構(gòu)建濕地結(jié)構(gòu)

　　實(shí)驗(yàn)人工濕地采用復(fù)合垂直流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，底部相通，污水由下行池表面均勻投配，垂直下行，經(jīng)連通層到達(dá)上行池，再垂直上行，通過(guò)收集管排出.其中，下行流池長(zhǎng)150 cm、寬100 cm、深65 cm，上行流池長(zhǎng)120 cm、寬100 cm、深55 cm，卵石層深20 cm，投配負(fù)荷 2~20 cm · d-1，有機(jī)負(fù)荷 15~20 kg · hm-2 · h-1(以BOD5計(jì)).濕地基質(zhì)選用了不同粒徑的礫石和砂土特別組配而成，濕地結(jié)構(gòu)如圖 1所示，其中，圖中箭頭表示污水流動(dòng)方向.

圖1 復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　系統(tǒng)所選植物為除污能力強(qiáng)的常見(jiàn)濕地植物美人蕉(Canna generalis)和菖蒲(Acorus calamus)，在2012年4月份種植于人工濕地反應(yīng)器中，種植密度為8 株· m-2，濕地植物生長(zhǎng)狀況良好，已完全遮蓋基質(zhì)表面，根系發(fā)達(dá)，至實(shí)驗(yàn)時(shí)為止，該系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行半年時(shí)間.系統(tǒng)進(jìn)水來(lái)源為取自山東省曲阜市生活污水處理廠的進(jìn)水.當(dāng)水力停留時(shí)間為10 d 時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)出水參數(shù)見(jiàn)表 1.

　　表1 人工濕地系統(tǒng)進(jìn)出水參數(shù)

　　2.2 菌種的來(lái)源

　　菌株P(guān)seudomonas flava WD-3 于冬季從南四湖人工濕地的底泥中培養(yǎng)、分離、篩選出來(lái)，經(jīng)鑒定為黃假單胞菌(Pseudomonas flava)，命名為Pseudomonas flava WD-3，基因登陸號(hào)為JX114950(唐美珍等，2013).該菌株為好氧微生物，其對(duì)污水中有機(jī)污染物具有很好的凈化效果，同時(shí)兼顧有較好的脫氮除磷能力.本文分別對(duì)菌株生長(zhǎng)的時(shí)間、溫度、pH、鹽度、碳源和氮源進(jìn)行了研究，確定其最佳的生長(zhǎng)條件為：培養(yǎng)時(shí)間48 h，溫度16 ℃，pH 6.0~8.0，鹽度為1%，最佳碳源和氮源分別為蔗糖、蛋白胨.

　　2.3 Pseudomonas flava WD-3菌的投加

　　將斜面保存的Pseudomonas flava WD-3菌種于30 ℃下活化培養(yǎng)24 h后，接種到裝有100 mL LB液體培養(yǎng)基中，6~8 ℃條件下恒溫培養(yǎng)至達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期(約48 h)，再將菌懸液在1.2×103 r · min-1下離心(去除培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)成分)，收集菌體細(xì)胞，取濕菌體細(xì)胞再懸浮于無(wú)菌生理鹽水中，在600 nm波長(zhǎng)下其吸光度為1.0~1.2，菌懸液的濃度為4.575×108個(gè) · mL-1.

　　人工濕地系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行半年后，于2013年1月中旬(水溫的變化范圍為6~8 ℃)開(kāi)始投入Pseudomonas flava WD-3，接種方法采用一次性投加.接種量V(菌液)/V(污水)為1.5%~10%，以未接菌的人工濕地為對(duì)照組.

　　2.4 土壤樣品的采集

　　投菌后采用梅花形布點(diǎn)法在上、下行池分別取第1、3、5、7、10 d的土樣，上、下行樣混合后，一部分立即測(cè)定土壤微生物的數(shù)量;另一部分經(jīng)自然風(fēng)干-研磨-過(guò)篩(20目)-保存，用于土壤酶活性的測(cè)定.

　　2.5 土壤微生物數(shù)量及酶活性的測(cè)定方法

　　土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌計(jì)數(shù)采用平板培養(yǎng)法(混菌法)測(cè)定，硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌采用最大或然(MPN)法測(cè)定.土壤脲酶采用奈氏比色法測(cè)定，脫氫酶采用TTC紫外分光光度法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定，蔗糖酶采用硫代硫酸鈉滴定法測(cè)定.

　　2.6 數(shù)據(jù)處理

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均數(shù)，采用Excel和SPSS19.0作統(tǒng)計(jì)處理.

　　3 結(jié)果與討論

        3.1 土壤微生物數(shù)量隨Pseudomonas flava WD-3菌投加量和時(shí)間的分布變化

　　Pseudomonas flava WD-3投入到人工濕地后，其土著微生物數(shù)量隨投菌量及時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖 2.從圖 2及進(jìn)行單因素方差分析后發(fā)現(xiàn)，接種Pseudomonas flava WD-3后，人工濕地中可培養(yǎng)細(xì)菌、真菌、放線菌、硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌的數(shù)量(以干重計(jì))均產(chǎn)生了顯著變化(p<0.01).在1.5%~6.0%的接種量情況下，隨著Pseudomonas flava WD-3投加量的增加，濕地系統(tǒng)中可培養(yǎng)細(xì)菌、放線菌、硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌的數(shù)量也隨著增加，而真菌呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，并在6.0%的接種量時(shí)，各種可培養(yǎng)微生物數(shù)量增加或減少到最大值.與對(duì)照組相比，濕地系統(tǒng)中可培養(yǎng)細(xì)菌、放線菌、硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌數(shù)量最大分別增加了1.3、1.9、2.3、1.3倍，而可培養(yǎng)真菌數(shù)量最大減少了23.3%.但當(dāng)投菌量提高到10.0%時(shí)，參比6.0%時(shí)的投菌量，人工濕地系統(tǒng)中各種可培養(yǎng)微生物數(shù)量稍微有些降低.究其原因可能是，當(dāng)投加量增加到一定數(shù)量后，Pseudomonas flava WD-3可能作為一種生物入侵種，容易為了爭(zhēng)奪養(yǎng)分、空間等而進(jìn)行種類斗爭(zhēng)，從而使人工濕地系統(tǒng)中各種可培養(yǎng)微生物數(shù)量有所降低.

 

　　圖2 復(fù)合垂直流人工濕地中細(xì)菌(a)、真菌(b)、放線菌(c)、反硝化細(xì)菌(d)和硝化細(xì)菌(e)數(shù)量的變化

　　3.3 土壤酶活性隨Pseudomonas flava WD-3菌投加量和時(shí)間的分布變化

　　Pseudomonas flava WD-3投入到人工濕地后，其土壤酶活性(均以干土質(zhì)量計(jì))隨投菌量及時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖 3.過(guò)氧化氫酶能催化土壤中過(guò)氧化氫的分解，減弱過(guò)氧化氫所產(chǎn)生的毒害作用，在一定程度反映了土壤微生物學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度.從圖 3a可知，Pseudomonas flava WD-3投加后能顯著促進(jìn)土壤過(guò)氧化氫酶活性的增加.當(dāng)Pseudomonas flava WD-3為水處理效果最佳投加量(6.00%)時(shí)，與對(duì)照組相比，其最大增幅高達(dá)69.2%.

　　圖3 復(fù)合垂直流人工濕地土壤中過(guò)氧化氫酶(a)、蔗糖酶(b)、脲酶(d)及脫氫酶(d)活性的變化

　　蔗糖酶活性可用來(lái)表征土壤的肥力狀況和熟化程度.從圖 3b可知，Pseudomonas flava WD-3投加后能顯著促進(jìn)土壤蔗糖酶活性(當(dāng)NH4+-N計(jì)).當(dāng)Pseudomonas flava WD-3為水處理效果最佳投加量(6.00%)時(shí)，與對(duì)照組相比，最大增加了2.3倍.

　　脲酶是一種酰胺酶，能酶促有機(jī)質(zhì)分子中肽鍵的水解，參與土壤中氮素的轉(zhuǎn)化.從圖 3c可知，Pseudomonas flava WD-3投加后能顯著促進(jìn)土壤脲酶活性.當(dāng)Pseudomonas flava WD-3為水處理效果最佳投加量(6.00%)時(shí)，與對(duì)照組相比，其最大增幅達(dá)41.3%.

　　脫氫酶是一種與土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化有關(guān)的酶，它能酶促碳水化合物、有機(jī)酸等有機(jī)質(zhì)的脫氫反應(yīng)，起著氫的中間傳遞體的作用.從圖 3d可知，Pseudomonas flava WD-3投加后能顯著促進(jìn)土壤脫氫酶活性.當(dāng)Pseudomonas flava WD-3為水處理效果最佳投加量(6.00%)時(shí)，與對(duì)照組相比，其最大增幅達(dá)54.5%.

　　4 討論

　　土壤微生物的組成和數(shù)量變化與土壤健康狀況密切相關(guān)，真菌型土壤向細(xì)菌型轉(zhuǎn)變是土壤健康狀況改善的一個(gè)生物指標(biāo).研究發(fā)現(xiàn)，深綠木霉施入草坪土壤后，引起土壤中細(xì)菌數(shù)量明顯增加，真菌數(shù)量顯著減少，促使土壤由真菌型向細(xì)菌型轉(zhuǎn)化.劉方春等(2013)報(bào)道，具有促生功能的枯草芽孢桿菌顯著提高了冬棗根際土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量及微生物總量，明顯降低了真菌數(shù)量.本研究結(jié)果支持這一觀點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)，Pseudomonas flava WD-3投入人工濕地后，可明顯提高土壤中可培養(yǎng)細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌及放線菌數(shù)量，這可能是由于外源功能菌的加入抑制了土著有害菌株，增強(qiáng)了土壤有益微生物的活性，這也表明Pseudomonas flava WD-3的加入有利于改善人工濕地的微環(huán)境，促使土壤由真菌型向細(xì)菌型轉(zhuǎn)變，從而提高人工濕地的污水凈化能力.許多土壤真菌是植物發(fā)病的根源(凌寧等，2009)，Pseudomonas flava WD-3能顯著降低人工濕地土壤中真菌的數(shù)量，表明Pseudomonas flava WD-3有防治或減少一些土傳真菌病害發(fā)生的可能，具體有待進(jìn)一步的研究證實(shí).

　　人工濕地接種Pseudomonas flava WD-3后，其各種可培養(yǎng)的微生物數(shù)量表現(xiàn)為先升高后下降，分析原因可能是：①由于本實(shí)驗(yàn)是針對(duì)冬季低溫污水的處理，因此，設(shè)計(jì)的水力停留時(shí)間較長(zhǎng)(10 d).在水力停留時(shí)間內(nèi)，基本上屬于靜態(tài)實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)的初始時(shí)間(1~5 d)內(nèi)，污水中含有大量的有機(jī)物、N和P，能夠充足提供微生物生長(zhǎng)繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以微生物的數(shù)量均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì);但隨著水中COD、N和P等污染物的去除，水中為微生物繁殖提供能量的營(yíng)養(yǎng)物逐漸減少，特別是有機(jī)碳源減少，微生物因?yàn)闆](méi)有足夠的有機(jī)底物支持，數(shù)量就逐漸降低.②微生物在降解污水中有機(jī)污染、氮和磷過(guò)程中的中間產(chǎn)物在水體中的釋放對(duì)微生物有一定的毒害作用，以及模擬試驗(yàn)中溫度等環(huán)境因素共同導(dǎo)致濕地系統(tǒng)中微生物量下降(Weon et al., 2002).

　　酶參與土壤中物質(zhì)的循環(huán)和轉(zhuǎn)化，土壤酶活性的強(qiáng)弱可作為土壤肥力和質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)(陳波浪等，2014;Guo et al., 2011).在本試驗(yàn)條件下，接種Pseudomonas flava WD-3能提高人工濕地土壤過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶及脫氫酶活性.究其原因可能是因?yàn)橥寥牢⑸�物�?shù)量的增加提高了包括土壤酶在內(nèi)的內(nèi)分泌物的數(shù)量，進(jìn)而增強(qiáng)土壤酶活性(路怡青等，2014).這一結(jié)果表明，接種Pseudomonas flava WD-3有利于改善人工濕地土壤的肥力與健康狀況.

　　綜上可知，Pseudomonas flava WD-3投加到人工濕地后能顯著提高污水的凈化能力(表 1)，這是因?yàn)镻seudomonas flava WD-3本身是一種耐低溫的高效降解菌，對(duì)污水有著很好的凈化能力;另一方面，Pseudomonas flava WD-3對(duì)人工濕地土著微生物具有很好的促生作用，將其投加到人工濕地后，能顯著提高土著可培養(yǎng)細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌及放線菌的數(shù)量，同時(shí)增強(qiáng)土壤中各種酶的活性，從而提高污水凈化效果.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5 結(jié)論

　　1)冬季Pseudomonas flava WD-3投入復(fù)合垂直流人工濕地后，明顯提高了濕地土壤中可培養(yǎng)細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、放線菌數(shù)量及土壤過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶及脫氫酶活性，而真菌數(shù)量呈下降趨勢(shì).

　　2)在實(shí)驗(yàn)投菌量為最佳投加量6%時(shí)(水凈化效果最佳)，人工濕地土壤中各種可培養(yǎng)微生物數(shù)量及酶活性增加或減少到最大值.與對(duì)照組相比，濕地系統(tǒng)中可培養(yǎng)細(xì)菌、放線菌、硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌數(shù)量最大分別增加了1.3、1.9、2.3、1.3倍，而可培養(yǎng)真菌數(shù)量最大減少了23.3%;過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶及脫氫酶活性分別增加了69.2%、230%、41.3%及54.5%.