蘆葦、香蒲根際分泌物及其根際效應比較分析

唐 利,楊 奇,邱江平,李旭東

(上海交通大學生態毒理和環境污染與防治實驗室,上海 200042)

人工濕地污水處理系統是在植物、微生物和基質的共同作用下達到污水凈化目的的水處理技術.隨著我國對小城鎮污水治理的日益重視,以及“十一·五”對生態修復技術、脫氮除磷要求,人工濕地已成為國內環境界關注的一個新興領域.

人工濕地污水中的氮、磷可通過基質作用去除[1],也可通過植物吸收去除[2],除植物吸收作用去除氮、磷等污染物外,植物更重要的作用是通過根分泌物影響系統中微生物的特性進而影響系統的處理效果[3-4].植物根分泌物種類繁多,數量各異,不僅有糖、有機酸、氨基酸等初生代謝產物,還有酮酚和胺等次生代謝產物以及一些不知名的代謝物.植物根分泌物作用于周圍環境形成根際,產生根際效應,其中分泌的糖份、醇類和酸類可為根際微生物提供足夠的能量,使根際微生物的種類和數量及代謝活性遠高于非根際土壤[5].這種植物誘導的微生物群體增加的根際效應可提高根際有機污染物的降解.另外,植物的存在使人工濕地系統中的微生物如硝化細菌、反硝化細菌、磷細菌、纖維素分解菌的數量顯著增加[6].硝化作用和反硝化作用是人工濕地氮素去除的主要途徑[7];硝化細菌和反硝化細菌的增加無疑強化了氮素的去除效果.不同植物根際的硝化細菌和反硝化細菌數目存在一定的差異[8],這勢必與植物的類型及其分泌物有關.因此,研究根分泌物的特性對于從微生物的角度研究人工濕地系統內物質的變化和污染物的去除機理具有重要意義.

本文通過探討不同植物的根分泌物差異及其對微生物的種類、數量和活性及植物吸收污染物的影響,深入研究根系分泌物在人工濕地污染物轉化過程中的影響因素,從而為人工濕地的設計和運行提供經驗參數和理論數據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 根分泌物連續收集裝置

連續收集裝置(圖1)主體為 50 cm高無底玻璃盒,外被鋁膜;另配有橡皮塞、“T”形管、小玻璃管、玻璃柱、橡皮管和彎形玻璃管:在橡皮塞中部打一直徑為 7 mm的孔,外面涂一層硅酮(silicone),以防橡皮塞中有機成分的溶出.“T”形管的外直徑為 8mm.小玻璃管的外直徑為 8mm,長約為 5 cm.玻璃柱上內直徑(約 2 cm)應與橡皮塞相配.彎形玻璃管長 20 cm.

1.1.2 試驗用植物

幼苗期野生花葉蘆葦、香蒲,采自上海市奉賢區燎原農場,于根分泌物連續收集裝置中直接無菌培養.穩定 2周后收集根分泌物.

圖1 根分泌物收集裝置

1.1.3 潛流式人工濕地

潛流式人工濕地 6個,材料均為 PVC;規格:總長 150 cm,寬 40 cm,高 70 cm;濕地凈長 120 cm,寬40 cm,高 50 cm;進水口接近地面;出水口離地面60 cm;裝填礫石高度為離濕地上端 20 cm.設計進水體積為:0.3 m3,水力停留時間為 1 d.

人工濕地分為 3組,前兩組作為空白對照和配水對照,分別間歇式通入凈水和模擬污水(碳酸鈣∶硝酸鉀∶磷酸二氫鈉 =300∶15∶3);第 3組為試驗組,種植蘆葦、香蒲,同時通入模擬污水.

1.2 試驗方法

1.2.1 根分泌物的收集與組成成分鑒定

利用離子交換樹脂和溶劑萃取法在無菌條件下分離純化蘆葦、香蒲根系分泌物;用改良苯酚 -硫酸顯色反應測定糖的存在與質量濃度;用考馬斯亮藍G250顯色反應測定蛋白質的存在與質量濃度;用茚三酮顯色反應測定氨基酸的存在與質量濃度.

1.2.2 根際微生物種類、數量測定

采用牛肉膏 -蛋白胨培養基為細菌培養基;改良高氏一號培養基為放線菌培養基;孟加拉紅培養基為真菌培養基.

采用平板計數方法取各人工濕地中的根際微生物進行檢測,考察人工濕地中蘆葦、香蒲根分泌物對微生物種類及數量的影響.

1.2.3 氮、磷質量濃度測定

利用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定總氮質量濃度;利用鉬酸銨分光光度法測定總磷質量分數;利用碘化汞和碘化鉀的堿性溶液與氨反應的原理測定氨氮質量濃度.考察濕地植物本身和根際微生物脫氮除磷的能力.

表1 空白對照組微生物

表2 配水對照組微生物

2 結果與討論

2.1 根分泌物連續收集裝置最適條件

無底玻璃瓶中加入 3 000mL去離子水;收集分泌物的時間為 5 d;收集洗滌根分泌物為 6次;真空減壓條件下水浴槽中恒溫 60℃濃縮根分泌物;

2.2 蘆葦、香蒲組成成分初探

2.2.1 糖、蛋白質、氨基酸質量濃度

蘆葦根際分泌的營養物質中,總糖平均:35.29 μg/m L,蛋白質平均 =48.73μg/m L,總氨基酸平均=56.24μg/mL;

香蒲根際分泌的營養物質中,總糖平均:39.68 μg/m L,蛋白質平均 =19.08μg/m L,總氨基酸平均=54.07μg/mL.

2.2.2 糖、蛋白質、氨基酸比例蘆葦營養物質中,糖∶蛋白質∶氨基酸 =4.3∶6∶8;香蒲營養物質中,糖∶蛋白質∶氨基酸 =8∶4∶11.

2.2.3 根分泌物組成成分與植物種類關系

趙麗娜、丁為民[9]等發現,在春季,南京地區的菖蒲、香蒲和蘆葦長勢良好,是適宜春季種植的濕地水生植物;項學敏、孫祥宇[8]等也認為蘆葦和香蒲根系發達,繁殖力強,具有發達的通氣組織,為人工濕地中常用植物.蘆葦、香蒲根分泌物中蛋白質、糖及氨基酸含量高,可能與這兩種挺水植物春季適應性強有關.

蘆葦、香蒲根分泌物蛋白質,糖,氨基酸含量較為平均.LIAOMin[10]等提到,可溶性根分泌液中包括了脂肪族和芳香族的碳氫化合物、氨基酸和糖類物質.根際礦物營養的改變會影響到根系分泌物的種類和數量,從而間接地影響根際微生物的種群密度和種類,而根際環境又是由土壤、水分、植物根系、根分泌物和微生物等非生物和生物因子形成的復雜環境.因此,本文猜測,植物根際分泌的營養物質含量和比例和植物能夠維持穩定的根際環境,繼而增強對外界環境的適應性有關.

2.3 根分泌物與根際微生物互作機制

2.3.1 各組潛流式人工濕地中微生物數量

表3 蘆葦濕地微生物

表4 香蒲濕地微生物

2.3.2 蘆葦、香蒲濕地微生物形態描述

1)細菌

蘆葦進水口:較大,直徑 5mm左右;土黃色;扁平;圓滑濕潤,邊緣整齊;

蘆葦根際附近:較小,氣泡狀;白色;中間略鼓;圓滑濕潤,邊緣整齊;

蘆葦出水口:大小介于上述兩種細菌之間;白色;扁平;圓滑濕潤,邊緣整齊.

香蒲進水口:較大,直徑 7mm左右;乳白色;平展而中間略鼓;圓滑濕潤,邊緣整齊;

香蒲根際附近:較小,氣泡狀;白色;扁平;圓滑濕潤,邊緣整齊,連成一片;

香蒲出水口:大小介于上述兩種細菌之間;白色;扁平;圓滑濕潤,邊緣整齊.

2)放線菌

蘆葦進水口:細小,狀如珍珠粉;顏色從透明到橙黃不等;扁平,中略有凹陷;圓滑濕潤,邊緣整齊,有同心環;

蘆葦根際附近:細小,狀如珍珠粉;顏色有白色,明黃,橙色 3種;中間略鼓;圓滑濕潤,邊緣整齊,有同心環;

蘆葦出水口:細小,狀如珍珠粉;顏色橙黃;扁平,中略有凹陷;圓滑濕潤,邊緣整齊,有同心環.

香蒲進水口:極細小,狀如超細珍珠粉;乳白色;平展而中間略有凹陷;圓滑,略干,邊緣整齊;

香蒲根際附近:兩種放線菌:乳白的極細小,狀如超細珍珠粉,長在培養基里面;橙黃的稍大,狀如珍珠粉;顏色橙黃;扁平,中略有凹陷;圓滑濕潤,邊緣整齊,有同心環,與進水口的相同;

香蒲出水口:極細小,狀如超細珍珠粉;顏色有白色,乳黃色兩種;扁平;圓滑,略干,邊緣整齊.

3)霉菌污染*

細菌培養基中:

菌落疏松,白色,絨毛狀,易挑起,直徑 1 cm左右.

放線菌培養基中有 3種:

a)菌落疏松,白色,絨毛狀,易挑起,直徑 1 cm左右.與細菌培養基中的相同.

b)菌落疏松,外圍白色中間青色,絨毛狀,易挑起,直徑 2 cm左右.

c)菌落疏松,橙黃色,菌絲絮狀,易挑起,直徑5 cm左右.

*只在 4組對照中出現.孟加拉紅培養基中未檢出.

2.3.3 根分泌物與濕地微生物種類、數量變化的關系

總體來說,微生物的根際效應是明顯的.植物根際細菌和放線菌的數量均遠大于非根際相應項(空白對照、配水對照)的數量.放線菌受根分泌物正相調控最為顯著;

空白對照中霉菌為優勢種;配水對照中細菌為優勢種但總體數量較低;蘆葦、香蒲人工濕地中放線菌、細菌都非常多,但放線菌的數量更大.

根際微生物種類隨植物種類、外界環境的變化而變化;植物種類不同,植物的根際效應不同,土壤各種微生物類型受根際效應的影響也不同[11]:總的來說,香蒲根際微生物的數量大于蘆葦;可能的原因是,春季香蒲生長比蘆葦旺盛,根際活動更活躍;也可能香蒲根分泌物的含量和比例更適宜根分泌物的生長.

從微生物形態描述上看,蘆葦、香蒲濕地中的微生物種類也不盡相同.但總體看來,細菌的種類在進水口、根際附近、出水口都不同;蘆葦、香蒲中的細菌種類有相似處.放線菌的種類在進水口最多,根際附近、出水口的是進水口種類的子集;蘆葦、香蒲中的放線菌種類有較大差異[12].

從表1、2來看,空白對照中有大量霉菌,配水對照中還是能檢出霉菌,而蘆葦、香蒲濕地中則完全沒有.證明根分泌物對濕地中霉菌的生長有一定的抑制作用.但是對比空白對照和配水對照可知抑制霉菌的主要因素是配水.張利江,尹軍霞[10]等發現,養蚌水體中霉菌數量遠遠小于細菌,這是由于育珠和消毒的需要,水體一般都施用生石灰,使養蚌水體的 pH值呈堿性或弱堿性.而本次實驗模擬污水時投加的碳酸鈉、磷酸二氫鉀均為堿性,因此顯著抑制了霉菌的生長.

2.4 人工濕地氮磷去除研究

2.4.1 植物體內 TN、TP、NH3—N質量濃度

見表5、6.

表5 蘆葦根、莖、葉中 TN、TP、NH 3—N質量濃度

表6 香蒲根、莖、葉中 TN、TP、NH 3—N質量濃度

2.4.2 人工濕地 TN、TP質量濃度和氮磷去除率

見表7～9.

表7 蘆葦濕地中 TN、TP質量濃度

表8 香蒲濕地中 TN、TP質量濃度

表9 人工濕地總氮、總磷去除能力

2.4.3 人工濕地去除氮、磷機理

1)植物本身對人工濕地去除氮、磷的影響

根據表5～8,可知植物組織內 TN質量濃度高而根際附近水樣 TN質量濃度較低.這說明人工濕地中氮去除的途徑之一與植物本身的吸收利用、吸附和富集作用有關;但植物直接攝取氮,還是通過微生物的作用間接地攝取氮,還需要進一步地試驗研究.

根據表5、6,可知植物組織中總磷質量濃度較低,約為總氮質量濃度的 1/30.按照模擬配水∶總氮∶總磷 =5∶1來看,植物對污水中磷的直接吸收是有限的.同樣,可知植物組織中氨氮質量濃度很低,約為總氮質量濃度的 1/100,也可以說明植物對污水中氨氮直接吸收非常少.

2)根際效應對人工濕地去除氮、磷的影響

根據表7、8,根際附近磷質量濃度較高而出水口磷含量低,說明人工濕地除磷主要不靠根際微生物.而植物攝取的磷質量濃度又較少,這證明了濕地中磷的主要脫除方式為基質吸附.

試驗結果表明,種植有蘆葦、香蒲的潛流式人工濕地總體去除氮、磷的能力還是相當高的,而且TN去除能力由于植物本身和根際微生物的共同作用,比 TP的高 2～4倍;蘆葦濕地的去氮磷能力大于香蒲濕地.

3 結 論

1)循環水連續收集裝置運行最佳條件:

裝水 3 L,收集時間 5 d,濃縮溫度 60℃,連續收集 6管洗脫液,每管 20m L.

2)蘆葦、香蒲根分泌物中總糖、蛋白質、氨基酸含量、比例與植物春季適應性有關,也和植物能夠維持穩定的根際環境,繼而增強對外界環境的適應性有關.

3)蘆葦、香蒲根分泌物對根際微生物種類和數量的影響:

①香蒲根際微生物的數量大于蘆葦;

②微生物的根際效應明顯,放線菌受根分泌物正相調控最為顯著;

③根際微生物種類隨植物種類、外界環境的變化而變化;

④堿性環境對霉菌的生長有抑制作用.

4)種植蘆葦、香蒲的濕地對總氮、總磷的去除能力與可能機理:

①蘆葦濕地中 TN去除率 77.6%,TP去除率33.3%;香蒲濕地中 TN去除率 93.2%,TP去除率20.0%;

②人工濕地中氮的主要去除途徑之一與植物本身的直接吸收利用、吸附和富集作用有關;

③人工濕地除磷主要靠基質吸附的作用.

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