吲哚乙酸對周叢生物去除水體中氮磷的影響及機理

孫沉沉 ， 馬蘭 ， 吳永紅 ， 俞元春 *

（1.南京林業大學南方現代林業協同創新中心，南京 210037；2.南京林業大學生物與環境學院，南京 210037；3.中國科學院南京土壤研究所，南京 210008）

吲哚乙酸（indoleacetic acid，IAA）是一種普遍存在于植物體內的天然生長素，對植物體內各種生理反應起著重要的調控作用[1]。Duca等[2]和Tsavkelova等[3]從藻類、細菌以及真菌中均分離出吲哚乙酸。研究表明，吲哚乙酸能促進細菌更好的適應壓力條件[4]；一些能夠獨立產生吲哚乙酸的微生物，利用吲哚乙酸作為信號分子來指導微生物行為[5]。

周叢生物是一種生長在水-土界面上，由藻類、細菌、真核微生物、原生動物、后生動物等組成的微生物聚集體[6-7]。周叢生物組成的獨特性以及群落結構的多樣性使其能夠有效地吸收水體中過量的氮、磷等營養元素，近年來被廣泛用于水污染控制[8]、生境構建[9]、水質凈化、土壤修復[10-13]及生物能源[14]等方面。馬蘭[15]研究表明，吲哚乙酸可提高周叢生物對水體中氮磷的去除效率。因此，深入研究吲哚乙酸對周叢生物去除水體中氮磷的影響及其作用機理具有重要意義。本研究以人工培養的周叢生物為研究對象，一部分周叢生物經過吲哚乙酸培養作為預處理組，另一部分未經過吲哚乙酸培養的周叢生物作為對照組，將預處理組和對照組的周叢生物均置于含有不同質量濃度吲哚乙酸的氮磷污水中培養，探討吲哚乙酸對周叢生物去除水體氮磷的影響，并進一步分析不同處理下周叢生物的微生物群落結構，為修復氮磷污水提供新思路。

1 材料與方法

1.1 周叢生物的培育

為模擬自然環境下生長的周叢生物，試驗選用南京市玄武區玄武湖的湖水。于5 L燒杯中加入1 L湖水和11 mL的WC培養液[15]，并放入長5 cm、寬2 cm的工業彈性填料，置于光照強度2 500 Lux、溫度28℃、光暗比12 h/12 h環境下培育20 d，至表面出現一層墨綠色的粘稠狀物質視為培養成功。

1.2 試驗設計

首先，使用少量乙醇和去離子水溶解吲哚乙酸，配制500 mg·L-1IAA標準溶液。再將標準溶液稀釋成0、5和10 mg·L-1的標準使用液用于周叢生物處理。然后，用去離子水分別溶解適量（NH4）2SO4和KH2PO4，配置成100 mg·L-1銨態氮和磷標準儲備液。最后，將適量IAA、銨態氮和磷標準溶液混合配制成模擬污水，其中，氮最終質量濃度為2.0 mg·L-1，磷最終質量濃度為0.5 mg·L-1，吲哚乙酸質量濃度按需求調整。

試驗分為預處理組（A）和對照組（B），其中，預處理組中的周叢生物預先使用吲哚乙酸培養；而對照組采用未使用吲哚乙酸培養的新鮮周叢生物。

預處理組（A）：使用5和10 mg·L-1吲哚乙酸標準使用液分別培養一組周叢生物（每個處理按質量濃度記作A5、A10），7 d后取處理后的周叢生物1.0 g加入100 mL的銨態氮和磷標準儲備液中，置于光照強度2 500～3 000 lx、溫度28℃、光暗比12 h/12 h條件下培養7 d，每組3個平行試驗。每天測定混合溶液中的NO-3-N、NH+4-N、PO3-4-P含量。

對照組（B）：分別在5和10 mg·L-1吲哚乙酸標準使用液中加入1.0 g上述培養成功的新鮮人工周叢生物（每個處理按質量濃度記作B5和B10），再加入100 mL的銨態氮和磷標準儲備液，置于光照強度2 500～3 000 lx、溫度28℃、光暗比12 h/12 h條件下培養7 d，每組3個平行試驗。每天測定混合溶液中的含量。

試驗以不添加吲哚乙酸的處理作為對照（CK）。

1.3 測定項目與方法

磷脂脂肪酸（phospholipids fatty acid，PLFA）含量采用改良后的Bligh-Dyer法[16-17]測定，PLFAs組成采用MIDI Sherlock微生物鑒定系統進行分析。

1.4 數據分析

使用Excel 2016、Origin 2015和SPSS 21.0軟件進行實驗數據的統計和繪圖。使用單因素方差分析進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理下周叢生物去除水中氮的效果

2.2 不同處理下周叢生物去除水中磷的效果

圖2 不同處理下溶液中PO3-4-P質量濃度的變化Fig.2 Changes of PO3-4-P in solution under different treatments

2.3 不同處理下周叢生物的微生物群落結構、葉綠素熒光以及pH的變化

2.3.1 周叢生物微生物群落結構的變化 如表1所示，不同處理的總PLFA差異不顯著（P＞0.05）；CK處理中細菌、放線菌以及革蘭氏陽性菌（G+）均低于其他處理（P＜0.05），說明IAA的添加影響了周叢生物中部分微生物的組成結構。IAA質量濃度越高，預處理組中細菌、真菌和放線菌含量與對照組的差異越小（P＞0.05），表明高質量濃度IAA可能對微生物的生長產生了抑制作用。A5、B5、B10處理在原生動物含量方面表現出顯著差異（P＜0.05），對比 A5、A10、B5、B10處理，革蘭氏陰性菌與原生動物的含量有顯著性差異，且IAA的質量濃度越高，差異越顯著（P＜0.05）。

表1 不同處理下周叢生物的磷脂脂肪酸種類Table 1 Different PLFA of the periphyton in the different treatments（n=3）

2.3.2 周叢生物Ft和溶液pH變化 不同處理下周叢生物的葉綠素熒光Ft值變化不同（圖3）。其中，預處理組Ft值在試驗過程中變化波動較大，而對照組Ft值整體處于穩定狀態；但2組整體均呈下降趨勢，且預處理組降幅達50%。總體上，B5和B10處理Ft值均高于其他處理，即對照組處理中吲哚乙酸對Ft影響較小。不同處理周叢生物的pH整體呈上升趨勢，對照組pH顯著高于預處理組，且pH波動幅度較大；A5、A10與CK處理在試驗后期pH無顯著差異。

圖3 不同處理下周從生物的Ft和pHFig.3 Ftand PH of periphyton in the different treatments

3 討論

本研究表明，各處理在試驗前期對NH+4-N的去除速率最快，至試驗后期對NH+4-N的去除率可達 100%。除 A10處理外，CK、A5、B5和 B10處理對NO-3-N的去除率達99%。預處理組與對照組比較結果表明，對照組對NH+4-N的去除效果優于預處理組；預處理組中，氮、磷去除速率隨著IAA質量濃度的增加而加快。在試驗中，溶液中NH+4-N質量濃度不斷下降，而NO-3-N質量濃度在試驗前期不斷上升但在中后期開始下降，由此可見，周叢生物通過硝化作用將含氮物質轉化為NO-3-N并最終利用，與任南琪等[18]、Jetten等[19]研究結果相一致。吲哚乙酸有利于周叢生物提高氮的轉化能力，即將NH+4-N轉化為NO-3-N，從而達到對氮的去除。但高質量濃度吲哚乙酸一方面促進了NH+4-N的硝化反應，另一方面可能阻礙了周叢生物對NO-3-N的利用[20]，因此，A10處理中NO-3-N質量濃度較高。

吲哚乙酸處理方式影響周叢生物對PO3-4-P的去除。B5和B10處理對PO3-4-P的去除率分別為95.3%和91.7%，而A5和A10處理對PO3-4-P的去除率分別為54.1%和59.9%。研究發現，周叢生物可大量吸收磷，其作用機制包括吸收、沉降以及過濾等，其中吸收主要通過聚磷菌降解磷[21]。Jarvie等[22]認為，周叢生物表面的碳酸鈣可以與磷共沉淀，通過過濾達到對磷的去除；Liu等[23]發現藍細菌相對豐度的提高，可以提升周叢生物群落富集磷的能力。本研究表明，對照組處理對溶液中PO3-4-P的去除效果更顯著，尤其添加5 mg·L-1吲哚乙酸時去除率可達95%。

不同質量濃度吲哚乙酸處理下，周叢生物中微生物群落結構發生顯著變化。與CK相比，總PLFA組成呈下降趨勢，細菌、放線菌以及革蘭氏陽性菌（G+）含量顯著增加。結合不同處理下氮、磷的去除速率推斷，添加吲哚乙酸更有利于周叢生物中細菌（如藍細菌等[23]微生物）的生長，且對照組處理對氮、磷的去除效率更高。周叢生物中微生物聚集體變得復雜、龐大，且使得其中充滿空隙和通道，這些不僅為周叢生物儲存養分提供了空間，而且也增大了周叢生物中各組分與水體中氮、磷發生反應的面積，加快了周叢生物對氮、磷的富集速度，從而提高周叢生物對水體中氮磷的去除效率[3]。

周叢生物作為一種復雜的微型生態系統[24-25]，富含各種細菌、真菌、藻類以及自養和異養微生物，其中優勢種主要為藻類。目前，研究發現，周叢藻類對氮、磷有較高的吸收效率，如顫藻、硅藻等[26-27]，而吲哚乙酸可促進藻類的生長發育。本研究表明，各處理Ft值和pH在反應過程中處于變化狀態，這可能是由于藻類的光合作用[20]。溶液葉綠素熒光Ft值越大、pH處于中性范圍時，周叢生物對水體中氮、磷的去除效率越高，且對照組處理溶液中氮磷的去除效率最高，可能是由于pH的增加促進銨離子向NH3轉化，增加氨揮發[28]，從而促進對氮的去除，而pH又會對藻類生長產生影響，進而影響葉綠素熒光Ft值，與鄧旭等[29]、馬軍等[30]的研究結果相一致。因此，需營造適宜周叢生物生長的pH環境，才能保證其高效發揮作用。

本研究表明，在周叢生物中添加吲哚乙酸在一定程度上提高了其去除水體中氮磷的能力，且在周叢生物與污染水體中直接加入吲哚乙酸的處理方式對氮磷的去除效率更好，去除效率可達80%以上；添加吲哚乙酸促進了周叢生物的生長并改變了周叢生物的微生物群落結構以及內部生長環境，從而提高了其對水體中氮磷的去除效率。但外源吲哚乙酸對周叢生物影響的作用機制還需進一步深入研究，確定最適宜周叢生物吸收氮磷的吲哚乙酸條件，以便為周叢生物與吲哚乙酸應用于大規模污水處理提供理論依據。