菌肥強化植物根系對植物碎石床除氮效果的影響

吳鑫陸軼峰嚴菊彭德勇王永恒王琳盧少勇張俊朋

(1.六盤水市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，貴州 六盤水 553000；2.云南大學生態(tài)學與環(huán)境學院，云南 昆明 650091；3.中國環(huán)境科學研究院/國家環(huán)境保護洞庭湖科學觀測研究站/湖泊水污染治理與生態(tài)修復技術國家工程實驗室/環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室/湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地，北京 100012)

人工濕地投資少、能耗低、管理方便且兼具美化效應，已被廣泛用于工農(nóng)業(yè)及生活污水的處理。但人工濕地普遍存在氮、磷去除效果差，長期運行易堵塞，冬季去除率下降等問題。

植物、微生物、填料是人工濕地的基本構成。目前，對濕地功能改善多集中在填料篩選。一般認為，小粒徑(5～60mm)、多孔、離子交換性好、經(jīng)濟、無毒是濕地基質(zhì)的最優(yōu)選擇[1]；其掛膜快、吸附強，對水質(zhì)凈化效果好，但這僅能維持一定年限。填料對部分污染物如磷、重金屬等的去除最終通過更換填料實現(xiàn)。微生物亦如此，對難降解、難揮發(fā)物質(zhì)并無實際去除作用。因此，要延長濕地運行期限，提高濕地氮磷去除效果及解決廢水中難降解物質(zhì)問題，需發(fā)揮填料、微生物和植物三者的協(xié)同效應。充分利用植物在濕地中的直接、間接作用。

植物是人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要成分，具有吸收水中氮磷、改善水體生境、抑藻等功能[2]。植物根系是濕地內(nèi)外環(huán)境相聯(lián)系的樞紐；強化植物根系可為地上部分提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和水分，增強光合作用，提高生物量；同時，地上部分增加可轉(zhuǎn)向地下輸送更多的有機物和氧氣，進而提高濕地內(nèi)部空間異質(zhì)性，豐富微生物種類，對濕地脫氮具有重要意義。

本研究通過設計2組植物碎石床，用菌肥強化植物根系，比較組間植物(濕地松、香蒲)菌根侵染率、生物量、含氮量、微生物變化及濕地除氮效果，以期獲取提高濕地脫氮性能的相關參數(shù)，進而為緩解河、湖富營養(yǎng)化提供新的技術選擇。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗涉及主要材料有生物菌肥、濕地松、香蒲及碎石。其中，生物菌肥購自Novozymes有限公司，其成分包括9種外生菌根，9種內(nèi)生菌根和6種芽孢桿菌；濕地松購自九江偉創(chuàng)園林種苗有限公司，株高50～55cm；香蒲取自大理本地，引種時僅取地下部分；碎石購自于大理石材廠，粒徑10～18mm，見圖1。

1.2 試驗設計

試驗共設2組，即對照組(CK)和實驗組(EG)。

試驗地點為洱海國家重大水專項科研基地。裝置于2019年12月建成并啟動，次年3—8月正式采集數(shù)據(jù)。期間采用間歇進水，流量、水力負荷、采樣頻次分別為0.10m3·d-1，10cm·d-1及4～6d 1次。裝置由配水和主處理單元組成，見圖2、圖3。

配水單元為1只0.3m3的塑料桶，用浮球閥控制水位，每次進水0.2m3。

主處理單元為2組植物碎石床。床體為鋼筋混凝土結構，見圖4，床長、寬、深分別是2m×0.5m×0.5m；碎石填充深度0.m，粒徑為10～18mm；植物為濕地松和香蒲，均勻混種，20株·m-2。其中，實驗組植株植前需蘸取少量菌肥。

系統(tǒng)進水按洱海入湖溝渠——白馬黑泥溝來水(農(nóng)業(yè)徑流)平均濃度配置，見表1。出水進入排水渠。

圖2 試驗裝置平面圖

圖4 試驗裝置現(xiàn)場圖景

1.3 測定方法及數(shù)據(jù)處理

本試驗水質(zhì)指標測試方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》第4版測定。叢枝菌根鏡檢用醋酸墨水染色法，侵染率計算用根段頻率法。植物生物量用稱重法，含氮量用凱氏定氮法。微生物測定，取根區(qū)碎泥樣，送公司檢測，用高通量技術測序。

數(shù)據(jù)處理使用Excel與SPSS 22.0軟件。

2 結果與分析

2.1 植物碎石床的去除效果

植物碎石床的凈化效果受多因素影響。由圖5可知，系統(tǒng)進水TN為9.35±2.84mg·L-1，氨氮為6.69±2.47mg·L-1，硝氮為2.12±0.66mg·L-1，CODCr為79.57±27.82mg·L-1。出水水質(zhì)呈階段性變化。

3—4月為系統(tǒng)啟動階段，出水濃度較高，實驗組與對照組TN、氨氮、硝氮和CODCr的去除率分別為48.40%、40.96%、86.16%、38.84%和45.60%、49.53%、57.93%、41.73%；凈化效果整體較差，原因在于該階段植物尚處于復蘇狀態(tài)，其泌氧、供氧能力差；加之溫度低(約8℃)，微生物增殖慢，代謝弱，不足以促進硝化反應。4月后漸入穩(wěn)定階段，隨氣溫上升，植物生長旺盛，吸收、分泌作用增強，微生物代謝活躍，實驗組(EG)、對照組(CK)的TN、氨氮、硝氮、CODCr去除率上升，分別為87.30%、89.06%、85.77%、56.78%和82.63%、86.88%、80.43%、47.14%。優(yōu)于黃季超等[3]的研究效果。出水水質(zhì)達《云南洱海綠色流域建設與水污染防治中長期規(guī)劃》提出的Ⅲ類水質(zhì)目標。但在7月，由于受暴雨影響，床體出水濃度波動大。表明盡管植物碎石床已運行穩(wěn)定，但耐沖擊性不強。所以，針對植物碎石床工藝，要使其盡力削減入河、湖等的污染負荷，應在雨季前，采取相應手段，如分批凈化，增設前處理單元等。

本研究中，菌肥強化是引起碎石床凈化效果出現(xiàn)差異的主要因素。研究期間，實驗組凈化效率明顯高于對照組，見圖5，且出水水質(zhì)穩(wěn)定。尤其去除硝氮，整個過程無積累，去除率均大于85%。實驗組被強化，提高了叢枝菌根侵染率，使根系吸收面積增大；而且，叢枝菌根侵染可能增加了宿主植物的硝態(tài)氮還原酶數(shù)量與活性，進而增強植物同化硝酸鹽的能力。故實驗組氮去除效果好且穩(wěn)定。此外，由圖5可知，實驗組、對照組的TN、氨氮、CODCr變化趨勢相同，表明系統(tǒng)硝化、反硝化同步，除氮效果較好。與夏品華等[4]的結果一致。

植物是濕地內(nèi)外聯(lián)系的橋梁，是營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸通道。盡管有研究認為植物在人工濕地氮、磷去除中不占重要地位[5,6]，但有無植物嚴重影響濕地的凈化效率[7]，植物可經(jīng)根系向基質(zhì)分泌有機物、輸氧，加速菌根菌、內(nèi)生菌侵染及根際微生物繁殖，共同促進污染物降解。同時，植物根系生長，對水力傳輸[8]、攔截顆粒物等有重要作用。

本研究中，盡管實驗組與對照組差異未達顯著水平。但其凈化效率和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于對照組。表明菌肥強化植物對人工濕地脫氮性能有改善。

圖5 植物碎石床進出水氮、CODCr濃度變化

2.2 叢植菌根侵染率及植株生物量、含氮量變化

叢枝菌根真菌侵染是對宿主植物產(chǎn)生影響的前提，其侵染植物后會形成泡囊、叢枝、內(nèi)外生菌根等結構[9]。不同宿主植物對叢枝菌根真菌的親和力不同[10]。因此，受侵染的植物體可觀察到不同結構。由表2可知，濕地松與香蒲菌根結構明顯不同。濕地松用肉眼可直接觀察外生菌絲(菌鞘)，鏡檢還發(fā)現(xiàn)有泡囊、叢枝和內(nèi)生菌絲，見圖6；而香蒲僅有叢枝和菌絲。濕地松在菌肥強化或自然生長條件下，其侵染率分別為37%和11%，均高于香蒲；表明其親和性較廣，能與更多叢枝菌根真菌結合。

表2 濕地松、香蒲叢枝菌根侵染結構

叢枝菌根形成，可增加植物抗性[11-13]，增強營養(yǎng)代謝，提高葉綠素含量，改善葉片氣孔導度、蒸騰速率、羧化速率[14]和光合速率[15]，增加植物碳素營養(yǎng)[16]，從而提高生物量[17,18]。本研究中，濕地松、香蒲處理前無顯著差異。處理后，實驗組迅速增加，濕地松地上、地下生物量較對照分別增加了37.48%和52.53%，見圖6、表3，均達顯著水平。香蒲須根多且較長，見圖6，吸附面積大，地上、地下生物量高于對照組，但未達顯著水平，見表3。

濕地松存活率(56.25%)低于香蒲(100%)。原因是濕地松苗栽種前根系少，生長慢，營養(yǎng)物供應不足，部分植株生長過程中隨水分和營養(yǎng)物耗盡而死亡。此外，濕地松、香蒲生存對策不同，濕地松生長、繁殖慢；而香蒲分蘗快，能迅速占領新生境，空間競爭能力強，對濕地松存活影響大。

濕地松、香蒲含氮量變化與生物量趨勢一致，表現(xiàn)為實驗組高于對照組，地上高于地下；香蒲地上、濕地松地下差異均達顯著水平；表明菌肥對2種植物吸氮能力有促進，但彼此間吸收和分配有差異。濕地松地下部較多，可增加吸收面積和固著能力，降低土壤沖刷量。香蒲地上部較多，經(jīng)光合作用后可轉(zhuǎn)向地下部輸送更多營養(yǎng)物和氧氣，滿足根系微生物的生長與繁殖。本研究中，隨叢枝菌根侵染率提高，植株生物量、氮含量也隨之增加，與前人研究結果一致。此外，本研究還表明，香蒲瞬時生物量高于濕地松，意味著濕地引種植物時，可強化其根系，促進生物量增加；溫暖地區(qū)，如云南大理，應以草本植物為主，尤其是大型草本植物，如象草、皇竹草等。其生長快，瞬時生物量大，通過收割可帶走較多的污染物。

表3 植株生物量及含氮量變化

2.3 微生物變化

人工濕地除氮與微生物密切相關，尤其是硝化、反硝化菌的共同作用，可直接將氨氮、硝氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮而排出[19]。本研究中，實驗組、對照組微生物群落結構差異明顯，見圖7，實驗組豐富度低，以變形菌門、酸桿菌門、厚壁菌門和擬桿菌門為主；其中，變形菌門占總數(shù)的70%，酸桿菌門、厚壁菌門和擬桿菌門占總數(shù)的20%，放線菌門、綠彎菌門、硝化螺旋菌門、疣微菌門較少，浮霉菌門、藍細菌門相對較少；對照組與實驗組相似，仍以變形菌門、酸桿菌門、厚壁菌門、擬桿菌門為主，但變形菌門、厚壁菌門、擬桿菌門低于實驗組，而其余門類高于實驗組。

人工濕地微生物間的差異受植物種類、季節(jié)、測試手段等的影響。Peralta R M等[20]用高通量測序技術研究人工濕地土壤中微生物的群落結構，表明主要細菌屬酸桿菌門、放線菌門、擬桿菌門、厚壁菌門和變形菌門，約占細菌總數(shù)的80%，結果與本研究相似。王春香等[21]研究表明，與反硝化脫氮相關的細菌主要是變形菌門和其它未知菌群。張銳等[22]研究厭氧氨氧化耦合異氧反硝化脫氮系統(tǒng)中的微生物，表明這些微生物主要是變形菌門和擬桿菌門類群。王潤眾[23]認為，變形菌門種屬越豐富，越有助反硝化；厚壁菌門、擬桿菌門越豐富，越利于保證碳源的供給。本研究中，盡管實驗組硝化螺旋菌門低于對照組，但其變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門遠高于對照組，故除氮效果優(yōu)于對照組。

脫氮細菌分布較廣，有研究發(fā)現(xiàn)，脫氮基因不僅存在于變形菌門的α、β和γ變形菌綱中，也存在于放線菌門、擬桿菌門、綠彎菌門、硝化螺菌門等其它類群中。同時，在真菌中也有發(fā)現(xiàn)[24,25]。表明現(xiàn)有研究結果可能僅揭示其類群的一部分。仍待開發(fā)新技術或結合多技術研究，以便更好詮釋有關人工濕地除氮的主要功能菌群及機理，進而更好地指導人工濕地建設和應用。

本試驗中，實驗組被強化，其優(yōu)勢門類占比提高，而豐富度卻下降。這可能受微生物間生存競爭所致。菌肥含6種芽孢桿菌，其可能抑制了其它微生物的繁殖；加之實驗組植物叢枝菌根侵染率高，其泌氧、輸送有機物較強，也可能影響了根系微生物優(yōu)勢群落的結構和豐度。

菌肥強化植物根系提高了叢枝菌根的侵染率，增加植株生物量、含氮量，優(yōu)化微生物群落結構，提高了濕地脫氮性能。

圖7 植物碎石床中微生物群落結構

3 結論

植物根系是植物吸收、固著的主要器官，其發(fā)達程度嚴重影響植物生物量及根系微生物群落結構，進而影響濕地脫氮性能。本研究中，通過菌肥強化濕地松和香蒲根系，得到如下結論。

叢枝菌根真菌侵染率升高，植物地上、地下生物量及含氮量增加；變形菌門、酸酐菌門、厚壁菌門和擬桿菌門微生物占比高，濕地脫氮性能和穩(wěn)定性增強；香蒲相對生物量遠高于濕地松，表明其對污染物的吸收能力強；強化后濕地除氮效果好，尤其對硝氮，去除率均大于85%。

故本研究建議，為提高濕地運行效率及延長使用壽命，在引種濕地植物時，先強化其根系，盡可能增加生物量；同時，對無明顯季節(jié)變化地區(qū)(如大理)，濕地植物應以草本植物為主，尤其高生物量植物，如皇竹草、象草等，不僅相對生物量大，且經(jīng)濟價值高。