植物生態浮床富營養化河道凈化效果研究

徐文菊

（山東省臨沂市莒南縣水利局大店水利服務中心,山東 莒南 276600）

0 引言

當前水體的各種污染原因中最多的就是水體富營養化,水體富營養化會破壞水體的生態環境,滋生大量藻類,導致魚類死亡。針對富營養化的水體,常用的治理方式有化學藥劑殺藻、曝光、挖掘等,但上述治理措施實施起來成本較高,同時容易形成二次污染[1-3]。最近幾年,隨著科技的發展,生物修復技術逐漸應用在治理富營養化水體中,目前已有較多研究表明可通過植物生態浮床和微生物相結合的方式來對水體富營養化進行治理。當前植物生態浮床對于水體的異位修復和原位修復主要分為兩種,但應用較多的為前者[4]。對于異位修復技術,Hu 等[5]在實驗室內研究了栽有植物的生態污泥浮床對TP 和TN 濃度超標水體的凈化效果,但生態污泥浮床對TP 和TN 的凈化率未超過40%。Cui 等[6]通過制作垂直型生態浮島,并種有美人蕉,以此研究其去除TN 的效果,但結果表明凈化效果不足10%。所以生態浮床的異位修復在操作難度和凈化效果方面都不太理想。相比之下,原位修復操作簡單,造價低廉。胡綿好等[7]研究了富營養化水體中負載微生物生態浮床的修復效果,發現其去除TP 和TN 率均超過60%。

基于此,為了掌握生態床凈化富營養水體的機理,增強其凈化效果,本文通過制作植被生態浮床,對凈化后水體理化指標、根際圈微生物種類和數量的變化進行對比和分析。

1 研究區概況

某景觀湖水深平均1.5 m,水體總容量近49000 m3,將其中160 m2作為生態浮床修復實驗點,水深近0.6 m～1.3 m 的弧形小湖。富營養化水體研究區總長度近35 m,最寬處和最窄處分別為16 m 和4.6 m。研究區內設置兩個生態浮床和4個取樣點,取樣點編號分別為A、B、C、D,生態浮床主要分布在取樣點B 兩側,A →B/C →D 為小湖內水流方向,具體布置見圖1。

圖1 生態浮床布置情況

2 研究方法和材料

2.1 試驗材料和設備

為所選植物為麻竹和美人蕉,均購自研究區當地街市,并購買植物定植框、聚乙烯泡沫浮漂等。制作LB 固體培養基,準備瓊脂粉15 g,10 gNaCl,5 g 酵母提取物,pH 值控制在7.0,制作完畢后在122℃環境下持續20 min 滅菌后方可使用。試驗過程中使用到的主要儀器有高壓蒸汽滅菌鍋、COD 消解儀、堿式滴定管、臺式高速離心機、電熱恒溫培養箱、紫外可見分光光度計等。植物生態浮床的面積是3 m×1.5 m,其組成具體包括蘭花托架、支撐架、聚乙烯泡沫浮漂、固定化繩索等,植株最大允許種植數為120 株。

2.2 試驗內容

本研究的試驗內容主要分為觀測植物生態浮床對弧形小湖的治理效果和統計根際圈微生物的種類、數量。對于前者,把美人蕉固定栽種在生態浮床的蘭花托架套筒中,種植間距為5 cm,對湖水中的TP、COD、TN 以及NO3-進行定時測量,時間間隔為3 d。設置取樣點4 個,依次是：浮床區水樣、出水口水樣、入水口水樣以及浮床對面水樣。除此之外,要對富營養化湖水中美人蕉的生長情況進行觀測和記錄。在對植物根際圈微環境進行觀察時,定時間隔15 d 統計各植株根際圈微生物的種類和數量,由此來判斷水體治理過程中微生物和植物的作用,同時能夠在一定程度上體現出富營養水體受生態浮床的凈化程度。在此次試驗里,目標植物隨機選擇了三株美人蕉,,每隔15 d 取1 g 根際圈泥土并置于溫室自然風干12 h；之后通過2 mL 無菌水進行稀釋,在9 mL 的無菌水中放入1 mL 稀釋后的溶液,制成1∶10 的樣品溶液；之后再次于9 mL 無菌水中放入1 mL 的1∶10 樣品溶液,制成1∶100的樣品溶液,重復此步驟,依次制成1∶103、1∶104、1∶105、1∶106、1∶107和1∶108的樣品溶液。樣品溶液制作完成后,各取出50μL 放置在 LB 固體培養基里,完成涂布后放置于恒溫培養箱（37°C）中培養1 d,各類稀釋比例分別重復5 個平板。再通過最大或然數法對樣品中的微生物數量進行計算,并結合形態學對根際圈微生物的類型進行判定。

2.3 測定方式和分析數據

選擇快速密閉催化消解-滴定法來對COD 進行測定,選擇麝香草酚分光光度法對TN 和NO3-進行測定,選擇鉬銻抗氧化分光光度法對PT 進行測定。各項指標的測定均設置3個平行樣品,最終結果取3 個樣品測定結果的均值,同時將各組數據繪制成圖。

3 結果分析

3.1 分析水體理化指標

試驗區水體于2019年7 月至2020年7 月間多次出現富營養化情況,通過測定發現水體各項理化指標均超過國家標準,屬于劣 V 類水,具體結果見表1。

表1 水體各項理化指標

3.2 治理效果分析

通過植物生態浮床對富營養化水體進行治理,各指標變化趨勢見圖2。從圖中能夠看出,治理時間未超過40 d 時,TP、NO3

圖2 時間增長各指標變化趨勢

-、COD 以及TN 的含量會因湖水容量的變化而變化。經過比較后得知,各取樣點指標大小為：出水口＜浮床區＜浮床正對面＜入水口。通過上述分析能夠得出,水體中各指標在水體從入水口流入出水口時均有所降低；造成各指標減小的原因可能是自然沉淀作用、湖底鵝卵石吸附作用、湖內生物作用、生態浮床的作用以及根際圈微生物作用；同時對比發現生態浮床附近的各項指標均低于正對面水體,這表示在湖水凈化過程中生態浮床在一定程度上發揮了積極作用。在試驗進行到15 d 時,暴雨對泥土的沖刷導致試驗區附近泥土流失到湖水里,從而大大提高了TP、NO3-、COD 以及TN 的數值,縮小了不同取樣點間的差值。從整體來看,生態浮床在凈化富營養化水體方面有一定的效果。在出水口處水質達到了國家標準,具體見表1。參考其他文獻能夠發現,美人蕉能夠很好地在水中和土中生長,且能夠對環境進行美化,是一種非常合適的植物。與此同時,生態浮床可作為遮蔭場所給水中生物遮擋陽光,形成的小型生態環境給根際圈生物創造了良好的環境,在很大程度上改善了水體環境。

3.3 美人蕉根際圈處微生物數量的變化

空氣、水和土體中均存在大量的微生物,而微生物生長必不可少的就是磷、氮等元素,這給富營養化水體中微生物的應用創造了條件。相關研究發現,微生物的活性會受基質中含氮量的影響,微生物的活性會隨著土壤中含氮量的增大而增大。同時,植物根際圈微生物能夠提高植物的生長速度,并且植物的快速生長又會使微生物的活性大大提高,兩者相輔相成。所以,在評判植物的生長情況和根系活性時根際圈微生物數量的把控十分重要。

此次研究在60 d 內跟蹤記錄了美人蕉根際圈微生物數量的變化情況,具體見圖3。從圖3 中能夠發現植物生長時,微生物數量和根系數量呈現出正相關關系,即植被根系越多,微生物數量也就越多。美人蕉根際圈微生物的數量在30 d 時增長幅度較大,跨越2 個數量級,之后增長幅度較小,基本不再變化。結合上述分析,表明美人蕉在凈化治理富營養化水體方面效果顯著,值得注意的是微生物和植物在這個凈化過程中都發揮了重要作用。

圖3 美人蕉根際圈微生物數量的變化情況

3.4 美人蕉根際圈處微生物種類的變化

根據LB 固體培養基所得出的培養結果能夠發現,隨機選擇的美人蕉根際圈微生物在60 d 內種類沒有出現改變。但不同植株間的微生物類型相差較大,具體結果見表2。從表2能夠看出,A 組、B 組和C 組的微生物種類分別為5 種、6 種和4 種。在3 組培養基種均存在的微生物是4 號菌落和1 號菌落代表的微生物,且C3 和B6 的菌落為3 組都有的微生物為1 號菌落和4 號菌落,B6 和C3 為同一種微生物。所以在水體凈化治理過程中發揮關鍵作用的微生物大概率是聚磷菌與反硝化細菌。

表2 菌落微生物特點

4 結論

為了研究植被生態浮床對水體的凈化效果,通過試驗對凈化后水體理化指標、根際圈微生物種類和數量的變化進行了對比和分析,得出以下結論：

1）各取樣點指標大小為：出水口＜浮床區＜浮床正對面＜入水口,水體中各指標在水體從入水口流入出水口時均有所降低,在出水口處水質達到了國家標準；生態浮床附近的各項指標均低于正對面水體,這表示在湖水凈化過程中生態浮床在一定程度上發揮了積極作用。

2）植物生長時,微生物數量和根系數量呈現出正相關關系,即植被根系越多,微生物數量也就越多；美人蕉根際圈微生物的數量在30 d 時增長幅度較大,跨越2 個數量級,之后增長幅度較小,基本不在變化,表明美人蕉在凈化治理富營養化水體方面效果顯著,值得注意的是微生物和植物在這個凈化過程中都發揮了重要作用。

3）隨機選擇的美人蕉根際圈微生物在60 d 內種類沒有出現改變,但不同植株間的微生物類型相差較大,在水體凈化治理過程中發揮關鍵作用的微生物大概率是聚磷菌與反硝化細菌。