菌肥强化植物根系对植物碎石床除氮效果的影响_吴鑫.pdf

2023，Vol.43，No.06农业与技术农业工程菌肥强化植物根系对植物碎石床除氮效果的影响吴鑫1，2，3陆轶峰2严菊1彭德勇1王永恒1王琳1卢少勇3张俊朋2，3(1.六盘水市农业农村局，贵州 六盘水 553000;2.云南大学生态学与环境学院，云南 昆明 650091;3.中国环境科学研究院/国家环境保护洞庭湖科学观测研究站/湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室/环境基准与风险评估国家重点实验室/湖泊生态环境创新基地，北京 100012)摘要:本试验以提高人工湿地脱氮性能为目的;设计了 2 组植物碎石床(实验组、对照组)，分别引种湿地松和香蒲，采用菌肥强化植株(实验组)根系。结果表明:菌肥可提高丛枝菌根真菌侵染率，进而增加植株生物量和含氮量;实验组、对照组的微生物优势群落结构相似，实验组中变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门远高于对照组，占总数的 90%;实验组的氮去除效果好且稳定，尤其去除硝氮，全程去除率均大于 85%。植物根系是碎石床内外环境联系的枢纽，菌肥强化植物根系既有益地上部分生长，同时也能改善地下生境，促进微生物优势门类形成，进而提高湿地的脱氮性能。关键词:菌肥;丛枝菌根;微生物;脱氮中图分类号:S273文献标识码:ADOI:10.19754/j.nyyjs.20230330009收稿日期:20230109作者简介:吴鑫(1991)，男，硕士，副校长。研究方向:水污染控制;通讯作者卢少勇。人工湿地投资少、能耗低、管理方便且兼具美化效应，已被广泛用于工农业及生活污水的处理。但人工湿地普遍存在氮、磷去除效果差，长期运行易堵塞，冬季去除率下降等问题。植物、微生物、填料是人工湿地的基本构成。目前，对湿地功能改善多集中在填料筛选。一般认为，小粒径(5 60mm)、多孔、离子交换性好、经济、无毒是湿地基质的最优选择1;其挂膜快、吸附强，对水质净化效果好，但这仅能维持一定年限。填料对部分污染物如磷、重金属等的去除最终通过更换填料实现。微生物亦如此，对难降解、难挥发物质并无实际去除作用。因此，要延长湿地运行期限，提高湿地氮磷去除效果及解决废水中难降解物质问题，需发挥填料、微生物和植物三者的协同效应。充分利用植物在湿地中的直接、间接作用。植物是人工湿地生态系统的重要成分，具有吸收水中氮磷、改善水体生境、抑藻等功能2。植物根系是湿地内外环境相联系的枢纽;强化植物根系可为地上部分提供丰富的营养物质和水分，增强光合作用，提高生物量;同时，地上部分增加可转向地下输送更多的有机物和氧气，进而提高湿地内部空间异质性，丰富微生物种类，对湿地脱氮具有重要意义。本研究通过设计 2 组植物碎石床，用菌肥强化植物根系，比较组间植物(湿地松、香蒲)菌根侵染率、生物量、含氮量、微生物变化及湿地除氮效果，以期获取提高湿地脱氮性能的相关参数，进而为缓解河、湖富营养化提供新的技术选择。1材料与方法1.1试验材料本试验涉及主要材料有生物菌肥、湿地松、香蒲及碎石。其中，生物菌肥购自 Novozymes 有限公司，其成分包括 9 种外生菌根，9 种内生菌根和 6 种芽孢杆菌;湿地松购自九江伟创园林种苗有限公司，株高5055cm;香蒲取自大理本地，引种时仅取地下部分;碎石购自于大理石材厂，粒径1018mm，见图1。1.2试验设计试验共设2 组，即对照组(CK)和实验组(EG)。试验地点为洱海国家重大水专项科研基地。装置于 2019 年 12 月建成并启动，次年 38 月正式采集数据。期间采用间歇进水，流量、水力负荷、采样频次分别为 0.10m3d1，10cmd1及 4 6d 1 次。装置由配水和主处理单元组成，见图 2、图 3。配水单元为 1 只 0.3m3的塑料桶，用浮球阀控制43农业工程农业与技术2023，Vol.43，No.06水位，每次进水 0.2m3。主处理单元为 2 组植物碎石床。床体为钢筋混凝土结构，见图 4，床长、宽、深分别是 2m 0.5m0.5m;碎石填充深度 0.m，粒径为 10 18mm;植物为湿地松和香蒲，均匀混种，20 株m2。其中，实验组植株植前需蘸取少量菌肥。图 1试验材料实物图系统进水按洱海入湖沟渠 白马黑泥沟来水(农业径流)平均浓度配置，见表 1。出水进入排水渠。图 2试验装置平面图图 3试验装置剖面图图 4试验装置现场图景1.3测定方法及数据处理本试验水质指标测试方法参照 水和废水监测分析方法第 4 版测定。丛枝菌根镜检用醋酸墨水染色法，侵染率计算用根段频率法。植物生物量用称重法，含氮量用凯氏定氮法。微生物测定，取根区碎泥样，送公司检测，用高通量技术测序。数据处理使用 Excel 与 SPSS 22.0 软件。表 1白马黑泥沟来水及试验用水水质指标白马黑泥沟来水水质/(mgL1)试验用水水质/(mgL1)配方:(NH4)2SO48g;NaNO32g;CH3COONa90gTN氨氮NO3NCODCrTN氨氮NO3NCODCr5.125.14.521.10.33.824.4110.110.008.002.0090.002结果与分析2.1植物碎石床的去除效果植物碎石床的净化效果受多因素影响。由图 5 可知，系统进水 TN 为 9.352.84mgL1，氨氮为 6.692.47mgL1，硝氮为 2.120.66mgL1，CODCr为79.5727.82mgL1。出水水质呈阶段性变化。34 月为系统启动阶段，出水浓度较高，实验组与对照组 TN、氨氮、硝氮和 CODCr的去除率分别为48.40%、40.96%、86.16%、38.84%和 45.60%、49.53%、57.93%、41.73%;净化效果整体较差，原因在于该阶段植物尚处于复苏状态，其泌氧、供氧能力差;加之532023，Vol.43，No.06农业与技术农业工程温度低(约 8)，微生物增殖慢，代谢弱，不足以促进硝化反应。4 月后渐入稳定阶段，随气温上升，植物生长旺盛，吸收、分泌作用增强，微生物代谢活跃，实验组(EG)、对照组(CK)的 TN、氨氮、硝氮、CODCr去 除 率 上 升，分 别 为 87.30%、89.06%、85.77%、56.78%和 82.63%、86.88%、80.43%、47.14%。优于黄季超等3 的研究效果。出水水质达 云南洱海绿色流域建设与水污染防治中长期规划提出的类水质目标。但在 7 月，由于受暴雨影响，床体出水浓度波动大。表明尽管植物碎石床已运行稳定，但耐冲击性不强。所以，针对植物碎石床工艺，要使其尽力削减入河、湖等的污染负荷，应在雨季前，采取相应手段，如分批净化，增设前处理单元等。本研究中，菌肥强化是引起碎石床净化效果出现差异的主要因素。研究期间，实验组净化效率明显高于对照组，见图 5，且出水水质稳定。尤其去除硝氮，整个过程无积累，去除率均大于 85%。实验组被强化，提高了丛枝菌根侵染率，使根系吸收面积增大;而且，丛枝菌根侵染可能增加了宿主植物的硝态氮还原酶数量与活性，进而增强植物同化硝酸盐的能力。故实验组氮去除效果好且稳定。此外，由图 5 可知，实验组、对照组的 TN、氨氮、CODCr变化趋势相同，表明系统硝化、反硝化同步，除氮效果较好。与夏品华等4 的结果一致。植物是湿地内外联系的桥梁，是营养物质的传输通道。尽管有研究认为植物在人工湿地氮、磷去除中不占重要地位5，6，但有无植物严重影响湿地的净化效率7，植物可经根系向基质分泌有机物、输氧，加速菌根菌、内生菌侵染及根际微生物繁殖，共同促进污染物降解。同时，植物根系生长，对水力传输8、拦截颗粒物等有重要作用。本研究中，尽管实验组与对照组差异未达显著水平。但其净化效率和稳定性明显优于对照组。表明菌肥强化植物对人工湿地脱氮性能有改善。图 5植物碎石床进出水氮、CODCr浓度变化2.2丛植菌根侵染率及植株生物量、含氮量变化丛枝菌根真菌侵染是对宿主植物产生影响的前提，其侵染植物后会形成泡囊、丛枝、内外生菌根等结构9。不同宿主植物对丛枝菌根真菌的亲和力不同10。因此，受侵染的植物体可观察到不同结构。由表 2 可知，湿地松与香蒲菌根结构明显不同。湿地松用肉眼可直接观察外生菌丝(菌鞘)，镜检还发现有泡囊、丛枝和内生菌丝，见图 6;而香蒲仅有丛枝和菌丝。湿地松在菌肥强化或自然生长条件下，其侵染率分别为 37%和 11%，均高于香蒲;表明其亲和性较广，能与更多丛枝菌根真菌结合。表 2湿地松、香蒲丛枝菌根侵染结构组别泡囊内外生菌丝丛枝侵染率/%湿地松EG+37CK+11香蒲EG+28CK+8丛枝菌根形成，可增加植物抗性1113，增强营养代谢，提高叶绿素含量，改善叶片气孔导度、蒸腾速63农业工程农业与技术2023，Vol.43，No.06率、羧化速率14 和光合速率15，增加植物碳素营养16，从而提高生物量17，18。本研究中，湿地松、香蒲处理前无显著差异。处理后，实验组迅速增加，湿地松地上、地下生物量较对照分别增加了 37.48%和 52.53%，见图 6、表 3，均达显著水平。香蒲须根多且较长，见图 6，吸附面积大，地上、地下生物量高于对照组，但未达显著水平，见表 3。图 6植物根系侵染结构图湿地松存活率(56.25%)低于香蒲(100%)。原因是湿地松苗栽种前根系少，生长慢，营养物供应不足，部分植株生长过程中随水分和营养物耗尽而死亡。此外，湿地松、香蒲生存对策不同，湿地松生长、繁殖慢;而香蒲分蘖快，能迅速占领新生境，空间竞争能力强，对湿地松存活影响大。湿地松、香蒲含氮量变化与生物量趋势一致，表现为实验组高于对照组，地上高于地下;香蒲地上、湿地松地下差异均达显著水平;表明菌肥对 2 种植物吸氮能力有促进，但彼此间吸收和分配有差异。湿地松地下部较多，可增加吸收面积和固着能力，降低土壤冲刷量。香蒲地上部较多，经光合作用后可转向地下部输送更多营养物和氧气，满足根系微生物的生长与繁殖。本研究中，随丛枝菌根侵染率提高，植株生物量、氮含量也随之增加，与前人研究结果一致。此外，本研究还表明，香蒲瞬时生物量高于湿地松，意味着湿地引种植物时，可强化其根系，促进生物量增加;温暖地区，如云南大理，应以草本植物为主，尤其是大型草本植物，如象草、皇竹草等。其生长快，瞬时生物量大，通过收割可带走较多的污染物。表 3植株生物量及含氮量变化组别单株鲜重/g平均/g单株干重/g株数/分蘖数存活率/%总生物量/kg凯式氮含量/%地上重 EG湿地松117.9171.9144.9*44.977.88500.321.5076香蒲210.8259.6235.236.781.9121000.711.6962*地上重 CK湿地松79.8131.0105.432.165.5862.50.281.1402香蒲187.3265.9226.636.970.2151000.591.0210地下重 EG湿地松12.547.930.2*5.723.28500.111.4420*香蒲38.653.644.14.66.3121000.061.4715地下重 CK湿地松11.827.819.84.311.6862.50.051.0602香蒲24.845.538.33.05.5121000.051.43742.3微生物变化人工湿地除氮与微生物密切相关，尤其是硝化、反硝化菌的共同作用，可直接将氨氮、硝氮转化为气态氮而排出19。本研究中，实验组、对照组微生物群落结构差异明显，见图 7，实验组丰富度低，以变形菌门、酸杆菌门、厚壁菌门和拟杆菌门为主;其中，变形菌门占总数的 70%，酸杆菌门、厚壁菌门和拟杆菌门占总数的 20%，放线菌门、绿弯菌门、硝化螺旋菌门、疣微菌门较少，浮霉菌门、蓝细菌门相对较少;对照组与实验组相似，仍以变形菌门、酸杆菌门、厚壁菌门、拟杆菌门为主，但变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门低于实验组，而其余门类高于实验组。人工湿地微生物间的差异受植物种类、季节、测试手段等的影响。Peralta M 等20 用高通量测序技术研究人工湿地土壤中微生物的群落结构，表明主要细菌属酸杆菌门、放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门，约占细菌总数的 80%，结果与本研究相似。王春香等21 研究表明，与反硝化脱氮相关的细菌主要是变形菌门和其它未知菌群。张锐等22 研究厌氧氨氧化耦合异氧反硝化脱氮系统中的微生物，表明这些微生物主要是变形菌门和拟杆菌门类群。王润众23 认为，变形菌门种属越丰富，越有助反硝化;732023，Vol.43，No.06农业与技术农业工程厚壁菌门、拟杆菌门越丰富，越利于保证碳源的供给。本研究中，尽管实验组硝化螺旋菌门低于对照组，但其变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门远高于对照组，故除氮效果优于对照组。脱氮细菌分布较广，有研究发现，脱氮基因不仅存在于变形菌门的、和 变形菌纲中，也存在于放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、硝化螺菌门等其它类群中。同时，在真菌中也有发现24，25。表明现有研究结果可能仅揭示其类群的一部分。仍待开发新技术或结合多技术研究，以便更好诠释有关人工湿地除氮的主要功能菌群及机理，进而更好地指导人工湿地建设和应用。本试验中，实验组被强化，其优势门类占比提高，而丰富度却下降。这可能受微生物间生存竞争所致。菌肥含 6 种芽孢杆菌，其可能抑制了其它微生物的繁殖;加之实验组植物丛枝菌根侵染率高，其泌氧、输送有机物较强，也可能影响了根系微生物优势群落的结构和丰度。菌肥强化植物根系提高了丛枝菌根的侵染率，增加植株生物量、含氮量，优化微生物群落结构，提高了湿地脱氮性能。图 7植物碎石床中微生物群落结构3结论植物根系是植物吸收、固着的主要器官，其发达程度严重影响植物生物量及根系微生物群落结构，进而影响湿地脱氮性能。本研究中，通过菌肥强化湿地松和香蒲根系，得到如下结论。丛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;变形菌门、酸酐菌门、厚壁菌门和拟杆菌门微生物占比高，湿地脱氮性能和稳定性增强;香蒲相对生物量远高于湿地松，表明其对污染物的吸收能力强;强化后湿地除氮效果好，尤其对硝氮，去除率均大于 85%。故本研究建议，为提高湿地运行效率及延长使用寿命，在引种湿地植物时，先强化其根系，尽可能增加生物量;同时，对无明显季节变化地区(如大理)，湿地植物应以草本植物为主，尤其高生物量植物，如皇竹草、象草等，不仅相对生物量大，且经济价值高。参考文献 1章丹，叶春，张大磊，等 人工湿地填料选择研究进展 C 中国环境科学学会 2013 中国环境科学学会学术年会论文集(第 5 卷)2013:8 2 马安娜 北京地区人工湿地优势植物筛选及净化效果研究D 北京:首都师范大学，2007 3 黄季超，许仕荣，卢少勇，等 生态透水带去除洱海流域生活污水氮的效果 J 环境工程学报，2017(10):54095416 4 夏品华，喻理飞，曹海鹏，等 贵州草海人工湿地系统硝化反硝化作用研究 J 生态环境学报，2015，24(12):20452049 5 Lu S Y，Zhang P Y，Cui W H Impact of plant harvesting on ni-trogen and phosphorus removal in constructed wetlands treating agri-cultural region wastewater J International Journal of Environment Pollution，2010，43(4):339353 6李林锋，年跃刚，蒋高明 植物吸收在人工湿地脱氮除磷中的贡献 J 环境科学研究，2009，22(03):337342 7李尚志，唐永琼 利用水生植物对污染水体进行生态修复 J 深圳大学学报(理工版)，2005，22(03):272276 8Keith B，Peter G Macropores and Water Flow in Soils J Wateresources esearch，1982，18(5):13111325 9刘润进，李敏，王维华 丛枝菌根真菌对植物根尖分生区和根冠细胞的侵染 J 菌物学报，2001，20(01):116121 10 陈保冬 丛枝菌根减轻宿主植物锌、镉毒害机理研究 D 北京:中国农业大学，2002 11朱红惠，龙良坤，羊宋贞，等 AM 真菌对青枯菌和根际细菌群落结构的影响 J 菌物学报，2005，24(01):137142 12Gonzalezchavez C，Harris P J，Dodd J，et al Arbuscular mycor-rhizal fungi confer enhanced arsenate resistance on Holcus lanatusJ New Phytologist，2002，155(1):163171 13 孔凡美，史衍玺，冯固，等 AM 菌对三叶草吸收、累积重金属的影响 J 中国生态农业学报，2007，15(03):9296 14 宋会兴，彭远英，钟章成 干旱生境中接种丛枝菌根真菌对三叶鬼针草(Bidens pilosa L)光合特征的影响 J 生态学报，2008，28(08):37443751 15 Dunham M，ay A M，Inouye S Growth，physiology，andchemistry of mycorrhizal and nonmycorrhizalTypha latifoliaseedlingsJ Wetlands，2003，23(4):890896 16 Zhao X，Yu T，Wang Y，et al Effect of arbuscular mycorrhiza83农业工程农业与技术2023，Vol.43，No.06on the growth of Camptotheca acuminata seedlings J Journal ofForestry esearch，2006，17(2):121123 17 吉春龙，田萌萌，马继芳，等 丛枝菌根真菌对植物营养代谢与生长影响的研究进展 J 浙江师范大学学报(自然科学版)，2010，33(03):303309 18 Miller S P，Saritz Manipulation of Flooding and ArbuscularMycorrhiza Formation Influences Growth and Nutrition of Two Semi-aquatic Grass Species J Functional Ecology，2000，14(6):738748 19 亢福慧 微生物同步异养硝化好养反硝化脱氮技术研究 D 大连:大连海事大学，2015 20 Peralta M，Ahn C，Gillevet P M Characterization of soil bac-terial community structure and physicochemical properties in crea-ted and natural wetlands J Science of the Total Environment，2013，443(3):725732 21 王春香，刘常敬，郑林雪，等 厌氧氨氧化耦合脱氮系统中反硝化细菌研究 J 中国环境科学，2014，34(07):18781883 22 张锐 厌氧脱氮系统中微生物群落结构研究 J 生物技术，2014，13(06):530533 23 王润众 新型缓释碳源滤料的制备及其应用研究 D 北京:北京工业大学，201524 Wei W，Isobe K，Nishizawa T，et al Higher diversity and abun-dance of denitrifying microorganisms in environments than consid-ered previously J Isme Journal，2015，9(9):1954 25 Wei W，Isobe K，Shiratori Y，et al Development of PC prim-ers targeting fungal nirK，to study fungal denitrification in the en-vironment J Soil Biology Biochemistry，2015，81:282286(责任编辑常阳阳)93