大薸对规模化奶牛场污水的耐受性和净化效果.pdf

Journal of Agricultural Resources and Environment农业资源与环境学报 2023,40（4）:893-905http:/Tolerance and purification effects of Pistia stratiotes L.on dairy wastewaterDU Delin1,2,WANG Han1,2,LIU Shengbo1,2,ZHAO Run1,YANG Peng1,ZHANG Keqiang1,2*,ZHI Suli1*（1.Agro-Environmental Protection Institute,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Tianjin 300191,China;2.College of Resources andEnvironment,Northeast Agricultural University,Harbin 150036,China）Abstract：To investigate the feasibility of livestock wastewater purification by the floating plant Pistia stratiotes L.,an experimental studywas conducted using P.stratiotes L.treatments of dairy wastewater to clarify the growth status and physiological responses of P.stratiotes L.in different types of wastewater and investigate the purifying effects on nitrogen,phosphorus,and organic matter.The changes in microbialcommunities were also analyzed using high-throughput sequencing to reveal the relationship between microbial communities and theremoval of conventional pollutants.The results showed that the tolerance ranges were 02 000 mgL-1and 0750 mgL-1for raw andanaerobic and oxidized pond wastewater,respectively measured as chemical oxygen demand（CODCr）.When P.stratiotes L.was subjectedto high concentrations of wastewater,the chlorophyll content was markedly reduced,and the activities of three enzymes（catalase,peroxidase and superoxide dismutase）were significantly increased.Within the tolerance range,P.stratiotes L.showed good purificationeffects on the three wastewater types from dairy farms.Pistia stratiotes L.had a rapid purification speed in the first 10 days,which slowlyinecreased within 1020 days.After treatment with P.stratiotes L.,the removal rates of total nitrogen,ammonia nitrogen,total phosphorus,大薸对规模化奶牛场污水的耐受性和净化效果杜德林1，2，王涵1，2，刘生博1，2，赵润1，杨鹏1，张克强1，2*，支苏丽1*（1.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150036）收稿日期：2022-04-09录用日期：2022-09-29作者简介：杜德林（1998），男，山东人，硕士研究生，从事畜禽废弃物处理和资源转化研究。E-mail：*通信作者：张克强E-mail：；支苏丽E-mail：基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（2022-jbkyywf-zsl，2022-jbkyywf-zl）；国家自然科学基金青年基金项目（41807474）Project supported：Fundamental Research Funds for the Central Public Welfare Research Institute（2022-jbkyywf-zsl，2022-jbkyywf-zl）；The YoungScientists Fund of the National Natural Science Foundation of China（41807474）摘要：为考察大薸对高浓度畜禽污水净化的可行性，通过室内模拟大薸处理奶牛场污水试验，明确大薸在不同类型污水中的生长状况和生理响应，研究大薸对氮、磷和有机物等的净化效果，并通过高通量测序分析微生物群落变化，揭示微生物群落与常规污染物去除之间的关系。结果显示，大薸能够耐受的污水浓度以化学需氧量（CODCr）计为02 000 mgL-1原水、0750 mgL-1厌氧池和氧化塘污水。当大薸受到高浓度污水胁迫时，叶绿素含量明显减少，过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性明显升高。在耐受范围内，大薸对奶牛场3种污水具有良好的净化效果：010 d内对污染物去除较快，1020 d内去除率上升缓慢；大薸对原水中总氮、氨氮、总磷和CODCr的去除率分别为84.7%92.7%、90.6%96.7%、30.0%93.1%、67.3%77.2%，而对厌氧池和氧化塘污水的净化效果略差。从微生物角度分析得出，奶牛场污水微生物以变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）为主，且大薸处理组内的微生物群落结构与无植物对照组明显不同，其中蓝藻菌门相对丰度差异最为明显。微生物群落与水体多项指标显著相关（P0.05），说明微生物在污染物去除中起重要作用。本研究结果验证了大薸处理高浓度畜禽污水的可行性，为奶牛场污水处理提供了理论基础和技术支撑。关键词：大薸；奶牛场污水；净化效果；微生物群落中图分类号：X713文献标志码：A文章编号：2095-6819（2023）04-0893-13doi:10.13254/j.jare.2022.0185杜德林，王涵，刘生博，等.大薸对规模化奶牛场污水的耐受性和净化效果J.农业资源与环境学报,2023,40（4）:893-905.DU D L,WANG H,LIU S B,et al.Tolerance and purification effects of Pistia stratiotes L.on dairy wastewaterJ.Journal of Agricultural Resources andEnvironment,2023,40（4）:893-905.http:/农业资源与环境学报 第40卷 第4期随着我国畜禽养殖业快速发展，畜禽粪污带来的环境问题日益突出，尤其是奶牛养殖业，不仅污水产量巨大，而且污染物含量高1。目前，虽然部分奶牛养殖场设置了厌氧、好氧等污水处理工艺，但出水中污染物浓度仍偏高，如果这些污水直接排入江河湖泊，会导致水体N、P含量升高，从而引起水体富营养化；若污染物进入地下水，可造成持久性污染，极难治理与恢复2。由此可见，污水处理是奶牛养殖污染防治的难点之一，因此，亟需寻找一种高效率、低成本、易操作的新型污水处理技术，对奶牛养殖场污水中的污染物进一步净化处理3-4。植物修复是一种新兴技术，主要通过植物本身吸收、微生物降解等共同作用去除污染物5，该技术具有设计简单、运行成本较低、处理效果好等特点，因此被广泛用于不同种类污水的深度处理。大薸（Pistiastratiotes L.）是多年生漂浮植物，具有生物量大、繁殖迅速、根系发达、适应能力强等特点，更重要的是，大薸漂浮于水面，易打捞、好控制，是净化水体的良好物种6-8。Nahar等9通过模拟试验研究发现，大薸可通过发达的根系极大改善富营养化湖泊的水质。曾乐媛10的研究表明，经过30 d大薸净化后，公园富营养化水体中总磷（TP）和化学需氧量（CODCr）可分别去除90%和85%以上。另有研究表明，由大薸和水葫芦组合构建的生态净化塘对污水处理厂尾水中总氮、硝酸盐氮、总磷和可溶性磷酸盐的去除率分别可达72.4%、79.0%、78.6%和 80.6%11。以上研究表明，大薸广泛用于地表水、景观用水、生活污水等水体的净化处理。然而，对于成分复杂、污染物含量高的奶牛养殖场污水，大薸的生长耐受性和净化效果目前还鲜有研究。陈金发等12曾利用大薸对畜禽污水CODCr、NH+4-N和TP进行去除，但是未明确给出大薸的耐受阈值，更缺乏大薸处理过程中微生物群落分析及其与污染物去除的相关性分析。因此，本研究以大薸为研究对象，选取奶牛场原始污水、厌氧池和氧化塘等不同类型污水，研究大薸在奶牛场污水中的生长状况和生长阈值，分析大薸对不同污染物的去除效果，对比试验前后污水中微生物群落的变化，明确微生物群落与污染物去除之间的相关性。研究结果可印证大薸对畜禽污水的适应性能，也可为大薸净化畜禽污水提供理论依据。1材料与方法1.1 试验设计试验于农业农村部环境保护科研监测所（天津）的温室大棚内进行，试验准备阶段（2021年7月1015日）进行奶牛场污水采集和大薸的预培养。试验所用污水来自天津某规模化奶牛场，其奶牛存栏总数为2 600头左右，污水处理工艺为：原水（R）-厌氧池（A）-氧化塘（O），采集3种处理工艺阶段污水5070 L，并尽快运回实验室，测定3种污水的初始指标，结果如下：总氮（TN）为（65914）（1 71044）mgL-1、氨氮（NH+4-N）为（53131）（1 03742）mgL-1、总磷（TP）为（1162）（2263）mgL-1、化学需氧量（CODCr）为（3 85060）（18 716350）mgL-1、pH 为 7.378.25、电导率（EC）为（14.53.6）（45.54.9）Scm-1。供试大薸为本地购得，用蒸馏水将大薸冲洗干净，在自然条件下预培养7 d。试验时间为2021年7月15日至8月5日，试验期间气温为2532，水温为2026。试验装置采用11.25 L 蓝色培养箱（长 30 cm、宽 25 cm、高 15 cm）。添加蒸馏水将 3种污水稀释至 CODCr值为 250、500、750、1 000、1 500、2 000 mgL-1和3 000 mgL-1，在每个试验培养箱内添加 10 L 污水静置 1 d，均匀栽种150 g 长势相近的大薸，保证其初始种植密度为 2.3kgm-2左右。以上每个处理组设3个重复，每个梯度处理另设一组无植物对照组（CK组），并以自来水培养大薸为对照组（CKw组）。每日19：00用蒸馏水补充蒸发水量以保证污水体积恒定。培养期间每5 d采水and CODCrin raw wastewater were 84.7%92.7%,90.6%96.7%,30.0%93.1%,and 67.3%-77.2%,respectively;however,the purificationeffect of P.stratiotes L.in anaerobic and oxidation ponds decreased slightly.Regarding the microbial communities,Proteobacteria,Firmicutes,and Bacteroidetes,were the main species in different dairy wastewaters.The microbial community structures in the P.stratiotes L.treatment group and non-plant control group were significantly different;in particular,the relative abundance of Cyanobacteria was distinct.The correlation between the microbial community and several indexes of wastewater was significant（P0.05）,indicating that microorganismsplayed an important role in the removal of pollutants.This study verified the feasibility of P.stratiotes L.in treating wastewater with highconcentrations of pollutants and provides a theoretical basis and technical support for dairy farm wastewater treatment.Keywords：Pistia stratiotes L.;dairy wastewater;purification effect;microbial communities 8942023年7月http:/杜德林，等：大薸对规模化奶牛场污水的耐受性和净化效果样50 mL，测定水样TN、NH+4-N、TP、CODCr、pH和EC。试验第20天时测定植物的生长参数。为了对比试验效果，分别测定处理前后（第0天和第20天）大薸组和无植物对照组的微生物群落结构。样品名称编码原则为字母+数字：字母为R、A和O，分别代表原水、厌氧池和氧化塘污水；数字为250、500、750、1 000、1 500、2 000 mgL-1和3 000 mgL-1，代表污水不同CODCr浓度。1.2 样品常规指标和生理指标测定水样中TN采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定，NH+4-N采用纳氏试剂光度法测定，TP采用钼锑抗分光光度法测定，CODCr采用重铬酸钾消解哈希仪（美国 Hach）测定，pH和 EC采用便携式电极法测定。具体测定步骤参照 水和废水监测分析方法13。生理指标中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性分别用NBT法和愈创木酚法测定14，过氧化氢酶（CAT）活性用索莱宝实验盒测定，叶绿素含量采用分光光度法测定15。1.3 生长参数分析分别在试验开始和结束时，从各处理的培养箱中取出植株，吸干水分后测定质量11。增长率=（第20天生物量-第1天生物量）第1天生物量100%。1.4 样品DNA提取、PCR扩增和高通量测序对处理前后污水样本进行微生物高通量测序，使用FastDNATMSpin Kit for soil试剂盒（MP Biomedicals，美国）对样本进行DNA提取，提取步骤严格遵守操作工序说明书，并采用超微量紫外可见分光光度计检测DNA纯度，质检合格后放入-80 的冰箱保存。细菌16S rRNA基因在V3V4区域进行扩增和分析，引物序列为 338F（5-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3）和 806R（5-GGACTACNNGGGTATCTAAT-3）。在上游和下游引物的5 末端各添加8 bp条形码序列，以区分不同的样本。PCR 反应体系（总体系为25L）：12.5 L 2xTaq Plus Master Mix、3 L BSA（2ngL-1）、1 L Forward Primer（5 molL-1）、1 L Reverse Primer（5 molL-1）、2 L DNA（加入的DNA总量为 30 ng），最后加入 5.5 L ddH2O 补足至 25 L。反应程序：95 预变性5 min；95 变性45 s，55 退火50 s，72 延伸45 s，28个循环；72 延伸10 min。PCR产物使用1%琼脂糖凝胶电泳检测扩增目的条带大小，并用Agencourt AMPure XP 核酸纯化试剂盒纯化。PCR产物用于构建微生物多样性测序文库，在北京奥维森基因科技有限公司使用 Illumina MiseqPE300高通量测序平台进行Paired-end测序。1.5 数据分析使用 Vsearch（v2.7.1）软件 uparse 算法对优质序列进行OTU（Operational Taxonomic Units）聚类，序列相似性阈值为97%，与Silva128数据库使用RDP Classifier算法进行比对，设置70%的置信度阈值，得到每个OTU对应的物种分类信息，并使用奥维森数据分析平台对微生物群落数据进行物种注释等相关性分析。用Microsoft Excel 2007进行数据处理，采用SPSS20.0 软件对数据进行单因素方差分析，使用 Origin2017进行绘图处理。2结果与分析2.1 大薸在奶牛场不同类型污水中的生长情况2.1.1 大薸的生长率和形态指标图1为大薸在3种不同类型污水（原水、厌氧池、氧化塘）中的平均增长率（20 d）。由图1可知，纯水培养组（CKw）的大薸平均增长率仅有39%，而大薸在3种污水中平均增长率均显著增加（P0.05）。在不同浓度的原始污水中，大薸表现出良好的生长性能（图1A），不同浓度处理平均增长率均显著升高至100%以上，且比CKw组平均增长率增加61104个百分点。在不同浓度的厌氧污水（图1B）和氧化塘污水（图1C）中，大薸的平均增长率呈先升高后降低趋势，大薸增长率最高的为A250组（151%）和O250组（138%）。由此可知，大薸在不同类型奶牛场污水中的适应范围（以 CODCr计）如下：02 000 mgL-1原水、0750 mgL-1厌氧池和氧化塘污水。经过20 d处理后，大薸在不同污水中的形态指标如表1所示。在原始污水中，大薸的叶长、叶宽的变化量均呈现增加趋势，且高于CKw组；但根长随着原水污水浓度的增加逐渐减小。对于厌氧池污水，随着污水浓度增加，大薸的叶长、叶宽先增加后减小，大薸根长明显受到抑制，均小于CKw组，其中A250组具有最大根长（19 cm）且小于CKw组的最大根长（28 cm）。对于氧化塘污水，大薸叶长、叶宽、根长的变化规律与厌氧污水组类似，低浓度污水促进大薸生长，高浓度污水抑制大薸生长，O1500组和O2000组中大薸快速死亡。这些结果与图1中大薸增长率结果一致。2.1.2 大薸的生理响应大薸的生理指标变化可反映其在不同浓度牛场污水中的内在响应机制，图2为大薸在不同类型牛场 895http:/农业资源与环境学报 第40卷 第4期污水中光合色素和抗氧化酶活性的变化规律。由图2A可知，在不同浓度原水中，大薸的叶绿素含量随着污水浓度的升高先增加后逐渐降低，叶绿素含量最高的处理为R750，这与大薸在原水中的增长率一致（图1A）。由图2B、图2C可知，叶绿素含量随着厌氧池和氧化塘污水浓度的增加呈先升高后降低的趋势，低浓度污水促进大薸叶绿素合成，而高浓度污水降低大薸叶绿素含量，进而影响大薸生长；叶绿色a含量相对较高，且变化量较大。图3A图3C表明，大薸体内的酶（CAT、POD和SOD）活性也受到污水浓度的影响，整体呈现先增高后降低的趋势；在低浓度污水中，大薸体内酶活性受污水浓度影响不大，高浓度污水使得大薸酶活性增加，不同类型污水中酶活性最高的处理分别为R3000、A500和O500组，分别对应大薸增长率受到明显抑制的浓度组（图1）。2.2 大薸对奶牛场不同类型污水的净化效果2.2.1 不同处理时间下的净化效果图4为大薸对污染物去除效果随时间的变化规律。由图4可知，TN、NH+4-N、TP和CODCr的浓度随时间变化均呈现逐渐下降趋势，而其去除率呈现先快速上升后缓慢增加的趋势。010 d内，大薸对污染物去除较快，3种污水中TN、NH+4-N、TP和CODCr的浓度快速降低，去除率迅速升高，去除率分别达到 55.5%82.3%、56.3%85.1%、39.9%59.7%和22.1%58.2%；1020 d内，大薸去除污染物的速率有所下降，20 d时TN、NH+4-N、TP和CODCr的去除率分别比第10 d时增加了 8.737.2、9.235.2、25.635.9 个百分点和 6.937.7个百分点。无植物对照组（CK）的去除率随着处理时间变化基本平稳，且最终去除率明显低于大薸组。对比不同类型的奶牛场污水可知，大薸处理原水中污染物的去除速度较快，如在第5 d时，大薸对原水中CODCr的去除率约为60%（图4J），这与大薸在原始污水中增长率较高（图1）有关。为了更好地研究大薸处理对奶牛场污水水质的影响，本研究对大薸处理组和无植物对照组中pH和EC的变化进行了分析（图5）。由图5可知，大薸处理组的3种污水的pH均有所下降，且更接近于中性；而无植物组污水的pH波动较大，如O500组，经过大薸处理后污水pH为7.9左右，而无植物对照组的pH达到9.4左右（图5C）。EC代表溶液传导电流的能力，能够间接推断水中的总离子浓度。整体而言，大薸具有降低污水EC值的作用，如在原水中，大薸组的EC值由600 Scm-1左右降低至212 Scm-1，而无植物组的EC仍维持在600 Scm-1左右（图5A）。2.2.2 不同浓度净化效果的变化图6为不同浓度大薸对污水中不同污染物的去除效率。与无植物对照组相比，大薸对不同污水中的4种污染物都表现出较好的去除效果，尤其是浓度较低时去除效果更佳，TN、NH+4-N、TP和CODCr的最终去除 效 率 最 高 可 分 别 达 到 92.7%、96.7%、93.1%和77.2%。整体而言，不同浓度下，大薸对TN、NH+4-N和不同字母表示处理间差异显著（P0.05）。下同。Different letters indicate significant differences among treatments（P0.05）.The same below.图1 不同浓度的污水中大薸的平均增长率变化Figure 1 Changes in the average growth rate of Pistia stratiotes L.in different wastewaters处理Treatment处理Treatment处理Treatment 8962023年7月http:/杜德林，等：大薸对规模化奶牛场污水的耐受性和净化效果CODCr的最终去除率保持在60%以上，而对TP的去除率随着污水浓度的升高从93%下降至30%。对于厌氧池和氧化塘污水，在低浓度范围内（CODCr含量在250750 mgL-1），大薸处理组的去除率明显高于无植物对照组，而在高浓度范围内（CODCr含量在 1 0002 000mgL-1），由于大薸的生长受到抑制甚至腐烂死亡（图1），大薸处理组去除率和无植物对照组差别不大。2.3 大薸处理污水过程中微生物群落变化本研究进一步分析了微生物群落的物种组成，图7A为在第0天和第20天时3种污水中的微生物组成（门水平）。由图可知，试验前（第 0 天），变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）为优势菌门，它们在 3种污水中的相对丰度之和为81.3%94.7%；此外，放线菌门（Actinobacteriota）、蓝藻门（Cyanobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、髌骨细菌门（Patescibacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobiota）、弯曲杆菌门（Campilobacterota）和互养菌门（Synergistota）在试验前的丰度也较高。对比20d后的大薸处理组和无植物对照组可知，不同处理的污水中微生物相对丰度有所改变。其中，3种污水的无植物处理组的变形菌门相对丰度由20.0%71.2%下降至16.0%47.9%，而大薸处理组的变形菌门相对丰度高于对应无植物对照组，保持在38.5%51.1%；在试验前（第 0 天）污水中厚壁菌门相对丰度为13.1%44.6%，20 d后大薸处理组的厚壁菌门相对丰度降至 10.0%37.4%，而无植物对照组升至 14.0%45.5%。且污水经大薸处理 20 d后拟杆菌门相对丰度从4.3%24.0%升至5.9%32.3%，对应的无植物对照组降至2.5%18.4%。蓝藻门相对丰度占比在无植物对照组中升幅较大，尤其是第20天时氧化塘污水的无植物组中蓝藻门最高可占50.5%（O250B），而相对应的大薸处理组中蓝藻门的相对丰度只占0.07%3.22%。图7B为3种污水在不同处理组微生物属水平的物种组成。试验前（第0天），污水中相对丰度较高的菌属为不动杆菌属（Acinetobacter），原水中的相对丰度在53.6%56.5%之间；其次，变形菌门未知属（Proteobacteria_uncultured）、Romboutsia菌属、拟杆菌门未知属（Bacteroidetes_uncultured_bacterium）、黄杆菌属（Flavobacterium）、螺旋杆菌（Turicibacter）、芽孢杆菌（Paeniclostridium）、噬氢菌属（Hydrogenophaga）和水杆菌属（Aquabacterium）也占较大比例，它们的相对丰表1 不同类型污水中大薸叶长、叶宽及根长变化（cm）Table 1 Changes of leaf length,leaf width and root length of Pistia stratiotes L.in different types of dairy wastewater（cm）注：表示大薸死亡。Note：means Pistia stratiotes L.died.处理TreatmentCKW原水Raw wastewater厌氧污水Anaerobic wastewater氧化塘污水Oxidationpondwastewater梯度Gradient自来水R250R500R750R1000R1500R2000A250A500A750A1000A1500A2000O250O500O750O1000O1500O2000叶长Leaf lengthMax5.07.37.58.77.37.87.56.15.83.73.05.26.56.34.7Min4.56.56.57.56.86.76.95.14.53.32.84.74.55.54.3Mean4.76.97.18.07.36.97.45.85.13.52.84.95.45.94.5叶宽Leaf widthMax5.05.45.56.56.05.75.94.64.84.03.04.25.56.34.7Min4.05.05.35.54.34.85.54.04.53.62.83.64.55.54.3Mean4.55.15.46.05.45.35.84.34.63.82.93.94.75.94.5根长Root lengthMax28353026191381914731511104Min152523211411715116210972Mean2030262316128171363131084 897http:/农业资源与环境学报 第40卷 第4期度之和为35.6%67.6%。经过20 d的大薸处理后，不动杆菌属降低至0.6%以下，变形菌门未知属和蓝藻门未知属相对丰度升高；无植物处理组中蓝藻门未知属相对丰度最高上升至32.2%，但它在大薸处理组中最高仅有10.7%；黄杆菌属恰恰相反，其在大薸处理组中最高相对丰度可达14.9%，而无植物处理中其相对丰度仅在2.8%以下。由此可见，大薸处理后微生物群落变化与无植物对照组有很大不同。2.4 微生物群落与常规污染物的相关性污水中微生物的变化可影响各种污染物的去除效果，本研究将处理前后微生物群落和常规污染指标进行了相关性分析，由图8可见，相对丰度排名前10的菌门和菌属中有 13 个物种与 CODCr、pH、EC、TN、NH+4-N和TP存在显著相关性。在门水平上，互养菌门与pH极显著正相关（P0.01），与CODCr、EC、TN和NH+4-N显著正相关（P0.05）；放线菌门和绿弯菌门与EC、TN、NH+4-N和TP浓度呈显著正相关（P0.05），而与 pH具有显著正相关性（P0.05）；而髌骨细菌门与这6种环境因子呈显著负相关（P0.05）；疣微菌门与其中4种（CODCr、EC、TN和TP）呈图2 不同浓度奶牛场污水中大薸叶绿素的变化Figure 2 Changes of chlorophyll contents of Pistia stratiotes L.under different concentrations of dairy wastewater叶绿素Chlorophyll content/（mgg-1）叶绿素Chlorophyll content/（mgg-1）叶绿素Chlorophyll content/（mgg-1）图3 不同浓度奶牛场污水中抗氧化酶活性的变化Figure 3 Changes of antioxidative enzymes activity of Pistiastratiotes L.under different concentrations of dairy wastewater 8982023年7月http:/杜德林，等：大薸对规模化奶牛场污水的耐受性和净化效果显著负相关。在属水平上，黄杆菌属与5种环境因子呈显著负相关（PCAT24。3.2 大薸对常规污染物的去除及其对水质的影响漂浮类植物在净化污染水体方面具有重要作用，大薸的生长状况与污染物去除息息相关，大薸生长旺盛时对污水中污染物去除能力较强，且与无植物对照组相比，大薸处理组污染物去除效果更加明显。当植物净化污水时，呈现先快速去除而后去除速率有所下降的规律，这可能是因为初始阶段污染物含量较高，刺激植物提高自身吸收和同化营养物质的能力，进而大量繁殖增加生物量25。董文斌等26通过开展狐尾藻净化猪场污水试验，发现污水中TN、TP、NH+4-N和CODCr的浓度均呈前期迅速下降、后期缓慢下降规律，这与本研究结果基本一致。对于水中的有机污染物，大薸可通过根系将其吸收，并运送至各器官中积累和转化27，这也是大薸处理组有机物去除率大于无植物对照组的原因。此外，大薸在去除N、P方面也具有明显优势，娄敏等28的研究表明，凤眼莲、紫萍和大薸3种植物处理中，大薸改善富营养化水体水质的效果最佳，在处理时间为6 h条件下，大薸对TN和TP的去除图5 3种污水中pH和EC的变化规律Figure 5 Change of pH and conductivity in three kinds of wastewater电导率Conductivity/（Scm-1）9002023年7月http:/杜德林，等：大薸对规模化奶牛场污水的耐受性和净化效果率可分别达到19.3%和96.4%。目前，关于大薸处理畜禽养殖污水的相关报道较少，陈金发等12利用大薸对畜禽污水的CODCr、NH+4-N和TP进行去除，最高去除率分别达到82.3%、69.2%和45.8%，但其去除效率明显低于本研究中的去除率，这种差异可能是因为污水水质、处理体系和处理时间等不同。此外，与无植物对照组相比，大薸的存在能够明显降低污水电导率、调节污水pH值。pH和EC是衡量水质好坏的重图6 不同初始浓度下大薸对3种污水中TN、NH+4-N、TP、CODCr的去除情况（20 d）Figure 6 Removal of TN,NH+4-N,TP and CODCrin three kinds of wastewater by Pistia stratiotes L.under different initial concentrations（20 d）901http:/农业资源与环境学报 第40卷 第4期要指标。引起水体中pH和EC发生变化的因素是多方面的，包括植物吸收12、植物呼吸作用29、硝化作用30、逸散作用31等。因此，在本试验过程中，由于大薸在低浓度奶牛场污水中生长旺盛，自身呼吸作用较强，提高了对水体营养物质的吸收利用能力，其会从水中吸收CO2并排出O2，CO2溶解在水中会变成碳酸，导致pH值降低；另外大薸能够吸收水体不同形态营养盐离子，使得EC值下降。3.3 微生物群落变化及其与污染物去除的相关性植物净化污水过程中，除植物自身吸收和根系吸附等净化途径之外，微生物降解也起到了重要作用。本研究表明，与无植物对照组相比，大薸的存在会明显改变微生物群落结构，如20 d后，无植物对照组中的蓝藻门相对丰度高达50.5%，但大薸处理组中蓝藻门的相对丰度仅为0.07%3.22%，这些微生物的改变可能影响污染物的去除。研究表明，漂浮植物可通过改变微生物群落结构提高对常规污染物的去除能力32，因此，本研究进行了微生物物种与各个环境因子之间的相关性分析（图8），结果表明，变形菌门和不动杆菌属与TN、NH+4-N和TP浓度呈负相关，说明变形菌门和不动杆菌属的增加有助于污染物的去除。这是因为变形菌门和不动杆菌属是肠道微生物的主要种类33，变形菌门包含多种具有脱氮功能的硝化、反硝化微生物，并且有研究指出变形菌门是脱氮的主要驱动微生物34，而大薸处理组中的变形菌门丰度明显高于对照组，因此，大薸处理组中TN、NH+4-N和TP处理后的B为无植物对照组。Treatment suffix B is non-plant control group.OBacteroidetes_unculturedO图7 门水平和属水平的微生物群落组成Figure 7 Microbial community structure at the phylum level and genus level（A）门水平Phylum（B）属水平Genus 9022023年7月http:/杜德林，等：大薸对规模化奶牛场污水的耐受性和净化效果的去除率高于无植物处理组；而属水平中不动杆菌属与TN、NH+4-N和TP浓度呈负相关但不显著，推测其在减少硝酸盐和亚硝酸盐中有较大优势35。厚壁菌门和拟杆菌门是微生物系统中重要的酸水解微生物，它们可以通过分泌多种酶（如纤维素酶、脂肪酶、蛋白酶和其他胞外酶）来水解蛋白质、脂肪、纤维素、半纤维素、糖和氨基酸，且疣微菌门也具有较高的木质素降解能力36。在经过大薸处理20 d后，污水中厚壁菌门和拟杆菌门两种菌门的相对丰度增加，但与污染物的去除无显著相关性。而疣微菌门的丰度与CODCr、TN、TP和EC呈显著负相关，可能与污水处理后不同碳氮比及氮磷比有关37。然而，放线菌门和绿弯菌门与污水中EC、TN、NH+4-N和TP浓度呈显著正相关，它们在对照组中的相对丰度较高，且不利于污染物去除，这是因为它们需要厌氧或兼性环境，大薸根系与污水营造的微生态环境不利于其生存繁殖38。值得注意的是，相较于大薸处理组，无植物对照组经20 d处理后，蓝藻菌门（Cyanobacteria）的相对丰度大幅升高，相对丰度最高可达到50.5%，这可能是由于污水中含有丰富的磷素，导致蓝藻生长迅速，但大量的藻类