浮床栽培蕹菜根際微生物特征研究

盧進登, 袁 檬, 翁沁玉, 解 玲, 陳紅兵

(湖北大學資源環(huán)境學院,湖北武漢430062)

浮床栽培蕹菜根際微生物特征研究

盧進登, 袁 檬, 翁沁玉, 解 玲, 陳紅兵

(湖北大學資源環(huán)境學院,湖北武漢430062)

以浮床栽培蕹菜根際微生物中的細菌為例,分別在水箱中栽培25%、50%面積的蕹菜以及不栽培蕹菜的空白對照組,采用PFU法定期觀察培養(yǎng)期間細菌的動態(tài)特征,以及細菌總數(shù)與水中COD含量的變化,分析它們之間的關系,得出:(1)25%和50%栽培面積的細菌數(shù)比對照組高1個數(shù)量級;(2)蕹菜生長4周內(nèi),蕹菜的栽培面積與細菌總數(shù)呈正相關關系,生長4周后水中細菌總數(shù)與栽培面積無明顯相關;(3)50%栽培面積的COD去除率為63. 54%,25%栽培面積的去除率為47.92%,對照組為25%,故浮床栽培植物根際微生物的生長對水中有機物的降解有顯著作用.研究從微生物角度定量地論證了浮床栽培植物的根際微生物對水中有機物的降解作用,從而完善了浮床栽培植物治理富營養(yǎng)化水體的理論基礎,有利于該技術的推廣應用.圖2,表3,參8.

浮床栽培;根際微生物;細菌總數(shù);COD;PFU法

水體的富營養(yǎng)化是一個引起全球關注且亟待解決的環(huán)境問題,它的預防、治理方法有很多.其中,生態(tài)浮床技術——一種運用無土栽培技術原理,以高分子材料為載體和基質(zhì),采用現(xiàn)代農(nóng)藝與生態(tài)工程措施綜合集成的水面無土栽培植物技術,以其具有運行維護簡單、投資省、沒有二次污染、可改善生態(tài)與景觀等諸多優(yōu)點得到人們親睞,得到廣泛研究和應用[1-3].通過水生植物根系的截留、吸附、吸收和水生動物的攝食以及微生物的降解作用,達到水質(zhì)凈化的目的,同時營造景觀效果[4].

對浮床栽培植物凈化水質(zhì)的研究大多僅停留在植物生長從水中吸收了多少營養(yǎng)物質(zhì)上,對其發(fā)達根系周圍的微生物、微生態(tài)環(huán)境特征及其對凈化水質(zhì)的貢獻尚無研究.試驗表明水中浮床栽培植物的根系生物量大大超過土壤栽培同樣植物的根系生物量,極其發(fā)達的根系周圍集聚大量的微生物, James F.Reilly等認為這些微生物在有機物降解、氮的去除上可能起著主導作用[5].此外,根系創(chuàng)造的微生態(tài)環(huán)境必定還有大量的微小動物甚至昆蟲生活其中,對他們的研究更未見報道.研究設計溫棚內(nèi)浮床栽培蕹菜的試驗方案,定期監(jiān)測試驗水箱中COD含量、用PFU法(應用聚氨酯泡沫塑料塊作為人工基質(zhì)收集水中的微生物群落,測定該群落結構與功能的各種參數(shù),以評價水質(zhì)[6])測定相關微生物類群(以細菌總數(shù)為例)的變化情況,并與空白對照進行對比分析,觀察在浮床栽培植物情況下的植物根際微生物的特征及其與水中COD含量之間的變化的關系,進而論證浮床栽培植物其根系微生物是否對有機物降解有顯著效應.為浮床栽培技術提供微生物在降解有機物方面的依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗設計

實驗選取5個長120 cm,寬60 cm,高100 cm的大水箱,編號并貼上標簽.污水取自湖北大學污水池,加入污水至實驗水深(估計80 cm左右)的1/2處,加自來水至實驗水深,試驗水樣COD初始值48㎎/L.在每個水箱中水面下20 cm、50 cm處各放置4個PFU塊.1號與2號栽培50%水箱表面積的蕹菜,3號與4號栽培25%水箱表面積的蕹菜,5號作為空白對照,不栽培蕹菜.

1.2 采樣方法

栽培時間為8周,每2周采樣一次.采樣前測量一次水箱中受試水體的pH、DO、COD、水溫電導率、氧化還原電位、葉綠素a等指標.采樣使用PFU微型生物群落監(jiān)測法,即提取不同高度的PFU塊各一個,擠出水樣保存.采樣后加自來水至水箱實驗水深標線處,測量水箱中受試水體的水溫,各水箱中泡沫板和蕹菜的總質(zhì)量以及蕹菜的高度,并記錄.

1.3 測定方法

COD:重鉻酸鉀法(GB11914—89)[7];

細菌總數(shù):平板菌落計數(shù)法(GB47892—94)[8].

2 結果與分析

試驗采樣、監(jiān)測日期分別為7月31、8月14、8月28、9月11,主要測定細菌總數(shù)、COD,分析根際微生物的數(shù)量變化及有機物的降解率.培養(yǎng)后細菌生長情況良好,試驗期間細菌總數(shù)變化情況如表1.

表1 試驗期間細菌總數(shù)變化情況Tab.1 The change of total bacteria during the test

據(jù)表1可知,細菌數(shù)量以近10倍的速度增長,增長數(shù)量較大,故取對數(shù)值作圖1.由圖可知,不同栽培面積的蕹菜根際的細菌總數(shù)都是隨時間而不斷增長的,栽培了蕹菜的培養(yǎng)池中細菌總數(shù)相近,且都顯著高于空白培養(yǎng)池,9月11日,50%和25%栽培面積的細菌數(shù)相同,與空白的細菌數(shù)相差最大,比空白高1個數(shù)量級.這表明栽培蕹菜有利于微生物的生長,而蕹菜根系發(fā)達,也有利于微生物在其表面附著、生長和繁殖.

圖1 試驗期間細菌總數(shù)變化圖Fig.1 The change of total bacteria during the test

觀察不同栽培面積的培養(yǎng)池中細菌總數(shù)隨時間變化的情況,50%栽培面積的細菌總數(shù)最大,其次是25%的,空白最少,即蕹菜的栽培面積與細菌總數(shù)呈正相關關系.8月28日與9月11日栽培面積為50%和25%的細菌總數(shù)無明顯變化,這表明蕹菜生長4周后,培養(yǎng)池中細菌總數(shù)與蕹菜栽培面積無明顯差異,可能與蕹菜生長一定時間后其根系已相對發(fā)達,而試驗水箱容積有限的情況下細菌總數(shù)就不再表現(xiàn)出明顯差異.

分析水中COD含量與細菌總數(shù)之間的關系,如表2、圖2.

表2 試驗期間COD濃度變化情況Tab.2 The change of COD concentration during the test

圖2 試驗期間COD濃度變化情況Fig.2 The change of COD concentration during the test

由表2、圖2可以看出,培養(yǎng)池中COD都隨時間而降低.其中,栽培面積為50%的培養(yǎng)池中,COD降解最快、最多,在實驗前2周COD的降解速率最大,第2到4周降解速率稍減,第4到8周速率最小, COD無明顯減少.空白培養(yǎng)池中COD減少量最小,降解速率緩慢而平穩(wěn).栽培面積25%的培養(yǎng)池中COD在前4周降解較快,后4周幾乎沒有變化.最終的COD濃度按從低到高的順序為:50%栽培面積＜25%栽培面積＜空白.

整體來說,栽培蕹菜的培養(yǎng)池中COD的減少量比空白的大,這說明栽培蕹菜有利于微生物的生長,有利于水中有機物的去除.

以9月11日的COD值求得最終的COD去除率,如表3,培養(yǎng)池中的COD都有所降低,50%栽培面積的去除率是25%的1.3倍,是空白的2.5倍, COD的去除率隨栽培面積的降低而降低,故COD的去除率與蕹菜栽培面積呈正相關關系.

表3 COD的去除率Tab.3 The removal rate of COD

3 結論與討論

研究可以得出如下主要結論:(1)25%和50%栽培面積的細菌總數(shù)比對照組高1個數(shù)量級,因而栽培蕹菜有利于根際微生物的生長;(2)蕹菜生長4周內(nèi),蕹菜的栽培面積與細菌總數(shù)呈正相關關系; (3)50%栽培面積的COD去除率為63.54%,25%栽培面積的去除率為47.92%,對照組為25%,COD的去除率隨栽培蕹菜面積的減小而減小,故浮床栽培植物根際微生物的生長對水中有機物的降解有顯著作用.綜上所述,浮床栽培植物其根系微生物對有機物降解是有顯著效應的.

研究可能存在問題及對后續(xù)研究的展望:(1)根際微生物在數(shù)量和種類上都比非根際多,其代謝活動也比非根際旺盛,采用PFU法在培養(yǎng)水箱中采樣可能由于水箱中微生物分布不均,使試驗結果存在偏差;(2)植物根系分泌物對根際微生物生長的影響,本研究未能就此問題進行探討,有待進一步研究;(3)根際微生物中還有其它可去除COD的種類,如放線菌、霉菌、酵母菌等,研究均未涉及,也有待進一步的研究;(4)如能就不同的栽培植物種類,對不同微生物類群進行更詳細、深入的研究,則可有更全面的數(shù)據(jù)支持,有利于建立浮床栽培植物與微生物的關系、有機物降解的關系的數(shù)學模型,為浮床栽培植物凈化水質(zhì)提供更有力的理論支持.

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GB 12990—1991.Water quality-Microbial community biomonitoring-PFU method[S].2001.

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GB47892—94.Microbiological examination of food hygiene Detection of aerobic bacterial count[S].1994.

The characteristic research of rhizospherem icrobes in floating bed cultivated swam p cabbage

LU Jin-deng, YUAN M eng, WENG Qin-yu, XIE Ling, CHEN Hong-bin

(Faculty of Resources and Environmental Science Hubei University,Wuhan 430062,China)

This paper researched the characteristics of rhizospheremicrobes in floating bed cultivated swamp cabbage,took an example of bacteria.The testwas divided into 3 groups according to the cultivation area ratio of swamp cabbage:50%group,25%group and zero,as a experimental control.We regularly observed the dynamic characteristics of bacteria and COD by PFU method during the test,and then analyzed the relationship between them.The results showed that:first,the total bacterias of both 50%and 25%group were an order ofmagnitude higher than those of the control one.Second,swamp cabbage grew within 4 weeks,its cultivation area ratio had relative correlation to the total bacteria,and they showed no significant difference after 4 weeks.Third,the rate of COD removal was 63.54%by the 50%group, 47.92%by the 25%group,25%by the control group,so the growth of rhizospheremicrobes in floating bed cultivated plants had significant,linear correlation to the degradation of organic compounds in wastewater.Research quantitatively demonstrated the relationship between them from biological aspects to develop the theoretical foundation on eutrophied water treatment by floating bed cultivation,it benefits to popularize and apply this technology.2figs.,3tabs.,8refs.

Floating bed cultivated plants,rhizospheremicrobe,total bacteria,COD,PFU method

X52

A

2095-7300(2015)03-001-04

2015-09-01

科技部科技惠民計劃(編號:S2013GMD100042);湖北省科技支撐計劃(編號:2015BCA294)

盧進登(1965-),男,湖北咸寧人,教授,研究方向:環(huán)境工程.

Biography:LU Jin-deng,male,born in 1965,Professor,research direction for environmental engineering.