追施光合細(xì)菌與豬場(chǎng)糞污對(duì)生菜生長(zhǎng)效果的研究

趙芮晗，張歡，盧海鳳，李保明，施正香

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.北京畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試豬場(chǎng)糞污 本試驗(yàn)所用豬場(chǎng)糞污取自山東某公司的養(yǎng)豬場(chǎng)糞污處理工程中厭氧工藝出水(沼液，下文稱豬糞沼液)與厭氧出水再經(jīng)好氧工藝處理后的出水(好氧池出水)。糞污特性如表1所示。

表1 供試糞污特性Table 1 Characteristics of test feces mg·L-1

1.1.2 供試菌種 PSB種屬為沼澤紅假單胞菌 (Rhodopseudomonaspalustris)、莢膜紅細(xì)菌(Rhodobactercapsulatus)和類球紅細(xì)菌(Rhodobactersphaeroides)的混合菌種，均購(gòu)自中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心，保藏編號(hào)分別為CGMCC NO.1.8929、CGMCC NO.1.3366、CGMCC NO.1.5028。采用HCH培養(yǎng)基[21]培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期使用。

1.1.3 生菜與底肥 選擇兩種典型的生菜幼苗：紅羅莎生菜幼苗和超級(jí)大速生生菜幼苗，苗齡均為20 d，購(gòu)于中農(nóng)富通通州科技園。底肥為化肥，每個(gè)盆栽含尿素4.62 g，磷酸二氫鉀1.54 g，氯化鉀2.38 g，購(gòu)自北京碧綠佳園無(wú)土栽培有限公司。

1.1.4 營(yíng)養(yǎng)液 采用1/2 Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液[22]作為追肥的空白對(duì)照組。其中含有氮元素210 mg·L-1,磷元素31 mg·L-1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 將兩種供試廢水的pH調(diào)至6.8～7.0，以保證PSB正常生長(zhǎng)。將供試細(xì)菌種子液按1∶1∶1的比例接種于兩種豬場(chǎng)糞污中，接種PSB干質(zhì)量濃度為0.23 g·L-1。培養(yǎng)條件為自然光(500～20 000 lx)，溫度為28 ℃，溶解氧質(zhì)量濃度為0.5～1.0 mg·L-1，培養(yǎng)5 d即獲得兩種新型的PSB-豬糞糞污混合菌肥，其各項(xiàng)指標(biāo)如表2所示。

表2 試驗(yàn)用菌肥氮磷含量Table 2 Nitrogen and phosphorus content of bacterial fertilizer for experiment

取500 mL豬糞沼液稀釋1.2倍，加入93.26 mg硝酸鉀，使其中的N、P含量與空白對(duì)照組一致。取500 mL好氧池出水，稀釋1.28倍，加入685.2 mg硝酸鉀，使其中的N、P含量與空白對(duì)照組一致。不同品種生菜幼苗采用盆栽方式，每盆裝 3.5 kg基質(zhì)，定植前將基質(zhì)澆透水，以能手捏成團(tuán)，掉落散開為標(biāo)準(zhǔn)；每盆均勻拌入化肥作為底肥，追肥設(shè)置為不同處理，采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)(表3)，每個(gè)處理重復(fù)5次，所有組別每12 d按操作方式進(jìn)行根灌，共追肥 2 次，每次每盆施用500 mL。各處理澆水至土壤持水量的75%以上，每盆移栽5株長(zhǎng)勢(shì)基本一致的生菜幼苗，生長(zhǎng)期間定期澆水、松土和依次輪換盆的位置，其余時(shí)間用清水進(jìn)行日常照料，各組清水澆灌量保持一致，為每盆500 mL，生菜幼苗在移栽后28 d進(jìn)行采收。試驗(yàn)時(shí)間2018年11月26日至12月20日，在玻璃日光溫室中進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)域面積6 m2，11月26日定植，分別于12月8日、12月20日各根灌1次追肥。12月24日采樣并開始測(cè)產(chǎn)。

表3 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 3 Table of pot experiment design

1.3 分析方法

1.3.1 生菜農(nóng)藝性狀 試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量?jī)煞N供試蔬菜的株高、葉寬、地上部鮮質(zhì)量及地上部干質(zhì)量。株高及葉寬通過(guò)人工直尺測(cè)量得出；地上部鮮質(zhì)量通過(guò)直接稱重得出；將地上部分置于105 ℃烘箱3 h，再調(diào)整溫度為80 ℃烘至恒重并冷卻稱重，以獲得地上部干質(zhì)量[23]。

1.3.2 生菜光合指標(biāo) 定植后28 d采收，每個(gè)處理組選取5株生菜生長(zhǎng)的最旺盛葉片，采用便攜式光合測(cè)量?jī)x測(cè)定凈光合速率。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的丙酮和95%的乙醇混合浸提法測(cè)定葉綠素[24]。

東半壁店小流域內(nèi)已建有污水處理廠1處，位于東半壁店村，該污水處理廠近期污水處理規(guī)模為1.5萬(wàn)m3/d，采用改良氧化溝污水處理工藝和機(jī)械濃縮脫水污泥處理工藝，處理后污水受納水體為官溝。污水處理廠設(shè)計(jì)出水水質(zhì)為Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.3 生菜品質(zhì)指標(biāo) 試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定兩種供試蔬菜的品質(zhì)指標(biāo)，包括硝酸鹽、可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C含量。硝酸鹽含量采用水楊酸分光光度計(jì)法測(cè)定[25]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定[25]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色分光光度法測(cè)定[25]；維生素C含量采用2,6-二氯酚靛酚滴定法[25]測(cè)定。

1.3.4 生菜安全指標(biāo) 安全指標(biāo)為重金屬含量與微生物含量，按照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》中鉛[26]、鎘[27]、汞[28]、大腸桿菌[29]和沙門氏菌[30]的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法測(cè)定。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析 使用SPSS 25.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和差異顯著性分析(P<0.05)，并使用Origin 2017作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合菌肥對(duì)生菜農(nóng)藝性狀的影響

PSB能顯著提高紅蘿莎生菜的株高，在營(yíng)養(yǎng)液中添加了PSB的T1處理組比空白對(duì)照組(CK)的株高提高23.11%，但T2、T3處理組與T1處理組之間差異不顯著。對(duì)于超級(jí)大速生生菜，株高由高到低順序?yàn)門2>T3>T1>CK，且各組之間差異顯著。T2處理組株高可達(dá)到22.02 cm，比T1處理組提高21.59%，豬糞沼液對(duì)株高的促進(jìn)作用優(yōu)于營(yíng)養(yǎng)液。

除株高外，紅羅莎生菜的T1與T2，以及T1與T3之間的差異顯著。對(duì)于紅羅莎生菜，T1比CK的葉寬提高了11.45%，且T2及T3的葉寬顯著性優(yōu)于T1。如表4所示，每種生菜的地上部鮮質(zhì)量、干質(zhì)量，各處理組間差異顯著。且T2處理組對(duì)于提高供試蔬菜重量效果最明顯，其效果顯著優(yōu)于T1處理組。紅羅莎生菜T2處理組的干質(zhì)量與鮮質(zhì)量分別比CK提高50.78%與59.09%。對(duì)于超級(jí)大速生生菜，其T2處理組的干質(zhì)量與鮮質(zhì)量分別比CK提高38.18%與48.58%。

表4 不同處理組對(duì)生菜農(nóng)藝性狀的影響Table 4 Effect of different treatment groups on agronomic characters of lettuce

2.2 混合菌肥對(duì)生菜光合指標(biāo)的影響

紅羅莎生菜中的葉綠素含量由高到低順序?yàn)門2>T3>T1>CK，超級(jí)大速生生菜的葉綠素含量由高到低為T2>T3>T1>CK。其中，超級(jí)大速生生菜的葉綠素總量最高達(dá)到0.79 mg·g-1，比CK提高27.42%。

另外，紅蘿莎生菜與超極大速生生菜凈光合速率最高的處理組均為T2，兩蔬菜中該組凈光合速率分別比CK提高了24.97%與25.15%。T2與T1之間差異顯著，進(jìn)一步證明豬糞沼液+PSB能夠顯著提高植物生長(zhǎng)活性。

表5 不同處理組對(duì)生菜光合指標(biāo)的影響Table 5 Effect of different treatment groups on photosynthetic indexes of lettuce

2.3 混合菌肥對(duì)生菜品質(zhì)指標(biāo)的影響

圖6表明，對(duì)于紅羅莎生菜，添加了PSB的處理組中硝酸鹽含量比CK低12.83%～14.61%；對(duì)于超級(jí)大速生生菜，添加了PSB的處理組中硝酸鹽含量比CK低14.04%～15.23%。

可溶性糖含量最高的處理組為T2，可達(dá)21.07 g·kg-1(紅蘿莎生菜)和21.53 g·kg-1(超極大速生生菜)，含量最低的處理組均為CK。對(duì)于紅羅莎生菜，可溶性糖含量由高到底排序?yàn)門2>T3>T1>CK，分別比CK提高了22.00%、21.42%和15.63%。對(duì)于超級(jí)大速生生菜，各處理組的可溶性糖比CK提高18.71%～25.91%。

2種生菜中可溶性蛋白含量最高的處理組均為T2組，分別可達(dá)到15.92 mg·g-1(紅蘿莎生菜)與16.61 mg·g-1(極大速生生菜)，最低處理組均為CK。對(duì)于紅羅莎生菜，T3和T1組的結(jié)果之間差異不顯著，進(jìn)一步正證實(shí)了T2處理組中豬糞沼液+PSB的聯(lián)合作用效果優(yōu)于其他處理組。

對(duì)于兩種供試蔬菜，最高維生素C含量均出現(xiàn)在T2組，可達(dá)0.248 mg·g-1(紅蘿莎生菜)以及0.263 mg·g-1(超級(jí)大速生生菜)。紅羅莎生菜、超級(jí)大速生生菜含PSB的處理組中維生素C含量比自身CK組分別提高了4.55%～25.25%和6.10%～23.47%，且T1、T2、T3之間差異顯著。

表6 不同處理組對(duì)生菜品質(zhì)指標(biāo)的影響Table 6 Effect of different treatment groups on quality index of lettuce

2.4 混合菌肥對(duì)供試生菜安全指標(biāo)的影響

生菜食品安全指標(biāo)主要包括重金屬與微生物含量?jī)纱箢悺８鶕?jù)上述的試驗(yàn)結(jié)果，超級(jí)大速生生菜的總體表現(xiàn)優(yōu)于紅羅莎生菜，故選擇其作為安全性指標(biāo)的試驗(yàn)對(duì)象。按照中國(guó)國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn) 《GB 5009.12—2017》《GB 5009.17—2014》《GB 5009.15—2014》要求新鮮葉菜中(即葉菜鮮質(zhì)量FW)鉛的檢出量≤0.3 mg·kg-1，鎘的檢出量≤0.2 mg·kg-1，汞的檢出量≤0.01 mg·kg-1。表7統(tǒng)計(jì)了不同處理組超級(jí)大速生生菜中所含重金屬的量。由表7可知，生菜的4個(gè)處理組中，鉛、汞、鎘3種重金屬含量均未超標(biāo)。雖然CK組中Cd與Hg也有檢出，但數(shù)值遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢出限。CK組中的重金屬可能是由于基質(zhì)土本身或購(gòu)買的生菜幼苗根部原土帶來(lái)的。

表7 不同處理組超級(jí)大速生生菜中的重金屬含量 Table 7 Contents of heavy metals in super fast-growing lettuce of different treatment groups mg·kg-1

按照中國(guó)國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)《GB 4789.3—2016》《GB 4789.4—2016》的要求，表8統(tǒng)計(jì)了不同處理組生菜中兩種微生物的數(shù)量。按照標(biāo)準(zhǔn)，要求致病菌(沙門氏菌)不得檢出，大腸桿菌數(shù)≤150 MPN·100 g-1。由表8可知，生菜的4個(gè)處理組均未檢出致病菌沙門氏菌，但好氧出水PSB處理組生菜中大腸桿菌數(shù)最多且超過(guò)限額，不符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)。CK組中檢測(cè)出大腸桿菌，可能是由于基質(zhì)土本身或采購(gòu)的生菜苗根部原土帶來(lái)的。

表8 不同處理組超級(jí)大速生生菜中2種微生物含量Table 8 Content of two kinds of microorganism in super fast-growing lettuce of different treatment groups MPN·100 g-1

3 結(jié)論與討論

PSB可以在有效降低廢水中污染物含量的同時(shí)產(chǎn)出具有脯氨酸、尿嘧啶等活性物質(zhì)的高價(jià)值菌體，用以提高植物產(chǎn)量且改善植物品質(zhì)[18]。豬場(chǎng)糞污經(jīng)PSB處理后，N、P含量達(dá)到了適宜生菜生長(zhǎng)的范圍，且糞污中含有的微量元素及生物活性物質(zhì)有利于生菜的種植。

王素英等[31]對(duì)1989年至2002年中國(guó)生產(chǎn)應(yīng)用的微生物肥料綜合分析得出，PSB類肥料對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的增產(chǎn)效果約為15%。趙彩霞等[32]將PSB與培養(yǎng)基做成不同配比的菌劑，施用于水培不結(jié)球生菜，發(fā)現(xiàn)與純培養(yǎng)基相比，添加了PSB的處理組可以提高生菜產(chǎn)量，最優(yōu)處理組增產(chǎn)19.32%，15 mL·L-1光合菌劑+10 mL·L-1培養(yǎng)基的處理組降低硝酸鹽效果最為顯著，相比純PSB培養(yǎng)基的對(duì)照組下降了30.39%。小區(qū)田間應(yīng)用試驗(yàn)顯示，經(jīng)PSB菌肥處理的生菜增產(chǎn)28.8%[33]。本試驗(yàn)中兩種供試生菜的T2處理組地上部鮮質(zhì)量、干質(zhì)量平均提高了53.85%和44.48%，遠(yuǎn)超前期研究結(jié)果，可見(jiàn)豬場(chǎng)糞污的配施對(duì)于生菜有著重要的營(yíng)養(yǎng)供給作用，結(jié)果優(yōu)于單獨(dú)施加PSB。葉綠素總量的多少與植物光合作用的強(qiáng)弱密切相關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，添加PSB的試驗(yàn)組葉綠素含量更高，原因可能是，PSB刺激作物分泌氨基乙酰丙酸，而該物質(zhì)是合成葉綠素的重要成分，最終刺激了植物葉綠素的產(chǎn)生[34]。彭桂香等[35]采用盆栽方式探究PSB追肥對(duì)生菜生長(zhǎng)影響的試驗(yàn)，PSB菌劑處理組獲得的最高葉綠素總量達(dá)0.404 mg·g-1，比其試驗(yàn)中的營(yíng)養(yǎng)液處理組提高了8.31%，但提升效果大大遜于本試驗(yàn)中的配施結(jié)果，本試驗(yàn)中生菜葉綠素最高可達(dá)0.79 mg·g-1，相比CK提高27.42%。PSB促進(jìn)了植物葉綠素的生成，從而提高了植物的光合速率，所以本試驗(yàn)中添加PSB的處理組凈光合速率更高。這與夏宏等[36]的研究結(jié)果一致，以有機(jī)肥為底肥，向油菜噴施PSB后，光合速率提高了24.8%。梁飛虹等[37]研究采用稀釋法用以降低沼液中氨氮對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響，研究結(jié)果表明，將經(jīng)過(guò)減壓脫氮預(yù)處理后的沼液稀釋5倍時(shí)，生菜中葉綠素含量高于空白對(duì)照組。相比于該試驗(yàn)中復(fù)雜的沼液減壓脫氮預(yù)處理技術(shù)，本試驗(yàn)利用PSB吸收利用氨氮的特性來(lái)降低豬糞沼液中氨氮含量，方法更為簡(jiǎn)單快捷，且可回收利用菌體，節(jié)約水資源與處理成本。本研究結(jié)果表明，PSB有著降低生菜中硝酸鹽的作用，這對(duì)于保護(hù)人體健康意義重大。PSB將硝酸鹽作為電子受體,通過(guò)硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的作用，把硝酸鹽還原成氨基酸或氮?dú)忉尫懦鋈ィ瑥亩档褪卟酥械南跛猁}含量[33]。同時(shí)，沼液中的硝態(tài)氮占比極小，所以將其作為肥料施用時(shí)，安全性高于以硝態(tài)氮為主要氮源供給的營(yíng)養(yǎng)液，有著降低植物體內(nèi)硝酸鹽的作用。林阿典等[38]在水培直葉生菜研究中，對(duì)比了不同稀釋倍數(shù)的豬糞沼液和營(yíng)養(yǎng)液水培生菜的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施用沼液的處理組硝酸鹽含量顯著降低，可達(dá)158.34 mg·kg-1，比其試驗(yàn)中純營(yíng)養(yǎng)液對(duì)照組降低79.44%，且維生素C含量比純營(yíng)養(yǎng)液處理組提高38.04%以上。在蔬菜葉面噴施光合細(xì)菌菌劑的大田試驗(yàn)中，PSB對(duì)于生菜的可溶性糖、維C含量的提高以及硝酸鹽的降低，均有積極意義。在盆栽試驗(yàn)中，彭桂香等[35]以化肥為基肥，使用PSBsbg11菌劑作為追肥施用于生菜后，生菜的維生素C含量得到了顯著提升，比營(yíng)養(yǎng)液處理組提高了8.31%，但可溶性糖含量在組間未形成顯著差異，效果遜于本試驗(yàn)PSB與豬糞沼液配施(T2)的結(jié)果。本試驗(yàn)還存在一些局限性，例如可以考察將豬糞沼液+PSB、好氧出水+PSB混合菌肥制備完畢后不經(jīng)過(guò)N、P調(diào)整直接進(jìn)行追施的效果，進(jìn)而簡(jiǎn)化操作步驟。

本研究將PSB用于豬場(chǎng)糞污處理并利用形成的混合菌液作為追肥用于兩種常用生菜的培養(yǎng)。結(jié)果表明，在1/2 Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液中添加PSB能夠使肥效在多方面得以提升，追肥效果優(yōu)于純1/2 Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液，當(dāng)豬場(chǎng)糞污經(jīng)過(guò)PSB處理后以混合菌液形式作為追肥時(shí)，往往能夠獲得比1/2 Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液+PSB更優(yōu)的追肥效果。綜合而言，豬糞沼液+PSB為最優(yōu)追肥，能夠顯著提高供試蔬菜的生長(zhǎng)、生理生化代謝活性與品質(zhì)，且能顯著降低硝酸鹽含量，提高可溶性糖、蛋白與維生素C含量，并符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明以后利用其代替化肥、減施化肥追肥的可行性很大。且對(duì)于整個(gè)畜禽養(yǎng)殖業(yè)而言，豬糞污水PSB液肥化技術(shù)，不僅可制成環(huán)境友好型生物肥料，又可將糞污資源有效利用，有助于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。