環(huán)境因子對光合細(xì)菌提升豬糞水肥效的影響

秦 秦,孫麗娟*,宋 科,孫雅菲,段海芹,江建兵,薛 永**

(1 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所,上海201403;2 上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海201403;3 上海農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站,上海201403;4 上海海洋大學(xué),上海201306;5 安順學(xué)院,安順561000)

隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展,畜禽糞便排放量劇增,它所帶來的環(huán)境污染問題也越來越突出。據(jù)估算,2012 年畜禽糞便總產(chǎn)量可達(dá)26.89 億t[1],已成為水環(huán)境污染的主要源頭[2-3]。 另一方面,畜禽糞便污水中豐富的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)也是較好的有機(jī)肥源,可作為液體肥料用于提高土壤肥力[4-5]。 因此,畜禽糞便肥料化處理一直受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

光合細(xì)菌是一類以光作為能源、可在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用自然界中的有機(jī)物、硫化物、氨等作為供氫體兼碳源進(jìn)行光合作用的微生物[6],在我國被廣泛用于畜禽糞便污水處理等。 張桂馥等[7]研究表明,豬糞水經(jīng)光合細(xì)菌處理后,其主要營養(yǎng)元素磷、鈉增加較多。 史家梁等[4]研究證明糞便污水經(jīng)光合細(xì)菌處理后可以全部轉(zhuǎn)化為含有大量光合細(xì)菌的安全、優(yōu)質(zhì)和高效的有機(jī)肥料,田間施用后可使青菜、萵筍、黃瓜增產(chǎn)1.6%—50%。 吳淑杭等[8]利用光合細(xì)菌對豬糞水進(jìn)行資源化處理,將其轉(zhuǎn)化成優(yōu)質(zhì)有機(jī)液肥,番茄施用后,增產(chǎn)效果顯著。 文珊[9]和張正紅等[10]研究發(fā)現(xiàn),光合細(xì)菌還能夠通過自身代謝處理豬糞水中鹵代烴、芳香烴等諸多難降解的有機(jī)化合物,減輕農(nóng)田土壤有機(jī)污染。 本研究以豬糞水為原料,研究溫度、酸堿度和培養(yǎng)周期等環(huán)境因子對光合細(xì)菌處理豬糞水中氮素、磷素的影響,旨在為畜禽廢水污染問題的解決提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試光合細(xì)菌液體菌劑購自江蘇綠科生物技術(shù)有限公司,細(xì)菌含量為10 億個∕mL。 供試小青菜種子(‘新夏青3 號’)由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所提供。 供試豬糞水采自上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗站養(yǎng)豬廠。 豬糞水的基本理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 豬糞水的基本性質(zhì)Table 1 The piggery wastewater property

1.2 不同環(huán)境因子對光合細(xì)菌提升豬糞水肥效的影響

1.2.1 溫度

100 mL 豬糞水添加0.1%光合細(xì)菌液體菌劑后,在光照強度為3 000—3 500 lx、16 h 光照∕8 h 黑暗條件下,分別置于25 ℃、30 ℃和35 ℃的光照培養(yǎng)箱中,培養(yǎng)5 d,研究溫度對光合細(xì)菌提升豬糞水肥效的影響。

1.2.2 酸堿度

100 mL 豬糞水添加0.1%光合細(xì)菌液體菌劑后,分別調(diào)節(jié)pH 至4.5、5.5、7.5、8.5,在光照強度為3 000—3 500 lx,16 h 光照∕8 h 黑暗條件下,30 ℃培養(yǎng)5 d,研究pH 對光合細(xì)菌提升豬糞水肥效的影響。

1.2.3 培養(yǎng)周期

100 mL 豬糞水添加0.1%光合細(xì)菌液體菌劑后,在光照強度為3 000—3 500 lx、16 h 光照∕8 h 黑暗、30 ℃條件下,分別培養(yǎng)0 d、3 d、5 d、10 d、15 d、20 d、30 d,研究培養(yǎng)周期對光合細(xì)菌提升豬糞水肥效的影響。

1.3 光合細(xì)菌處理的豬糞水對小青菜萌發(fā)及幼苗生長的影響

參考秦亞芬[11]和梁肖娜[12]的方法,分別將光合細(xì)菌豬糞水液肥稀釋0 倍(未稀釋)、10 倍、100 倍和1 000 倍,每種液肥稀釋液中浸泡40 粒小青菜種子,以浸泡在蒸餾水的種子作為對照,重復(fù)3 次。8 h 后取出,平放在鋪有消毒、濕潤的無菌濾紙的培養(yǎng)皿中,置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中,24 h 后觀察并記錄萌發(fā)種子數(shù)目。 向500 mL 燒杯中(用消毒紗布將皿口繃緊)注入清水至與皿口相平,各處理挑選20 粒發(fā)芽種子,將其平鋪在紗布上,將燒杯置于30 ℃培養(yǎng)箱(16 h 光照∕8 h 黑暗)下培養(yǎng)7 d。 隨機(jī)挑選10 株小青菜幼苗測定根長、株高、鮮重、干重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2010 和SPSS 18.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,并采用多重比較法進(jìn)行顯著性檢驗,顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對光合細(xì)菌提升豬糞水肥效的影響

如圖1 所示,相比25 ℃和35 ℃,在30 ℃培養(yǎng)條件下,光合細(xì)菌處理后的豬糞水中氮素濃度最高。 其中,總氮、硝氮和氨氮濃度分別為109.78 mg∕L、11.58 mg∕L 和66.50 mg∕L,分別是25 ℃和35 ℃培養(yǎng)條件下豬糞水中氮素營養(yǎng)的1.08 倍、1.02 倍、1.0 倍和1.16 倍、2.18 倍、1.17 倍。 但不同處理間的豬糞水中各類氮素含量無顯著差異。

由圖2 可知,在25 ℃條件下,光合細(xì)菌處理后的豬糞水中總磷濃度為8.51 mg∕L。 隨著溫度升高,光合細(xì)菌處理后的豬糞水中總磷濃度逐漸下降,但不同處理間差異并不顯著。 光合細(xì)菌處理豬糞水中活性磷酸鹽濃度呈先增加后下降的趨勢。 30 ℃條件下,豬糞水中活性磷酸鹽濃度最高,分別是25 ℃和30 ℃培養(yǎng)的豬糞水中活性磷酸鹽濃度的1.30 倍和1.14 倍,但差異并不顯著。

2.2 酸堿度對光合細(xì)菌提升豬糞水肥效的影響

由圖3 所示,酸堿度顯著影響光合細(xì)菌處理的豬糞水中總氮和硝氮濃度,但對氨氮濃度無顯著影響。pH 從4.5 升高至7.5,光合細(xì)菌處理的豬糞水中總氮濃度顯著上升,當(dāng)pH 從7.5 升高至8.5 時,豬糞水中總氮濃度雖然上升,但與pH 7.5 時總氮濃度無顯著差異。 而隨著pH 升高,光合細(xì)菌處理的豬糞水中硝氮濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,pH 7.5 時光合細(xì)菌處理的豬糞水中硝氮濃度最高,分別比pH 4.5、pH 5.5 和pH 8.5 時高137.24%、74.18%和7.67%。

由圖4 可知,不同pH 條件下,光合細(xì)菌處理的豬糞水中磷素含量發(fā)生了顯著變化。 總體上,酸性條件下光合細(xì)菌處理豬糞水中總磷和活性磷酸鹽濃度顯著高于堿性條件下。 pH 4.5 時,光合細(xì)菌處理的豬糞水中總磷和活性磷酸鹽濃度最高,分別是pH 5.5 時的1.13 倍和1.07 倍。

2.3 培養(yǎng)周期對光合細(xì)菌提升豬糞水肥效的影響

如圖5 所示,除培養(yǎng)30 d 外,其余培養(yǎng)周期對光合細(xì)菌處理的豬糞水中總氮濃度整體無顯著影響,培養(yǎng)3—5 d 時,光合細(xì)菌處理的豬糞水中總氮濃度相對較高。 培養(yǎng)30 d 時,光合細(xì)菌處理的豬糞水中總氮濃度明顯下降,與培養(yǎng)5 d 相比,總氮濃度下降8.82%。 培養(yǎng)20 d 時,光合細(xì)菌處理的豬糞水中硝氮濃度開始呈下降趨勢,但不同培養(yǎng)天數(shù)對光合細(xì)菌處理豬糞水中硝氮濃度整體影響較小。 培養(yǎng)時間超過3 d,光合細(xì)菌處理的豬糞水中氨氮濃度開始顯著下降,培養(yǎng)15 d 時,氨氮濃度開始顯著升高,除培養(yǎng)30 d外,其余各處理與經(jīng)光合細(xì)菌處理3 d 的豬糞水中氨氮濃度差異較小。

從圖6 可知,培養(yǎng)3 d,光合細(xì)菌處理豬糞水中總磷濃度最高,培養(yǎng)30 d,光合細(xì)菌處理的豬糞水中總磷濃度最低,與培養(yǎng)3 d 時相比,下降了70.41%。 光合細(xì)菌處理的豬糞水中活性磷酸鹽濃度整體呈下降的趨勢,培養(yǎng)1 d 和3 d 時豬糞水中活性磷酸鹽濃度相對較高,分別為44.40 mg∕L 和33.19 mg∕L。

2.4 光合細(xì)菌處理的豬糞水對小青菜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

如表2 所示,100 倍和1 000 倍稀釋后的豬糞水處理的小青菜種子,其發(fā)芽率是對照的1.02 倍和1.32 倍,而0 倍和10 倍稀釋的豬糞水處理的小青菜種子發(fā)芽率卻顯著低于對照。 與對照相比,不同稀釋倍數(shù)豬糞水處理的小青菜根長顯著升高,0 倍、10 倍、100 倍和1 000 倍稀釋的豬糞水處理的小青菜幼苗根長分別提高了42.77%、12.24%、14.94%、26.07%;100 倍和1 000 倍稀釋的豬糞水處理的小青菜幼苗株高均顯著增加,分別提高了16.08%、26.81%,其中1 000 倍稀釋處理幼苗株高最大,達(dá)4.73 cm;1 000 倍稀釋處理的小青菜幼苗鮮重和干重分別比對照提高了15.79%和33.33%。

表2 光合細(xì)菌處理的豬糞水對小青菜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響Table 2 The effect of piggery wastewater treated by photosynthetic bacteria on the seed germination and seedling growth of brassica chinensis

3 結(jié)論與討論

通過微生物的降解轉(zhuǎn)化作用,畜禽糞便可以實現(xiàn)循環(huán)利用,進(jìn)而減輕對水環(huán)境的污染[8]。 光合細(xì)菌無論是在光照厭氧還是在黑暗好氧條件下,都具有降解高濃度有機(jī)廢水(如畜禽糞污)的能力,同時光合細(xì)菌還能產(chǎn)生諸多維生素、光合色素、輔酶Q 和促生因子等活性物質(zhì),可明顯促進(jìn)農(nóng)作物生長[13-14]。 探索光合細(xì)菌提升畜禽糞便污水肥效因子,提高畜禽糞便污水利用效率,對解決周邊水環(huán)境污染、提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要的現(xiàn)實意義。

3.1 光合細(xì)菌提升豬糞水氮素營養(yǎng)的最適環(huán)境因子

本研究中,溫度對光合細(xì)菌處理的豬糞水中氮素含量總體無顯著影響,但30 ℃條件下,光合細(xì)菌處理的豬糞水中氮素含量比25 ℃和35 ℃條件下高,這可能是因為30 ℃條件下光合細(xì)菌的光合速率較高[15],進(jìn)而影響豬糞水中氮素營養(yǎng)的合成所致。 酸堿度顯著影響光合細(xì)菌處理豬糞水中總氮和硝氮濃度,pH 7.5 時,經(jīng)光合細(xì)菌處理的豬糞水中總氮和硝氮濃度最高。 這可能是該pH 條件適宜光合細(xì)菌生長,增強了光合細(xì)菌的固氮能力,提高了豬糞水中的氮素水平所致[7]。

3.2 光合細(xì)菌提升豬糞水磷素營養(yǎng)的最適環(huán)境因子

活性磷酸鹽是一種限制性磷素營養(yǎng)鹽,可以被植物、細(xì)菌和藻類所利用。 提升光合細(xì)菌處理的豬糞水中活性磷酸鹽含量更有利于增加豬糞水中磷素營養(yǎng)利用效率。 本研究中,溫度對光合細(xì)菌處理的豬糞水中總磷和活性磷酸鹽濃度影響不同。 25 ℃條件下,光合細(xì)菌處理的豬糞水中總磷濃度最高,而30 ℃培養(yǎng)的豬糞水中活性磷酸鹽濃度最高。 在30 ℃條件下,當(dāng)pH 降至4.5 時,經(jīng)光合細(xì)菌處理的豬糞水中總磷和活性磷酸鹽濃度最高。 這可能是因為酸性條件下,光合細(xì)菌對活性磷酸鹽的吸收能力降低,磷代謝能力減弱,生物體內(nèi)儲備的磷化物以可溶性鹽的形式逆向釋放所致[16]。

3.3 光合細(xì)菌處理豬糞水的應(yīng)用效果

光合細(xì)菌處理的豬糞水經(jīng)適宜的倍數(shù)(即100 倍和1 000 倍)稀釋能夠顯著促進(jìn)小青菜種子萌發(fā),其中,高稀釋倍數(shù)的光合細(xì)菌處理的豬糞水對小青菜種子萌發(fā)促進(jìn)效果最好,與秦亞芬等[11]研究結(jié)果一致,這可能是因為低稀釋倍數(shù)的光合細(xì)菌處理的豬糞水中活菌濃度較高,高濃度的活菌進(jìn)入種皮后,活菌附著在胚上,破壞了胚的完整性,致使胚活力降低。 在植株生長發(fā)育方面,光合細(xì)菌處理的豬糞水經(jīng)適宜的倍數(shù)稀釋能夠促進(jìn)小青菜的根長、株高、干重和鮮重,尤其是1 000 倍的光合細(xì)菌處理的豬糞水對小青菜根長和株高有顯著的促進(jìn)作用,這可能是因為光合細(xì)菌提高了根系周圍微生物活性,有效改善了植株根際環(huán)境,從而促進(jìn)了植株生長發(fā)育,使得小青菜根長和株高顯著提高[17]。