吲哚乙酸對(duì)周叢生物去除水體中氮磷的影響及機(jī)理

孫沉沉 ， 馬蘭 ， 吳永紅 ， 俞元春 *

（1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，南京 210037；3.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008）

吲哚乙酸（indoleacetic acid，IAA）是一種普遍存在于植物體內(nèi)的天然生長(zhǎng)素，對(duì)植物體內(nèi)各種生理反應(yīng)起著重要的調(diào)控作用[1]。Duca等[2]和Tsavkelova等[3]從藻類、細(xì)菌以及真菌中均分離出吲哚乙酸。研究表明，吲哚乙酸能促進(jìn)細(xì)菌更好的適應(yīng)壓力條件[4]；一些能夠獨(dú)立產(chǎn)生吲哚乙酸的微生物，利用吲哚乙酸作為信號(hào)分子來指導(dǎo)微生物行為[5]。

周叢生物是一種生長(zhǎng)在水-土界面上，由藻類、細(xì)菌、真核微生物、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等組成的微生物聚集體[6-7]。周叢生物組成的獨(dú)特性以及群落結(jié)構(gòu)的多樣性使其能夠有效地吸收水體中過量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，近年來被廣泛用于水污染控制[8]、生境構(gòu)建[9]、水質(zhì)凈化、土壤修復(fù)[10-13]及生物能源[14]等方面。馬蘭[15]研究表明，吲哚乙酸可提高周叢生物對(duì)水體中氮磷的去除效率。因此，深入研究吲哚乙酸對(duì)周叢生物去除水體中氮磷的影響及其作用機(jī)理具有重要意義。本研究以人工培養(yǎng)的周叢生物為研究對(duì)象，一部分周叢生物經(jīng)過吲哚乙酸培養(yǎng)作為預(yù)處理組，另一部分未經(jīng)過吲哚乙酸培養(yǎng)的周叢生物作為對(duì)照組，將預(yù)處理組和對(duì)照組的周叢生物均置于含有不同質(zhì)量濃度吲哚乙酸的氮磷污水中培養(yǎng)，探討吲哚乙酸對(duì)周叢生物去除水體氮磷的影響，并進(jìn)一步分析不同處理下周叢生物的微生物群落結(jié)構(gòu)，為修復(fù)氮磷污水提供新思路。

1 材料與方法

1.1 周叢生物的培育

為模擬自然環(huán)境下生長(zhǎng)的周叢生物，試驗(yàn)選用南京市玄武區(qū)玄武湖的湖水。于5 L燒杯中加入1 L湖水和11 mL的WC培養(yǎng)液[15]，并放入長(zhǎng)5 cm、寬2 cm的工業(yè)彈性填料，置于光照強(qiáng)度2 500 Lux、溫度28℃、光暗比12 h/12 h環(huán)境下培育20 d，至表面出現(xiàn)一層墨綠色的粘稠狀物質(zhì)視為培養(yǎng)成功。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先，使用少量乙醇和去離子水溶解吲哚乙酸，配制500 mg·L-1IAA標(biāo)準(zhǔn)溶液。再將標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋成0、5和10 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)使用液用于周叢生物處理。然后，用去離子水分別溶解適量（NH4）2SO4和KH2PO4，配置成100 mg·L-1銨態(tài)氮和磷標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。最后，將適量IAA、銨態(tài)氮和磷標(biāo)準(zhǔn)溶液混合配制成模擬污水，其中，氮最終質(zhì)量濃度為2.0 mg·L-1，磷最終質(zhì)量濃度為0.5 mg·L-1，吲哚乙酸質(zhì)量濃度按需求調(diào)整。

試驗(yàn)分為預(yù)處理組（A）和對(duì)照組（B），其中，預(yù)處理組中的周叢生物預(yù)先使用吲哚乙酸培養(yǎng)；而對(duì)照組采用未使用吲哚乙酸培養(yǎng)的新鮮周叢生物。

預(yù)處理組（A）：使用5和10 mg·L-1吲哚乙酸標(biāo)準(zhǔn)使用液分別培養(yǎng)一組周叢生物（每個(gè)處理按質(zhì)量濃度記作A5、A10），7 d后取處理后的周叢生物1.0 g加入100 mL的銨態(tài)氮和磷標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液中，置于光照強(qiáng)度2 500～3 000 lx、溫度28℃、光暗比12 h/12 h條件下培養(yǎng)7 d，每組3個(gè)平行試驗(yàn)。每天測(cè)定混合溶液中的NO-3-N、NH+4-N、PO3-4-P含量。

對(duì)照組（B）：分別在5和10 mg·L-1吲哚乙酸標(biāo)準(zhǔn)使用液中加入1.0 g上述培養(yǎng)成功的新鮮人工周叢生物（每個(gè)處理按質(zhì)量濃度記作B5和B10），再加入100 mL的銨態(tài)氮和磷標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，置于光照強(qiáng)度2 500～3 000 lx、溫度28℃、光暗比12 h/12 h條件下培養(yǎng)7 d，每組3個(gè)平行試驗(yàn)。每天測(cè)定混合溶液中的含量。

試驗(yàn)以不添加吲哚乙酸的處理作為對(duì)照（CK）。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

磷脂脂肪酸（phospholipids fatty acid，PLFA）含量采用改良后的Bligh-Dyer法[16-17]測(cè)定，PLFAs組成采用MIDI Sherlock微生物鑒定系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2016、Origin 2015和SPSS 21.0軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和繪圖。使用單因素方差分析進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下周叢生物去除水中氮的效果

2.2 不同處理下周叢生物去除水中磷的效果

圖2 不同處理下溶液中PO3-4-P質(zhì)量濃度的變化Fig.2 Changes of PO3-4-P in solution under different treatments

2.3 不同處理下周叢生物的微生物群落結(jié)構(gòu)、葉綠素?zé)晒庖约皃H的變化

2.3.1 周叢生物微生物群落結(jié)構(gòu)的變化 如表1所示，不同處理的總PLFA差異不顯著（P＞0.05）；CK處理中細(xì)菌、放線菌以及革蘭氏陽性菌（G+）均低于其他處理（P＜0.05），說明IAA的添加影響了周叢生物中部分微生物的組成結(jié)構(gòu)。IAA質(zhì)量濃度越高，預(yù)處理組中細(xì)菌、真菌和放線菌含量與對(duì)照組的差異越?。≒＞0.05），表明高質(zhì)量濃度IAA可能對(duì)微生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生了抑制作用。A5、B5、B10處理在原生動(dòng)物含量方面表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05），對(duì)比 A5、A10、B5、B10處理，革蘭氏陰性菌與原生動(dòng)物的含量有顯著性差異，且IAA的質(zhì)量濃度越高，差異越顯著（P＜0.05）。

表1 不同處理下周叢生物的磷脂脂肪酸種類Table 1 Different PLFA of the periphyton in the different treatments（n=3）

2.3.2 周叢生物Ft和溶液pH變化 不同處理下周叢生物的葉綠素?zé)晒釬t值變化不同（圖3）。其中，預(yù)處理組Ft值在試驗(yàn)過程中變化波動(dòng)較大，而對(duì)照組Ft值整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；但2組整體均呈下降趨勢(shì)，且預(yù)處理組降幅達(dá)50%?？傮w上，B5和B10處理Ft值均高于其他處理，即對(duì)照組處理中吲哚乙酸對(duì)Ft影響較小。不同處理周叢生物的pH整體呈上升趨勢(shì)，對(duì)照組pH顯著高于預(yù)處理組，且pH波動(dòng)幅度較大；A5、A10與CK處理在試驗(yàn)后期pH無顯著差異。

圖3 不同處理下周從生物的Ft和pHFig.3 Ftand PH of periphyton in the different treatments

3 討論

本研究表明，各處理在試驗(yàn)前期對(duì)NH+4-N的去除速率最快，至試驗(yàn)后期對(duì)NH+4-N的去除率可達(dá) 100%。除 A10處理外，CK、A5、B5和 B10處理對(duì)NO-3-N的去除率達(dá)99%。預(yù)處理組與對(duì)照組比較結(jié)果表明，對(duì)照組對(duì)NH+4-N的去除效果優(yōu)于預(yù)處理組；預(yù)處理組中，氮、磷去除速率隨著IAA質(zhì)量濃度的增加而加快。在試驗(yàn)中，溶液中NH+4-N質(zhì)量濃度不斷下降，而NO-3-N質(zhì)量濃度在試驗(yàn)前期不斷上升但在中后期開始下降，由此可見，周叢生物通過硝化作用將含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化為NO-3-N并最終利用，與任南琪等[18]、Jetten等[19]研究結(jié)果相一致。吲哚乙酸有利于周叢生物提高氮的轉(zhuǎn)化能力，即將NH+4-N轉(zhuǎn)化為NO-3-N，從而達(dá)到對(duì)氮的去除。但高質(zhì)量濃度吲哚乙酸一方面促進(jìn)了NH+4-N的硝化反應(yīng)，另一方面可能阻礙了周叢生物對(duì)NO-3-N的利用[20]，因此，A10處理中NO-3-N質(zhì)量濃度較高。

吲哚乙酸處理方式影響周叢生物對(duì)PO3-4-P的去除。B5和B10處理對(duì)PO3-4-P的去除率分別為95.3%和91.7%，而A5和A10處理對(duì)PO3-4-P的去除率分別為54.1%和59.9%。研究發(fā)現(xiàn)，周叢生物可大量吸收磷，其作用機(jī)制包括吸收、沉降以及過濾等，其中吸收主要通過聚磷菌降解磷[21]。Jarvie等[22]認(rèn)為，周叢生物表面的碳酸鈣可以與磷共沉淀，通過過濾達(dá)到對(duì)磷的去除；Liu等[23]發(fā)現(xiàn)藍(lán)細(xì)菌相對(duì)豐度的提高，可以提升周叢生物群落富集磷的能力。本研究表明，對(duì)照組處理對(duì)溶液中PO3-4-P的去除效果更顯著，尤其添加5 mg·L-1吲哚乙酸時(shí)去除率可達(dá)95%。

不同質(zhì)量濃度吲哚乙酸處理下，周叢生物中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。與CK相比，總PLFA組成呈下降趨勢(shì)，細(xì)菌、放線菌以及革蘭氏陽性菌（G+）含量顯著增加。結(jié)合不同處理下氮、磷的去除速率推斷，添加吲哚乙酸更有利于周叢生物中細(xì)菌（如藍(lán)細(xì)菌等[23]微生物）的生長(zhǎng)，且對(duì)照組處理對(duì)氮、磷的去除效率更高。周叢生物中微生物聚集體變得復(fù)雜、龐大，且使得其中充滿空隙和通道，這些不僅為周叢生物儲(chǔ)存養(yǎng)分提供了空間，而且也增大了周叢生物中各組分與水體中氮、磷發(fā)生反應(yīng)的面積，加快了周叢生物對(duì)氮、磷的富集速度，從而提高周叢生物對(duì)水體中氮磷的去除效率[3]。

周叢生物作為一種復(fù)雜的微型生態(tài)系統(tǒng)[24-25]，富含各種細(xì)菌、真菌、藻類以及自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物，其中優(yōu)勢(shì)種主要為藻類。目前，研究發(fā)現(xiàn)，周叢藻類對(duì)氮、磷有較高的吸收效率，如顫藻、硅藻等[26-27]，而吲哚乙酸可促進(jìn)藻類的生長(zhǎng)發(fā)育。本研究表明，各處理Ft值和pH在反應(yīng)過程中處于變化狀態(tài)，這可能是由于藻類的光合作用[20]。溶液葉綠素?zé)晒釬t值越大、pH處于中性范圍時(shí)，周叢生物對(duì)水體中氮、磷的去除效率越高，且對(duì)照組處理溶液中氮磷的去除效率最高，可能是由于pH的增加促進(jìn)銨離子向NH3轉(zhuǎn)化，增加氨揮發(fā)[28]，從而促進(jìn)對(duì)氮的去除，而pH又會(huì)對(duì)藻類生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響葉綠素?zé)晒釬t值，與鄧旭等[29]、馬軍等[30]的研究結(jié)果相一致。因此，需營(yíng)造適宜周叢生物生長(zhǎng)的pH環(huán)境，才能保證其高效發(fā)揮作用。

本研究表明，在周叢生物中添加吲哚乙酸在一定程度上提高了其去除水體中氮磷的能力，且在周叢生物與污染水體中直接加入吲哚乙酸的處理方式對(duì)氮磷的去除效率更好，去除效率可達(dá)80%以上；添加吲哚乙酸促進(jìn)了周叢生物的生長(zhǎng)并改變了周叢生物的微生物群落結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部生長(zhǎng)環(huán)境，從而提高了其對(duì)水體中氮磷的去除效率。但外源吲哚乙酸對(duì)周叢生物影響的作用機(jī)制還需進(jìn)一步深入研究，確定最適宜周叢生物吸收氮磷的吲哚乙酸條件，以便為周叢生物與吲哚乙酸應(yīng)用于大規(guī)模污水處理提供理論依據(jù)。