造紙廢水灌溉對蘆葦濕地微生物的影響研究

1、2009年海洋湖沼通報TransactionsofOceanologyandLimnology l4文章編號:100326482(2009)0420163208造紙廢水灌溉對蘆葦濕地微生物的影響研究李甲亮1,田家怡2,李學(xué)平1(1.濱州學(xué)院城市與環(huán)境系,山東濱洲256603;2.山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室,山東濱洲256603)*摘要:為了解造紙廢水灌溉對濱海蘆葦濕地的影響,測定了幾種灌溉條件下濕地基質(zhì)中微生物數(shù)量、微生物量碳/總有機碳(MBC/TOC)和土壤有效硫等指標(biāo)。結(jié)果表明:造紙廢水灌溉能顯著提高基質(zhì)中微生物數(shù)量和活性,且受季節(jié)影響較明顯,一般在9月份最高;微生物數(shù)量在基質(zhì)內(nèi)垂

2、直分布為上層>下層,特別是放線菌、真菌;反硝化細(xì)菌與土壤TN,纖維素分解菌與廢水COD去除率,及MBC/TOC與基質(zhì)呼吸強度相關(guān)性較好;硫酸鹽還原細(xì)菌數(shù)量在10月份以后激增,使基質(zhì)變黑,但對蘆葦根系影響較小。廢水灌溉能改良濱海鹽堿土壤,促進退化生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù),但不同灌溉模式對微生物種群組成的影響不同,推薦采用間歇灌溉(w4)或低水深恒流灌溉(w1)模式。關(guān)鍵詞:蘆葦濕地;造紙廢水灌溉;基質(zhì)微生物;生態(tài)功能中圖分類號:X171 文獻標(biāo)識碼:A引言黃河三角洲現(xiàn)有荒堿地16.7萬hm、淺海和灘涂12萬hm,且面臨著鹽漬化土地內(nèi)擴、潮間帶濕地萎縮和退化等一系列生態(tài)環(huán)境問題,脆弱生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)需求

3、格外迫切。通過造紙廢水灌溉既能將鹽堿地改造成蘆葦濕地,改良土壤鹽堿化,又能去除廢水中有機污染物,增收蘆葦,一舉多得。微生物是濕地系統(tǒng)有機污染物分解的主要執(zhí)行者,其數(shù)量與廢水凈化效果呈顯著正相關(guān)性1。部分學(xué)者研究了土壤基質(zhì)中微生物的變化,但未見有野外條件下對表面流濕地(SFW)基質(zhì)微生物的動態(tài)研究及相關(guān)指標(biāo)的動態(tài)變化。22722。本文研究不同灌溉工藝條件下,蘆葦濕地微生物1 材料與方法1.1 實驗條件試驗地位于黃河三角洲沾化縣徒駭河流域,該區(qū)土壤屬于濱海潮土,鹽堿化程度較重,年平均氣溫12.5e,平均降水量551.6mm,蒸發(fā)量18002000mm。灌溉用造紙廢水取自本地一家草漿造紙廠,廢水經(jīng)調(diào)

4、節(jié)塘y厭氧塘y好氧塘y兼性塘y儲存塘處理后灌溉蘆葦?shù)?。實驗蘆葦?shù)?0m35m(0.175hm2),中間以土壩分隔成5塊50m7m樣地,其中一塊設(shè)置為未灌溉對照w02ck,其他灌溉條件見表1。蘆葦濕地進水CODcr12241656mg/L,TN29.8mg/L,TP3.92mg/L。*基金項目:/十一五0國家科技支撐計劃項目(2006BAC01A13);2006年山東省環(huán)境保護重點科技項目(第一批)(2006206)資助第一作者簡介:李甲亮(19722),男,山東肥城人,博士,從事環(huán)境工程、環(huán)境生態(tài)研究。E2mail:lijialiangcn 收稿日期:2009203215164海 洋 湖 沼

5、通 報2009年1.2 實驗材料每樣地均勻布置3個50cm50cm樣方,用柱狀采樣器采集030cm土樣,帶回實驗室,將上層(015cm)和下層土(1530cm)用等分法混和,一部分鮮土裝入保鮮袋冷藏,以測定微生物、土壤呼吸強度、微生物量碳,另一部分在干凈通風(fēng)室內(nèi)風(fēng)干,測定土壤有效硫,每樣品重復(fù)測定3次。表1 造紙廢水灌溉工藝條件Table1 Technicalcraftsofpulpandpaperwastewaterirrigation基質(zhì)SubstrateW02ckW1W2W3W4水深/cmWaterdepth088、15、2088水力負(fù)荷/cm.d-Hydraulicload0222、4

6、、621運行工藝Operatingcrafts不進水等水深、等水力負(fù)荷變水深變水力負(fù)荷8d運行+2d間歇、6d+4d、4d+6d運行時間Operatingtime4個月4個月每參數(shù)1個月每參數(shù)1個月每參數(shù)1個月1.3 測定方法細(xì)菌、放線菌、真菌計數(shù)采用稀釋平板法,每樣品3稀釋度3重復(fù),取均值,培養(yǎng)基分別為:牛肉膏蛋白胨瓊脂、改良高氏一號和馬丁2孟加拉紅培養(yǎng)基。纖維素分解菌、反硝化細(xì)菌、硫酸鹽還原細(xì)菌計數(shù)采用5稀釋度3平行管的15管MPN法,為液體培養(yǎng)基,其中纖維素分解菌采用赫奇遜培養(yǎng)基,微生物數(shù)量單位以每g風(fēng)干土含的微生物個數(shù)計8。土壤基質(zhì)呼吸強度測定采用NaOH吸收法;MBC采用氯仿熏蒸浸提

7、(FE)法;土壤有機碳9(TOC)采用K2CrO4-H2SO4氧化法;土壤有效硫(SO2-4)采用BaCl2比色法。2 結(jié)果與討論2.1 廢水灌溉對基質(zhì)細(xì)菌、真菌、放線菌的影響廢水灌溉之前,采集樣地土壤測定其本底微生物見表2,這些微生物對土壤中有機質(zhì)分解起著重要作用,各樣地基質(zhì)細(xì)菌、真菌和放線菌的測定值分別見表3、表4、表5。表2 實驗樣地基質(zhì)微生物本底值(103.g-1)Table2 Backgroundofmicroorganismsinexperimentalreedwetlands采深/cmSamplingdepth0151530細(xì)菌Bacteria放線菌Actinomyces真菌Fu

8、ngi纖維素分解菌反硝化細(xì)菌硫酸鹽還原細(xì)菌Sulfatereductivebacteria0.14(0.1)0.04(0.02)CelluloyticbacteriaDenitrifyingbacteria3.5(0.2)3.5(0.4)20(1.6)9.5(1.1)1.61(0.2)10.57(1.2)1.20(0.1)0.97(0.1)2.42(0.3)0.31(0.1)注:( )內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)差,下同Note:Thecontentsof( )arestandarddeviation(sameasbelow)隨灌溉時間的延長,基質(zhì)細(xì)菌數(shù)量逐漸增多,9月份達(dá)到最大(見表3)。t測驗表明,上層4期

9、造紙廢水灌溉對蘆葦濕地微生物的影響研究165基質(zhì)細(xì)菌數(shù)量顯著多于下層;LSR檢驗表明:由于土壤有機質(zhì)和氧氣供給較好,w1上層基質(zhì)中細(xì)菌數(shù)最多,其次是w0和w4;而下層基質(zhì)以w4為最高,其次為w1,w0最少,這表明有機質(zhì)的缺乏是限制微生物數(shù)量增長的因子。表3 基質(zhì)細(xì)菌的數(shù)量特征(107.g-1)Table3 Quantitycharacteristicofbacteriainsubstrate時間Time8月Aug.9月Sep.10月Oct.11月Nov.w0-ck0151530015未測w11530未測015w21530015w31530015/cmw415301.4(0.5)0.8(0.3)

10、50.5(3.7)0.0(0)3.0(0.4)1.5(0.2)2.8(0.3)1.3(0.2)3.5(0.5)1.0(0.2)55.8(4.2)15.1(1.8)15.3(2.2)14.1(1.8)60.7(5.2)20.4(2.1)61.2(5.3)27(2.2)18.9(1.5)9.4(1.2)44.5(3.2)5.8(0.9)16.5(1.9)4.2(0.8)14.0(2.0)4.0(1.1)8.1(1.2)5.1(0.8)57.9(6.3)2.8(0.7)18.2(1.8)9.6(1.1)20.5(2.2)17.8(2.3)16.9(1.4)7.2(1.2)15.0(2.1)5.5(1

11、.0)注:每塊濕地上下2層比較采用t測驗,n1=n2=15,t0.05=3.131,t0.01=2.947。處理(w0-w4)之間的比較采用新復(fù)極差LSR檢驗,df1=4,df2=15,p=2,3,4,5時,LSR0.05分別為:3.01,3.16,3.25,3.31,LSR0.01分別為:4.17,4.37,4.50,4.58,下同Notes:Thettestwereadoptedincontrastbetweensurfaceandsubsoilofeachwetland,n1=n2=15,t0.05=3.131,t0.01=2.947。TheLSRtestwereusedamongdif

12、ferenttreatmentscontrast,whendf1=4,df2=15,p=2,3,4,5,LSR0.05:3.01,3.16,3.25,3.31,LSR0.01:4.17,4.37,4.50,4.58,(sameasbelow)放線菌是1種好氧菌,隨時間的變化明顯,最大值出現(xiàn)在10月份(見表4),在垂直分布上,上層基質(zhì)菌數(shù)w1>w0-ck>w2>w3,但w4值較低,可能是取樣的問題;下層基質(zhì)中w0-ck>w1>w4,w2、w3菌數(shù)少且差異不明顯,可見,此時土壤內(nèi)O2成了限制微生物數(shù)量增長的主要因子。表4 基質(zhì)放線菌的數(shù)量特征(106.g-1)Tabl

13、e4 Quantitycharacteristicofactinomycesinsubstrate時間Timew0-ck01515300.0(0)015未測w11530未測0154.2(0.3)4.3(0.6)w215300.4(0.1)0152.9(0.4)w31530015/cmw415308月0.3(0.1)0.8(0.1)2.8(0.3)0.3(0.1)9月1.8(0.3)0.6(0.2)19.3(1.8)1.4(0.3)4.0(0.5)15.2(3.2)0.8(0.2)6.6(0.7)0.7(0.2)10月18.9(2.2)9.4(1.2)44.5(3.8)5.8(0.7)16.5(

14、1.4)4.2(0.7)14.0(2.1)4.0(0.6)8.1(1.0)5.1(0.6)11月10.2(1.2)6.3(0.7)28.2(2.3)9.4(0.9)31.0(2.7)5.8(0.6)20.7(1.1)2.6(0.3)1.1(0.3)0.9(0.2)真菌也是好氧性微生物,數(shù)量以9月份最多(見表5),上層基質(zhì)以w0、w1最多,其他幾種工藝含量較少;下層基質(zhì)以w0、w4最多,但與其他幾種工藝差距不大,說明對真菌而言,O2是決定性因素,因此灌溉中不宜采用較深水深。166海 洋 湖 沼 通 報表5 基質(zhì)真菌的數(shù)量特征(104.g-1)Table5 Quantitycharacterist

15、icoffungiinsubstrate2009年/cmw415300151530時間Timew0-ck0151530015未測w11530未測0152.5(0.5)w215300.4(0.2)0153.8(1.1)w38月1.6(0.4)0.2(0.1)1.3(0.2)2.1(0.4)0.8(0.3)9月55.2(6.1)7.1(0.5)37.4(3.2)1.2(0.3)12.6(1.7)2.4(0.7)13.8(2.0)2.3(0.3)10.0(1.1)2.6(0.5)10月0.6(0.2)0.3(0.1)11月3.5(0.9)8.9(1.1)4.8(0.8)7.6(0.9)1.3(0.4

16、)0.5(0.2)4.4(0.7)2.0(0.5)0.6(0.4)1.1(0.2)5.5(0.6)1.8(0.6)0.9(0.2)4.6(0.7)5.2(0.7)0.4(0.2)13.5(1.9)0.5(0.3)2.2 廢水灌溉對纖維素分解菌、反硝化細(xì)菌與硫酸鹽還原細(xì)菌的影響造紙廢水中含有未降解纖維素和木質(zhì)素,濱海鹽堿土壤中也含有較多的硫酸鹽,因此,基質(zhì)中纖維素分解菌等三類菌群菌數(shù)的波動能反映濕地對廢水中有機物去除和濕地修復(fù)情況。對好氧性纖維素分解菌LSR檢驗發(fā)現(xiàn)(見表6),上層基質(zhì)中以w4最多,其次是w3、w2和w1,w0-ck顯著低于灌溉處理,這說明纖維素細(xì)菌數(shù)量除受O2影響外,主要決定于

17、基質(zhì)中有機物質(zhì)的含量;下層基質(zhì)沒有表現(xiàn)出明顯變化特征,且與上層層間差異不明顯。反硝化細(xì)菌是1種兼性菌,9月和11月出現(xiàn)2次高峰,且w3、w2較多,其次是w1、w4,由于缺少基質(zhì),w0菌數(shù)最少;在垂直方向上,反硝化細(xì)菌沒有表現(xiàn)出明顯層間差異。硫酸鹽還原細(xì)菌(SRB)是1種嚴(yán)格厭氧細(xì)菌,能將硫酸鹽還原為H2S等,基質(zhì)中硫酸鹽越多,電位就越低,毒性越大,越易造成蘆葦爛根;實驗發(fā)現(xiàn),上層基質(zhì)菌數(shù)最大值出現(xiàn)在10月,w2菌數(shù)最多,其次是w3,其他工藝間差異不明顯;下層基質(zhì)最大值出現(xiàn)在11月,w1>w2>w3>w4(w02ck)。這說明,SRB數(shù)量主要決定于基質(zhì)電位,w2淹水深度大,電位

18、低,菌數(shù)也多,而好氧性的w0和w4菌數(shù)較少。表6 基質(zhì)纖維素分解菌、反硝化細(xì)菌與硫酸鹽還原細(xì)菌的MPN計數(shù)特征(103.g-1)Table6 Quantitycharacteristicofcelluloytic,denitrifyingandsulfatereductionmicrobesinsubstrate纖維素分解菌基質(zhì)深度8月4.545-7.54.5110110204.5SubstrateDepth/cm0-1515-300-1515-30w20-1515-300-1515-300-1515-30Celluloyticbacteria9月0.950.21.51515315440310

19、月1.50.959.59.57.515154.57.57.511月9.545454.52.515162.5151.59月1100.0731102011014014011025反硝化菌Denitrifyingbacteria10月3011.520451404545454511011月15414011014014011014045308月0.40-0.950.152.50.452.5硫酸鹽還原菌Sulfatereductivebacteria9月24.5154.5151.59.57.5310月11月0.45334.5757.5454.515259.5254520252025204w0-ckw1w3

20、w40.0950.450.454期造紙廢水灌溉對蘆葦濕地微生物的影響研究1672.3 廢水灌溉對基質(zhì)MBC、TOC及微生物呼吸強度的影響MBC是體現(xiàn)濕地基質(zhì)微生物的數(shù)量和活性的重要指標(biāo),該值越高,土壤生物活性越強;TOC反映了濕地基質(zhì)內(nèi)有機質(zhì)狀況,是隨季節(jié)動態(tài)變化的,其含量決定于濕地系統(tǒng)外有機質(zhì)輸入量和微生物及植物對其分解利用情況,結(jié)果見表7。表7 基質(zhì)MBC、TOC的動態(tài)變化Table7DynamicchangeofMBC,andTOCinsubstrate基質(zhì)Substratew1w2w3w4w0-ck7月0.0420.0420.0420.0420.042p=2:LSR0.05p=3:p=

21、4:p=5:MBC/g#kg-9月0.2a0.136b0.147b0.178a0.115c0.01000.01050.01070.01091TOC/%11月0.038c0.081a0.021d0.051b0.010e0.00930.00980.01000.01017月0.7720.7720.7720.7720.7729月1.571a1.343c1.442b1.124d1.028e0.05080.05320.05440.055310月0.872a0.543d0.613c0.768b0.541d0.02150.02250.02300.023411月1.019a0.734c0.791b0.604d0

22、.596d0.01860.01950.01990.020210月0.098a0.048c0.067b0.049c0.024d0.01060.01110.01130.0115MBC/TOC是濕地生態(tài)中值得關(guān)注的一個值,值越大,則基質(zhì)中微生物比活性越大,有機質(zhì)被分解的越徹底,污染物去除率越高。研究發(fā)現(xiàn)(見圖1),廢水灌溉后,MBC/TOC逐漸增大,9月達(dá)峰值,處理間排序為w4>w2>w1>w3>w0-ck,t測驗表明處理間差異不顯著(tw4/w2=0.062,tw2/w1=0.230,tw1/-w0內(nèi)微生物含量和活性都較低。與MBC/TOC一樣,基質(zhì)呼吸強度表現(xiàn)出類似的變化

23、規(guī)律(見表8),剛開始灌溉時,各處理呼吸強度都有下降,但之后出現(xiàn)躍升,9月達(dá)最高。在灌溉處理工藝中,基質(zhì)呼吸強度排序為w4>w1>w3>w2,差異不顯著(tw4/w1=0.275,tw1/-2.306),但灌溉處理顯著高于未灌溉w0-ck。表8 基質(zhì)呼吸強度的動態(tài)變化(mgCO2.g-1.d-1)Table8 Dynamicchangeofsubstraterespirerate基質(zhì)Substratew1w2w3w4w0-ck7月Jul.0.3470.3470.3470.3470.347p=2:LSR0.05p=3:p=4:p=5:8月Aug.0.227c0.222c0.26

24、8a0.245b0.167d0.00940.00980.01000.01029月Sep.0.506a0.37d0.451b0.392c0.302e0.02510.02630.02690.027410月Oct.0.415ab0.333c0.455a0.392b0.303c0.03110.03260.03330.033911月Dec.0.387a0.267c0.326b0.609a0.239c0.02870.03000.03070.0312w3w3=0.333,均小于t0.05=2.306)(見表7)。由于缺乏基質(zhì),=0.120,tw3/-w2=1.349,其中t0.05=168海 洋 湖 沼 通

25、 報2009年2.4 廢水污染物去除與濕地微生物數(shù)量的相關(guān)性分析2.4.1 造紙廢水污染物去除與纖維素分解菌的相關(guān)性纖維素分解菌是濕地基質(zhì)中一類重要的微生物菌群,其含量多少影響濕地對造紙廢水處理的效果10。對不同工藝在不同時間的纖維素細(xì)菌數(shù)和廢水COD去除率進行線性擬合(見圖2),符合線性關(guān)系:y=3.454x+1.3081,r=0.9018,相關(guān)性較好。圖1 基質(zhì)MBC/TOC的動態(tài)變化Fig.1 DynamicchangeofMBC/TOCinsubstrate圖2 基質(zhì)纖維素菌數(shù)量與廢水COD去除率關(guān)系Fig.2 Relationbetweencelluloyticmicrobesand

26、wastewaterremoval2.4.2 造紙廢水污染物去除與反硝化細(xì)菌的相關(guān)性基質(zhì)中氮的去除主要是通過硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌聯(lián)合作用來完成的,反硝化細(xì)菌數(shù)量和土壤基質(zhì)氮含量及廢水中氮去除量之間存在一定關(guān)系。已有研究表明蘆葦濕地基質(zhì)不同部位存在好氧2缺氧生境的交替,這為氮的有效去除提供了條件,反硝化細(xì)菌的活躍,不僅使廢水中氮得到去除,而且會促進植物吸收和土壤氮含量的提高。對反硝化細(xì)菌數(shù)量與土壤TN含量線性擬合(見圖3),發(fā)現(xiàn)其具有一定的相關(guān)性(r=0.8139),這表明廢水灌溉提高了反硝化菌數(shù)量,從而促進了土壤氮積累,土壤養(yǎng)分狀況也得到改善。圖3 反硝化細(xì)菌數(shù)量與基質(zhì)TN含量相關(guān)性Fig.3

27、 RelationbetweendenitrifyingbacteriaandsubstrateTNremoval圖4 SRB和基質(zhì)SO2-含量的關(guān)系4Fig.4 RelationbetweenSRBandSO2-insubstrate44期造紙廢水灌溉對蘆葦濕地微生物的影響研究 1692.4.3 造紙廢水污染物去除與SRB的相關(guān)性-基質(zhì)硫循環(huán)是SRB和SOB(硫氧化菌)動態(tài)平衡的結(jié)果。SRB數(shù)量和基質(zhì)中底物SO24含量有關(guān)11,12,SRB的活躍,能促進基質(zhì)SO4轉(zhuǎn)化為H2S,出現(xiàn)惡臭,造成植物爛根。研究不2-同時間的SRB/SO2-4發(fā)現(xiàn)最大值出現(xiàn)在10月份,其次是11月份,這是由于實驗早

28、期表層電位高,SOB活躍,SRB相應(yīng)較少;但到了10月后,蘆葦枯萎死亡,表層有機質(zhì)積累,導(dǎo)致根際輸氧能力降低或喪失、使根際及周圍氧含量減少或變?yōu)榱?SRB菌群數(shù)量激增,表面基質(zhì)變黑。各處理間w2>w3>w4(w1)>w0-ck,這是由于w2淹水深度大,ORP電位低,導(dǎo)致該類細(xì)菌數(shù)量較多。3 結(jié) 論研究得出以下結(jié)論:(1)造紙廢水灌溉影響濕地內(nèi)細(xì)菌、真菌、放線菌和纖維素分解菌數(shù)量。菌數(shù)主要決定于氣溫、有機質(zhì)含量和氧氣供給,在9月份較多,各處理工藝條件中w4、w1、w0-ck菌數(shù)較多。在垂直方向上,上層>下層,特別是放線菌和真菌。(2)反硝化細(xì)菌和硫酸鹽還原細(xì)菌適合在缺(厭

29、)氧環(huán)境,w2、w3數(shù)量較多,層間差異不明顯。(3)基質(zhì)反硝化細(xì)菌與土壤TN,纖維素分解菌與廢水COD去除率具有較好相關(guān)性,廢水灌溉既能促進相關(guān)細(xì)菌增殖,提高對廢水中污染物的去除,也能提高濕地有機質(zhì)養(yǎng)分含量。(4)廢水灌溉后,MBC/TOC升高,基質(zhì)微生物經(jīng)過適應(yīng),呼吸強度也迅速上升,其中w4、w1表現(xiàn)出較好的活性,對污染物去除效果明顯。(5)基質(zhì)硫平衡是SRB和SOB的動態(tài)平衡結(jié)果,1011月,由于基質(zhì)內(nèi)枯葉帶來的有機質(zhì)增多,硫酸鹽還原細(xì)菌數(shù)量激增,以w2數(shù)量最多,濕地基質(zhì)變黑,有臭味,但未出現(xiàn)植物爛根。(6)造紙廢水灌溉總體提高了基質(zhì)微生物數(shù)量和活性,有利于提高廢水處理效果,提高蘆葦產(chǎn)量,

30、加速退化鹽堿生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和改良,從灌溉工藝上推薦選擇w4、w1模式。參考文獻1 付融冰,楊海真,顧國維,等.人工濕地基質(zhì)微生物狀況與凈化效果相關(guān)分析J.環(huán)境科學(xué)研究,2005,18(6):44249.2 周巧紅,吳振斌,付貴萍,等.人工濕地基質(zhì)中酶活性和細(xì)菌生理群的時空動態(tài)特征J.環(huán)境科學(xué),2005,26(2):1082112.3 殷峻,聞岳,周琪.人工濕地中微生物生態(tài)的研究進展J.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2007,30(1):1082111.4 吳振斌,周巧紅,賀鋒,等.構(gòu)建濕地中試系統(tǒng)基質(zhì)剖面微生物活性的研究J.中國環(huán)境科學(xué),2003,23(4):4222426.5 樊盛菊,齊樹亭,武洪慶,等.

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