造纸废水灌溉对芦苇湿地微生物的影响研究

1、2009年海洋湖沼通报TransactionsofOceanologyandLimnology l4文章编号:100326482(2009)0420163208造纸废水灌溉对芦苇湿地微生物的影响研究李甲亮1,田家怡2,李学平1(1.滨州学院城市与环境系,山东滨洲256603;2.山东省黄河三角洲生态环境重点实验室,山东滨洲256603)*摘要:为了解造纸废水灌溉对滨海芦苇湿地的影响,测定了几种灌溉条件下湿地基质中微生物数量、微生物量碳/总有机碳(MBC/TOC)和土壤有效硫等指标。结果表明:造纸废水灌溉能显著提高基质中微生物数量和活性,且受季节影响较明显,一般在9月份最高;微生物数量在基质内垂

2、直分布为上层>下层,特别是放线菌、真菌;反硝化细菌与土壤TN,纤维素分解菌与废水COD去除率,及MBC/TOC与基质呼吸强度相关性较好;硫酸盐还原细菌数量在10月份以后激增,使基质变黑,但对芦苇根系影响较小。废水灌溉能改良滨海盐碱土壤,促进退化生态系统的修复,但不同灌溉模式对微生物种群组成的影响不同,推荐采用间歇灌溉(w4)或低水深恒流灌溉(w1)模式。关键词:芦苇湿地;造纸废水灌溉;基质微生物;生态功能中图分类号:X171 文献标识码:A引言黄河三角洲现有荒碱地16.7万hm、浅海和滩涂12万hm,且面临着盐渍化土地内扩、潮间带湿地萎缩和退化等一系列生态环境问题,脆弱生态系统的修复需求

3、格外迫切。通过造纸废水灌溉既能将盐碱地改造成芦苇湿地,改良土壤盐碱化,又能去除废水中有机污染物,增收芦苇,一举多得。微生物是湿地系统有机污染物分解的主要执行者,其数量与废水净化效果呈显著正相关性1。部分学者研究了土壤基质中微生物的变化,但未见有野外条件下对表面流湿地(SFW)基质微生物的动态研究及相关指标的动态变化。22722。本文研究不同灌溉工艺条件下,芦苇湿地微生物1 材料与方法1.1 实验条件试验地位于黄河三角洲沾化县徒骇河流域,该区土壤属于滨海潮土,盐碱化程度较重,年平均气温12.5e,平均降水量551.6mm,蒸发量18002000mm。灌溉用造纸废水取自本地一家草浆造纸厂,废水经调

4、节塘y厌氧塘y好氧塘y兼性塘y储存塘处理后灌溉芦苇地。实验芦苇地50m35m(0.175hm2),中间以土坝分隔成5块50m7m样地,其中一块设置为未灌溉对照w02ck,其他灌溉条件见表1。芦苇湿地进水CODcr12241656mg/L,TN29.8mg/L,TP3.92mg/L。*基金项目:/十一五0国家科技支撑计划项目(2006BAC01A13);2006年山东省环境保护重点科技项目(第一批)(2006206)资助第一作者简介:李甲亮(19722),男,山东肥城人,博士,从事环境工程、环境生态研究。E2mail:lijialiangcn 收稿日期:2009203215164海 洋 湖 沼

5、通 报2009年1.2 实验材料每样地均匀布置3个50cm50cm样方,用柱状采样器采集030cm土样,带回实验室,将上层(015cm)和下层土(1530cm)用等分法混和,一部分鲜土装入保鲜袋冷藏,以测定微生物、土壤呼吸强度、微生物量碳,另一部分在干净通风室内风干,测定土壤有效硫,每样品重复测定3次。表1 造纸废水灌溉工艺条件Table1 Technicalcraftsofpulpandpaperwastewaterirrigation基质SubstrateW02ckW1W2W3W4水深/cmWaterdepth088、15、2088水力负荷/cm.d-Hydraulicload0222、4

6、、621运行工艺Operatingcrafts不进水等水深、等水力负荷变水深变水力负荷8d运行+2d间歇、6d+4d、4d+6d运行时间Operatingtime4个月4个月每参数1个月每参数1个月每参数1个月1.3 测定方法细菌、放线菌、真菌计数采用稀释平板法,每样品3稀释度3重复,取均值,培养基分别为:牛肉膏蛋白胨琼脂、改良高氏一号和马丁2孟加拉红培养基。纤维素分解菌、反硝化细菌、硫酸盐还原细菌计数采用5稀释度3平行管的15管MPN法,为液体培养基,其中纤维素分解菌采用赫奇逊培养基,微生物数量单位以每g风干土含的微生物个数计8。土壤基质呼吸强度测定采用NaOH吸收法;MBC采用氯仿熏蒸浸提

7、(FE)法;土壤有机碳9(TOC)采用K2CrO4-H2SO4氧化法;土壤有效硫(SO2-4)采用BaCl2比色法。2 结果与讨论2.1 废水灌溉对基质细菌、真菌、放线菌的影响废水灌溉之前,采集样地土壤测定其本底微生物见表2,这些微生物对土壤中有机质分解起着重要作用,各样地基质细菌、真菌和放线菌的测定值分别见表3、表4、表5。表2 实验样地基质微生物本底值(103.g-1)Table2 Backgroundofmicroorganismsinexperimentalreedwetlands采深/cmSamplingdepth0151530细菌Bacteria放线菌Actinomyces真菌Fu

8、ngi纤维素分解菌反硝化细菌硫酸盐还原细菌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:( )内容为标准差,下同Note:Thecontentsof( )arestandarddeviation(sameasbelow)随灌溉时间的延长,基质细菌数量逐渐增多,9月份达到最大(见表3)。t测验表明,上层4期

9、造纸废水灌溉对芦苇湿地微生物的影响研究165基质细菌数量显著多于下层;LSR检验表明:由于土壤有机质和氧气供给较好,w1上层基质中细菌数最多,其次是w0和w4;而下层基质以w4为最高,其次为w1,w0最少,这表明有机质的缺乏是限制微生物数量增长的因子。表3 基质细菌的数量特征(107.g-1)Table3 Quantitycharacteristicofbacteriainsubstrate时间Time8月Aug.9月Sep.10月Oct.11月Nov.w0-ck0151530015未测w11530未测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:每块湿地上下2层比较采用t测验,n1=n2=15,t0.05=3.131,t0.01=2.947。处理(w0-w4)之间的比较采用新复极差LSR检验,df1=4,df2=15,p=2,3,4,5时,LSR0.05分别为:3.01,3.16,3.25,3.31,LSR0.01分别为: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)放线菌是1种好氧菌,随时间的变化明显,最大值出现在10月份(见表4),在垂直分布上,上层基质菌数w1>w0-ck>w2>w3,但w4值较低,可能是取样的问题;下层基质中w0-ck>w1>w4,w2、w3菌数少且差异不明显,可见,此时土壤内O2成了限制微生物数量增长的主要因子。表4 基质放线菌的数量特征(106.g-1)Tabl

13、e4 Quantitycharacteristicofactinomycesinsubstrate时间Timew0-ck01515300.0(0)015未测w11530未测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,数量以9月份最多(见表5),上层基质以w0、w1最多,其他几种工艺含量较少;下层基质以w0、w4最多,但与其他几种工艺差距不大,说明对真菌而言,O2是决定性因素,因此灌溉中不宜采用较深水深。166海 洋 湖 沼 通 报表5 基质真菌的数量特征(104.g-1)Table5 Quantitycharacterist

15、icoffungiinsubstrate2009年/cmw415300151530时间Timew0-ck0151530015未测w11530未测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 废水灌溉对纤维素分解菌、反硝化细菌与硫酸盐还原细菌的影响造纸废水中含有未降解纤维素和木质素,滨海盐碱土壤中也含有较多的硫酸盐,因此,基质中纤维素分解菌等三类菌群菌数的波动能反映湿地对废水中有机物去除和湿地修复情况。对好氧性纤维素分解菌LSR检验发现(见表6),上层基质中以w4最多,其次是w3、w2和w1,w0-ck显著低于灌溉处理,这说明纤维素细菌数量除受O2影响外,主要决定于

17、基质中有机物质的含量;下层基质没有表现出明显变化特征,且与上层层间差异不明显。反硝化细菌是1种兼性菌,9月和11月出现2次高峰,且w3、w2较多,其次是w1、w4,由于缺少基质,w0菌数最少;在垂直方向上,反硝化细菌没有表现出明显层间差异。硫酸盐还原细菌(SRB)是1种严格厌氧细菌,能将硫酸盐还原为H2S等,基质中硫酸盐越多,电位就越低,毒性越大,越易造成芦苇烂根;实验发现,上层基质菌数最大值出现在10月,w2菌数最多,其次是w3,其他工艺间差异不明显;下层基质最大值出现在11月,w1>w2>w3>w4(w02ck)。这说明,SRB数量主要决定于基质电位,w2淹水深度大,电位

18、低,菌数也多,而好氧性的w0和w4菌数较少。表6 基质纤维素分解菌、反硝化细菌与硫酸盐还原细菌的MPN计数特征(103.g-1)Table6 Quantitycharacteristicofcelluloytic,denitrifyingandsulfatereductionmicrobesinsubstrate纤维素分解菌基质深度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硫酸盐还原菌Sulfatereductivebacteria9月24.5154.5151.59.57.5310月11月0.45334.5757.5454.515259.5254520252025204w0-ckw1w3

20、w40.0950.450.454期造纸废水灌溉对芦苇湿地微生物的影响研究1672.3 废水灌溉对基质MBC、TOC及微生物呼吸强度的影响MBC是体现湿地基质微生物的数量和活性的重要指标,该值越高,土壤生物活性越强;TOC反映了湿地基质内有机质状况,是随季节动态变化的,其含量决定于湿地系统外有机质输入量和微生物及植物对其分解利用情况,结果见表7。表7 基质MBC、TOC的动态变化Table7DynamicchangeofMBC,andTOCinsubstrate基质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是湿地生态中值得关注的一个值,值越大,则基质中微生物比活性越大,有机质被分解的越彻底,污染物去除率越高。研究发现(见图1),废水灌溉后,MBC/TOC逐渐增大,9月达峰值,处理间排序为w4>w2>w1>w3>w0-ck,t测验表明处理间差异不显著(tw4/w2=0.062,tw2/w1=0.230,tw1/-w0内微生物含量和活性都较低。与MBC/TOC一样,基质呼吸强度表现出类似的变化

23、规律(见表8),刚开始灌溉时,各处理呼吸强度都有下降,但之后出现跃升,9月达最高。在灌溉处理工艺中,基质呼吸强度排序为w4>w1>w3>w2,差异不显著(tw4/w1=0.275,tw1/-2.306),但灌溉处理显著高于未灌溉w0-ck。表8 基质呼吸强度的动态变化(mgCO2.g-1.d-1)Table8 Dynamicchangeofsubstraterespirerate基质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)(见表7)。由于缺乏基质,=0.120,tw3/-w2=1.349,其中t0.05=168海 洋 湖 沼 通

25、 报2009年2.4 废水污染物去除与湿地微生物数量的相关性分析2.4.1 造纸废水污染物去除与纤维素分解菌的相关性纤维素分解菌是湿地基质中一类重要的微生物菌群,其含量多少影响湿地对造纸废水处理的效果10。对不同工艺在不同时间的纤维素细菌数和废水COD去除率进行线性拟合(见图2),符合线性关系:y=3.454x+1.3081,r=0.9018,相关性较好。图1 基质MBC/TOC的动态变化Fig.1 DynamicchangeofMBC/TOCinsubstrate图2 基质纤维素菌数量与废水COD去除率关系Fig.2 Relationbetweencelluloyticmicrobesand

26、wastewaterremoval2.4.2 造纸废水污染物去除与反硝化细菌的相关性基质中氮的去除主要是通过硝化细菌和反硝化细菌联合作用来完成的,反硝化细菌数量和土壤基质氮含量及废水中氮去除量之间存在一定关系。已有研究表明芦苇湿地基质不同部位存在好氧2缺氧生境的交替,这为氮的有效去除提供了条件,反硝化细菌的活跃,不仅使废水中氮得到去除,而且会促进植物吸收和土壤氮含量的提高。对反硝化细菌数量与土壤TN含量线性拟合(见图3),发现其具有一定的相关性(r=0.8139),这表明废水灌溉提高了反硝化菌数量,从而促进了土壤氮积累,土壤养分状况也得到改善。图3 反硝化细菌数量与基质TN含量相关性Fig.3

27、 RelationbetweendenitrifyingbacteriaandsubstrateTNremoval图4 SRB和基质SO2-含量的关系4Fig.4 RelationbetweenSRBandSO2-insubstrate44期造纸废水灌溉对芦苇湿地微生物的影响研究 1692.4.3 造纸废水污染物去除与SRB的相关性-基质硫循环是SRB和SOB(硫氧化菌)动态平衡的结果。SRB数量和基质中底物SO24含量有关11,12,SRB的活跃,能促进基质SO4转化为H2S,出现恶臭,造成植物烂根。研究不2-同时间的SRB/SO2-4发现最大值出现在10月份,其次是11月份,这是由于实验早

28、期表层电位高,SOB活跃,SRB相应较少;但到了10月后,芦苇枯萎死亡,表层有机质积累,导致根际输氧能力降低或丧失、使根际及周围氧含量减少或变为零,SRB菌群数量激增,表面基质变黑。各处理间w2>w3>w4(w1)>w0-ck,这是由于w2淹水深度大,ORP电位低,导致该类细菌数量较多。3 结 论研究得出以下结论:(1)造纸废水灌溉影响湿地内细菌、真菌、放线菌和纤维素分解菌数量。菌数主要决定于气温、有机质含量和氧气供给,在9月份较多,各处理工艺条件中w4、w1、w0-ck菌数较多。在垂直方向上,上层>下层,特别是放线菌和真菌。(2)反硝化细菌和硫酸盐还原细菌适合在缺(厌

29、)氧环境,w2、w3数量较多,层间差异不明显。(3)基质反硝化细菌与土壤TN,纤维素分解菌与废水COD去除率具有较好相关性,废水灌溉既能促进相关细菌增殖,提高对废水中污染物的去除,也能提高湿地有机质养分含量。(4)废水灌溉后,MBC/TOC升高,基质微生物经过适应,呼吸强度也迅速上升,其中w4、w1表现出较好的活性,对污染物去除效果明显。(5)基质硫平衡是SRB和SOB的动态平衡结果,1011月,由于基质内枯叶带来的有机质增多,硫酸盐还原细菌数量激增,以w2数量最多,湿地基质变黑,有臭味,但未出现植物烂根。(6)造纸废水灌溉总体提高了基质微生物数量和活性,有利于提高废水处理效果,提高芦苇产量,

30、加速退化盐碱生态系统的修复和改良,从灌溉工艺上推荐选择w4、w1模式。参考文献1 付融冰,杨海真,顾国维,等.人工湿地基质微生物状况与净化效果相关分析J.环境科学研究,2005,18(6):44249.2 周巧红,吴振斌,付贵萍,等.人工湿地基质中酶活性和细菌生理群的时空动态特征J.环境科学,2005,26(2):1082112.3 殷峻,闻岳,周琪.人工湿地中微生物生态的研究进展J.环境科学与技术,2007,30(1):1082111.4 吴振斌,周巧红,贺锋,等.构建湿地中试系统基质剖面微生物活性的研究J.中国环境科学,2003,23(4):4222426.5 樊盛菊,齐树亭,武洪庆,等.

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