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光合细菌投加量对湖泊污染修复的作用效应 * 万田英1尹亚琳1华玉妹1代清秀2 1. 华中农业大学资源与环境学院， 武汉 430070; 2. 上海金山联合环境工程公司， 上海 200540 摘要 富营养化湖泊的微生物修复具有良好的发展前景。采用室内模拟实验， 选取武汉市墨水湖表层沉积物及相应上 覆水， 研究了光合细菌投加量对湖泊污染修复的作用效应。结果表明 经过 10 d 的处理， 随着 PSB 投加量的增加， 上 覆水及沉积物的各项指标均呈现下降的趋势。与对照相比， 投加 1PSB， 上覆水中 CODMn降低了 31. 6， 氨氮和总氮 含量分别降低了 52. 4、 20. 5， 溶解性磷和总磷含量分别降低了 83. 7、 63; 沉积物的总氮、 总磷含量也明显下 降， 沉积物有机质含量降低了 60. 3。PSB 投加百分比与上覆水 CODMn、 总氮、 总磷含量及沉积物总磷呈显著的负相 关关系 P ＜0. 05 ， 与上覆水氨氮及沉积物有机质之间呈极显著的相关性 P ＜0. 01 。证明利用富营养化水体修复接 种光合细菌可以起到有效降低水体营养水平的目的。 关键词 富营养化; 光合细菌; 上覆水; 沉积物 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408008 EFFECT OF PSB DOSAGE ON LAKE POLLUTION ＲEMEDIATION Wan Tianying1Yin Yalin1Hua Yumei1Dai Qingxiu2 1. College of Ｒesources and Environment，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China; 2. Shanghai Jinshan United Environmental Engineering Company，Shanghai 200540，China AbstractMicrobial remediation of eutrophic lake has good prospects for development． The effect of PSB dosage on Moshuihu Lake pollution remediation was investigated based on the indoor simulation experiments． The results showed that after 10d treatment，each index of the overlying water and sediments are decreased with the increase of PSB dosage． Compared with the controlling group，adding 1 PSB，CODMnis decreased by 31. 6，ammonia nitrogen and total nitrogen concentration are decreased by 52. 4， 20. 5，dissolved phosphorus and total phosphorus concentration are decreased by 83. 7，63 in the overlying water;Total nitrogen and total phosphorus concentration are also decreased significantly，organic matter concentration is decreased by 60. 3 in the sediment． There is a negative correlation between PSB and CODMn， total nitrogen， total phosphorus in the overlying water and total phosphorus in the sediment P ＜ 0. 05 ． Ammonia nitrogen in the overlying water and organic matter in the sediment are significantly influenced by PSB P ＜0. 01 ． The bioremediation of eutrophicated water with PSB can rise to reduce the water trophic level objectively． Keywordseutrophication;PSB;overlying water;sediment * 中央高校基本科研业务费专项资金项目 2012ZYTS033 。 收稿日期 2013 －11 －21 城市内湖的主要功能是景观， 但是近年来城市内 湖水体富营养化的问题日益严重， 很多城市内湖一到 夏天就出现藻类水华。以武汉为例， 目前， 东湖、 汤逊 湖、 南湖、 墨水湖、 紫阳湖等均有不同程度的富营养 化 ［1 ］。而湖泊沉积物作为环境物质输送的宿体， 对 上覆水体的生源要素具有重要的“源/汇” 效应。富 营养化湖泊沉积物往往富含氮、 磷和有机质， 这种高 内源负荷及其导致的沉积物表层缺氧是生态重建、 水 质与景观改善的主要制约因素［2 ］。 光合细菌 PSB 是能利用光能进行光合作用的 一类原核微生物的总称， 广泛分布于土壤、 泥炭沼泽、 淡水、 海水、 下水污泥、 水生植物根系等区域。在不同 的环境中， PSB 表现出固氮、 脱氮、 固碳、 有机物和硫 化物氧化等多种功能［3 ］。近年来光合细菌的应用研 究已有相关报道， 如在水产养殖业能起到净化池塘水 质的效果。但目前针对光合细菌修复湖泊污染的作 92 水污染防治 Water Pollution Control 用效应的研究报道较少。因此， 本研究采用光合细 菌， 选择武汉市重污染湖泊 墨水湖为研究对象， 进行湖泊水体及沉积物的模拟处理实验， 为湖泊水体 光合细菌修复提供理论依据［4 ］。 1实验部分 1. 1上覆水和沉积物的采样 供试上覆水和沉积物均采自湖北省武汉市汉阳 区的墨水湖， 水域总面积 3. 4 km2， 深度一般不超过 3 m， 工业、 生活污水长期大量地排入导致墨水湖水体 水质严重污染、 极度富营养化， 按 GB 38382002地 面水环境质量标准 ［5 ］属劣 V 类水体， 治理墨水湖污 染已列入市、 区两级政府目标。 利用彼得森采泥器取表层沉积物， 并采集相应取 样点的上覆水。采样时间为 2011 年 5 月 3 日， 采样 点位于墨水湖湖心 30. 549N， 114. 213E ， 受周边 环境状况的影响较小， 沉积物细腻均匀。 1. 2光合细菌 采用购买的光合细菌液， 系沼泽红假单胞菌。 1. 3实验方法 首先将墨水湖取出的沉积物静置 48 h 后吸出上 清液， 用筛子过滤以进一步去除水分， 并剔除杂草、 石 头等杂质。然后分别依次向聚乙烯罐 长 宽 高 11 cm 8 cm 28. 4 cm 中加入 400 mL 处理后 的沉积物及 600 mL 上覆水。实验设置 5 个处理， 对 照组上覆水中不投加光合细菌 PSB 投加 0 ， 其余 4 组按水量的 0. 1、 0. 25、 0. 5、 1 体积分数 分别加入光合细菌液。 将容器置于光照条件下培养10 d， 每天通过称重 测量水的蒸发量， 并用蒸馏水进行补加。10 天后， 取 5 个处理的上覆水样及沉积物表层 0 ～2 cm 的样品， 24 h 内进行上覆水各项参数的测定。 1. 4分析方法 上覆水分析测定项目包括 CODMn、 氨氮、 总氮、 溶 解性磷、 总磷。CODMn测定采用高锰酸钾法［6 ］， 氨氮 测定采用纳氏试剂分光光度法［7 ］， 总氮测定采用碱 性过硫酸钾消解紫外分光光度法［8 ］， 溶解性磷、 总磷 测定采用钼酸铵分光光度法［9 ］。 沉积物首先利用美国 Labconco 公司的 Freezone 型冷冻干燥机对沉积物样品进行 －40 ℃冷冻干燥预 处理， 用研钵研磨过 100 目筛后， 再进行总氮、 总磷、 有机质的测定。沉积物总氮测定采用半微量开氏 法 ［10 ］， 沉积物总磷采用 HClO 4- H2SO4消解， 然后用钼 锑抗比色法测定， 沉积物有机质含量采用重铬酸钾氧 化容量法 ［10 ］。 1. 5数据统计分析方法 用 SAS8. 1 数据分析软件 SAS institute， 1999 － 2000 进行统计分析， 统计分析采用方差分析。 2结果与讨论 2. 1上覆水各参数的变化 2. 1. 1CODMn 光照培养 10 d 后， 各 PSB 投加百分比所对应的 上覆水中的 CODMn变化如图 1 所示。由图 1 可以看 出 在废水中加入光合细菌后， CODMn去除率较对照 组有了明显升高。投加的光合细菌比例越高， 上覆水 CODMn就越小。对照的 CODMn为 58. 18 mg/L， 投加 1 PSB 实验组的 CODMn为 39. 8 mg/L， 相比对照下 降了 31. 6。统计分析 表 1 表明 PSB 投加百分比 与上覆水 CODMn之间呈显著的负相关 P ＜0. 05 ， 这 是由于光合细菌降解有机物时， 首先利用废水中小分 子可溶性的有机物用于代谢活动， 将大分子的有机物 吸附在细胞的表面， 随后这些大分子的有机物在胞外 酶的作用下分解成小分子有机物供应微生物的代谢 活动， 从而有效降低了水体中有机物的含量［11 ］。 图 1不同 PSB 投加量下的上覆水 COD Mn Fig．1CODMnof overlying water within different concentration of PSB 表 1上覆水、 沉积物各指标与光合细菌投加量间的相关性 Table 1Correlation between different concentration of PSB and index from overlying water and sediment 取样指标相关系数 上覆水 CODMn －0. 932* 氨氮－0. 996＊ ＊ 总氮－0. 918* 溶解性磷－0. 78 总磷－0. 945* 沉积物总氮－0. 854 总磷－0. 933* 有机质－0. 976＊ ＊ 注 ＊ ＊为 P ＜0. 01; * 为 P ＜0. 05。 03 环境工程 Environmental Engineering 2. 1. 2氨氮和总氮 上覆水氨氮和总氮变化如图 2 所示。PSB 的投 加使水中氨氮含量显著降低， 总氮含量也有所下降， 不加光合细菌液的对照样， 氨氮和总氮含量分别为 9. 82， 14. 46 mg/L。投加1PSB 的实验组， 氨氮和总 氮含量分别为 4. 28， 11. 5 mg/L， 相比对照样， 氨氮、 总氮含量分别降低52. 4、 20. 5。PSB 投加量对上 覆水氨氮产生极显著影响 P ＜0. 01， 表 1 ， 对总氮则 产生显著影响 P ＜ 0. 05， 表 1 ， 且氨氮含量与 PSB 投加量存在明显的线性关系， Ｒ20. 9913。光合细菌 通常通过氨氧化或者直接利用有机氮进行代谢活 动 ［12 ］。吴光学等［13 ］发现其研究的紫色非硫光合细 菌利用 NH 4 －N 或者有机氮作为代谢的氮源， 而不直 接利用 NO － 3 －N。因此， 本研究中氨氮降低幅度大于 总氮， 应该是由光合细菌对氨氮的利用率大于总氮 所致。 图 2不同 PSB 投加量下上覆水氨氮及总氮含量 Fig．2Content of ammonia and total nitrogen of overlying water within different concentration of PSB PSB 能够降低氨氮的含量， 是基于光合细菌可以 生长在以 NH 4 为氮源的媒介上， 而 NH 4 可结合到谷 氨酸合成酶 GS 、 谷合酶 GOGAT 及 α- 酮戊二酸 α- KG 上， 尤其是 GS 对 NH 4 有较好的亲和力。同 时光合细菌具有脱氮活性， 光合细菌中的紫细菌可依 靠 NO － 3 为唯一氮源生长， 并还原 NO － 3 和 NO － 2 ， 但其 生长速度低于以 NH 4 为氮源时的情况。因此， PSB 也可以降低上覆水中的总氮含量［14 ］。 2. 1. 3溶解性磷和总磷含量 光合细菌可以通过过量摄取废水中的磷酸盐， 于 菌体细胞内形成聚磷酸盐内含物， 从而增大对磷的吸 收。随着 PSB 投加量的增加， 上覆水溶解性磷及总 磷的含量逐渐降低， 与对照相比， 投加 1 的 PSB， 溶 解性磷含量由 0. 349 mg/L 降至 0. 057 mg/L， 下降了 83. 7， 而总磷含量由1. 889 mg/L 降至0. 699 mg/L， 下降了 63 图3 。统计分析表明 PSB 投加量对上 覆水总磷影响显著 P ＜ 0. 05， 表 1 ， 说明光合细菌 能够显著降低上覆水溶解性磷及总磷的含量。 图 3不同 PSB 投加量下上覆水溶解性磷及总磷含量 Fig．3Content of soluble and total phosphorus of overlying water within different concentration of PSB 2. 2沉积物各参数的变化 2. 2. 1总氮和总磷 光合细菌可以降低沉积物中总氮含量， 且加入光 合细菌越多， 沉积物总氮含量就越低。由图 4 可以看 出 与对照相比， 投加 1 PSB 的实验组总氮含量下 降了 32. 8。Katoh［15 ］发现光合细菌可以在黑暗条 件下以 NO － 3 作为唯一氮源。 图 4不同 PSB 投加量下沉积物总氮及总磷含量 Fig．4Content of total nitrogen and total phosphorus of sediment within different concentration of PSB 沉积物中磷以可溶性磷 DP 、 铁结合磷 Fe- P 、 铝结合磷 Al- P 、 钙结合磷 Ca- P 和有机磷 OP 等 复杂的结合形式存在 ［16 ］。投加 PSB 使沉积物总磷含 量下降明显， 高 PSB 投加量对沉积物总磷去除效果 更好。加入的光合细菌越多， 沉积物总磷含量就越 低， 与对照组相比， 投加 PSB 0. 1、 0. 25、 0. 5、 1 的实验组总磷含量分别降低了 25. 4、 45. 6、 57. 2、 79. 8 图 4 。统计分析表明 PSB 投加量 与沉积物总磷之间具有显著相关性 P ＜0. 05， 表1 。 2. 2. 2有机质 重污染湖泊水含有大量的有机质， 是湖泊内源污 染的潜在来源， 微生物在沉积物有机质的降解过程中 起着重要的作用， PSB 投加量对沉积物有机质含量的 影响见图 5。由图 5 可以看出 随 PSB 投加量的增 13 水污染防治 Water Pollution Control 加， 有机质含量逐渐下降， 与空白对照组相比， 投加 PSB 1， 有机质含量降低 60. 3。PSB 投加量对沉 积物总磷影响极显著 P ＜0. 01， 表 1 。且有机质含量 与 PSB 投加量存在较明显的线性关系 Ｒ20.9551 。 通过光合细菌的作用将有机质降解， 从而减少其在沉 积物中的含量， 有助于减轻湖泊的内源污染程度。 图 5不同 PSB 投加量下沉积物有机质含量 Fig．5Content of organic matter of sediment within different concentration of PSB 3结论 随着 PSB 投加量的增加， 上覆水及沉积物的各 项指标均呈现下降的趋势。与对照相比， 投加 PSB 1， 上覆水 CODMn降低了 31. 6， 氨氮和总氮含量 分别降低了 52. 4、 20. 5， 溶解性磷和总磷含量分 别降低了 83. 7、 63; 沉积物总氮、 总磷含量也明 显下降， 沉积物有机质含量降低了 60. 3。PSB 投 加量与上覆水 CODMn、 总氮、 总磷及沉积物总磷呈显 著的负相关 P ＜0. 05 ， 与上覆水氨氮及沉积物有机 质之间呈极显著的相关性 P ＜ 0. 01 。研究结果表 明采用光合细菌处理湖泊是一种简便有效的湖泊净 化方式， 具有较大的推广应用价值。 参考文献 ［1］吴定心， 杨文静． 利用复合微生物菌剂控制水华的治理工程试 验［J］． 环境科学与技术， 2010， 33 7 150- 154. ［2］刘华丽， 曹秀云． 沉积物疏浚技术在富营养化湖泊修复中的应 用［J］． 环境污染与防治， 2012， 34 2 87- 91. ［3］孔秀琴， 赵峰． 光合细菌处理高含盐有机废水研究［J］． 水处理 技术， 2010， 36 9 90- 92. ［4］常会庆， 王世华， 寇太记． 固定化光合细菌对水体富营养化的 去除效果［J］． 水资源保护， 2010， 26 3 64- 67. ［5］GB 38382002 地表水环境质量标准［S］ . ［6］HJ/T 1322003 碘化钾碱性高锰酸钾法［S］ . ［7］HJ 5352009 纳氏试剂分光光度法［S］ . ［8］HJ 6362012 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法［S］ . ［9］GB 1189389 钼酸铵分光光度法［S］ . ［ 10］鲍士旦． 土壤农化分析［M］． 3 版． 北京 中国农业出版社， 2000 44- 49， 74- 76， 30- 34. ［ 11］刘鹏， 钟成华． 复合菌处理抗生素废水的初步研究［J］． 工业水 处理， 2012， 32 10 35- 38. ［ 12］Ormerod J G． The Photot Ｒophic BacteriaAnaerobic Life in the Light ［M］． BerkeleyBerkeley University of California Press， 1983. ［ 13］吴光学，管运涛，王剑秋，等． 碳源及氮源对紫色非硫光合细 菌积累 PHB 的影响［J］． 环境科学， 2004， 25 6 102- 107. ［ 14］Jutamas K，Worachat T，Monthon T，et al． Kinetic development and uation of membrane sequencing batch reactor MSBＲ with mixed cultures photosynthetic bacteria for dairy wastewater treatment［J］． Journal of Environmental Management， 2010， 91 1161- 1168. ［ 15］Hisashi N， Takako H， Kenji T， et al． Treatment of aquarium water by denitrifying photosynthetic bacteria using immobilized polyvinyl alcohol beads［J］．Journal of Bioscience and Bioengineering， 1999， 87 189- 193. ［ 16］袁探， 华玉妹． 外源硫酸盐对武汉南湖表层沉积物磷形态的作 用［J］． 中国环境科学， 2012， 32 4 666- 673． 第一作者 万田英 1981 － ， 女， 硕士， 华中农业大学资源与环境学院 工程师。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 wantianying mail． hzau． edu． cn 上接第 4 页 ［7］国家环境保护总局． 水和废水监测分析方法［M］ ． 4 版． 北京 中国环境科学出版社， 2002. ［8］李冬， 刘丽倩， 吴迪， 等． 常温低氨氮 SBＲ 亚硝化启动策略研究 ［J］． 中国环境科学， 2013， 33 2 215- 220. ［9］邹英杰， 郑西来， 许延营， 等． SBＲ- BAF 工艺处理效能的试验研 究［J］． 环境工程学报， 2009， 3 9 1542- 1546. ［ 10］凌霄， 胡勇有， 马骥． 曝气生物滤池流态特性研究［J］． 安全与 环境学报， 2005， 5 4 4- 7. ［ 11］Allan T M， Tom S． Perance of floating and sunken media biological aerated filters under unsteady state conditions［J］． Water Ｒesearch， 1999， 33 4 1108- 1113. ［ 12］张自杰． 排水工程 下册 ［M］． 北京 北京建筑工业出版社， 1996 201- 203. ［ 13］王劫， 宫艳萍， 白莹， 等． BAF 去除氨氮关键影响因素研究［J］． 环境科学与技术， 2012， 35 5 147- 151. ［ 14］卜发平． 曝气生物滤池用于处理小城镇生活污水的试验研究 ［J］． 安徽农业科学， 2012， 40 25 12584- 12586. ［ 15］李亚峰， 张晓宁， 陈文通， 等． 碳源对厌氧氨氧化脱氮牲能影晌 的试验研究［J］． 环境工程， 2013， 31 1 35- 38. 第一作者 郭一令 1962 － ， 男， 教授， 主要研究方向为水污染控制技 术。yilingguo126． com 23 环境工程 Environmental Engineering