全 文 ：第 19 卷第 3 期
2005年 6 月 水土保持学报Journal of Soil and Water Conservation Vol.19 No.3Jun., 2005
　
伊乐藻和固定化细菌共同作用对富营养化水体中养分的影响
常会庆1 , 杨肖娥1 , 方云英1 , 濮培民2 , 李正奎2
(1.浙江大学 环境与资源学院 , 杭州 310029;2.中国科学院南京地理与湖泊研究所 , 南京 210008)
摘要:试验是在室外进行 ,采用适合冬季生长的沉水植物伊乐藻(Elodea muttallii)和固定化微生物两者相结合
来研究它们在冬春季节对富营养化水体中氮磷养分的影响变化。试验结果表明:采用两者的结合对维持和提高
水质效果最为明显 , 其中对水体中几种形态的氮素都有不同程度的降低作用 ,这主要是由于除水生植物对水体中
氮素的吸收外 ,还有通过固定化微生物的氨化作用 、硝化和反硝化作用 , 促使氮素以气态的形式去除;在试验的后
期 ,虽然水体中总磷 TP和可溶性磷 DP 的含量在各处理中都表现出上升趋势 ,但是把伊乐藻(Elodea muttallii)和
氮循环菌相结合却能对水体的磷含量有明显的缓冲作用 , 这些结果综合表现为水体透明度的相对较高。
关键词:沉水植物;　伊乐藻;　固定化微生物;　养分变化
中图分类号:X52;X832　　　文献标识码:A　　　文章编号:1009-2242(2005)03-0114-04
Effects on Nutrient of Eutrophicated Water by Elodea muttallii and Immobilized Bacteria
CHANG Hui-qing1 , YANG Xiao-e1 , FANG Yun-ying1 , PU Pei-min2 , LI Zhen-kui2
(1.College of Env ironmental and Resource Science , Zhejiang University , Hangzhou 310029;
2.Nanjing Institute of Geography and Limnology , CAS , Nanjing 210008)
Abstract:The experiment conducted in the field , using the submerged macrophyte— Elodea muttalli i and immo-
bilized nit rogen cycling bacteria studied the change of nitrogen and phospho rus in eutrophicated w ater sy stem in
w inter-spring seasons.The results show that:when we combined the tw o facto rs , the results will be mo re obvious
to improving and maintaining the w ater quality.There are several forms nit rogen concentration will decrease , due
to absorb by Elodea muttalli i and ammonoly sis and ni trification and denit rification process by ni trogen cycling bac-
teria.At the later of experiment , though the to tal phosphorus and dissolved phosphorus will increase , due to the
release by sediments , combined Elodea mut tal lii with INCB have the obvious role to cushion the phenomenon.
Key words:submerged macrophy te;　Elodea mut tal lii ;　immobilized ni trogen cycling bacteria;　nutrient
change
水生植物的存在对于水生态系统平衡的维持 ,以及水质的提高和维持具有举足轻重的地位 ,但大多数的漂
浮水生植物 ,它们虽然有较好的净化水体的功能 ,可是它们的生长周期一般限制在从春天到秋天(即 5月到 11
月),因此当漂浮水生植物收获以后 ,要求不同的水生物种(例如:一些可以在冬季生长的沉水植物)去保持水质。
而沉水植物在许多水生态系统中发挥着十分重要性[ 1～ 2] ,在过去几十年间 ,世界许多地方已经报道了沉水植物丰
富度的大量减少[ 3～ 4] ,将影响到水质和底泥的特征[ 5～ 6] ,从而降低水体的透明度 ,导致养分过量沉积[ 7] 。
伊乐藻是栖息于淡水水体中的一种沉水水生植物 ,作为长绿的沉水植物 ,它可以在冬季生长 ,这个物种已
经被应用于净化水体研究中[ 8] 。但是把固定化氮循环细菌(INCB)[ 9]和伊乐藻即水生植物和微生物相结合来
研究对富营养化水体的净化作用还很少 。高等植物及其根际是许多微生物的良好生境 ,能形成特殊的微区供
微生物的生长 ,这些微生物通过对氮 、磷 、硫和有机物[ 10 ～ 12]等的代谢与水生植物发生直接或间接的相互作用 。
因此 ,本试验借助于固定化氮循环细菌和伊乐藻两者的共同作用 ,来研究它们在冬春季节对富营养化水体中养
分影响 ,以探索出适合这个时期净化水质的水生植物—微生物系统来 。
1　材料与方法
1.1　试验设计
本试验设在华家池富营养化水体生态修复平台工作站 ,试验重复两次 ,设 4个处理:(1)对照;(2)微生物;
(3)伊乐藻;(4)微生物+伊乐藻 。在围隔小区中进行 ,小区的面积为25 m2 ,水深为2 m ,试验从2004年1月 12
收稿日期:2004-12-28
基金项目:教育部资助项目“富营养化水体生态修复机理研究”以及科技部中澳合作项目“退化土-水生态系统的生态修复技术体系研究”
作者简介:常会庆 ,男 ,生于 1974年 ,在读博士生。主要从事富营养化水体生物修复机理研究。
DOI :10.13870/j.cnki.stbcxb.2005.03.028
日到 2004年 4月 22日。
1.2　试验材料
水生植物伊乐藻取自东太湖 ,首先让其在试验区驯养约 10 日 ,然后在每个小区中用竹叉均匀地把 10 kg
的伊乐藻栽入水体的底泥中;微生物菌种引至中科院湖泊所筛选的氮循环细菌;载体的制备:选用亲水性玻璃
态单体丙烯酸羟乙酯(简称HEA)与甲基丙烯酸 Β-羟乙酯(简称HEMA),按照一定的比例混合 ,在适当温度 、
适当剂量的60Co-γ射线辐照下 ,使之聚合形成固定化载体。取相同重量培养好的氮循环细菌的载体 ,放入孔
径为 0.5 mm×0.5 mm 的网兜中 ,并把袋口封紧 ,然后把网兜放入篮筐 ,使其悬浮在水面下 30 cm 处 ,每小区
放一袋 ,每隔 10天要重新轮换菌种 ,每 20天取样 ,4次重复。
测定项目:总氮(TN):采用过硫化钾氧化 ,紫外分光光度法;氨氮(NH4+-N):靛酚蓝比色法;亚硝态氮
(NO2--N):N-(1-奈氨)-乙二胺光度法;总磷(TP)和溶解性磷酸盐(DP):钼锑抗分光光度法等 。
2　结果与分析
2.1　沉水植物和固定化微生物对富营养化水体中总氮的影响
表 1　伊乐藻和固定化细菌共同作用对富营养化水体中各指标随时间影响的变化
测定
项目
时间
(月-日) 空白 微生物 伊乐藻 微生物+伊乐藻
总氮
(mg/ L)
1-12
2-2
2-22
3-11
4-2
4-22
1.21
1.4093±0.0859
0.9177±0.025
0.8828±0.0115
0.9088±0.0116
1.2834±0.0290
1.21
1.4161±0.0388
0.8449±0.0120
0.8327±0.0184
0.8333±0.0240
0.9746±0.1090
1.21
1.2774±0.1546
0.7508±0.0549
0.7887±0.0131
0.8133±0.0133
0.8568±0.1258
1.21
1.3183±0.0693
0.7584±0.0046
0.7326±0.0225
0.7563±0.0228
0.7238±0.0742
1-12 0.1515 0.1515 0.1515 0.1515
2-2 0.0791±0.0126 0.0812±0.006 0.0632±0.0140 0.0757±0.0069
氨态氮 2-22 0.1457±0.0053 0.1309±0.0006 0.1089±0.0052 0.0946±0.0201
(mg/ L) 3-11 0.1301±0.0069 0.0734±0.031 0.0793±0.0335 0.0448±0.0027
4-2 0.1040±0.0100 0.1012±0.0324 0.0984±0.0272 0.0759±0.0080
4-22 0.0438±0.0001 0.0283±0.0061 0.0026±0.0025 0.0020±0.0009
1-12 0.0283 0.0283 0.0283 0.0283
2-2 0.0129±0.0001 0.0099±0.0002 0.0076±0.0001 0.0068±0.0001
亚硝态氮 2-22 0.0049±0.0006 0.0033±0.0004 0.0032±0.0002 0.0024±0.0001
(mg/ L) 3-11 0.0062±0.0001 0.0040±0.0002 0.0041±0.0009 0.0035±0.0002
4-2 0.0102±0.0001 0.0066±0.0001 0.0040±0.0001 0.0036±0.0001
4-22 0.0169±0.0001 0.0162±0.0000 0.0056±0.0002 0.0042±0.0002
1-12 0.126 0.126 0.126 0.126
2-2 0.0897±0.0049 0.0881±0.0141 0.0929±0.0122 0.0881±0.0112
总磷 2-22 0.0619±0.0026 0.0484±0.0094 0.0364 ±0.00 0.0379±0.0052
(mg/ L) 3-11 0.1911±0.0271 0.1615±0.0059 0.1556±0.0102 0.1517±0.0090
4-2 0.2989±0.0450 0.1911±0.002 0.1648±0.0101 0.1564±0.0152
4-22 0.2636±0.0650 0.2146±0.0430 0.1963±0.0385 0.1534±0.0212
1-12 0.1019881 0.101988 0.101988 0.101988
2-2 0.0236±0.0067 0.0257±0.0072 0.0220±0.0067 0.0173±0.0055
可溶解性磷 2-22 0.0470±0.0125 0.0404±0.0098 0.0339±0.0076 0.0339±0.0098
(mg/ L) 3-11 0.0423±0.0054 0.0423±0.0033 0.0407±0.0064 0.0357±0.0098
4-2 0.0529±0.0343 0.0470±0.0175 0.0292±0.0137 0.0232±0.0208
4-22 0.2072±0.0340 0.2413±0.0145 0.1523±0.0271 0.1123±0.0270
1-12 1.3 1.3 1.3 1.3
2-2 1.1±0.0707 1.2±0.0354 1.2±0.0707 1.3±0.1412
透明度 2-22 1.6000±0.0354 1.7000±0.0354 1.8000±0.0141 1.8000±0.0283
(m) 3-11 1.2000±0.0707 1.4000±0.0707 1.4000±0.0354 1.4000±0.0354
4-2 0.9000±0.03354 0.9500±0.0212 1.0000±0.0849 1.1000±0.0636
4-22 1.0000±0.0212 1.1000±0.0354 1.2000±0.0141 1.3000±0.01131
从试验数据表 1 中可
以看出:总氮在富营养化水
体的各处理中 ,对照总是含
有较高的氮浓度 ,而且在试
验的后期可以看出总氮含
量为(1.2834±0.029)mg/
L 高于试验开始时的总氮
量 ,说明在试验期间这种变
化主要是由于环境因子变
化而引起的 。其它 3 个处
理在试验结束时 ,总氮含量
的大小依次为:微生物 >
伊乐藻 >微生物+伊乐藻
处 理 , 其 含 量 分 别 为
(0.9746 ±0.109)mg/L ,
(0.8568 ±0.1258)mg/L ,
(0.7238 ±0.0742)mg/L 。
说明在试验期间 ,由于氮素
形态中 NH4+-N 和 NO3-
-N 均易被沉水植物伊乐
藻直接吸收利用 ,使总氮含
量降低。此外 ,接种的氮循
环微生物由于有利于增加
水体中这些微生物种群的
数量 ,水体中氮循环菌便可
以借助于水生植物和固定
化载体作为它们的吸附介
质 ,在所形成的微区中进行
硝化和反硝化作用 ,从而将
氮以气态的形式去除 。但是单独沉水植物的处理要优于单独接种固定化微生物的效果 ,说明在该体系中沉水
植物对氮的吸收利用要比靠微生物的作用除氮更明显 。
2.2　沉水植物和固定化微生物对富营养化水体中氨氮的影响
由于水生植物不但可以直接吸收和利用 NH4+-N ,而且同样可以促进微生物对氨氮的硝化作用而转变
115第 3 期 常会庆等:伊乐藻和固定化细菌共同作用对富营养化水体中养分的影响
为NOX , 主要原因是伊乐藻通过光合作用可以作为水体中氧源的提供者 ,从而可以提供水体部分的溶解氧 。
这样有利于这部分与水生植物为载体的好氧自养型硝化菌来进行硝化作用 ,从而降低其在水体中 NH4+-N
的含量 。到试验结束时 , 4个处理:空白 、微生物 、伊乐藻 、微生物+伊乐藻处理 ,氨氮含量大小依次为:(0.0438
±0.001)mg/L , (0.0283±0.0061)mg/L , (0.026±0.0025)mg/L , (0.020±0.009)mg/L 。此外水体中
NH4
+的含量也受到环境因子较大影响 ,随试验的进行 ,当水体温度升高时会增加水体中 NH3 挥发 ,从而也会
降低其在水体中的含量 ,因此 ,可以看到随试验时间的变化 ,试验各处理氨氮的含量总体上呈下降的趋势 。
2.3　沉水植物和固定化微生物对富营养化水体中亚硝态氮的影响
水体中亚硝态氮含量高不但是水体污染的一个重要指标 ,而且同样是引起富营养化一种重要形态的氮素 。
而自养型亚硝化细菌在许多环境中都是决定硝化作用反应快慢的重要因素。主要由于它们的世代时间比较
长 ,因此它们在氮素转化的循环中起着重要的作用 ,这些微生物以氨作为它们的唯一能量来源 ,而且生产的
NO2
--N 会在硝化菌作用下生产 NO3--N 或被植物利用或在反硝化菌的作用下以气态氮的形式加以转化
(本试验中由于硝态氮的含量低 ,未能检测出 ,这可能与反硝化菌和植物迅速转化有关)从而降低了其在水体中
含量 。因此通过频繁的接种方法可以提高氨氧化菌的数量 ,水生植物的存在又为微生物的生长提供载体条件 ,
加速了 NO2--N的转化 。可以看出亚硝态氮在试验期间含量大小顺序为:对照 >微生物 >水生植物 >微
生物+水生植物处理 。在试验结束时 ,它们的含量分别为(0.0169±0.0001)mg/L , 0.0162 mg/L , (0.0056±
0.002)mg/L ,(0.042±0.0002)mg/L。
2.4　沉水植物和固定化微生物对富营养化水体中总磷的影响
从表 1中可以看出:水体中总磷的变化明显与总氮的变化不同 ,4个处理除在试验开始第 20天和 40天含
量比开始时的浓度降低外 ,其它取样时间都比试验开始时的总磷浓度(0.126 mg/L)高 ,主要因为水体中磷素
的变化会受到底泥较大的影响 ,当水体中磷含量降低后 ,底泥会释放出磷来保持体系中磷素的平衡 ,而且随温
度的升高底泥中磷的释放将明显增加(以前的试验结果同样证明这一点 ,数据未发表)。从表中可以得出有沉
水植物伊乐藻的处理要比其它没有沉水植物的两个处理磷含量低 ,主要是由于其在水体中可以通过每节进行
生根繁殖 ,从而可以吸收磷转变为其生物产量 。因此沉水植物对于维持水体中的总磷含量有明显的作用 ,而且
接种固定化微生物可以通过对有机质的分解 ,促使沉水植物对有机磷的吸收利用 ,以及它们生成生物膜的脱落
沉积 ,并对水中总磷的含量有降低的作用。
2.5　沉水植物和固定化微生物对富营养化水体中可溶性磷的影响
水体中的可溶性磷酸盐基本上与水体中总磷的变化趋势相同 ,说明在试验体系中它们的作用机理基本相同。
在各采样点可溶性磷酸盐的含量大小依次为:对照 >微生物 >水生植物 >微生物+水生植物处理。由于本试
验是在封闭的围隔小区内进行 ,所以基本上可以排除外源污染的影响 ,因此底泥对磷的释放或吸收将成为影响水
体中磷素的一个重要原因[ 13] 。当水体中由于水生植物的吸收等作用 ,可溶性磷酸盐降低到一定程度时 ,底泥便可
通过间隙水向水体中释放可溶性磷 ,从而又增加了水体中可溶性磷酸盐的含量。此外可以发现在试验结束时最
低处理可溶性磷酸盐的含量还有(0.1123±0.0270)mg/L ,要远大于国际上公认的磷含量 0.02 mg/L的富营养化
水体标准。这启事我们当水体中由于磷素的增加 ,而且其它条件也适合时容易发生藻类的爆发 ,此时需要加强管
理和监测;另外要及时收获沉水植物 ,因为过多的水生植物反而会造成水体水质的下降。
2.6　沉水植物和固定化微生物对富营养化水体透明度的影响
水体光强是沉水植物生长的必需环境因子 ,弱光形成的光照不足在水体中最易发生 。一般认为 ,水底光强
不足入射光的 1%时 ,沉水植物就不能定居 。光照对水生高等植物繁殖体的萌发无显著影响 ,但对水生高等植
物的存活率和生长有重要影响 ,藻型富营养湖泊较低的透明度是制约沉水植被恢复的关键因子[ 14] 。研究发
现:梁子湖水草的种群数量受到水深(Z)及透明度(ZSD)的影响 ,当 Z/ZSD达 5.26 时 ,绝大部分水草的生长受
到威胁。因此 ,本试验在开始时选择透明度比较高的试验小区来种植沉水植物 ,从试验数据可以得出种植水生
植物后很好地保持了水体的透明度 ,在试验结束时 ,有水生植物的处理透明度都高于其它两个的处理 ,主要在
于沉水植物不但可以固定底泥的悬浮 ,而且可以截留水体中的悬浮颗粒 ,这样可以为其它的水生生物提供良好
的光照和氧气等生存环境 。固定化微生物的介入之所以对提高水体的透明度有利 ,主要在于它们加速养分的
循环 ,促使植物更容易的吸收养分 ,从而产生更多的生物量 。这可以从试验结束时所收获的沉水植物生物量得
到证明:沉水植物和沉水植物+微生物的处理的伊乐藻生物产量分别为(9.89 ± 0.86)kg/m 2 。,(11.52 ±
1.17)kg/m2 。
116 水土保持学报 第 19卷
3　讨　论
接种固定化氮循环细菌于富营养化水体中 ,当其与沉水植物(E lodea mut tal lii)相结合将表现出更好的提
高和保持水体水质的功能 ,虽然靠不断地接种固定化氮循环细菌可以提高它们的竞争能力[ 15 ～ 16] ,但考虑到适
应能力较强的土著菌的存在 ,接种的 INCB效果也将相对较小 ,这样就需要进一步去优化接菌系统 、选育和驯
化高效的氮循环菌来应用于原位的富营养化水体的处理。
结合沉水植物和氮循环菌在动态的试验条件下 ,对于富营养化水体中各养分的去除及各种群的氮循环菌
在水体 、底泥和附着于水生植物及载体的分布状况还需要再深入的研究 ,而且对氮磷的去除可以利用稳定性同
位素15N , 31P 来研究它们在系统中的循环以及体系中各部分的去除效率等 。
从试验中可知:虽然接种氮循环细菌能去除更多的氮素 ,但是在以沉水植物和沉水植物+微生物的两个
处理之间 ,尤其在试验开始时 ,许多的采样点都没有达到显著(P <0.05)的差异 ,因此在原位的氮去除中 ,水
生植物起着比氮循环菌更为重要的作用 ,于是需要把两者结合起来而达到好的去除效果 。另外要及时收获这
些水生植物 ,因为太多的水生植物停留在系统中将会导致水质的下降 。
4　结　论
沉水植物(Elodea mut tal lii)有潜在的净化富营养化水体的功能 ,而且与氮循环菌相结合有利于水体中
氮素的去除 ,有助于缓冲由于底泥中磷素的释放而降低水体中总磷和可溶解性磷的含量 ,从而抑制藻类对养分
的需求。但两者各自的效应还应该在控制的试验条件下来进一步研究 ,因此本论文借助于微生物 —植物联合
系统为冬春季节维持和提高富营养化水体水质及对污水分散处理和就地处理提供一定的理论基础 。
参考文献:
[ 1] 　Kufel L , Ozimek T.Can Chara control phosphorus cycling in Lake Luknajno(Poland)[ J] .Hydrobiologia , 1994 , 275/ 276:275-
283.
[ 2] 　Van Donk E , Van de Bund W J.Impact of submerged macrophytes including charophy tes on phyto-and zooplankton communi-
ties:allelopathy versus o ther mechanisms [ J] .Aquat.Bot., 2002 , 72:261-274.
[ 3] 　Phillips G L , Eminson D , Moss B.A mechanism to account fo r macrophy te decline in prog ressively eutrophicated freshw aters[ J]
.Aquat.Bot., 1978 , 4:103-126.
[ 4] 　Azzoni R , Gio rdani G , Bartoli M , et al.Iron , sulphur and phosphorus cycling in the rhizosphere sediments o f a eutrophic R uppia
cirrhosa meadow (Valle Smarlacca , Italy)[ J] .Sea Res., 2001 , 45:15-26.
[ 5] 　Zimmerman M S , Livingston R J.Effects of K raft-Mill effluents on benthic macrophyte assemblages in a shallow bay system[ J].
Mar.Biol., 1976 , 34:297-312.
[ 6] 　Carpenter S R.The decline of Myriophyllum spicatum in a eutrophic Wisconsin lake[ J] .Can.J.Bo t., 1980 , 58:527-535.
[ 7] 　Livingston R J , McGlynn S E , Niu X.Facto rs controlling seag rass grow th in a gulf coastal system:water quality and light[ J].
Aquat.Bot., 1998 , 60:135-159.
[ 8] 　Guang Gao.Experimental studies on the effect of purification of fishcultuer waste w ater by Elodea Nuttalii and Hydrilla Verticilla-
ta[ J] .Journal of lake sciences , 1996 , 8(2):183-188.
[ 9] 　Li Zhenkui , Pu Peiming.The dynamic mode of INCB purifying the polluted lake by nitrog en compound in the autumn-winter sea-
sons[ J] .Lake Science , 2000 , 12(4):321-326.
[ 10] 　李霞.微生物对水体中主要有机碎屑的循环作用[ J] .松辽学刊 , (自科版), 1997(4):34-38.
[ 11] 　李勤生 ,华俐.武汉东湖磷细菌种群结构的研究[ J].水生生物学报 , 1989 , 13(4):340-347.
[ 12] 　Rogers X H.Decomposition of potamogetom criapus:The effects of drying on the pattern of mass and nutrient loss[ J] .Aquatic
Botang , 1982 , 12:1-12.
[ 13] 　梁彦龄 ,刘伙泉主编.草型湖泊资源 、环境与渔业生态学管理[ M] .北京:科学出版社 , 1995.
[ 14] 　汪家权 ,孙亚敏 , 等.巢湖底泥磷的释放模拟试验研究[ J] .环境科学学报 , 2002 , 22(6):738-742.
[ 15] 　Dunig an E P , Bollich P K ,Hutchinson R L , et al.Introduction and survival of an inoculant strain of Rhizobium japonicum in soil
[ J] .Agron.J., 1984 , 76:463-466.
[ 16] 　Yeung K H , Schell A M , Har tel P G.Grow th of genentically engineered Pseudomonas aeruginosa and Pseudomonas putida in
soil and rhizosphere [ J] .Appl.Environ.Microbiol., 1989 , 55:3243-3246.
117第 3 期 常会庆等:伊乐藻和固定化细菌共同作用对富营养化水体中养分的影响