全 文 ：收稿日期:2007-07-12
基金项目:国家教育部资助项目;国家科技部中澳合作项目
作者简介:常会庆(1974-),男 ,山西太谷人 , 博士 ,主要从事富营养化水体的生态修复机理研究。
伊乐藻和固定化细菌对富营养化水体中
氮循环菌的影响
常会庆1 , 2 ,丁学峰2 ,蔡景波2
(1.河南科技大学 农学院 , 河南 洛阳 471003;2.浙江大学 环境与资源学院 , 浙江 杭州 310029)
摘要:本试验研究了沉水植物伊乐藻(E lodea nut tal li i)和固定化微生物两者相结合对富营养化水
体和底泥中 4种菌群的氮循环微生物(氨化细菌 、亚硝化细菌 、硝化细菌 、反硝化细菌)分布的影响。
试验结果表明:种植沉水植物和接种固定化微生物无论对水体还是底泥都有利于 4种微生物数量
的增加 ,而且两者相结合的处理效果最为明显 。与对照组相比 ,除氨化细菌外 ,其余菌群都有 10 ～
100倍的增长 。虽然不同时期受环境因素的影响 ,各种群微生物变化并不一致 ,但总体上底泥中氮
循环微生物的分布多于水体。研究结果显示:优化种植水生植物和固定化微生物的镶嵌技术或许
是促进氮循环微生物增长 ,加速富营养化水体中氮素转化的有效手段 。
关键词:沉水植物;伊乐藻;固定化微生物;微生物分布
中图分类号:X171　　文献标识码:A　　文章编号:1004-3268(2008)02-0052-05
Effects of Elodea nuttal lii and Immobilized Bacteria on the
Dis tribution of Nit rogen Cycling-Bacteria in Eutrophicated Water
CHANG Hui-qing1 , 2 ,DING Xue-feng2 ,CAI Jing-bo2
(1.Colleg e of Ag riculture , Henan Univer sity of Science and Techno log y , Luoyang 471003 , China;
2.College o f Env ir onment and Resource Science , Zhejiang Univer sity , Hangzhou 310029 , China)
Abstract:The paper studied the ef fects o f submerged macrophy te and immobilized bacte ria on the
distribution of four bacteria communities:ammonifying bacteria;nit rosobacteria;ni t robacteria
and deni t rifying bacteria in w ater column and sediment of eut rophicted w ater.The results show ed
that both planting subme rged macrophy te and inocula ting bacteria could benefi t the increase of
four communi ties , and combining use of the tw o factors gave the best the result.Compared wi th
CK , there w ere tenfold to hundredfo ld increase fo r all the bacteria except ammonifying bacteria.
Though the change o f four bacterial communi ties is no t identical w ith the time change , but as a
w ho le there w ere more nit rog en cycling-bacteria in sediment than in w ater body in the eutrophica-
ted w ater.The results suggested that planting submerged macrophy te and inoculating nit rogen cy-
cling bacteria may be a ef ficient approach for increasing the INCB and accele rat ing the nit rogen
translation.
Key words:Submerged macrophy te;Elodea nuttal li i;Immobilized bacteria;Bacteria distribution
　　生物脱氮在各种处理系统中都包含了好氧硝化
和厌氧反硝化的过程 。除了溶解氧 、pH 和底物浓
度等的影响外 ,参与氮循环转化过程中的几种关键
微生物种群生长缓慢是一个最主要的制约氮素去除
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2008年第 2期
DOI :10.15933/j.cnki.1004-3268.2008.02.002
效率的因素 ,例如硝化和亚硝化细菌 ,它们的世代时
间一般为 15 h ,而一些异养的微生物 ,它们的世代时
间一般为 20 ～ 40min ,因此生长缓慢的硝化微生物
由于对氧气和营养物质的弱竞争力导致生长不良或
被冲刷掉[ 1 , 2] 。
微生物固定化可以维持生长缓慢自养硝化细菌
高的细胞密度和防止冲刷 。另外由于自养硝化细菌
对低温的敏感性[ 3 ～ 5 ] ,也可以用固定化的方法来提
高它们对低温的忍受[ 6] ,并且固定化系统可以提供
对有毒物质的保护[ 7] ,其中共同固定自养的硝化和
异养反硝化细菌已经在废水处理中被应用[ 8] ,由于
固定化载体具有好氧的表层和厌氧的亚层可以分别
为硝化细菌和反硝化细菌提供适合的生存环境 ,生
境分离可以在同一个载体中建立[ 4 , 5] ,这样硝化和
反硝化作用便可以在同一个载体中进行 。
沉水植物在水体养分的平衡中扮演着重要的作
用 ,它们的存在会对硝化和反硝化细菌以及其他微
生物的分布产生影响 。因此 ,本试验研究了生长较
快而且在水产方面具有较高营养价值的沉水植物伊
乐藻与固定化氮循环微生物结合对富营养化水体和
底泥中氨化菌细菌 、亚硝化细菌 、硝化细菌和反硝化
细菌分布的影响 ,以此来估计它们对氮平衡的影响 ,
以及它们对硝化和反硝作用和氮素的转化的重要
作用 。
1　材料和方法
1.1　试验设计
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 2次 ,设 4个处理:①对照 ,水体不加
沉水植物伊乐藻和固定化微生物(CK);②加固定化
微生物(M);③加沉水植物伊乐藻(S);④加固定化
微生物和沉水植物伊乐藻(SM)。试验在面积为
25m2 ,水深为 2m 围隔小区中进行 。试验时间从
2005年 2 月 1日到 4月 1日 ,在试验开始 、中间和
结束时测定水体和底泥的菌数 。由于固定化微生物
需要每隔 10 d进行接种 ,时间间隔短会由于刚刚接
种微生物影响数据的准确性 ,因此 ,选择了每隔 20 d
取样测定 。
1.2　试验材料
1.2.1　水生植物伊乐藻　取自东太湖 ,首先让其在
试验区驯养约 10 d ,然后在每个小区中用竹叉均匀
的把 10 kg 的伊乐藻栽入水体的底泥中 。
1.2.2　固定化聚合物载体材料的制备　采用亲水
性的玻璃态单体丙烯酸羟乙酯 2 -Hydroxye thyl
acry late(HEA)(日本 Shin N akamura 化学有限公
司产品 、聚合级),加入一定量的蒸馏水 ,用振荡器充
分混合 ,充氮气后在-78℃(乙醇-干冰)低温条件
下 ,用适当剂量的60 Co-γ射线辐照后聚合形成聚
合物[ 9] 。
1.2.3　微生物固定化[ 9] 　微生物由 4种菌群 ,即氨
化细菌 、硝化细菌 、亚硝化细菌 、反硝化细菌组成。
固定化载体 poly(HEA)用合成废水浸泡 ,在 28℃
条件下振荡 24 h ,并交换 3次 ,使合成废水充分进入
膨胀后的固定化载体内部 ,然后在载体中加入适量
分别经 4 000 r/min , 4℃下离心 20min 后所得到的
氨化细菌 、硝化细菌 、亚硝化细菌和反硝化细菌 ,在
28℃条件下振荡 24 h 、静置 48 h ,使氨化细菌 、硝化
细菌 、亚硝化细菌和反硝化细菌交替在有氧条件及
厌氧条件下(对于厌氧条件的控制主要是在固定化
载体中通入高纯 N 2 ,通气量为 0.1 ～ 0.2 L/min ,连
续充气 24 h ,保持溶解氧在 0.7mg/L 以下 ,以达到
厌氧目的)吸附于固定化载体表面并通过增殖进入
充满合成废水的具有良好微孔生长环境的聚合物载
体 poly(HEA)内部 ,使之被固定化 。
1.2.4　固定化微生物　各处理取相同重量培养好
的氮循环细菌的载体 , 放入孔径为 0.5mm ×
0.5mm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 1袋 ,
每隔 10 d要重新换菌种 ,从试验开始到试验结束分
别 3次在水体和底泥中取样 ,立即在低温保存 ,在实
验室测量 4种菌群的微生物数量 ,4次重复。
1.3　氮循环细菌的测定(MPN)[ 10]
用 MPN 法测定水样及底泥中的细菌数 。分别
配制氨化细菌 、亚硝化细菌 、硝化细菌和反硝化细菌
液体培养基 ,取待测水样 9mL 于装有液体培养基
的 L 150mm ×DI15mm 试管中 ,并将 L 30mm ×
DI5mm 的小指管分别倒置装有反硝化和氨化细菌
培养基的每支试管中 ,加塞 ,在 121℃下灭菌 30min
备用。每个水样作 6 ～ 7 个 10 倍系列稀释 ,每支试
管中接种水样和稀释水样各 1mL ,每一稀释度做 5
个平行 。采底泥 10 g ,置于盛有 90mL 无菌水的锥
形瓶中 ,即稀释 10倍 ,然后用无菌移液管(每种稀释
度换用一支移液管)依次稀释成 10-2 , 10-3 , 10-4 ,
…悬液 。每支试管中接种水样各 1mL ,每一稀释度
5个平行。在(28±1)℃条件下 ,氨化细菌 、反硝化
细菌培养 15 d ,硝化和亚硝化细菌培养 20 d ,以红色
石蕊试纸 、纳氏试剂 、格里斯试剂 、二苯胺试剂 、硫酸
亚铁试剂等检测各种形态氮的产生消失情况 ,并定
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河南农业科学
期观测发酵管内发酵 、产气情况 ,查 MPN 表 ,用下
式计算样品中细菌数:1mL(g)样品中菌数=菌近
似值×数量指标第 1 位数的稀释倍数 ,且结果取细
菌数的常用对数作图分析 。
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和
底泥中氨化细菌数的影响
从图 1可以看出 ,底泥中氨化细菌的数量基本
维持在 105 ～ 106 个/g 之间 ,而且各处理氨化细菌
有相同的变化趋势 ,但是接种微生物的处理 M 和
SM 与对照相比 ,都能明显增加底泥中氨化细菌数
量 ,这说明接种微生物有利于底泥中氨化细菌数量
的增加。另外 ,当水体中种植沉水植物伊乐藻以后 ,
在其根际附近会分泌出有机物质 ,增加的有机氮可
为氨化菌提供生长的氮源 ,所以沉水植物的存在也
会增加底泥中氨化菌的数量。
由图 2可看出 ,氨化细菌在水体中的变化趋势
与底泥中有所不同 ,说明底泥和水体对氨化细菌来
说 ,生长环境有很大的区别 ,所以对氨化细菌数量变
化的影响也不一致。底泥中氨化细菌的平均数量要
图 1　底泥中氨化细菌的变化
图 2　水体中氨化细菌的变化
比水体中高 10倍 ,这说明底泥与水体相比更适合氨
化细菌的生长。接种微生物同样会增加水体中氨化
细菌数量。虽然种植沉水植物也能增加氨化细菌的
数量 ,但是与对照相比没有明显的差别 ,这说明沉水
植物对水体中氨化细菌的影响没有对底泥中氨化细
菌的影响那样明显 。
2.2　沉水植物和固定化微生物对富营养化水体和
底泥中亚硝化细菌数的影响
由图 3可以看出 ,处理 M ,S ,SM 底泥中亚硝化
细菌的数量都比对照有明显的增加 。SM 处理的亚
硝化细菌数量最多 ,在 104 ～ 104.5个/g 之间。因为
接种微生物不但会增加底泥中亚硝化细菌的数量 ,
而且种植沉水植物由于其根系可以分泌氧或提供铵
氮等原因 ,都为底泥中亚硝化细菌的数量增加提供
了条件 。沉水植物表面也可以作为亚硝化细菌吸附
的载体 ,Hamm[ 11 , 12] 等的研究表明 ,亚硝化细菌可
以在沉水植物表面生长繁殖。因此 ,沉水植物处理
的亚硝化细菌的数量较对照高。水体中对照的亚硝
化细菌几乎保持在 101.5个/mL 左右(图 4),而底泥
中在 102.5 ～ 103 个/g 左右 。
图 3　底泥中亚硝化细菌的变化
图 4　水体中亚硝化细菌的变化
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2008年第 2期
2.3　沉水植物和固定化微生物对富营养化水体和
底泥中硝化细菌数的影响
由图 5 、图 6可看出 ,在底泥和水体中的硝化细
菌与亚硝化细菌几乎都在相同的数量之间变化 ,分
别为 102.5 ～ 104.5个/g 和 101.5 ～ 103.5个/mL。Abe-
lio vich[ 13] 在废水塘用异硫氰酸荧光素标记抗体对
两种菌群的计数结果也表明 ,它们的数量有相同的
水平 ,这说明两种菌群的微生物对周围的环境有较
为一致的生理反应 。接种微生物的处理与对照相
比 ,底泥中硝化细菌的数量明显增加。种植沉水植
物伊乐藻和对照相比 ,底泥的硝化细菌数量也增加 ,
而且底泥中的硝化细菌比水体中高 10 倍左右 。
Matulew ich 等[ 14]研究也认为 ,硝化细菌更易定殖于
沉水植物的根部 ,除伊乐藻处理外 ,其他 3个处理硝
化细菌都随时间的变化呈增加的趋势。水体中硝化
细菌主要吸附在悬浮的颗粒和载体上面 ,伊乐藻的
表面也会有硝化细菌的吸附 ,水体中 SM 处理硝化
细菌数与其他 3个处理相比有明显的增加 ,而其他
3个处理的硝化细菌数在试验结束时已经十分接
近。
图 5　底泥中硝化细菌的变化
图 6　水体中硝化细菌的变化
2.4　沉水植物和固定化微生物对富营养化水体和
底泥中反硝化细菌数的影响
由图 7可以看出 ,不同时期各个处理中反硝化
细菌的变化规律亦不同 ,但总体上还是接种固定化
氮循环细菌的处理会明显增加底泥中的反硝化细菌
的数量 ,而且种植沉水植物会为反硝化细菌提供更
多的有机碳源 ,因为反硝化细菌的增长需要较高的
C/N 比。从试验的中后期看 ,底泥和水体中反硝化
细菌之间的差异并不太大。从水体中反硝化细菌的
变化看(图 8):试验的前中期 ,处理 M 的反硝化细
菌数较处理 S 高 10倍左右 ,而试验结束时 ,则为处
理 S 高于处理 M 。对照的反硝化细菌无论在底泥
和水体中变化都比较小 ,其数量分别在 102.5个/g 左
右和 101.5 ～ 102 个/mL 之间 ,这说明在试验期间反
硝化细菌受外界的干扰并不大。
图 7　底泥中反硝化细菌的变化
图 8　水体中反硝化细菌的变化
3　结论与讨论
试验结果表明 ,种植沉水植物和接种固定化氮
循环菌均增加富营养化水体和底泥中氨化细菌 、亚
硝化细菌 、硝化细菌和反硝化细菌的数量 ,除氨化细
菌外 ,一般增加 10 ～ 100 倍 ,而且 ,各种菌群的微生
物变化趋势并不相同。与水体相比 ,底泥是更适合
氮循环微生物生长繁殖的场所 。因此 ,研究它们的
分布变化势必对氮素在富营养化生态体系中如何转
化会有更深入的了解。本试验的时间相对较短 ,而
研究富营养化水体中各中氮循环菌分布的长期变化
是必要的 ,这可以有助于了解它们对氮循环所起作
用的规律性 。对于固定化氮循环菌载体材料和微生
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河南农业科学
物以及与不同水生植物镶嵌的效果及其协同效应机
理有待进一步研究。
虽然从微生物的数量可以直接反映出不同处理
的作用效果 ,但微生物生长也会受到环境中其他各
种因子的影响 ,比如溶解氧 ,温度等 。因此 ,在测定
菌数时兼顾其他环境因子的影响亦会使我们更好地
掌握和了解它们的分布和生长情况 ,为以原位水体
中氮素的去除提供理论借鉴 。在富营养化水体中 ,
硝化和反硝化作用在转变氮素化合物方面起着重要
的作用[ 15] 。虽然 MPN法可以直接用来分析自然水
体中氮循环菌的数量 ,但其培养条件并不是最优
的[ 16] ,因此 ,结合抗体或 rRNA 寡核苷酸探针技术
的原位分析 ,可以更加准确地对氮循环菌的分布进
行描述。
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