全 文 ：　第 6期
2009年 11月 华东师范大学学报(自然科学版)Journal o f East China Norm al University (Natural Science)
No.6　
Nov.2009
文章编号:1000-5641(2009)06-0108-11
生物净化槽中菌群结构在梭鱼草
(Pontederia cordata L)不同
生长期的动态变化
张　勇 , 　黄民生 , 　阮宇鹰 , 　赵　丰
(华东师范大学 环境科学系 ,上海　200062)
摘要:为探究引入植物对生物净化槽处理黑臭河水的影响及机理 , 结合水质理化指标的动态变
化 ,采用了 ERIC-PCR指纹图谱技术来分析生物净化槽内的微生物群落结构在植物不同生长阶
段的变化特征 ,比较植物与填料不同工艺组合对微生物群落结构的影响.结果发现:引种梭鱼草
(Pontederia cordata L)的生物净化槽对主要污染物 CODCr , NH3-N 和 TP的去除率分别提高了
19.8%～ 69.4%, 18.2%～ 68%和23.9%～ 77.2%;微生物群落结构随植物不同生长发育阶段
而变化 ,分蘖期优势菌群的种类和数量最多 , 同期净化效果也最好;从三种工艺的运行效果来
看 ,植物+组合填料搭配最合适.
关键词:梭鱼草;　生物净化槽;　ERIC-PCR指纹图谱;　黑臭河道
中图分类号:X172　　文献标识码:A
　收稿日期:2008-12
　基金项目:国家科技重大专项(2008ZX07317-006)
　第一作者:张勇 , 博士研究生 ,主要研究方向为城市水环境的治理与修复.
E-mail:zhang1975xp@yahoo.com.cn.
Analysis of structure changes of microbial community in
phytoremediation tank at different growth
periods of Pontederia cordata L
ZHANG Yong , 　H UANG Min-sheng , 　RUAN Yu-y ing , 　ZHAO Feng
(Depar tmen t o f Environment S cience , E ast China Norma l Universi ty , Shanghai　200062 , China)
Abstract:　The effects and mechanisms of pioneer plant on the purification of malodor ous river
water in phy to remediation tank we re evaluated.Acco rding to the re lationship be tween the majo r
po llutants remova l effect and the micr obial community structure , w hich w as investig ated by
ERIC-PCR finge rprinting , it w as found tha t Pontederia cordata L had obv ious effect on the pol-
lutant removal , the removal efficiencies o f CODCr , NH 3-N and TP being 19.8%～ 69.4%,
18.2%～ 68% and 23.9%～ 77.2% higher than tho se of contro l g roup.Meanw hile , the three
tanks planted with Pontederia cordata L had more abundant micr obial specie s than those w ithout
hydrophytes.I t also r emarkably indicated tha t the div ersity of the pr edominant bacteria at tille-
第 6 期 　张勇 , 等:生物净化槽中菌群结构在梭鱼草不同生长期的动态变化
ring stag e w as much g rea te r than that a t o the r stag es and the combina tion of plant and com poun-
ding medium was the be st technolo gic model in three different types.
Key words:　Pontederia cordata L;　phy to remediation tank;　ERIC-PCR finge rprinting;　
malodo rous riv er
0　引　　言
城市河道的黑臭现象不仅影响着经济社会的可持续发展 ,还严重影响了沿岸居民的健
康和生活[ 1] .利用植物修复技术来治理黑臭河道 ,具有稳定有效 、安全持久 、耗能少和管理方
便等优点[ 2] .目前城市黑臭河道中已几乎没有大型水生植物生存 ,所以选择合适的植物显得
尤为迫切.本实验选取水生植物为梭鱼草(Pontederia cordata L).前期实验表明 , 由梭鱼草
构建的生物净化槽对黑臭河水具有较好的净化效果[ 3] .本文主要利用 ERIC-PCR指纹图谱
技术分析净化槽内的微生物群落结构在植物不同生长阶段的变化特征 ,比较不同工艺组合
对微生物群落结构的影响 ,来进一步探究植物对生物净化槽的净化功能的影响及机理.
1　材料与方法
1.1　试验装置与运行设计
本中试实验系统位于上海市某黑臭河道旁的一片空地上 ,占地约 18 m2(见图 1).整个
中试系统由 1个高位水箱和 6个相同大小的净化槽(材质均为塑料)组成.高位水箱的基本
尺寸:上部尺寸 1 500 mm×1 000 mm ,下部尺寸 1 450 mm ×950 mm ,高度 600 mm ,边宽
40 mm ,设有溢流管.净化槽的基本尺寸:上部 1 240 mm×620 mm ,下部 1 150 mm×550 mm ,
高度 760 mm ,边宽 40 mm .各净化槽内水深由出水管控制在0.6 m.每个净化槽中间用隔板
隔开 ,留出离槽底高约 20 cm 的过流断面 ,以解决槽内的短流问题.
图 1　生物净化槽平面示意图
Fig.1　The schematic diag ram of phy to remediation tank
本实验用水直接取自该黑臭河道 ,河水透明度为 250 ～ 350 mm ,主要理化指标为:DO
0.1 ～ 0.2 mg/L , CODCr 64.8 ～ 176.6 mg/L , NH 3-N 12.61 ～ 34.20 mg/L , TP 0.215 ～
0.568 mg/ L ,pH 7.8 ～ 8.2.
如表 1所示 ,本实验围绕梭鱼草设计了植物(4#净化槽)、植物 +组合填料(5#净化
槽)、植物+球形填料(6#净化槽)3种不同的工艺组合 ,另设 3组对照(1#,2#,3#).试验
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华东师范大学学报(自然科学版) 2009 年
时间为 2007年 3月 10日至 12月 10日 ,历时 9个月 ,其中试运行时间为 1个月(3月 10日
-4月 9日),稳定运行阶段根据梭鱼草的生长阶段分为 4个时期 ,依次为幼苗期(4月 10日
-5月 9日),分蘖期(5月 10日-7月 9日),开花期(7月 10日-10月 9日),衰败期(10月
10日-12月 10日 ,于 10月 10日收割水面上的梭鱼草茎叶).试验期间各净化槽连续进 、出
水 ,水力停留时间8 h.
表 1　生物净化槽的工艺组合方式
Tab.1　The combined processe s o f phy toremediation tank
净化槽 1# 2# 3# 4# 5# 6#
填料类型 无 组合填料 球形填料 无 组合填料 球形填料
植物 无 无 无 梭鱼草 梭鱼草 梭鱼草
1.2　实验材料
实验前 ,用黑臭河水在塑料盆中驯化培养梭鱼草 2 周 ,选择大小较均一的根状茎(含
3 ～ 5个芽眼)移入净化槽.
球形填料和组合填料均购自浙江省玉环县龙溪净水设备厂.球形填料为聚乙烯材料 ,直
径为100 mm ,比表面积285 m2/m 3 ,填充率 30%.组合填料由 7片载有维纶丝的塑料环组
成 ,塑料环直径为150 mm ,片距100 mm ,比表面积1 310 m 2/m3 ,填充率 30%.
1.3　样品采集
装置稳定运行 8个月 ,分别采水样和生物膜样 8 次.其中水样为 6个净化槽出水 ,生物
膜样为植物根尖区(4#, 5#, 6#)或者相同深度填料(2#, 3#)的泥样.
1.4　水质分析指标及方法
CODCr , NH 3-N 和 TP 含量分析参照国家环境标准分析方法[ 4] .
1.5　植物生物量的测定
以 5 cm×5 cm 样方[ 5] 在幼苗期 、分蘖期和开花期采样 ,分别称取湿重 ,然后放入60 ℃
恒温箱烘干4 h ,称取干重 ,实验重复 3次 ,取算术平均值作为各个时期的生物量指标.
1.6　ERIC-PCR
DNA 提取采用申能博彩公司生产的环境样品试剂盒.提取后的 DNA 采取琼脂糖凝胶
电泳(1.0%的琼脂糖 ,在恒压80 V电泳1 h)后用0.5 ng/μL的溴化乙锭染色 ,以 Smartview
凝胶成像处理系统成像鉴定.
ERIC-PCR引物序列 、反应体系及反应参数参照李华芝[ 6] 的方法.
ERIC-PCR指纹图谱分析参照张红梅[ 7] 的方法进行相似率的计算以及聚类分析.
2　结　　果
2.1　水质净化效果
与对照槽(1#, 2#, 3#)相比 ,生物净化槽对 CODCr ,NH 3-N 和 TP 去除率分别提高了
19.8%～ 69.4%,18.2%～ 68%和23.9%～ 77.2%,说明种植梭鱼草的生物净化槽对黑臭河
水的主要污染物有更好的去除效果(见图 2-4).
从梭鱼草与两种填料的不同工艺组合的净化效果来看 ,生物净化槽对 CODCr的平均去
除率 5#(62.2%)>6#(58.9%)>4#(48.1%);对 NH3-N 的平均去除率 4#(67.9%)>
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第 6 期 　张勇 , 等:生物净化槽中菌群结构在梭鱼草不同生长期的动态变化
5#(62.8%)>6#(45.9%);对 TP 的平均去除率为 5#(58.0%)>4#(57.7%)>6#
(54.9%).综合来看 ,以梭鱼草+组合填料的组合工艺净化功能更好.
图 2　生物净化槽对 CODCr的净化效果
Fig.2　Removal efficiency of CODCr in phyto remediation tank
图 3　生物净化槽对 NH3-N 的净化效果
Fig.3　Removal efficiency of NH 3-N in phyto remediation tank
图 4　生物净化槽对 TP 的净化效果
F ig.4　Removal efficiency of TP in phy to remediation tank
从试验稳定运行的 4个时期来看 ,伴随着植物的生长发育 ,对 CODCr的平均去除率开花
期最高(67.5%),分蘖期次之(58.6%);对 NH 3-N和 TP 的平均去除率则都是分蘖期最高 ,
分别为78.2%和71.6%.综合来看 ,以分蘖期净化效率最高.
2.2　植物生物量的变化
从表 2的结果可知(4#, 5#, 6#三个生物净化槽种植的梭鱼草同时期生物量差异小 ,
小于平均值的 1%,故忽略不计),梭鱼草的植株高度在分蘖期达到最大 ,总干重在开花期达
到峰值 ,按对应的净化槽面积为 0.77 m 2计算 , 单位面积梭鱼草的生物量(干重)为
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11.614 kg/ m2 .从增幅看 ,总干重由幼苗期的0.060 kg到分蘖期的6.450 kg ,增加了106.50
倍 ,其中 ,根的增量占 68.5%.而分蘖期到开花期总干重仅仅增加了38.7%,根的增量占
38.9%.结合水质分析结果可以看出 ,植物生物量的增长速率与生物净化槽的净化效率的趋
势一致.开花期过后植物开始枯萎 ,因此 10月份是梭鱼草的适宜收割期.
表 2　梭鱼草不同生长时期的生物量
Tab.2　Biomass of Pontederia cordata L in its development
幼苗期 分蘖期 开花期
植株高度/ cm 12.35 117.44 108.89
茎叶部湿重/ kg 0.438 31.509 33.210
根部湿重/ kg 1.020 58.239 62.220
平均含水量/ % 95.80 94.60 90.60
茎叶干重/ kg 0.009 2.019 2.790
根部干重/ kg 0.054 4.431 6.159
总干重/ kg 0.060 6.450 8.949
2.3　ERIC-PCR指纹图谱分析
2.3.1　幼苗期 ERIC-PCR遗传指纹图谱特征分析
图 5为幼苗期两次取样样品的 ERIC-PCR遗传指纹图谱.其中 ,泳道 M 为 Marker ,泳
道 2-6分别为生物净化槽 2#-6#样品的实验结果(下同).从条带的数量 、分布位置及亮
度来看 ,图 5(A)中除泳道 2条带数较多外 ,有无植物槽差异不明显 ,而图 5(B)中各泳道条
带明显增加 ,部分条带亮度更高 ,且高亮度条带的位置也不尽相同 ,如泳道 2 最亮条带在
1 000 ～ 1 200 bp处 ,泳道 6在 1 200 ～ 1 400 bp处.说明随着装置的稳定运行 ,微生物群落的
数量在增加 ,优势种群更明显.
图 5　幼苗期样品 ERIC-PC R指纹图谱
Fig.5　ERIC-PC R fingerprints o f biofilms in the seedling stage
另外 ,从聚类分析结果(见图 6)来看 ,两次取样期间生物净化槽 2#, 3#与 4#, 5#,
6#的相似性系数下降了20.7%～ 80%,说明随着植物的发芽 、出苗和幼叶的生长 ,有无植物
的生物净化槽之间差异明显.
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第 6 期 　张勇 , 等:生物净化槽中菌群结构在梭鱼草不同生长期的动态变化
图 6　幼苗期样品 ERIC-PCR指纹图谱聚类分析结果图
Fig.6　Clustering t ree o f ERIC-PCR fingerprints of bio films in the seedling stag e
2.3.2　分蘖期 ERIC-PCR遗传指纹图谱特征分析
如图 7(B)中各泳道的高亮度条带数明显多于图 7(A),说明优势种群数量仍在不断增
加.同时 ,各泳道高亮度条带所处位置也不一样 ,如泳道 2和 3 在2 000 bp(见图 7 a)处 ,泳
道 5在1 200 bp(见图 7 e)处 ,泳道 6在大于2 000 bp(见图 7 f)处 ,泳道 4拥有高亮带数量
最多 ,分别位于1 000 bp(见图 7 b), 600 bp(见图 7 c), 500 bp(见图 7 d)处 ,说明各净化槽正
在形成各自独特结构的微生物群落.当然 ,也有部分优势种属在各净化槽中均存在 ,如图
7(A)中 a处(1 800 bp ～ 2 000 bp).
图 7　分蘖期样品 ERIC-PC R指纹图谱
Fig.7　ERIC-PCR fingerprints of biofilm s in the tiller ing stag e
注:图中 a、a , b , c , d , e , f均为高亮度条带
另外 ,从聚类分析结果(见图 8)来看 ,无植物的净化槽(2#, 3#)与有植物的净化槽
(4#,5#,6#)之间相似性系数继续下降 ,说明随着植物生物量的急剧增加 ,根系不断扩张 ,
梭鱼草对微生物群落结构的影响也越来越明显.从 6 月 18日采样的结果来看 ,生物净化槽
4#与 5#,6#之间的微生物群落结构差异性明显 ,说明填料也是影响微生物群落结构的重
要因素.
2.3.3　开花期 ERIC-PCR遗传指纹图分析
如图 9 ,各泳道的高亮度条带数明显减少 ,尤其是泳道 4 ,由于这一阶段降雨较多 ,该河
道调水频繁 ,水环境的经常性改变对微生物群落造成冲击 ,其条带数目和亮度明显劣于同期
的泳道 5和 6 ,净水效果也更低.根据生态学中的“多样性导致稳定性原理” ,可以看出单纯
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由植物构建的净化槽的微生物群落抗冲击能力较差 ,其多样性不如有填料的净化槽.
图 8　分蘖期样品 ERIC-PCR指纹图谱聚类分析结果图
F ig.8　Cluste ring tree of ERIC-PC R fingerprints o f biofilms in the tillering stage
图 9　开花期样品 ERIC-PC R指纹图谱
Fig.9　ERIC-PC R fingerprints o f biofilms in the flowering stage.
注:图中 a , a , b , b 和 c均为高亮度条带
另外 ,从聚类分析结果(见图 10)来看 ,各泳道之间的相似性系数上升 ,各槽对污染物的
去除率比较接近 ,说明净化槽的功能趋于稳定 ,同时可以看出植物对净化槽微生物群落结构
的影响逐渐在减弱.
图 10　开花期样品 ERIC-PCR指纹图谱聚类分析结果图
Fig.10　Clustering tree of ERIC-PCR fingerprints of biofilms in the flowering stag e
2.3.4　衰败期 ERIC-PCR遗传指纹图分析
如图 11 ,由于开花期后即对植物的水面上茎叶进行收割 ,仅留水面下的根状茎以及根
系越冬 ,故各泳道的条带数比前期更少 ,部分条带比较模糊 ,结合同期对污染物的去除率来
看 ,说明微生物的种类和数量在减少 ,其代谢能力在减弱.其中 ,泳道 4高亮度条带在两次采
样之间变化最大 ,说明植物衰败是对无填料槽影响更大.
另外 ,从聚类分析结果(见图 12)来看 ,各泳道之间的相似性系数进一步上升 ,各槽的微
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第 6 期 　张勇 , 等:生物净化槽中菌群结构在梭鱼草不同生长期的动态变化
生物群落结构日趋接近.
图 11　衰败期样品 ERIC-PCR指纹图谱
Fig.11　ERIC-PCR finge rprints of bio films in the degr adation stag e
注:a 和 b表示各泳道共有的条带
图 12　衰败期样品 ERIC-PCR指纹图谱聚类分析结果图
F ig.12　Clustering tree of ERIC-PCR fingerprints of biofilms in the deg radation stag e
3　讨　　论
梭鱼草(Pontederia cordata L)原产北美 ,为雨久花科梭鱼草属多年生挺水植物 ,株高
80 ～ 150 cm ,其嫩叶和种子为食品加工原料[ 8] .梭鱼草对生物净化槽功能的影响除了自身对
污染物的吸收吸附作用外 ,更重要的是其庞大根系形成的根区微环境影响着微生物的种类
和数量 ,并进而影响系统内物质代谢和能量流动 ,导致不同的净化效果[ 9] .
3.1　梭鱼草生物量对净化效果的影响分析
N ,P 等营养盐是植物正常生命活动所必须的大量元素 ,研究表明 ,湿地植物对氮和磷
的吸收量与其生物量呈显著正相关[ 10] ,而且在营养水平高的水体 ,植物还会通过富集作用
去除水中的营养盐[ 11] .从图 2-图 4可看出 ,引种梭鱼草的净化槽对 NH 3-N 和 TP 的同期
去除率分别高于对照槽18.2%～ 68%和23.9%～ 77.2%.结合梭鱼草在试验的四个时期其
构件生物量的变化表明 ,高去除率的出现伴随着生物量高速增长.以 4#净化槽为例 ,从幼
苗期到分蘖期梭鱼草总干重增加为原来的106.50倍 ,而且根系的增长最快 ,同期 NH 3-N 和
TP 的去除率 4#槽分别提高了 25%和16.6%,说明植物的吸收作用对污染物的去除有重要
影响.由此可见在黑臭河道水质净化工程中可以通过控制水生植物的数量来调控净化能力
的大小.
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3.2　梭鱼草不同生长发育阶段对微生物群落结构的影响
微生物对污染物的去除作用是水体自净能力的主要体现者.张鸿等研究表明 ,植物的存
在有利于微生物的生存[ 12] .植物庞大的根系不仅为微生物挂膜提供场所 ,而且能够将运输
到根部一部分氧气通过根轴径向释放到根际水体中 ,称之为径向泌氧(ROL)[ 13] .径向泌氧
在根际还原态介质中形成氧化态的微环境 ,根区有氧区域与缺氧区域的共同存在为根区的
好氧 、兼氧和厌氧微生物提供了各自的小生境 ,使不同微生物都能发挥各自的作用.根系泌
氧量与根系生物量有关 ,不同的植物间差别很大[ 14] .另外 ,根系分泌物也影响周围环境微生
物群落的结构与分布[ 15] .通过对生物净化槽的生物膜样品的 ERIC-PCR指纹图谱分析也印
证了这一观点 ,引种植物的净化槽的微生物群落结构均明显区别于同期的对照槽 ,不仅条带
的数量多 ,而且多数条带的亮度也高与对照槽.利用 UPGMA 算法对图谱进行聚类分析 ,多
数同期样品 4#-6#泳道相似性系数高 ,与对照槽之间的相似性系数较低 ,这也与前面的
水质净化结果一致 ,说明先锋植物的引入增加了微生物功能菌群的种类和数量 ,改善了微生
物代谢的微观环境 ,提高了净化效果.
植物对根际微生物群落结构的影响在不同的生长阶段差异也很大[ 16] .从 ERIC-PCR指
纹图谱特征可以看出 ,在分蘖期 ,泳道 4#-6#的条带数量和亮度不仅明显优于同期对照
泳道 ,也优于其它时期的微生物特征 ,其对主要污染物 CODCr ,NH3-N 和 TP 的平均去除率
分别达到了58.6%, 78.2%和68.8%,除了 CODCr去除率和开花期接近外 ,均高于其它时期.
而在开花期 ,生物量增速减慢 ,而且同化作用产物主要向生殖器官转移 ,微生物条带数量减
少 ,部分条带亮度减弱.衰败期则更弱.另外 ,从四个时期的聚类分析结果来看 ,营养生长阶
段泳道 4-6群落结构比较接近 ,与泳道 2和 3区别明显 ,到了开花期特别是衰败期 ,有无植
物净化槽之间的相似性系数上升 ,说明植物对微生物群落结构的影响在营养生长阶段更为
明显 ,净水效果也更好.所以在工程实践中应更考虑通过人工干预来延长植物营养生长的时
间.值得注意的是 ,在污染物去除率明显下降的衰败期 ,留有植物根系的净化槽的对主要污
染物 CODCr ,NH3-N 和 T P的平均去除率依然高于对照槽25.9%, 16.5%和13.7%,说明选
择多年生植物对提高低温时期的净化效果有积极意义.
3.3　不同工艺对微生物群落结构的影响
本试验对三种工艺的净水功能比较来看 ,以植物+组合填料的效果最佳.由于不同填料
类型下挂膜情况不同 ,微生物在填料表面的附着受填料的比表面积 、表面粗糙度和生物特性
等诸多因素的影响[ 17] .组合填料的比表面积是球形填料的4.6倍 ,这为微生物的生长提供了
更好的附着场所和相对稳定的内部空间.
此外 ,球形填料比组合填料膜易堵塞 ,生物膜更新慢 ,也会造成其吸附降解污染物的能
力下降 , 3#净化槽从分蘖期开始平均去除率比 2 #净化槽低 7.8%左右 ,对微生物的
ERIC-PCR指纹图谱的聚类分析也表明其相似性系数在逐渐下降.与之相反的是 , 6#槽在
短暂下降后却迅速回升 ,主要原因可能是分蘖期植物根系的生物量迅速增长并且与球形填
料中生物膜相互缠绕成“泥球” ,通过根系的泌氧 、根细胞的代谢活动有效的改善了内部微环
境 ,提高了代谢效率.
4　结　　论
(1)梭鱼草的引入明显提高了生物净化槽对黑臭水体的净化效果 , 对主要污染物
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第 6 期 　张勇 , 等:生物净化槽中菌群结构在梭鱼草不同生长期的动态变化
CODCr ,NH3-N 和 TP 去除率分别提高了 19.8%～ 69.4%, 18.2%～ 68%和 23.9%～
77.2%;从 3种不同工艺的净化效果来看 ,以植物+组合填料最佳.
(2)梭鱼草在分蘖期对微生物群落结构的影响更为明显 ,同期生物净化槽净化效果也
最好 ,故在工程应用上应尽量延长植物的营养生长时间.
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