不同紫色母岩对景观水体氮磷及有机物去除的探究

　　近年来，城市水体景观的营建越来越受到人们的青睐，但景观水体的自净功能、循环能力和生物动态平衡能力弱，加之生活污水的不合理排放，导致许多景观水体富营养化，严重影响周边居住环境和城市环境. 因此，研发行之有效的景观水体处理技术成为当前急需解决的问题. 目前，有研究报道，水体基质的选择和铺设对景观水体治理效果有较大影响. 刘红美等研究发现利用天然沸石和水化硅酸钙为基质，可有效去除微污染景观水体中的浊度、COD、氨氮、总氮、总磷. 黄德锋等研究发现以沸石-页岩为基质和以砾石为基质对景观水体中的浊度和COD 均有较好的去除效果. He 等采用砾石、沸石和矿灰这3 种物质共同作为基质处理富营养化水体，发现其对富营养化水体中总氮、总磷的去除效果比单独以砾石为基质的去除效果好. 因此，研究基质对水体理化性质及生态结构的影响，将对景观水处理方案设计有重大意义.
　　紫色母岩是广泛分布于西南地区的一种沉积岩，其矿物成分比砾石复杂，含有较多的黏粒矿物，风化形成的紫色土磷含量低且相对不易淋失，能够吸附水体中的磷素，同时母岩本身所释放的矿质元素可能会影响水中的微生物群落，从而间接影响水中氮磷的含量，因此可作为景观水基质材料. 然而过去的研究大多集中在紫色母岩风化物理颗粒变化、风化破碎成土、营养肥力等方面，还未将紫色母岩作为景观水体基质，维持景观水体稳定等方面的研究. 本研究将紫色母岩作为景观水体基质，通过高温灭菌，杀灭紫色母岩样品中所携带的微生物，从紫色母岩理化性质的角度研究不同紫色母岩对自然富营养化水体氮磷等营养物去除的影响，以期为利用紫色母岩作为景观水基质铺设，去除水体中氮、磷及有机物提出合理化建议.
　　1 材料与方法
　　1. 1 样品采集及预处理
　　供试用紫色母岩材料选用重庆地区分布面积较广的蓬莱镇组( S1) 、沙溪庙组( S2) 、飞仙关组( S3) 和遂宁组( S4) 这4 种具有不同沉积相的典型紫色母岩. S1 组和S4 组紫色母岩采自巴南区的界石和长生之间的倒置低山区; S2 组紫色母岩采自西南大学紫色土实验基地; S3 组紫色母岩采自北碚区鸡公山. 供试母岩基本性状列于表1. 取样后去除杂草、树枝等杂质，并将母岩样品处理成2 cm左右的小块在通风干燥的地方风干备用. 供试用水样采自西南大学崇德湖.
　　1. 2 模拟生态缸构建
　　将121 高压灭菌25 min 后的4 种不同紫色母岩样品分别置于4 个干净的20 L 透明塑料桶底部，每桶加入1 kg 紫色母岩，加入15 L 崇德湖采集混合水样，完成模拟生态缸构建. 将模拟生态缸置于2 000 lx 光照，12L  12D 光照周期，25  条件下培养. 将只有水样不加紫色母岩的生态缸作为空白对照，每个处理3 次重复.
　　1. 3 水质理化指标测定
　　总氮、总磷、pH 及COD 每5 d 测定一次，氨氮、硝氮每3 d 测定一次，所有指标均按照地表水水质指标分析国家标准进行测定.
　　1. 4 紫色母岩中氨氮测定
　　采用2 molL - 1 KCl 浸提- 靛酚蓝比色法测定实验前紫色母岩和实验结束后紫色母岩及其风化产物的氨氮含量. 用水分测定仪分析母岩及风化产物的水分含量.
　　1. 5 水中元素测定
　　采用文献测定各生态缸水体的B、Ca、Mg、Hg、Al、Zn、Fe、Cu、Mn、Mo、Pb、Cd、Ni、As、Cr、La 和Ce 等元素的含量.1. 6 磷脂脂肪酸( PLFA) 分析微生物群落结构每个生态缸取2 L 水样用醋酸纤维滤膜( 0. 22m) 抽滤，将抽滤后的滤膜进行提取、皂化、甲基化、萃取以及碱洗涤后获得上机样品，用Agilent6850 气相色谱仪( FID 检测器) 分析磷脂脂肪酸( PLFA) 的成分. 色谱条件为: HP-5 柱( 25. 0 m 200 m 0. 33 m) ，进样量1L，分流比10  1，载气( H2) ，尾吹气高纯N2，助燃气空气，流速0. 8mLmin - 1 ; 汽化室温度250 、检测器温度300 ，柱前压10. 0 psi ( 1psi = 6. 895 kPa) ，质谱全扫描范围30   600 m/z; 二阶程序柱温 170 ( 5 min)  260 310 ，维持1. 5 min. 各成分脂肪酸通过MIDI Sherlock 微生物鉴定系统( Version 6. 1，MIDI，Inc. ，Newark，DE) 进行. 标准品购于美国MIDI 公司的C9-C20 脂肪酸甲酯，PLFA 用C19: 0 做内标换算PLFA 的绝对含量.
　　1. 7 实验数据处理
　　实验数据用SPSS 13. 0 进行单因素方差用Canoco for Windows 4. 5 进行主成分分析，PCA 排序图中物种与环境因子间夹角的余弦值表示相关性，文中图标用Origin Pro 8 绘制.
　　2 结果与讨论
　　2. 1 不同紫色母岩对水体pH 变化的影响
　　如图1 所示，0   5 d 时，各组中pH 均迅速下降，其中S1 组下降最快，并在5 d 时显著低于其他各组，说明该时间段内各组中微生物的硝化作用较强，S1 组生态缸中微生物的硝化作用最强. 已有研究表明pH 是水环境的重要影响因子，当pH 值在7. 3   8. 0 之间时，硝化作用最迅速. 微生物对氨氮的硝化作用会伴随着pH 下降，硝化作用越强，pH下降越明显. 而本实验中，除实验初始和实验周期结束时外，各组生态缸水体的pH 值均在7. 6  8. 0 之间，为硝化作用最适pH 值，且各组生态缸中的pH( 包括对照组) 无显著差异，所以，本实验中pH 值不是影响硝化作用的限制因素.
　　2. 2 不同紫色母岩对水体污染物变化量的影响
　　2. 2. 1 不同紫色母岩对水体COD 变化的影响
　　4 种不同紫色母岩条件下水样中的COD 均呈显著下降趋势. 其中S3、S4 组在实验开始5 d 内下降显著且降低速率快于其他各组. 在实验后期，与对照组相比，4 组生态缸对COD 变化的影响趋于显著，到第15 d 时，各组COD 下降率从高到低依次为S4 ( 94. 5%) S3 ( 78. 0%) = S2( 78. 0%) S1 ( 63. 4%) CK ( 45. 1%) . 由此可见，相对于对照组处理，15 d 时4 种生态缸模型均对水体COD 有显著降低效果，S4 组对COD 下降影响最大，而S1 组影响较小.
　　2. 2. 2 不同紫色母岩对水体氨氮变化的影响
　　总体来看，不同紫色母岩条件下各水样中的氨氮浓度均有不同程度的下降. 各生态缸中氨氮在前3 d 均显著下降，这可能是氨氮挥发或水体微生物的硝化作用所导致. S3 组和S4 组中氨氮含量在3 d 之后明显升高，而其他各组仍持续降低，这可能与水体中有机物分解释放出的氨氮有关，可以看出S3 组和S4 组在这一时段COD 显著降低，且降低速率快于其他各组. 12 d 后，各组氨氮浓度下降率均较高，S1 组生态缸中氨氮浓度显著低于对照组，氨氮的下降率高达90. 0%，而S4 组中氨氮浓度显著高于对照组，氨氮下降率仅为43. 9%. 说明不同紫色母岩组成的生态系统对景观水体中的氨氮消耗作用有明显差异，其中S1 组生态缸的消耗效果最好，而S4 组生态缸的消耗效果最差.
　　2. 2. 3 不同紫色母岩对水体硝态氮变化的影响
　　硝态氮浓度变化均呈先上升后下降趋势( 对照组除外) ，说明各生态缸中均存在微生物的硝化作用和反硝化作用，而对照组中生态缸中硝化和反硝化作用均较弱. 实验结束后，相对于初始硝态氮浓度，包括对照组在内的各组生态缸模型均使硝态氮浓度升高，这应该是有机物分解和硝化作用共同作用的结果. 然而不同紫色母岩组成的生态系统对景观水体中硝态氮含量的影响不同，S3 组中硝态氮浓度极显著高于对照组，S4 组中硝态氮浓度显著高于对照组，而S1 和S4 组与对照组无显著差异. 前3 d 时各组生态缸中硝态氮浓度均显著上升，这说明各生态缸中发生了较强烈的硝化作用，将
　　氨氮转化成了硝态氮.
　　2. 2. 4 不同紫色母岩对水体总氮含量的影响
　　有机氮和无机氮共同构成水体中总氮的含量，无机氮又分为硝态氮和氨氮. 水体中氮的去除途径主要分为以下2 种: ①氨氮的挥发; ②微生物硝化作用将氨氮转变成硝态氮，反硝化作用将硝态氮转化成气态氮溢出水体. 随时间的推移，不同处理组水样中的总氮均呈现下降趋势，最终S1 组中总氮浓度极显著低于对照组，S2 组中总氮浓度显著低于对照组，而S3 和S4 组与对照组无显著差异，可见4 种生态缸模型均对总氮有一定去除效果，S1 组生态缸对总氮去除效果最好，S4 组去除效果较差. 刘海伟等研究表明，常温下当水体pH 7 时，水体中NH +4为主要存在形式，当pH 7时，水体中NH +4迅速减少，分子形态的NH3相应增加. 本实验研究发现各生态缸中水体pH 均大于7，水体中NH +4可能会以NH3形式挥发进入大气中.
　　然而对照水体pH 也大于7. 6，但其总氮下降很少，因此4 种紫色母岩处理组水体总氮的减少与氨氮挥发关系不大，推测和4 种紫色母岩促进水体中微生物的反硝化作用有关. Chang 等研究发现，硝化作用会造成pH 值的下降而反硝化作用则会引起pH 值的升高. 本实验各生态缸中pH 值前3 d 均明显降低，说明各生态缸中存在显著的硝化作用. S1 组生态缸水体中前5 d 时发生强烈的硝化作用，将氨氮转化成硝态氮，之后水体pH 急剧上升，硝化作用减弱，反硝化作用增强，将硝态氮转化成气态氮，总氮显著下降. S4 组生态缸水体中由于有机物分解释放氨氮，因此水体中氨氮的下降率较小，且水体中硝化作用大于反硝化作用，因此硝态氮上升浓度较大，水体总氮下降效果不明显.
　　2. 2. 5 不同紫色母岩对水体总磷变化的影响
　　相比于对照组，各组生态缸中总磷浓度均有显著下降，S3 组下降显著，其他组下降极显著. 其中S4 组的总磷浓度在前5 d 内急剧下降，之后仍然持续下降; S1、S2 组在实验前期5 d 内下降趋势稍缓，5d 之后总磷浓度急剧下降; S3 组持续下降. 由此可见，4 种生态缸模型均对总磷有良好的去除效果，其中S1 组、S4 组、S2 组生态缸去除总磷效果均非常显著，S3 组去除效果稍弱.
　　2. 3 实验前后紫色母岩氨氮含量的变化
　　王而力等研究发现风沙土不同组分对氨氮具有不同的吸附能力; 陈丽丽等研究表明红泥对氨氮的吸附能力较强. 因此紫色母岩对氨氮的吸附作用，可能也是氨氮下降的影响因素. 然而根据实验前后紫色母岩氨氮含量的变化结果，4种紫色母岩在实验前后氨氮含量变化均不明显. 其中只有S1 组氨氮含量变化相对较大，上升了0. 47 mgkg - 1，仅占实验中氨氮下降量的6. 9%，所以紫色母岩的吸附作用不是导致水体中氨氮下降的主要因素.
　　2. 4 各组生态缸条件下紫色母岩对水体中元素含量变化的影响
　　如各组生态缸模型水体中，铅、锰、锌、镍、硼、铬、铝、铁、钙元素含量值差异不显著. 镉在S1 组和S4 组水体中的含量均高于对照组和S2、S3 组; 4 种紫色母岩处理组的砷含量均显著低于对照组，其中S1 组和S3 组水体中砷含量最低;4 种紫色母岩处理组水体中铜含量均高于对照组，其中S4 组中铜含量显著高于对照组; S1 组中钼含量显著低于其他各组，而其他各组与对照组无显著差异; 各组生态缸中微量元素总含量无显著差异，且均低于对照组. 与对照组相比，各组生态缸模型水体中二价镁离子均有明显的减少，其中S3 组减少最显著，而各组生态缸模型水体中磷含量均明显下降，其中S3 组下降最慢，这与李幸等的研究结果不符，说明各组生态缸中磷含量的下降不仅受镁离子的影响，还受其他元素的共同作用.
　　2. 5 PLFA 分析微生物群落结构
　　2. 5. 1 各生态缸中微生物群落结构
　　在5 组生态缸模型中，共有13 种不同的磷脂脂肪酸标记被检测出来. 其中标记16: 0 和18: 0 均代表硫酸盐还原菌及厌氧菌，且在各个组中都被检测到. 16: 0 在S3 组中所占百分含量最高，为58. 1%，在S1 组中所占百分含量最低，为12. 1%; 18: 0 在S4 组中所占百分含量最高，为8. 8%，在S3 组中所占百分含量最低，为2. 3%. 通过比较可知，硫酸盐还原菌及厌氧菌在S3 组中所占比例最高，而在S1 组中所占比例最低. 标记14: 0代表G + 菌及部分G - 厌氧菌，仅在S3 组和对照组中被检出，所占百分含量均非常低. 由此可见，各组生态缸模型水体中G + 菌及部分G - 厌氧菌含量非常低. 标记16: 1w9c 和18: 1w9c 均代表G - 菌，其中16: 1w9c 仅在S3 组中出现，占总量的6. 8%; 除对照组和S1 组外，18: 1 w9c 在另外3 组中均被检测到，含量依次为S4 ( 5. 3%) S2 ( 3. 4%) S3( 1. 6%) . 因此G - 菌在S3 组中所占比例最高. 标记18: 3w6c( 6，9，12) 表示真菌，仅在S3 组中出现，所占百分含量很低，因此真菌在各组生态缸水体中存在量非常少. 标记20: 4w6，9，12，15c 代表原生动物，除对照组和S1 组外，20: 4w6，9，12，15c 在另外3组中均被检测到，在S4 组中的百分含量最高，由此可见S4 组紫色母岩有利于原生动物生存.
　　2. 5. 2 各生态缸中微生物的生物量
　　磷脂脂肪酸( PLFA) 分析是一种评价微生物群落结构和生物量的方法. Bardgett 等认为磷脂脂肪酸的组成可以表示微生物群落的生物量. 本研究根据PLFA 检测结果分别计算出5 组生态缸水体中各磷脂脂肪酸绝对含量的总量，用以表示5 组生态缸水体中所含的相对微生物的生物量. 其中，S3 组生态缸模型中相对生物量显著高于其他各组，S1 组中的相对生物量最低.
　　2. 5. 3 各生态缸中微生物多样性
　　根据PLFA 检测结果，利用Shannon 指数公式计算出5 组生态缸水体中各磷脂脂肪酸的多样性指数，以表示生态缸水体中的微生物多样性.S1 组多样性指数显著小于其他各组，S3 组多样性指数最高. 由此可见，各组生态缸模型中S3 组微生物多样性最高，S1 组微生物多样性最低. 在各组生态缸营养物质含量相对稳定的中后期，各组总氮含量最低的为S1 组，最高的为S3 组，而由PLFA 计算得出的生物量和多样性指数最低水平同样为S1 组，而生物量和多样性指数最高水平为S3组. 这说明微生物影响水体中总氮含量的变化，微生物量及多样性指数越小，总氮含量越低，反之则越高. 这与Pratt 等和吴建军等的研究结果一致.
　　2. 5. 4 微生物群落结构与水体环境因子的PCA 分析
　　将微生物总生物量、多样性指数、具有代表的特殊PLFA 标记和各环境因子及营养物质含量进行PCA 分析，结果如图10. 总氮与生物多样性指数显著正相关，同时与磷脂脂肪酸标记18: 0 和18: 1w9c正相关; 磷脂脂肪酸标记18: 1w9c 和18: 0 同时与硝氮显著正相关，与COD 负相关. 说明硫酸盐还原菌及厌氧菌和革兰氏阴性菌与总氮、硝氮正相关，与COD 负相关.
　　2. 5. 5 水体元素含量与微生物功能群的关系
　　采用PCA 进行微生物群落结构和元素含量的相关分析.微生物群落结构与元素含量的PCA 分析Fig. 11 Principal component analysis for microbial community structure and element contents18: 0、14: 0 与元素铁、钙显著正相关，与砷、锰、钼负相关; 18: 1 w9c 与镍、铅、铜、镁、铬正相关，与镉和铝负相关; 16: 1 w9c、18: 3 w6c( 6，9，12) 与铁、钙正相关; 20: 4w6，9，12，15c 与镍、铁正相关. 说明革兰氏阴性菌与元素铁、钙、镍、铅、铜、镁、铬正相关，与镉和铝负相关; 硫酸盐还原菌及厌氧菌和革兰氏阳性菌与铁、钙正相关，与砷、锰、钼负相关. 已有研究表明硫酸盐还原菌在生长代谢途径中，以水体中的有机物作为碳源，促进水体有机物的分解，而本研究发现磷脂脂肪酸标记18: 0 所代表的硫酸盐还原菌及厌氧菌与水体COD 含量负相关，与前人的研究结果一致. 喻国辉等在几种金属离子对沼泽红假单胞菌2-8 生长和亚硝酸盐消除的影响研究中得出10 - 7molL - 1 Cu2 + 刺激菌株生长和亚硝酸盐消除，10 - 4molL - 1 Cu2 + 抑制该菌生长和亚硝酸盐消除; 10 - 4molL - 1 Mg2 + 促进该菌株生长和亚硝酸盐消除. 而本实验各生态缸水体中，铜元素含量均在10 - 7molL - 1 水平，且可促进18: 1 w9c 的生长，因此18: 1 w9c 所代表的革兰氏阴性菌是具有消除亚硝酸盐能力的硝化细菌. 本实验各组紫色母岩生态缸水体中，镁离子浓度均在10 - 4molL - 1 水平，而对照组中镁离子浓度均在10 - 3molL - 1水平. 实验结果显示，除对照组外，镁离子含量高的生态缸中总氮浓度较低，说明在10 - 4molL - 1水平时，镁离子含量与硝化作用正相关，而含量在10 - 3molL - 1水平时，硝化作用可能被抑制.
　　3 结论
　　( 1) 蓬莱镇组生态缸水体中，微生物经过硝化作用以及反硝化作用将水体中的大部分氮最终转化成气态氮排出水体，因此蓬莱镇组紫色母岩组成的生态系统对水体总氮及氨氮去除效果最好.
　　( 2) 遂宁组对水体中COD 去除效果最好，这可能与遂宁组母岩本身释放的铜元素促进水体中有机物降解菌生长有关，需要进一步探讨.
　　( 3) 紫色母岩的吸附作用不是导致水体中氨氮下降的主要因素，主要是通过改变景观水体中矿质元素的含量，影响水中的微生物群落，从而间接影响水中氮以及有机物的含量.
　　( 4) 综上结果，蓬莱镇组紫色母岩可以作为景观水体基质，在维护景观水体质量的稳定方面具有很好的应用前景.