（环境科学专业论文）净化微污染水体的潜流人工湿地中微生物时空变化特征.pdf

characteristic of the temporal and spatial distribution of microorganism in subsurface flow constructed wetland for purifying micro-polluted water a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by xie weidan supervised by prof. guo jinsong major: environmental science faculty of urban construction and environmental engineering of chongqing university, chongqing, china. april 2011 中文摘要 i 摘 要 目前，我国大多数小城镇河流都存在着不同程度的污染状况。传统的水环境 修复技术主要是围绕着物理化学方法展开，存在着技术价格昂贵，工艺基建费用 高，后续运行难等问题，较不适宜小城镇及地表水体的净化。而人工湿地作为一 种资源节约型、环境友好型的水处理生态技术，具有高效率、低投资、低运转费 用和低技术维持等特点，特别适合小城镇地表水体微污染的控制。 本文以流经重庆市万州区高峰镇的鹿山河水作为净化对象，在野外构建芦竹、 菖蒲、空心菜和无植物（空白）水平潜流人工湿地作为净化设施，开展为期一年 的人工湿地野外运行。本文通过借鉴传统土壤微生物的研究方法和技术手段，应 用于研究人工湿地系统微生物的分布，从微生物数量和不同植物类型湿地之间的 关系入手，探讨微生物在人工湿地的分布特点，观察其季节性动态变化，并结合 各人工湿地对微污染水体的净化效果，以期阐明微生物时空变化与湿地运行状况 的关系。 就湿地系统内微生物的时间分布特征而言，从夏季到冬季，芦竹、菖蒲、空 心菜和空白湿地系统的微生物数量均随温度的降低而减少，但不同湿地系统减幅 不同。不同季节，各湿地系统的三大基本类群微生物数量中，细菌放线菌真菌。 其中，夏冬季节各湿地系统的细菌数量差异较不明显。与夏季相比，空心菜和空 白湿地系统在冬季的放线菌数量减幅明显，近 1 数量级。从夏季到冬季，随着温 度的降低，人工湿地系统功能菌群微生物均大幅减少，各湿地系统夏季氨化细菌、 亚硝酸细菌和反硝化细菌比冬季多 12 个数量级。 就湿地系统的空间分布特征而言，以芦竹和菖蒲湿地系统为例，从总体上看， 两类潜流人工湿地系统沿程方向细菌、真菌和放线菌的数量遵循从前往后依次减 少的规律。芦竹湿地沿程方向的氨化细菌的数量，呈递减趋势，而菖蒲湿地则无 明显递减规律；芦竹湿地系统的沿程方向亚硝酸细菌数量无显著差异，基本维持 在 102cfu/g 干基质；而菖蒲湿地沿程的亚硝酸细菌数量变化较大，变化在 101103cfu/g 干基质之间； 两类湿地系统中部的反硝化细菌均略大于前后部。 此外， 从深度方向来看，芦竹和菖蒲湿地系统中的细菌、真菌、放线菌、氨化细菌、亚 硝酸细菌和反硝化细菌沿深度方向的增加而减少，表现为上层微生物数量多于下 层。季节变化对下层填料的真菌系统的影响大于上层填料。 从较小空间中根际和非根际微生物数量的变化看，典型菖蒲湿地系 统根际细菌、 真菌和放线菌的数量均大于非根际微生物， 根际效应明显， r/s 值 （根 际微生物量/非根际微生物量）分别为 3.94、1.76 和 16.32。功能菌群微生物的根际 重庆大学硕士学位论文 ii 效应也较明显。其中，氨化细菌的根际效应最明显，r/s 为 6.64；亚硝酸细菌和反 硝化细菌分别为 r/s 为 6.05 和 4.62。季节的变化对根际微生物的数量影响较大。 从各湿地系统运行情况来看，湿地进水 nh4+-n、tn、tp、dtp 和 codmn浓 度分别为 0.231.44mg/l，0.754.37mg/l、0.0490.107mg/l、0.0170.066mg/l 和 6.844.58mg/l，进水水质具有一定的波动性。试验期间，芦竹、菖蒲、空心菜和 空白湿地系统的运行情况良好。不同植物人工湿地对 nh4+-n 的平均去除率超过 50%，夏冬季对 nh4+-n 的去除效果优于秋季。芦竹、菖蒲、空心菜和空白湿地系 统对 tn 的去除率分别为 49.70%、28.62%、34.72%和 26.18%，去除效果遵循夏秋 季节优于冬季的规律。在不同季节中，湿地系统对 tp 的去除效率基本维持在 40% 左右，去除效果稳定且差异较小。各植物湿地系统对 dtp 的去除效果优于空白湿 地系统。湿地系统对 cod 的去除效果也较为稳定，空白湿地对 cod 的平均去除 率为 20.06%，略低于各植物系统。 从湿地系统内微生物数量和各水质指标去除率之间的关系看，在夏季，各湿 地系统的微生物数量与水质指标去除率之间的相关性较强。在夏季，不同人工湿 地系统的细菌总数与 cod 和 dtp 的去除率之间存在着显著的正相关；真菌总数 与 nh4+-n 去除率之间存在着显著的正相关， 这可能是因为与真菌具有强大的酶系 统有关；亚硝酸细菌总数与 nh4+-n 去除率之间存在着也显著的正相关；其他微生 物指标与水质指标不存在显著相关关系。在冬季，不同人工湿地系统的反硝化菌 总数与 tn 去除率之间存在着显著的正相关。 本课题为国家科技支撑计划“小城镇受污染水源水修复关键技术研究”子 （ 2006baj08b01-03 ）、 国 家 水 体 污 染 控 制 与 治 理 重 大 专 项 课 题 （2009zx07104-005）以及重庆市重大科技专项“三峡水体污染控制与治理” (cstc2008ab7135)的资助。 关键词：关键词：人工湿地，微污染水体，微生物，时空分布特征 英文摘要 iii abstract at present, there are different degree pollution in most small-town rivers in china. the traditional repairing technology of wastewater mainly revolves around the methods of physical and chemical methods, which have many problems, such as the high expenses of technology and capital cost, and the difficulty of subsequent operation and management. so they are less suitable for purification of wastewater in small towns and surface water. as a “resource -conserving and environment-friendly” technology, the constructed wetland is high efficiency, low investment, low operating costs and low technical support. therefore, it is especially suitable for small towns in order to control the micro-polluted surface water. fours horizontal subsurface flow constructed wetlands, which were planted with arundo domax, calamus, swamp morningglory and without plants (blank) respectively, were built in the town of gaofeng in wanzhou district of chongqing municipality, in order to purify the water of lushan river that is micro-polluted. the operation of wetlands continued running a year. in this paper, the microorganism quantity was determined by applying the research techniques of soil microorganism. on the basis of seasonal performance, we estimated relation between the quantity of microorganisms and removal effect of wetlands. when concerning characteristics of temporal distribution of, the quantity of microorganism in four wetlands were lower in winter than in summer, and the decrease in four wetland was dissimilar. in different season, three basic groups microorganism in each wetlands are bacteria actinomycetes fungus. ammonifying bacteria, nitire bacteria and denitrifying bacteria were greatly significant reduced with lower temperature. to be specific, they decreased by 12 order of magnitude. when concerning characteristics of spatial distribution, we take arundo domax and calamus wetland systems as examples. generally speaking, the two kinds of wetland systems followed the rule that the quantity of bacteria, actinomycetes and fungus had progressively less along the riser direction. the quantity of ammonifying bacteria in arundo domax wetland presented a degressive tendency, while there was obvious decreasing rule in calamus wetland. when concerning characteristics of depth distribution, the microorganism decreased gradually along the height underground of the bed of wetlands. seasonal 重庆大学硕士学位论文 iv change on the lower paking influence greater than upper paking of fungus. the number of rhizosphere zone microorganisms was larger than in non- rhizosphere zone. the rhizosphere effect was obvious. seasonal variation influenced on the microorganism in rhizosphere zone more greater. during the experiment, the quality of incoming water that is from the river of ru shan has certain volatility, and the wetlands were running in good condition. the removal effect in wetlands with plants were better than blank wetland. the average of nh4+-n removal rate of the wetlands with plant was more than 50%. the removal rate of tn in wetlands was 49.70%, 28.62%, 34.72% and 26.18% respectively. the removal efficiency in autumn was better than in winter. in different seasons, the removal effect of tp was stable and the removal rate maintained at about 40%. the wetlands also have stable removal capability of cod. the average removal rate of cod was 20.06%, slightly lower than other wetlands with plant. the relationship between total number of microorganism and the removal rates of the pollutant index indicated: there was significant positive correlation between number of bacteria and the removal rate of cod and dtp in summer. there was also significant positive correlation between number of fungus and the removal rate of nh4+-n in summer. there was significant positive correlation between number of denitrifying bacteria and the removal rate of tn in winter. this research was supported by national science 在四季中，夏秋季节芦苇湿地微生物数量远高于另外两季。 人工湿地中微生物群落结构多样性的研究 关于湿地中微生物群落多样性的研究还处于起步阶段。根据研究，环境中可 以培养的微生物只占总量的 0.1%1%。因此，用常规的分离培养法很难全面地分 析和评估环境样品中的微生物群体的多样性。 分子生物学是近年来应用于环境领域的一门新的科学。在湿地微生物的研究 中分子微生物生态学研究已取得了初步的成果。 ibekwe等37pcr-dgge方法研究处理奶牛场废水的人工湿地中总细菌群落和 氨氧化菌组成的变化，发现总细菌群落组成以 bacillus、clostridium、mycoplasma、 eubacterium 和 proteobacteria 为主；氨氧化菌的种类在湿地中以 nitrosospira 为主， 且实验期间没有发生优势种群的变化； nitrosomonas 主要存在于粪便、 原水和兼氧 塘中。 roberts 等38原位杂交和半定量 pcr 技术对潜流式湿地系统生物膜中氨氧化 菌 nitrosomans 的原位分析，发现氨氧化菌从生物膜形成的初期就已经存在，但在 5 个月的实验期间其所占比例较低(占总细菌种群的 1%)；nitrosomans 易受环境改 变的影响，因此在整个湿地系统中 nitrosomans 的存在几乎可以忽略；不过，在提 高氨氮浓度的一段时期里，nitrosomans 很快增加到总细菌种群的 7%。 1.4 课题背景及研究目的和内容 1.4.1 课题背景 本课题为国家科技支撑计划“小城镇受污染水源水修复关键技术研究”子 （2006baj08b01-03） 、国家水体污染控制与治理重大专项课题（2009zx07104- 005） 以及重庆市重大科技专项 “三峡水体污染控制与治理” (cstc2008ab7135) 的资助。 1.4.2 研究目的 随着三峡库区小城镇的快速发展，城镇用水量和污水排放量也随之迅速增加， 但多数小城镇的污废水的排放和处理体制不健全，排放的污废水绝大部分未经处 理就直接排入周边河流，进而增加了城镇河流的污染负荷，影响到城镇河流的水 质，最终影响到居民饮用水的安全。与大中城市相比，小城镇所处位置的环境容 量较小，且经济实力弱、技术和管理水平较低，且有些西部小城镇河流的受污染 重庆大学硕士学位论文 10 水平还处于微污染状态。因此，综合考虑各种技术、经济和环境因素，处理小城 镇水体，特别是微污染状态的小城镇水体，应充分发挥小城镇自身优势，因地制 宜，以生物处理工艺为主，实现水体的良性循环。因而，选用人工湿地技术作为 净化微污染水体的研究。 目前人工湿地在我国已经有了较广泛的应用，但主要集中与城市社区生活污 水和工业废水的治理，针对微污染水体的研究较为少见。本课题在已构建的野外 人工湿地的基础上，以重庆市万州区高峰镇鹿山河水作为研究和处理对象，研究 湿地系统微生物随时间和空间的变化特征，揭示野外条件下人工湿地微生物的分 布情况，结合人工湿地系统运行过程对小城镇微污染水体的净化效果，探讨微生 物分布与净化效果之间的关系，以期阐明微生物时空变化与湿地运行状况的关系， 使之能够作为考察湿地运行状况的某些指示，从而为潜流人工湿地修复小城镇微 污染水体提供的理论依据和技术支持。 1.4.3 研究内容 在野外实地构建芦竹、菖蒲、空心菜和空白水平潜流人工湿地系统处理微污 染水，通过对不同季节各湿地系统三大微生物基本类群和三种功能菌群微生物数 量的变化，及湿地系统内微生物数量在沿水流方向和深度方向的变化等展开湿地 系统微生物时空分布特征的研究，并以菖蒲湿地系统为例，进行了根际和非根际 微生物数量的比较，综合分析了不同湿地系统内微生物数量与微污染各水质指标 去除率之间的关系。主要研究内容如下： 研究芦竹、菖蒲、空心菜和空白湿地系统在不同季节细菌、真菌、放线菌、 氨化细菌、亚硝酸细菌和反硝化细菌数量的动态变化，了解温度变化对各湿地系 统内微生物的变化的影响。 芦竹和菖蒲湿地系统为例，研究湿地系统沿程方向和沿深度方向基质微生 物数量的动态变化，考察微生物的空间分布。 菖蒲湿地系统为例，对菖蒲根际和非根际的各微生物数量进行动态监测， 进一步了解植物根际微生物的分布和影响因素。 通过对 4 个湿地系统运行情况的连续监测，结合不同湿地系统内微生物数 量，综合分析两者之间的关系。 2 试验装置、材料与方法 11 2 试验装置、材料与方法 2.1 试验地及装置概况 2.1.1 试验地概况 试验位处重庆市万州区高峰镇雷家村，是三峡库区典型乡镇。重庆市万州区 地处四川盆地东缘，重庆市东北边缘，位于东经 107 55221085325，北纬 302425311458。东与云阳，南与石柱和湖北利川，西与忠县和梁平，北与开 江和开县接壤，东西 97.25km，南北 67.25km，面积 3457km2。境内属亚热带季风 湿润带，气候四季分明，冬暖、多雾；夏热，多伏旱；春早，气温回升快而不稳 定；秋长，阴雨绵绵。境内多年平均气温 17.7，年平均日照时数 1484.4h，年平 均降水 1243mm。高峰镇位于长江北岸，地处万州区城乡结合部，距主城 17 公里， 是万州西部出城第一镇。境内主要有两个水库，其中高峰水库地处万州区高峰镇 赵家村，容水量 270 万 m3，取水口高程 339.0m。镇饮水主要从高峰水库引至当地 水厂，同时也常年为主城区人民饮水提供优质的水源。该水库常年除靠雨水补给 外，有若干条次级河流进行补给，其中最大的一条为鹿山河。鹿山河全长近 10 公 里，主要流经高峰中学、春蕾小学，高峰酒厂、养猪场和鸭子屠宰场。此外，该 区域属于农耕区，种植大棚水果和蔬菜，耕作季节施有大量化肥，当降雨较大产 生地表径流时，会造成大量有机物、氮、磷等流入鹿山河。由于收到附近农户及 居民生活、生产污废水以及农业面源的污染的增加，在 2009 年至 2010 年对鹿山 河入库段进行监测，发现河水 cod 4.586.84mg/l、tn-n 0.754.37mg/l、tp-p 0.0490.107mg/l，属于地表水环境质量标准类。鹿山河在进入高峰水 库前的水质已受到微污染，进而对水库安全造成威胁。 2.1.2 人工湿地装置 试验构建 4 组为水平潜流人工湿地装置(见图 2.1)，分别种植芦竹、菖蒲和空 心菜，并构建一个空白湿地系统（无植物）作为空白。床体一端均匀布水，原水 水平流过床体。 每块湿地池体内面长、 宽和高为 3.0m 1.0m 1.0m （有效高度 0.9m， 超高 0.1m） ，水平流湿地底面坡度为 2%，底部和四周以水泥墙封闭，并进行防渗 处理。单元池分为配水区、处理区、出水区。为了保证较为一致的水力停留时间， 试验采用配水桶法改进高峰人工湿地装置的进水(配水桶见图 2.2)。配水区长 0.15m，宽 1.0m，并以穿孔花墙分隔配水区和处理区，以防短流。处理区填料组成 见图所示。出水区长 0.15m，宽 1.0m，并以穿孔花墙分隔出水区和处理区，均化 出水水质。 重庆大学硕士学位论文 12 从 2008 年 9 月开始，高峰人工湿地系统采用连续进水方式运行。运行期间期 间， 各湿地的进水保持在 0.75m3/d 左右， 湿地水位控制在 80cm， 停留时间为 2.0d。 图 2.1 水平潜流人工湿地构造 fig. 2.1 construction of horizon subsurface constructed wetland 人工湿地通过潜水泵将鹿山河水原水引进湿地床体的配水桶中（见图 2.2） 。 总管及各分管装截止阀以调节水量。处理区所用填料均为当地材料，废砖为当地 建筑垃圾，卵石来自当地河滩，碎石取自当地某采石场。为保证人工湿地具有较 好的渗透性能，填料组成如下：底层为 25cm 厚粗糙卵石（粒径 4060mm） ，中 部为 55cm 厚页岩块（粒径 2040mm） 、厚细小砾石（粒径 10mm30mm）和废 砖等建筑垃圾的混合填料（粒径 10mm30mm） ，表层覆土厚约 10cm。 图 2.2 湿地进水方式 fig. 2.2 water inflow way to wetland 2 试验装置、材料与方法 13 2.2 水样分析 2.2.1 水样采集 2010 年 7 月-2011 年 1 月，人工湿地系统正常运行，每月对芦竹、菖蒲、空心 菜和空白人工湿地系统的进出水取样 24 次。采集后的水样在 24 小时内，分析测 定完毕。 表 2.1 人工湿地进水水质(mg/l) table 2.1 water quality of inlet water of wetlands 指 标 nh4+-n tn dtn tp dtp cod 范 围 0.231.44 0.754.37 0.323.43 0.0490.107 0.0170.066 6.844.58 2.2.2 分析方法 水样的水质分析指标包括氨氮（nh4+-n） 、硝态氮（no3-n） 、亚硝态氮 （no2-n） 、总氮(tn)、溶解性总氮(dtn)、磷酸盐(po43+-p)、总磷(tp)、溶解性 总磷(dtp)、化学需氧量(cod)、溶解氧(do)、ph、t。其中，nh4+-n 采用纳氏试 剂分光光度法法；no3-n 采用紫外分光光度法；no2-n 采用分光光度法；tn、 dtn 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法； po43+-p 采用钼酸盐分光光度法； tp、 dtp 采用过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法；cod 采用高锰酸钾酸性滴定法；do、 ph 和 t 现场直接测定。 2.3 人工湿地填料的采集及微生物数量的测定 2.3.1 填料采集 2010 年 7 月和 2010 年 12 月， 分别在野外构建的人工湿地系统采集填料样品。 采样点主要分布在每个单元池的上层（510cm）和下层（2530cm） ，按距离进水 口 50cm、150cm 和 250cm 的沿程采集样品。每个沿程断面分别采集左中右 3 点的 样品，充分混匀后，装入保鲜袋供测试用。 采集根际填料样品时，随机选取 3 株，将根系挖出，抖落大块填料，取其距 离根系 1cm 的填料，收集附着在根系上的填料，充分混匀后装入保鲜袋中供测试 用。采集非根际填料样品时，避开根系，在多点采集与根际样品采样深度基本一 致的深度采集样品，充分混匀后装入保鲜袋中供测试用。微生物指标在样品采集 后及时进行测定。 重庆大学硕士学位论文 14 2.3.2 微生物数量的测定 根据有关微生物分析方法文献，测定人工湿地填料样品不同微生物种类的数 量。细菌、真菌和放线菌计数采用刮刀涂抹平板计数法；氨化细菌、亚硝酸细菌 和反硝化细菌采用 mpn 法。 制备土壤悬液 称取 10g 上层填料，迅速倒入盛有 90ml 无菌生理盐水（0.85%）的无菌锥形 瓶中，振荡 20min，使得填料充分打散，制成 10-1稀释度的悬液。 称取 100g 下层填料，迅速倒入盛有 500ml 无菌生理盐水（0.85%）的无菌锥 形瓶中，振荡 20min，使得填料充分打散，制成 10-1稀释度的悬液。 稀释 用无菌移液枪吸稀释度 10-1的悬液 1ml,注入盛有 9ml 无菌生理盐水的试管 中，即为 10-2稀释度的悬液。如此重复，用无菌生理盐水按 10 倍制成一系列稀释 液。操作时，每一个稀释度换用一直枪头，每次吸入悬液后，要将枪头插入液面 下方，吹吸 3 次。 培养基制作 不同微生物指标分别采用不同的培养基。细菌、真菌和放线菌数量的测定分 别采用牛肉膏蛋白胨培养基、虎红琼脂培养基和改良高氏 i 号培养基。氨化细菌、 亚硝酸细菌和反硝化细菌的数量测定分别采用蛋白胨氨化培养基、改良的斯蒂芬 森（stephenson）培养基和反硝化细菌培养基。 （各培养基配方见下表 2.2） 。 表 2.2 固体培养基配方 table 2.2 ingredients of solid culture mediums 培养基名称 培养基成分 质量/g 牛肉膏蛋白胨培养基 牛肉膏 3.0 蛋白胨 10.0 琼脂 18.0 氯化钠 5.0 蒸馏水 1000ml ph 7.07.2 马丁氏（martin）培养基 蛋白胨 5.0 葡萄糖 10.0 磷酸二氢钾 1.0 硫酸镁 0.5 琼脂 18.0 蒸馏水 1000ml 2 试验装置、材料与方法 15 培养基名称 培养基成分 质量/g 改良高氏号培养基 可溶性淀粉 20.0 硝酸钾 1.0 磷酸氢二钾 0.5 硫酸镁 0.5 硫酸亚铁 0.01 琼脂 18.0 蒸馏水 1000ml ph 7.27.4 蛋白胨氨化培养基 蛋白胨 5.0 硫酸镁 0.5 磷酸二氢钾 0.5 磷酸氢二钾 0.5 蒸馏水 1000ml ph 7.0 改良的斯蒂芬森培养基 硫酸铵 2.0 硫酸镁 0.03 磷酸氢二钾 0.75 碳酸钙 0.03 磷酸二氢钠 0.25 硫酸锰 0.01 蒸馏水 1000ml ph 7.2 反硝化细菌培养基 柠檬酸钠 5.0 硫酸镁 0.2 硝酸钾 2.0 磷酸氢二钾 1.0 磷酸二氢钾 1.0 蒸馏水 1000ml ph 7.27.5 微生物数量的测定 1） 用电子天平称取填料样品（记下准确质量） ，经过 105烘干 8h，置于干 燥器中，待冷却后称重，按下式计算基质含水量的百分数。 重庆大学硕士学位论文 16 2） 根据有关微生物分析方法文献，细菌、真菌和放线菌数量的测定采用刮刀 涂抹平板计数法，对不同的稀释度进行三次重复实验，并在恒温培养箱中按照不 同的培养条件培养。 其中细菌培养的稀释度选用 10-4、 10-5和 10-6， 在 37培养 1d； 真菌培养的稀释度选用 10-1、10-2、10-3，在 28培养 3-4d；放线菌的培养的稀释 度选用 10-3、10-4和 10-5，在 28培养 5d。待培养结束后，计算菌落的数目并按下 列公式计算每克干基质中的菌数。 3） 根据有关微生物分析方法文献，氨化细菌、亚硝酸细菌和反硝化细菌的数 量测定采用 mpn 稀释法，对不同的稀释度进行四次重复实验，并在恒温培养箱中 按照不同的培养条件培养。其中，氨化细菌采用 10-910-6稀释度，在 28培养 7d 天；亚硝酸细菌采用 10-710-2稀释度，在 28培养 14d 天；反硝化细菌采用 10-710-3稀释度，在 28培养 14d 天。待培养结束后，根据各生理群的生长或反 应，分别记载结果，得到数量指标，从而查询四次重复测数统计表得到细菌 的近似值，并按下列公式计算每克干基质中的菌数。 3 不同季节人工湿地微生物数量的分布 17 3 不同季节人工湿地微生物数量的分布 许多研究表明，人工湿地对污废水的净化作用，主要是通过植物的吸收和微 生物的活动来完成。因此，微生物的类群和数量多寡也会直接影响湿地系统对污 废水的净化效果。人工湿地野外运行过程中，污水水质特点和大气环境，特别是 环境温度对湿地微生物的类群和数量有一定的影响。适宜的温度，可以促进微生 物的生命活动；不适宜的温度，可能会导致微生物形态和生理特性的改变，进一 步减弱或破坏微生物的生命活动。由于我国西部特殊的地域特点，造成了一年四 季并不分明，夏季和冬季较长的特点。所以，本试验主要选取夏季和冬季作为不 同季节的研究时间段。 3.1 不同季节人工湿地微生物基本类群 3.1.1 人工湿地细菌数量的比较 细菌是人工湿地湿地微生物中数量最多的一个类群，组成种类也很复杂。每 克填料中所含的细菌数可达几亿乃至几十亿， 占微生物总数量的 70%90%， 其干 重约占填料有机质的 1%。微生物是人工湿地系统净化污废水的主要贡献者之一， 而细菌在湿地系统的主要微生物类群中占据主导地位，在污水净化过程中起到巨 大作用。它能使复杂的含氮有机物转化成为可供植物和微生物利用的无机氮化物。 细菌可分为好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌、硝化细菌、反硝化细菌、硫细菌和磷 细菌等种类。其中，氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌对人工湿地中含氮化合物 的主要承担者。 图 3.1 不同季节人工湿地系统的细菌数量变化 fig. 3.1 numbers of bacteria in the different seasons in wetlands 重庆大学硕士学位论文 18 图 3.1 是不同季节人工湿地基质的细菌数量分布情况。 试验湿地系统是在野外 环境中运行的，因此不同季节大气环境温度对微生物生命活动的影响不同。从季 节变化上看，夏季比冬季更有利于微生物生长繁殖39，人工湿地系统夏季的细菌 数量大于冬季的数量。植物是人工湿地系统中的重要组成部分，不同季节植物的 生长状况和新陈代谢不相同，因此，不同植物湿地系统的细菌数量也有差异。 在夏季，有植物人工湿地的基质细菌数量均高于空白湿地（见表 3.1） 。上层 填料中，芦竹湿地的细菌数量略高于空白，为 2.68 106cfu g-1干基质；菖蒲湿地系 统的细菌数量高于芦竹湿地，为 3.05 106cfu g-1干基质；空心菜湿地系统的细菌数 量最大，为 5.49 106cfu g-1干基质；空白系统最少，仅为 1.59 106cfu g-1干基质。 下层填料中，芦竹湿地系统的细菌数量略低于空白，为 4.63 105cfu g-1干基质；菖 蒲和空心菜湿地系统的细菌数量相当，分别为 8.89 105cfu g-1干基质和 8.63 105cfu g-1干基质，高于空白系统。 表 3.1 不同季节不同湿地系统的细菌数量（cfu g-1干基质） table 3.1 numbers of bacteria in the different seasons in wetlands 湿地类型 取样位置 夏季 冬季 芦竹湿地 上层 2.68 106 1.78 106 下层 4.63 105 2.91 105 菖蒲湿地 上层 3.05 106 2.77 106 下层 8.89 105 7.77 105 空心菜湿地 上层 5.49 106 1.12 106 下层 8.63 105 5.31 105 空白湿地 上层 1.59 106 9.35 105 下层 5.11 105 4.89 105 在冬季，随着温度的降低，各植物湿地系统的基质细菌数量有所下降，但仍 高于空白湿地系统。 上层填料中， 菖蒲湿地系统的细菌数量最大， 为 2.77 106cfu g-1 干基质，这与可能菖蒲的根茎较强的耐寒性，根茎能够深入填料过冬有关；空心 菜湿地系统的细菌数量较夏季，减幅较大，为 1.12 106cfu g-1干基质，这主要是由 于在低温环境下，空心菜的地上和地下部分都会枯萎死亡；空白系统最少，仅为 9.35 105cfu g-1干基质。下层填料中，芦竹湿地系统的细菌数量低于空白，为 2.91 105cfu g-1干基质，这可能与芦竹根系有关；菖蒲湿地系统的细菌数量最大， 为 7.77 105cfu g-1干基质；空心菜湿地系统的细菌数量次之，为 5.31 105cfu g-1干 基质；空白系统的细菌数量为 4.89 105cfu g-1干基质，与夏季差别不大。 3 不同季节人工湿地微生物数量的分布 19 分析发现，与空白湿地系统相比，植物的存在和环境温度的变化共同影响湿 地系统内基质细菌的数量变化。此外，在夏冬季节，芦竹、菖蒲和空心菜湿地系 统在同一取样位置的细菌数量均保持相同数量级。这主要是由于湿地系统经过 2 年长期运行，细菌的数量不再大幅度的增加，而是逐渐形成了数量比较稳定的生 物群落，这与付融冰40等人对长期运行湿地的细菌数量的研究发现一致。 3.1.2 人工湿地真菌数量的比较 真菌是参与湿地微生物系统中对有机质分解的主要成员之一。真菌具有强大 的酶系统，能促进纤维素、木质素、果胶等的分解，并能将蛋白质最终分解释放 出氨。研究表明，真菌适宜生长的 ph 为 4.06.0，具有一定耐酸性和能够在低温 下繁殖活动的特性。因此，相比温度的变化，进水水质的 ph 对真菌数量的影响较 大。 表 3.2 不同季节不同湿地系统的真菌数量（cfu g-1干基质） table 3.2 numbers of fungus in the different seasons in wetlands 湿地类型 取样位置 夏季 冬季 芦竹湿地 上层 5.01 103 1.16 103 下层 1.27 103 4.30 102 菖蒲湿地 上层 1.14 104 3.38 103 下层 2.35 103 1.32 103 空心菜湿地 上层 6.91 103 3.80 103 下层 2.16 103 1.29 103 空白湿地 上层 2.39 103 2.04 103 下层 1.45 103 6.38 102 不同季节人工湿地基质的真菌数量分布情况见表 3.2。在夏季，植物人工湿地 的基质真菌数量均高于空白湿地。上层填料中，空白湿地的真菌数量为 2.39 103cfu g-1干基质；菖蒲湿地的真菌数量最大，为 1.14 104cfu g-1干基质，比 空白约高 1 个数量级；空心菜和芦竹湿地系统次之，分别为 6.91 103cfu g-1干基质 和 5.01 103cfu g-1干基质。下层填料中，芦竹湿地系统的真菌最少，为 1.27 103cfu g-1干基质；菖蒲湿地的真菌数量与上层填料相差近一个数量级，为 2.35 103cfu g-1干基质，这主要是由于下层填料的通气状况劣于上层所致；空心菜 和空白湿地差别不大，分别为 2.16 103cfu g-1干基质和 1.45 103cfu g-1干基质，主 要是由于空心菜的根茎较短，根际的作用无法深入填料下层。 重庆大学硕士学位论文 20 在冬季，随着温度的降低，各植物湿地系统的基质真菌数量有所下降。上层 填料中，芦竹、菖蒲、空心菜和空白湿地系统的真菌数量分别为 1.16 103cfu g-1 干基质、3.38 103cfu g-1干基质、3.80 103cfu g-1干基质和 2.04 103cfu g-1干基质。 其中，芦竹湿地系统的真菌数量最少，略低于空白湿地系统，而菖蒲湿地系统的 减幅较大。下层填料中，芦竹湿地系统的真菌数量仍低于空白，为 4.30 102cfu g-1 干基质，与上层填料相差 1 个数量级；菖蒲和空心菜湿地系统的真菌数量相当， 分别为 1.32 103和 1.29 103cfu g-1干基质；空白系统的真菌数量为 6.38 102cfu g-1 干基质。 图 3.2 不同季节人工湿地系统的真菌数量变化 fig. 3.2 numbers of fungus in the different seasons in wetlands 从夏季到冬季，湿地系统上下层的真菌数量都逐渐减少(见图 3.2)。其中，各 植物湿地湿地系统的上层填料真菌数量变化幅度较大，菖蒲湿地减幅达到 8.10 103cfu g-1干基质，而空白湿地变化较小。菖蒲和空心菜湿地系统的下层填料 真菌数量减幅较小， 而芦竹和空白湿地系统的减幅近 3.00 103cfu g-1干基质。 此外， 相比空白湿地系统，芦竹湿地的真菌在数量上没有优势，从某个方面可以认为芦 竹的存在对真菌数量并无促进作用，可能原因是芦竹发达的根须，分泌某种化学 物质，抑制真菌的繁殖。 本试验湿地系统内真菌的数量基本维持在 103cfu g-1干基质。而梁威等人通过 构建复合垂直流人工湿地净化污水的试验研究中，其真菌数量基本维持在 104105 cfu g-1干基质41。李智等人在室外环境中构建用于净化小区住户生活污水，在湿地 系统内基质微生物的研究中，真菌数量高达 106 cfu g-1干基质42。这主要是由于进 3 不同季节人工湿地微生物数量的分布 21 水水质条件不同造成的差异。本试验进水主要是小城镇微污染水体，进水各种 n、 p 污染物浓度低于生活污水。此外，通过对进水水质一年的动态监测发现，进水 ph7.65，较不利于基质真菌的生长。 3.1.3 人工湿地放线菌数量的比较 放线菌能分解氨基酸等蛋白质物质，还能形成抗生物质，是湿地系统中不含 氮和含氮有机化合物分解的积极参与者。放线菌在人工湿地系统中的分布广泛， 每克填料中有几万到几十万，是维持湿地生物群落的动态平衡的主要类群，也是 研究人工湿地微生物时不可忽略的一部分。 人工湿地系统中放线菌的主要种类和优势属基本为好氧腐生菌，对环境的要 求较真菌严格。低温条件将会使放线菌致于不适宜的生长环境。本试验湿地系统 用于处理微污染河水，进水水质 do 常达 4.00mg/l 以上，进水 ph 保持在 7.07.6 之间，因此，当温度适宜时，有利于放线菌的大量繁殖。 表 3.3 不同季节不同湿地系统的放线菌数量（cfu g-1干基质） table 3.3 numbers of actinomycetes in the different seasons in wetlands 湿地类型 取样位置 夏季 冬季 芦竹湿地 上层 6.31 105 1.07 105 下层 7.69 104 3.87 104 菖蒲湿地 上层 4.53 105 1.03 105 下层 1.96 105 3.08 104 空心菜湿地 上层 5.93 105 6.92 104 下层 1.82 105 2.87 104 空白湿地 上层 2.57 105 3.40 104 下层 1.61 105 1.92 104 不同季节潜流人工湿地系统放线菌数量分布不同。不同植物湿地系统间，放 线菌的数量也存在一定差异，具体见表 3.3。在夏季，有植物潜流人工湿地的放线 菌数量均高于无植物湿地系统（空白系统） 。上层填料中，放线菌数量的大小依次 为芦竹湿地空心菜湿地菖蒲湿地空白湿地， 大小分别为 6.31 105cfu g-1干基质、 5.93 105cfu g-1干基质、4.53 105cfu g-1干基质和 2.57 105cfu g-1干基质。 下层填料中，芦竹湿地系统的放线菌比上层填料减少了近 1 个数量级，这可 能与芦竹根系对放线菌有某种抑制作用有关。菖蒲、空心菜和空白湿地系