1、第45卷植物与微生物协同净化黑臭水体的脱氮性能鲁翠翠1，2，3，蔡文倩2，张翠霞1，3，4*，曹欣彤5，凌晨1，3，白晓琴1，3，4（1.天津科技大学海洋与环境学院，天津300457；2.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心，北京100012；3.天津市海洋环境保护与修复技术工程中心，天津300457；4.天津市海洋资源与化学重点实验室，天津300457；5.天津泰达威立雅水务有限公司，天津300457）摘要：该研究通过在室内模拟黑臭水体，建立苦草和梭鱼草独立与混合生态浮床，研究微纳米曝气条件下植物和微生物协同净化黑臭水体的脱氮性能和微生物群落结构特征，并探讨黑臭水体脱氮性能与微生物群
2、落之间的关系。结果表明，苦草组、梭鱼草组和混合组对氨氮的平均去除率为97.83%、98.18%、98.33%，对总氮的去除率为62.38%、72.24%、62.27%，三者都高于对照组。植物对氨氮和总氮的去除不明显，水体微生物和生物膜微生物的硝化和反硝化作用是脱氮的主要途径。第12天、第31天水体和定植棉生物膜的微生物群落的优势门为变形菌门、拟杆菌门、放线菌门和Dependentiae菌门；优势的黄杆菌属、气单胞菌属、假单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属、红杆菌属等都属于异养硝化-好氧反硝化细菌。定植棉生物膜的物种数、Chao1指数、Shannon指数都明显高于第12天和第31天的水体微生物群落，水体微
3、生物和种植棉生物膜的优势菌属和群落结构存在一定的差异。实验后期，化学需氧量浓度是影响水体脱氮效果的重要因素。关键词：生态浮床；脱氮；微孔曝气；微生物群落结构；黑臭水体中图分类号：X703文献标志码：Adoi：10.19672/ki.1003-6504.1318.22.338文章编号：1003-6504(2022)12-0078-11Nitrogen Removal Performance of Black and Odorous Water Purificationby Plants and MicroorganismsLU Cuicui1，2，3，CAI Wenqian2，ZHANG Cui
4、xia1，3，4*，CAO Xintong5，LING Chen1，3，BAI Xiaoqin1，3，4（1.College of Marine and Environmental Science,Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300457,China;2.Technical Centre for Soil,Agriculture and Rural Ecological Environment,Ministry of Ecology and Environment，Beijing 100012,China;3.Tianjin
5、 Marine Environmental Protection and Restoration Technology Engineering Center,Tianjin 300457,China;4.Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry,Tianjin 300457,China;5.TEDA Veolia Water Co.,Ltd.,Tianjin 300457,China）Abstract：In this study,independent and mixed ecological floating beds
6、for Vallisneria natans(Lour.)and Pontederia cordataL.Hara was established to purify the black and odorous water body under micro-nano aeration.The nitrogen removalperformance and microbial community characteristics under aquatic plants and microbial,and the relationship between thenitrogen removal e
7、ffect and microbial community was discussed.The results showed that the average removal rates of ammonia nitrogen and total nitrogen for three treatments were 97.83%,98.18%,98.33%and 62.38%、72.24%、62.27%,respectively,which were higher than those of the control group.The removals of ammonia nitrogen
8、and total nitrogen by plants were notobvious,and the nitrification and denitrification of water and biofilm microorganisms were the main ways of nitrogen removal.Proteobacteria,Bacteroidetes,actinobacteria and Dependentiae were the dominant phyla in microbial community of thewater body and cotton bi
9、ofilm on Day 12 and 31.The dominant genera of Flavobacterium,Aeromonas,Pseudomonas,Sphingomonas and Rhodobacter were heterotrophic nitrification-aerobic denitrification bacteria.The number of species,Chao1鲁翠翠，蔡文倩，张翠霞，等.植物与微生物协同净化黑臭水体的脱氮性能J.环境科学与技术，2022，45（12）：78-88.Lu Cuicui，Cai Wenqian，Zhang Cuixia
10、，et al.Nitrogen removal performance of black and odorous water purification by plants and microorganismsJ.Environmental Science&Technology，2022，45（12）：78-88.Environmental Science&Technology第45卷 第12期2022年12月Vol.45 No.12Dec.2022环境科学与技术 编辑部：（网址）http:/（电话）027-87643502（电子信箱）收稿日期：2022-06-07；修回2022-08-22作者
11、简介：鲁翠翠（1996-），女，硕士研究生，主要研究方向为水污染修复技术，（电子信箱）；*通讯作者，（电子信箱）。第12期indexes and Shannon indexes of microbial community from fixed cotton biofilms were significantly higher than those of waterbody on Day 12 and 31.There were certain differences in dominant genera and community structure of microbial communi
12、tybetween water and cotton biofilm.At the late stage of the experiment,COD concentration was an important factor affectingthe rates of nitrogen removal.Key words：ecological floating bed;the removal of nitrogen;micro-nanometer aeration;microbial community structure;blackand odorous water body鲁翠翠，等植物与
13、微生物协同净化黑臭水体的脱氮性能农村黑臭水体治理整体上还在起步阶段，难度较大。针对黑臭水体的治理，相比较物理和化学修复技术，生物修复技术具有低成本、无二次污染、效果稳定等优点，是当前水体生态修复研究的热点。生物修复技术包括植物修复和微生物修复2类，微生物修复技术主要是应用微生物菌剂实现黑臭水体的治理1-4，而植物或者联合微生物的修复主要是通过生态浮床(岛)和人工湿地的来实现黑臭水体的自然净化5，6。脱氮是治理黑臭水体中的重要部分。在人工湿地中，通过微生物和植物的协同净化完成脱氮，但是植物吸收对氮去除的贡献较小，微生物对氮的转化作用才是主要的脱氮途径7-9，水生植物可以增加微生物的多样性、数量和
14、活动强度等来增强微生物对氮的转化去除10，11。考虑到人工湿地占地面积大、植栽床孔隙易堵塞、系统长期运行不稳定等缺点12，再加农村黑臭水体大多是封闭或半封闭的水体，土著植物易获取和移栽，因此本研究采用水培技术的生态浮床作为载体种植植物。种植的植物需要聚氨酯材料的定植棉进行固定，正好作为水体生物膜的附着载体，植物并与微生物间形成了良好的互惠共生关系，从而实现植物和微生物的协同作用净化黑臭水体。低溶解氧(DO)含量是黑臭水体的重要标志之一，人工曝气是目前公认的一种快速有效的原位修复技术。此外，随着污水生物脱氮技术的发展，异养硝化-好氧反硝化菌的污水生物处理潜力引起广泛的关注13，DO浓度在好氧反硝
15、化过程中是一个关键参数14。因此，本研究通过使用微纳米级橡胶曝气管产生的微纳级气泡实现水体的充氧。选用代表性的沉水植物苦草和挺水植物梭鱼草，设计独立和混合植物生态浮床，实验室内模拟黑臭水体，研究曝气条件下植物和微生物对黑臭水体中的脱氮效果；并通过高通量测序技术，探讨黑臭水体中脱氮性能与微生物群落之间的关系。本研究可为农村黑臭水体的生态修复提供重要的理论和技术支持，对改善农村生态环境具有参考意义。1材料与方法1.1实验植物苦草(Vallisneria natans(Lour.)Hara)是多年生无茎沉水型草本植物，分布广泛，有较强的耐污能力和净水能力，且再生能力强；梭鱼草(Pontederia
16、cordataL.)为典型的挺水植物，根系发达且景观效果好。以上2种植物均采购于大足聚鑫园艺花卉水草养殖公司，选取生长状态良好的植株进行自来水驯化，植株驯化期间加入少量霍格兰营养液，使植株快速适应实验室环境。在实验开始前，进行植株的冲洗，测量长度和称取重量。1.2实验设计处理装置选用45 L(长宽高：535 mm390 mm325 mm)的透明塑料箱，在箱底放置盘式纳米微孔曝气管。距离箱底7 cm处放置塑料隔板用于固定苦草种植篮(外径32 mm高30 mm)；用已打孔的聚苯乙烯泡沫板和种植篮(外径50 mm高50 mm)固定梭鱼草，使苦草和梭鱼草均匀分布于培养箱表层水体。为保证不同处理组的统一性，每个处理组全部放置塑料隔板、聚苯乙烯泡沫板和相同数量的种植篮，种植蓝里放入聚氨酯定植棉固定植物的根茎，处理过程中作为微生物的附着载体。实验于2021年8月在实验室窗台上进行，接受正常日光的照射。实验共设计4组，分别为空白对照组(CK)、苦草组(V)、梭鱼草组(P)和混合组(苦草+梭鱼草，V+P)，每组重复3次，共计12个培养箱。实验装置如图1。1.3实验过程和采样实验用水采自天津泰达威立雅水务
