棉漿廢液培養異養硝化菌降解土壤中硝態氮的研究

高紅+侯思琰

摘要：棉漿廢液屬于高濃度有機廢水，較難降解，利用其作為微生物培養基培養異養硝化細菌應用于土壤硝態氮的降解，既能達到污染物的轉化又可實現土壤修復作用。試驗結果表明，N4菌能在土壤環境中發生反硝化反應去除硝態氮，投菌30 d后土壤中的硝態氮含量低于或接近正常值，同時銨態氮含量略有提高，對促進植物生長起到一定的積極作用。為便于大規模田間應用，確定最低投菌量為3.0×1010 個/kg；投菌周期為30 d。

關鍵詞：棉漿廢液；光合細菌；土壤；硝態氮；投菌量

中圖分類號： X703文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0330-02

收稿日期：2014-01-14

作者簡介：高紅（1981—），女，天津人，碩士，講師，主要從事環境污染治理教學與研究。E-mail：gh0121@126.com。我國每年產生大量的棉稈廢棄物，處置困難，而棉稈本身的化學形態及纖維結構決定了它是一種較為優質的造紙原料。從解決造紙資源緊缺、保護環境及實現循環經濟的角度考慮，將棉稈與APMP（堿性過氧化氫機械漿）技術相結合，可制造出高得率的瓦楞原紙的本色漿[1]。但APMP廢水的污染負荷屬于高濃度有機廢水，利用普通的物理、生化等方法處理較難達到造紙工業廢水排放標準[2-3]。

通過生物轉化的途徑可對棉漿廢液進行資源化，由于棉漿廢液中含有大量的纖維素及其分解產生的低分子量的半纖維素、甲醛、醋酸、乙酸、多糖、果膠、蛋白等多種營養物質，是一種天然的微生物培養基。可利用這些營養成分作為培養光合細菌的基質，生產出有益微生物制劑，最終實現循環經濟。

土壤生物修復是新近發展起來的一項清潔環境的新興技術。它是指利用特定的生物（植物、微生物或原生動物）吸收、轉化、清除或降解環境污染物，實現環境凈化、生態效應恢復的生物措施。優點主要為處理費用低，處理成本只相當于物化方法的1/3～1/2；處理效果好，對環境的影響低，不會造成二次污染，不破壞植物生長所需要的土壤環境；處理簡單，可以就地進行處理。基于這些優點，應用生物修復已成為當今土壤污染治理技術研究的一大熱點。

土壤本身是缺氧和兼性厭氧的環境，有利于光合細菌發生反硝化反應將硝酸鹽氮轉化為氮氣脫出系統，對降低土壤中的硝酸鹽氮有非常重要的意義。本試驗中利用棉稈機械漿廢液作為培養光合細菌的培養基，培養一種產酸克雷伯式菌（筆者所在實驗室從土壤中篩選獲得，命名為N4），將其應用于土壤中硝酸鹽氮的降解。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1材料試驗所用的廢液為棉稈經APMP機械制漿后的擠出液，其過程中只加入了堿液NaOH，以降低棉稈原料中纖維與木質素、半纖維素之間的結合強度。擠出廢液中仍保留有棉稈本身的大量天然營養物質，這些成分適宜用作微生物培養基。

1.1.2儀器和藥品儀器：QYC200恒溫空氣搖床，上海富馬儀器公司生產；定氮蒸餾裝置，天津玻璃廠生產；BS110S分析天平，德國SARTORIUS公司生產。主要藥品：飽和硫酸鈣溶液、鹽酸標準溶液（0.01 mol/L）、甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑、氧化鎂懸液、硫酸亞鐵鋅還原劑、硼酸（20 g/L）。

1.2方法

1.2.1試驗設計取3個錐形瓶，各加入100 g風干土，并施入預先配制好的KH2PO4 0.15 mg。同時加入15 mL蒸餾水將土潤濕，塞好棉塞置于溫度為20～30 ℃的室內，培養 10 d 后分別施入普通培養基培養的N4菌液，并加入棉漿廢液培養基培養的N4菌液。試驗共設3個處理，分別為處理1施入普通培養基培養的N4菌液20 mL、處理2加入棉漿廢液培養基菌液10 mL、處理3加入棉漿廢液培養基培養的N4菌液5 mL，每處理重復3次。不同處理土壤保持同一濕度。

在測定最低投菌量時，培養方式同上，將5、2、1、0.5、0.1 mL 棉漿廢液培養的菌液分別投入已經培養好的土壤中，處理間保持濕度一致。

1.2.2測定時間及方法投菌前取樣1次，投菌后每隔10 d取樣1次，分別測定土壤中NO-3-N、NH+4-N含量[4]。

2結果與分析

2.1不同處理N4菌對土壤中硝態氮降解的影響

由于普通細菌培養基中含有銨鹽，在好氧培養過程中部分銨態氮被合成為細菌自身細胞物質，部分好氧硝化為硝態氮，大部分硝態氮被N4菌同步反硝化為氮氣脫除，有部分殘留于培養基中，故施加普通培養基培養的N4菌的土壤中硝態氮本底值高于其他2種處理（圖1）。

總體來看，3個土樣中硝態氮初始值均高于正常值（0.5～50.0 mg/kg）。經過處理后，土壤中的硝態氮均有明顯的降低，處理后前20 d去除速率較快而后變緩。試驗初期處理1中硝態氮的去除速率不及處理2、處理3，因為培養基中有未被N4菌代謝完的銨鹽存在，使得處理1的土樣在開始時銨態氮含量就高于其他2個土樣，阻礙了反硝化反應的正向進行。后期由于N4菌的衰亡，處理1中的菌數優勢體

現出來，最終硝態氮的去除率達到79.3 %，略高于其他2個處理（圖1）。3個土樣硝態氮的最終含量均低于或接近正常值，說明N4菌能明顯降低土壤中的硝態氮，2種培養方式對其作用效果沒有影響。3個處理中不同菌量對硝態氮去除的影響也不明顯，說明還未達到最低投菌量。土壤是缺氧而非嚴格厭氧的環境，可以斷定N4菌在土壤中發生的是好氧反硝化反應，與異氧硝化菌一般都是好氧反硝化菌的報道一致[5]。N4菌利用好氧反硝化酶[6]的作用，在有氧條件下進行反硝化作用去除硝態氮。據報道，好氧反硝化菌要求的溶解氧濃度較低，在一定范圍內反硝化率不受溶解氧的影響[7]，所以N4菌能在有氧環境土壤中很好地去除硝態氮。

2.2土壤中銨態氮的變化

3個土樣中銨態氮的變化如圖2所示。在土壤中N4菌主要發生的是反硝化反應，硝態氮被還原為氮氣脫出系統（圖2）。3個處理中銨態氮含量均有所升高，銨態氮是能被植物直接吸收利用的存在形式[8]，被吸收到植物體內的銨態氮可直接與光合作用產物有機酸結合，形成氨基酸，進而形成其他含氮有機物。N4菌能夠使土壤中硝態氮降解的同時，銨態氮含量略有增加，對植物生長能起到一定的促進作用。

2.3最佳投菌量

為便于大規模田間應用，試驗設計5種不同投菌量，測定處理后10 d土壤中硝態氮含量及20 d后低投菌量處理中硝態氮的變化（圖3）。由圖3可見，隨著投菌量的減少硝態氮去除率降低，投菌量低于2 mL去除率降低明顯。

20 d后測定3種低投菌量處理土樣中硝態氮的變化，結果（表1）表明，20 d后低投菌量處理硝態氮降解量均較低，說明2 mL是N4菌在土壤中的最低投菌量，即投菌量為 3.0×1010 個/kg。

2.4土壤中N4菌的生長情況

投菌后用基本細菌培養基，采用稀釋平皿法按10-4、10-5、10-63個稀釋度測定土壤中的N4菌數，結果如表2所示。N4菌在投菌30 d后數量明顯減少，說明在土壤這個復雜的微生物環境中，菌群之間相互競爭，N4菌由于生長周期較長，不能一直保持數量上的優勢，在一段時間后出現衰亡。若持續降低硝態氮的含量，應每隔30 d投加N4菌以保持其優勢，投菌量為3.0×1010 個/kg。

培養時間（d）N4菌的數量（107 個/g）102.3202.1301.540 0.6

3結論

試驗結果表明，N4菌能在土壤環境中發生反硝化反應去除硝態氮，棉漿廢液、普通培養基這2種培養方式對N4菌降解硝態氮沒有影響。投菌30 d后土壤中的硝態氮含量低于或接近正常值，對降低種植地土壤中硝態氮的本底值，進而對降低蔬菜中硝酸鹽殘留有重要的意義。N4菌能夠在促進土壤中硝態氮降解的同時使銨態氮含量略有提高，對促進植物生長起到一定的積極作用。為便于大規模田間應用，確定最低投菌量為3.0×1010 個/kg；若要保持土壤中N4菌的優勢，投菌周期為30 d。

參考文獻：

[1]秦麗娟，劉廷志，陳夫山，等. 新技術、新設備、新方法提高瓦楞原紙強度[J]. 黑龍江造紙，2005，33（1）：22-24.

[2]武書彬. 造紙工業水污染控制與治理技術[M]. 北京：化學工業出版社，2001.

[3]楊學富. 制漿造紙工業廢水處理[M]. 北京：化學工業出版社，2001.

[4]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M]. 上海：上海科學技術出版社，1978.

[5]Scholten E，Lukow T，Auling G，et al. Thauera mechernichensis sp. nov.，an aerobic denitrifier from a leachate treatment plant[J]. International Journal of Systematic Bacteriology，1999，49（3）：1045-1051.

[6]Robertson L A，Gijskuenen J. Aerobic denitrification：a controversy revived[J]. Arch Microbiology，1984，13（3）：351-354.

[7]Wilson L P，Bouwer E J. Biodegradation of aromatic compounds under mixed oxygen/denitrifying conditions：a review[J]. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology，1997，18（2/3）：116-130.

[8]劉光崧. 土壤理化分析與剖面描述[M].

2.3最佳投菌量

為便于大規模田間應用，試驗設計5種不同投菌量，測定處理后10 d土壤中硝態氮含量及20 d后低投菌量處理中硝態氮的變化（圖3）。由圖3可見，隨著投菌量的減少硝態氮去除率降低，投菌量低于2 mL去除率降低明顯。

20 d后測定3種低投菌量處理土樣中硝態氮的變化，結果（表1）表明，20 d后低投菌量處理硝態氮降解量均較低，說明2 mL是N4菌在土壤中的最低投菌量，即投菌量為 3.0×1010 個/kg。

2.4土壤中N4菌的生長情況

投菌后用基本細菌培養基，采用稀釋平皿法按10-4、10-5、10-63個稀釋度測定土壤中的N4菌數，結果如表2所示。N4菌在投菌30 d后數量明顯減少，說明在土壤這個復雜的微生物環境中，菌群之間相互競爭，N4菌由于生長周期較長，不能一直保持數量上的優勢，在一段時間后出現衰亡。若持續降低硝態氮的含量，應每隔30 d投加N4菌以保持其優勢，投菌量為3.0×1010 個/kg。

培養時間（d）N4菌的數量（107 個/g）102.3202.1301.540 0.6

3結論

試驗結果表明，N4菌能在土壤環境中發生反硝化反應去除硝態氮，棉漿廢液、普通培養基這2種培養方式對N4菌降解硝態氮沒有影響。投菌30 d后土壤中的硝態氮含量低于或接近正常值，對降低種植地土壤中硝態氮的本底值，進而對降低蔬菜中硝酸鹽殘留有重要的意義。N4菌能夠在促進土壤中硝態氮降解的同時使銨態氮含量略有提高，對促進植物生長起到一定的積極作用。為便于大規模田間應用，確定最低投菌量為3.0×1010 個/kg；若要保持土壤中N4菌的優勢，投菌周期為30 d。

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[8]劉光崧. 土壤理化分析與剖面描述[M].

2.3最佳投菌量

為便于大規模田間應用，試驗設計5種不同投菌量，測定處理后10 d土壤中硝態氮含量及20 d后低投菌量處理中硝態氮的變化（圖3）。由圖3可見，隨著投菌量的減少硝態氮去除率降低，投菌量低于2 mL去除率降低明顯。

20 d后測定3種低投菌量處理土樣中硝態氮的變化，結果（表1）表明，20 d后低投菌量處理硝態氮降解量均較低，說明2 mL是N4菌在土壤中的最低投菌量，即投菌量為 3.0×1010 個/kg。

2.4土壤中N4菌的生長情況

投菌后用基本細菌培養基，采用稀釋平皿法按10-4、10-5、10-63個稀釋度測定土壤中的N4菌數，結果如表2所示。N4菌在投菌30 d后數量明顯減少，說明在土壤這個復雜的微生物環境中，菌群之間相互競爭，N4菌由于生長周期較長，不能一直保持數量上的優勢，在一段時間后出現衰亡。若持續降低硝態氮的含量，應每隔30 d投加N4菌以保持其優勢，投菌量為3.0×1010 個/kg。

培養時間（d）N4菌的數量（107 個/g）102.3202.1301.540 0.6

3結論

試驗結果表明，N4菌能在土壤環境中發生反硝化反應去除硝態氮，棉漿廢液、普通培養基這2種培養方式對N4菌降解硝態氮沒有影響。投菌30 d后土壤中的硝態氮含量低于或接近正常值，對降低種植地土壤中硝態氮的本底值，進而對降低蔬菜中硝酸鹽殘留有重要的意義。N4菌能夠在促進土壤中硝態氮降解的同時使銨態氮含量略有提高，對促進植物生長起到一定的積極作用。為便于大規模田間應用，確定最低投菌量為3.0×1010 個/kg；若要保持土壤中N4菌的優勢，投菌周期為30 d。

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[8]劉光崧. 土壤理化分析與剖面描述[M].