CN105967337A - 使用k73细菌的水体生态净化集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生态保护与修复领域，具体而言，涉及一种使用K73细菌的水体生态净化集成方法，包括：在待净化水体中投放微生物、水生植物和水生动物；所述微生物为类球红细菌K73，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为：CGMCC NO.12310；保藏时间为：2016年3月28日。本发明提供的K73细菌通过与水生动物及水生植物配合，可大幅协同促进水体净化能力。与传统的物理或化学方面的处理手段相比，本发明提供的水体生态净化系统的构建方法没有生态副作用。

Description

使用K73细菌的水体生态净化集成方法

技术领域

本发明涉及生态保护与修复领域，具体而言，涉及一种使用K73细菌的水体生态净化集成方法。

背景技术

随着人类文明的高速发展，大量的氮磷营养物质排入河流、湖泊，如化肥、农药、生活洗涤用水等等，使得水体富营养化治理已成为当今世界性难题。

自然界水体本身具有自净能力，但自净能力有负荷极限，污染的大量注入，超出了水体的净化极限，导致大量营养物质过剩，给水体中藻类的生长提供了便利条件，所以藻类成了优势种群，导致泛滥成灾，覆盖水面，争夺阳光和氧气，导致水体生态系统失衡，并释放藻毒素，严重污染水质，破坏景观。藻类因个体小，很难被消化，通过过滤和高等水生动物无法有效抑制。虽然通过化学的方法和絮凝剂可以控制藻类，但是会产生二次污染，从生态学的角度来说是得不偿失的一种方法。

解决水体富营养化问题的关键是调整水体生态系统结构，使其恢复自然、健康和稳定的水生生态系统功能，提高水生生态系统的生物净化能力。在受污染地表水体中种植水生植物、投放水生动物是比较主流的水体生态净化技术。但是，在这个技术手段的基础上集成使用微生物细菌的集成技术比较少，难以构建一个稳定的生态系统，因而净化能力还有待进一步的提高。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用K73细菌的水体生态净化集成方法，以解决上述问题。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种使用K73细菌的水体生态净化集成方法，在待净化水体中投放微生物、水生植物和水生动物；

所述微生物为类球红细菌K73，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为：CGMCC NO.12310；保藏时间为：2016年3月28日。

该菌种拉丁学名为Rhodobacter sphaeroides，中文学名为类球红细菌，菌株名为K73，来源于北京小清河河底淤泥中。另外，对于该菌株，经过纯化后测序，其16S rRNA基因序列如SEQ ID NO:1所示。

上述的经过分离纯化的类球红细菌，其单个细胞为放线状，在光照厌氧、黑暗好氧及微好氧条件均能生长，液体培养物由最初的浅黄色变为棕红色，瓶底和瓶壁出现少量的棕红色沉淀物，在固体培养基上形成2～3mm的点状菌落、边缘整齐。

经过鉴定，该类球红细菌属于变形菌门α变形菌纲红细菌目红细菌科红细菌属细菌，其具有广泛的能量代谢机制，在光照条件下能光合作用，在黑暗条件下好氧生长；可充分利用水体中的动物排泄物、动植物残骸的分解产物以及其他悬浮或溶解于水的污染物，从而达到去除水中污染物、提高水质的效果。现有技术中，通常通过投放水生动植物以达到生态修复的目的，但在一个完整的生态系统中，微生物所起到的作用不容小觑。通过该菌株与其它水生动植物的配合，可大幅提升水体的自净效果，加快降低水体中的氮和磷等物质含量的效率，其提高水体透明度的效果非常明显。水生植物能够通过光合作用，吸收二氧化碳，释放出氧气，使水体中的氧气不断得到补充，以利于水生动物以及类球红细菌K73的生长生活。与传统的物理或化学方面的处理手段相比，本发明没有生态副作用，环境相容性好，类球红细菌K73与水生动物以及水生植物构成了一个稳定高效的水体生态净化系统，净化成本低。

优选的，K73菌株是以微生物菌剂形式投放到待净化水体中的，在本申请的一个实施例中具体的公开了该微生物菌剂及其制备方法。

优选的，如上所述的水体生态净化集成方法，所述水生植物为浮叶植物、沉水植物和挺水植物。

不同类型的水生植物有着不同的净化功能，浮叶植物在光照竞争上比浮游生物有优势，耐污性很强，是净化水质的良好选择；沉水植物不但为微生物提供栖息地，而且提供微生物降解污染物质所需的氧气，有研究表明，沉水植物的输氧功能对降解污染物好氧的补充量远大于空气扩散所得氧量；挺水植物通过阻止水流和减小风浪使悬移质等污染物沉降，它主要起着吸取深部底泥中的营养盐，降低水体中的富养物质，抑制藻类生长的作用。

优选的，如上所述的水体生态净化集成方法，所述水生动物为底栖软体动物和鱼类。

优选的，本发明提供的水体生态净化集成方法，所述方法为在水体中投放类球红细菌K73菌株、浮叶植物、沉水植物、挺水植物、底栖软体动物和鱼类。

类球红细菌K73能够高效降解吸收水体中的污染物、富含N/P的物质，同时还能够有效利用水生动物排出的代谢物以及水生植物的腐败物；浮叶植物、沉水植物、挺水植物都能够释放类球红细菌K73和水生动物所需的氧气，浮叶植物的耐污性强，净化水体作用显著，沉水植物为类球红细菌K73以及底栖软体动物提供栖息地，挺水植物能够能够吸收底部淤泥中的富养物质，过滤拦截水体中的污染物，抑制藻类生长；另外，植物也作为鱼类的食物来源；微生物的生长周期较短，死亡后沉积在湖体底部或者植物表面，底栖软体动物通过食入水体中腐败的有机物，如死亡的微生物、腐败的水生植物等等，将水体中的N、P等物质转入底栖软体动物体内，水体中的N、P等富养物质依次通过微生物、底栖软体动物和鱼类的竟食关系，被转移出水体。本发明中，类球红细菌K73菌株、浮叶植物、沉水植物、挺水植物、底栖软体动物和鱼类构成了一个稳定、高效的生态净化水体的系统，通过生态的手段将水体中的污染物转移出水体中，高效、环保、安全、稳定、具有可持续性，并且不会造成生态灾难。

进一步优选的，所述底栖软体动物为螺类和/或蚌。

底栖软体动物也对富营养化水体具有明显的净化效应，中-富营养型湖泊内，软体动物在生物量上占主要地位；而在重富营养型湖泊内则无软体动物，底栖动物的生物量均以寡毛类或摇蚊幼虫组成。通过增加螺类、蚌放养量，补充底栖动物资源数量，可增加系统稳定性，促进了物质循环，达到净化水质的目的。

在本发明的一个实施例中，所述螺类优选为环棱螺(Bellamya quadrata)，所选蚌为三角帆蚌(Hyriopsiscumingii)。

进一步优选的，所述鱼类为草鱼、鲢鱼、鳙鱼中的一种或多种。

浮游动物处于整个水生生态系统的中心地位，无疑它的数量和组成是决定生物净化能够成功的关键。但由于浮游动物个体小、种类繁多。直接调控其群落数量既不可能又不现实，只有通过鱼类对浮游动物群体进行间接调控。

在本发明中，草鱼可用以控制水生植物的生长规模，从而抑制水体向草型富营养化发展；

鲢鱼和鳙鱼均为滤食性鱼类，可用以控制浮游植物生物量，主要优点是能量转化率高、成本低、加速养分循环和减少了养分沉积量。

优选的，如上所述的水体生态净化集成方法，所述浮叶植物为满江红和/或大薸。

满江红(Azolla imbricate)和大薸(Pistia stratiotes)均为浮叶植物，其抗污能力强，可作为水体的净化的前锋，与水中的其他藻类竞争生长。富营养水体中大量的藻类会对水生植物的光合作用具有抑制作用，特别是会引起沉水植物的生长不良与叶绿素含量的降低，甚至导致沉水植物产生白化现象，因而为了初步改善以及后续对藻类生长的抑制，本发明添加了满江红、大薸，且二者与K73菌株的相容性非常好，二者可互相促进。

优选的，如上所述的水体生态净化集成方法，所述沉水植物为马来眼子菜、金鱼藻、狐尾藻、黑藻中的一种或多种。

马来眼子菜(Potamogeton malainus)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)、黑藻(Hydrilla verticillata)不仅对水体中的污染物具有吸收和富集作用从而净化水体，还具有抑制蓝藻暴发的作用，同时这些植物本身也是颇具知名度的观赏性水草。

更重要的是，这四种沉水植物可为K73菌株提供栖息地，并为该菌株代谢降解污染物质的过程提供充足的氧。沉水植物可将光合作用产生的洋气通过气道输送至根部，在植物根部形成还原态介质的氧化态微环境，从而提高K73菌株的净化效率。

优选的，如上所述的水体生态净化集成方法，所述挺植物为水葱、芦苇、香蒲、茭白荀中的一种或多种。

水葱(Schoenoplectus tabernaemontani)、芦苇(Phragmites australis)、香蒲(Typha orientalis)、茭白荀(Zizania latifolia)的根部所在的底质周围通常处于缺氧状态，这些挺水植物能将空气传输到根部周围，为K73菌株提供舒适的代谢环境。

一个完整而稳定的生态系统需要生产者、消费者、分解者的共同参与，且他们彼此直接的生物量比例应该是稳定而协调的，因而在本发明中，优选的，所述水体生态净化系统水体中投放的总生物量为2.5～6.2kg/m²。

进一步优选的：所述微生物的投放量为1×10^12～14CFU/m³；

所述底栖软体动物的投放量为0.3～0.7kg/m³，且投放以成年底栖软体动物为主；

所述鱼类的投放量为0.6～1.0kg/m³，且投放的鱼类以体重为230～300g的幼鱼为主；

所述水生植物的投放量为1.6～4.5kg/m³。

具体的投放量须根据具体水体的污染程度进行选择。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)、提供了一株可应用于地表水体净化的菌株，该菌株通过与水生动物及水生植物配合，可大幅协同促进水体净化能力。

2)、与传统的物理或化学方面的处理手段相比，本发明提供的水体生态净化系统的构建方法没有生态副作用。

3)、本发明还具体限定了优选配置的水生动植物的种类，这些水生动植物与K73菌株生物相容性好，彼此之间具有协同作用，可共同提高水体净化的能力。

本申请提供的类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)，菌株名为K73，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所；保藏时间为：2016年3月28日，保藏编号CGMCC NO.12310。经保藏中心于2016年3月28日检测为存活菌株。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例提供了含有水体净化菌株的微生物菌剂及其制备方法，该方法包括如下步骤：

S11：类球红细菌的分离纯化；

具体的，在该步骤中，以北京小清河的河底淤泥为样本，将所取的样本进行梯度稀释后涂平板培养，其中所用培养基为固态的LB培养基；最后收集经过培养后得到的单菌落，得到类球红细菌。

对于所收集得到的类球红细菌，采用常规方法扩增其16srRNA，并进行测序，其序列如SEQ ID NO:1所示。

将S11步骤中分离纯化后的单菌落接入到少量LB液体培养基中于26-28℃下摇瓶培养，即得菌液。

S12：将含有类球红细菌的菌液以9％的体积比接种于LB液体培养基中于32℃培养70小时，得到培养液。

S13：将所述培养液采用450目的滤网过滤，并将筛得的菌洗入LB液体培养基中，得微生物菌剂。

该步骤中，所用的LB液体培养基的体积为步骤中S12中所用LB液体培养基体积的8％。

其中，所述及到的LB液体培养基含有蛋白胨10g/L、酵母粉5g/L、氯化钠5-10g/L，pH 7.0，使用前均进行灭菌处理。

测定得知在该液体菌剂中，活菌的数量是1×10^10-11CFU/ml。

实施例2

本实施例提供了一种使用K73细菌的水体生态净化集成方法，包括：

将实施例1制备的液体菌剂以万分之一的体积比加入某地表水生态修复水体(废弃鱼塘)，在投放液体菌剂之前该修复水体已事先投放了水生植物、水生动物进行生态修复。

所述水生植物为：马来眼子菜、金鱼藻、狐尾藻、芦苇、香蒲、茭白荀、满江红；

所述水生动物为：鲢鱼、鳙鱼、蚌。

实施例3

本实施例提供了一种使用K73细菌的水体生态净化集成方法，包括：

将实施例1制备的液体菌剂以万分之一的体积比加入某地表水生态修复水体(废弃鱼塘)，在投放液体菌剂之前该修复水体已事先投放了水生植物、水生动物进行生态修复。

所述水生植物为：马来眼子菜、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、水葱、芦苇、香蒲、茭白荀、满江红、大薸；

所述水生动物为：鲢鱼、鳙鱼、蚌、螺类。

实施例4

本实施例提供了一种使用K73细菌的水体生态净化集成方法，包括：

将实施例1制备的液体菌剂以万分之一的体积比加入某地表水生态修复水体，水体表面积2400m²，水深1.53m，容积0.36万m³。治理前水体严重富营养化，总氮和总磷分别为地表水V类标准(GB3838-2002)的4～12倍与3～5倍，并且生态系统严重受损，大部分底栖动物均已死亡，仅有少量浮叶植物，无沉水植物存活，尤其是藻类大量繁殖时，第三季度平均透明仅为25～38cm。

在本实施例中，对于立体水生植物群落的构建，采取不同生活型植物相重叠的种植模式。沉水植物选自马来眼子菜、金鱼藻、狐尾藻、黑藻，挺水植物选自水葱、芦苇、香蒲、茭白荀，浮叶植物选自满江红、大薸。其中，水生植物的投放量为3.4kg/m³，沉水植物种植总面积为720m²，挺水植物种植面积150m²。

对于水生动物群落，主要在构建水生植物群落的基础上，投放底栖动物环棱螺和三角帆蚌，其中，环棱螺以成螺为主，投放量为0.4kg/m³，三角帆蚌选取一年龄河蚌，投放量为0.3kg/m³。鱼类以230～300g的幼鱼为主，草鱼、鲢鱼和鳙鱼的投放比例为0.3:1:1，总投放量为0.8kg/m³。

实验例1

在实施例3的基础上设置对比例1和对比例2：

对比例1：在投放液体菌剂之前该修复水体事先未投放水生植物和水生动物，即仅投放了菌剂；

对比例2：不投放菌剂，仅使用水生植物和水生动物进行水体修复；

对比例3：将水生植物替换为水花生、菹草、凤眼莲、紫叶酢浆草、慈菇、苦草、浮萍，种植量同实施例3，其余操作同实施例3。

在投放菌剂后第8天(对于对比例2，则是在实施例3的基础上不投放菌剂用水生植物和水生动物继续水体修复8天)统计高猛酸盐指数、总磷、氨氮以及浊度等指标，从而监测其净化水体的效果。

将对比例1～3与实施例2～3进行比较，结果见表1

通过表2可知，在投放后第8天，相对对比例1～3，实施例3和4的高猛酸盐指数、总磷、氨氮以及浊度等指标均有显著改善，且实施例3的效果比实施例2更佳。

由此可知，单独投放水生动植物(对比例1)或单独投放微生物(对比例2)，亦或是采用与本发明不同的植物种类(对比例3)，总体的水体净化效果都会有所下降。这说明将水生动植物的净化作用与类球红细菌K73结合效果最佳，且所选用的水生植物的种类多少(实施例2VS实施例3)、类别(对比例3VS实施例3)对增效作用影响显著。

表1水体净化检测数据

实验例2

对实施例4治理效果，即水体改善的各项指标进行检测。

其中，水质监测采用平均布点法，根据国家地表水环境标准(GB3838-2002)，总磷采用钼酸铵分光光度法，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，COD采用重铬酸盐法，透明度用萨氏透明度盘测量。

工程前后水质变化见表2。

表2水质检测数据

其中，工程完工时即代表实施例4中的各种动植物和微生物的生物量比例稳定之后；工程完工1年后即实施例4中的各种动植物和微生物的生物量比例稳定一年之后。

通过表2可以看出，水体中的COD、叶绿素、总氮和总磷含量呈现出：治理前＞工程完工时＞工程完工1年后。近自然恢复工程完成一年后，水质由原来的Ⅴ类以上降至Ⅱ类标准(GB3838-2002)，溶氧达10.03～12.05mg/L，透明度达95～110cm。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种使用K73细菌的水体生态净化集成方法，其特征在于，在待净化水体中投放微生物、水生植物和水生动物；

所述微生物为类球红细菌K73，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为：CGMCC NO.12310；保藏时间为：2016年3月28日。

2.根据权利要求1所述的水体生态净化集成方法，其特征在于，所述细菌K73的16SrRNA基因序列如SEQ ID NO:1所示。

3.根据权利要求1所述的水体生态净化集成方法，其特征在于，所述水生植物为挺水植物、沉水植物和浮叶植物。

4.根据权利要求1～3任一项所述的水体生态净化集成方法，其特征在于，所述水生动物为底栖软体动物和鱼类。

5.根据权利要求4所述的水体生态净化集成方法，其特征在于，所述底栖软体动物为螺类和/或蚌。

6.根据权利要求4所述的水体生态净化集成方法，其特征在于，所述鱼类为草鱼、鲢鱼、鳙鱼中的一种或多种。

7.根据权利要求4所述的水体生态净化集成方法，其特征在于，所述浮叶植物为满江红和/或大薸。

8.根据权利要求4所述的水体生态净化集成方法，其特征在于，所述沉水植物为马来眼子菜、金鱼藻、狐尾藻、黑藻中的一种或多种。

9.根据权利要求4所述的水体生态净化集成方法，其特征在于，所述挺水植物为水葱、芦苇、香蒲、茭白荀中的一种或多种。

10.根据权利要求5～9任一项所述的水体生态净化集成方法，其特征在于，所述水体生态净化系统水体中投放的总生物量为2.5～6.2kg/m²；

优选的，所述微生物的投放量为1×10^12～14CFU/m³；

所述底栖软体动物的投放量为0.3～0.7kg/m³，且投放以成年底栖软体动物为主；

所述鱼类的投放量为0.6～1.0kg/m³，且投放的鱼类以体重为230～300g的幼鱼为主；

所述水生植物的投放量为1.6～4.5kg/m³。