发明内容
有鉴于此,为了更好地降低水体污染程度,治理并抑制水华的爆发,本发明旨在提供一种以微生物-植物为主体的复合生物系统构建技术,通过微生物群落降解水体有机污染物,水生植物将氮磷等营养元素进行吸收转化,最终标本兼顾降低水体污染程度及富营养化程度,提升水体质量,降低并抑制水华爆发。
基于上述目的,本发明提供的一种适用于湖库、缓流型河道治理水华的方法,在治理区域内,构建微生物群落-水生植物群落,具体为:将复合微生物菌剂喷洒或撒播到治理区域的水面上构建微生物群落,或者将复合微生物菌剂负载于载体上形成复合微生物膜,然后将复合微生物膜放入治理区域的水中构建微生物群落;并在治理区域的水中种植沉水植物构建水生植物群落。
在本发明中,微生物群落的构建和水生植物群落的构建可以同时进行。
在实际应用中,在构建微生物群落时,可以通过机械的方法,将复合微生物菌剂喷洒或撒播到治理区域的水面,或者采用人工定植的方法,将复合微生物膜放入治理区域的水中;人工定植的含义为:人工下水安装这些负载了复合微生物菌剂的载体。
在实际应用中,可以将沉水植物直接撒在治理区域的水面上,如果水面比较大,可以采取的就是上船,沉水植物根部负载一些泥,沉入水底。
在本发明的一些实施例中,所述复合微生物菌剂中的微生物为硝化杆菌属或反硝化杆菌属的细菌。
在本发明的一些实施例中,所述复合微生物菌剂中的微生物选自假单胞菌、巨大芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、类球红细菌、硝化杆菌、反硝化杆菌、不动杆菌或光合细菌中的至少两种。
在本发明的一些实施例中,所述复合微生物菌剂中各种微生物的微生物量均达到1.0×109个/mL,所述复合微生物菌剂中各种微生物菌悬液等体积混合。
本发明采用复合微生物菌剂,包括但不限于:假单胞菌、巨大芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、类球红细菌、硝化杆菌、反硝化杆菌、不动杆菌或光合细菌。在一种优选的方案中,将上述的微生物种类以等比例混合,具体可通过各菌的培养液按等体积进行混合配制而得。该种搭配的复合微生物菌剂,应用于城市污染水体治理,7天内可将COD指标降低至40mg/L以下,降解率超过85%;氨氮在合适条件下,降低90%以上。
在本发明的一些实施例中,所述复合微生物菌剂的制备方法为:将各微生物菌种分别进行活化,将活化的微生物菌种接种到液体培养基中进行扩大繁殖,将各菌液离心后取菌体,将菌体与生理盐水混合均匀,得到各菌株的浓缩液,将各菌株浓缩液进行混合,制得复合微生物菌剂。
具体的,本发明所使用的复合微生物菌剂的制备方法为:(1)使用LB固体培养基分别接种上述微生物菌种进行活化,培养条件为30-37℃下静置培养18-48h;(2)使用LB液体培养基分别从固体培养基上接种微生物菌种进行扩大繁殖,在30-37℃、180rpm条件下培养18-48h;(3)培养期后,将各菌悬液于4000rpm下离心5-10min后去除上清液,获得菌体沉淀,菌体沉淀使用生理盐水重新制成菌悬液,浓度统一为1.0×109个/mL;(4)将几种细菌的菌悬液进行等体积混合,制备而成复合微生物菌剂。
本发明采用一种或多种功能微生物种群,按照一定培养方式制备而成复合微生物菌悬液材料,均匀喷洒于治理水体表面,或采用人工定植的方法,在载体材料上形成复合微生物膜,在有效降解水体内有机污染物及氮磷营养元素的同时,还可以在水体及底泥内恢复并协助构建完善的功能微生物群落。并且,本发明同时采用一种或多种水生植物种类,按照一定比例搭配种植,形成较完善的水生植物群落,而功能微生物群落的定植,有助于本发明采用的多种水生植物的定植。
在本发明的一些实施例中,所述沉水植物选自狐尾藻、黑藻、金鱼藻、马来眼子菜或大茨藻中的至少一种;当沉水植物为多种时,多种植物的搭配比例为各植物生物量等比例混合。
本发明筛选的沉水植物能够适用于富营养化水质,不同水体类型(湖库、缓流型河道)底质和不同水温,各植物生物量等比例混合即为各植物以相同密度种植。
在本发明中,水生植物狐尾藻、黑藻、金鱼藻、马来眼子菜及大茨藻等具有适应性强、生长迅速、生物量积累较快和耐污能力强的特点,研究发现,狐尾藻、黑藻、金鱼藻、马来眼子菜或大茨藻的水下植物组织还可以富集不同的功能微生物群落,增强微生物群落的功能,达到高效降解水体污染物的效果,短时间内即可有效提升水质。本发明所涉及的水生植物(包括但不限于上述藻类)可以与各类功能微生物群落搭配,共同发挥水体治理与修复的功能。
在本发明的一些实施例中,所述复合微生物菌剂的投加量为5~30mL/m3。
在本发明的一些实施例中,将复合微生物菌剂负载于载体上的方法为:将高分子粘合剂制备成水溶液,将水溶液与复合微生物菌剂混合后,均匀喷洒至载体上。
在本发明的一些实施例中,所述高分子粘合剂为环境友好的高分子黏合剂,为羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚乙烯醇、乙基纤维素或醋酸纤维素。
在本发明的一些实施例中,所述载体为聚丙烯、活性炭纤维或涤纶超细纤维。
本发明中复合微生物菌剂的使用,优选在配制完成后1h内投加至待治理水体内(湖库、缓流型河道),投加量优选为5-30mL/m3。对于大面积水域治理,优选地将复合微生物菌剂负载于载体之上。
在本发明中,负载载体主要由高分子材料,包括但不限于聚丙烯、活性炭纤维、涤纶超细纤维等制成,具备极大的比表面积(100-300m2/m),供微生物群落成膜。
本发明在通过复合微生物菌剂构建较完善的功能微生物群落的基础上,同时播种和种植各类水生植物,构建较完善的水底植物群落。本发明由于先构建了较完善的功能微生物群落,而为后续的水生植物群落的构建提供了良好基础,水生植物群落的定植和生命活动极大改善了水底的生态微环境,吸收转化水体内的氮磷等营养物质,更有利于消除水体的富营养化问题。也就是说,本发明通过符合水生态修复原理的技术,快速构建微生物-水生植物群落系统,通过两大生态系统的协同作用,最终消除水华爆发的机制。
从上面所述可以看出,本发明构建的微生物-水生植物生态系统具有以下有益效果:
(1)本发明提出的快速构建微生物群落的方法,可以快速降低水华爆发,并为水生植物群落的构建创造良好条件,该方法采用复合微生物菌剂材料,将硝化、反硝化、固磷的微生物种群综合构建成功能完善的微生物群落,这种复合微生物材料是由两类及以上(即各类上述微生物菌株)按照一定的增殖方法配比制备而成的。
(2)本发明采用的功能微生物种群,均筛选于污染水域的水体及沉积物内,经过长期污染环境的驯化,各类微生物种群表现出较强的耐污及降解污染物的能力,不会对水体环境造成生态污染,并且能够增强待治理水体内的原位微生物群落功能。
(3)本发明提出的微生物群落-水生植物群落复合治理技术,采用多种适合耐污能力强、生长快速、适合富营养化水质并能适应多种环境的水生植物,并且通过一定比例搭配,形成完善的水生植物群落。
(4)本发明提出的微生物群落-水生植物群落复合治理技术,所采用的复合微生物制剂材料与水生植物材料,均可通过机械的方式,均匀喷洒或撒播到治理水域水面;因此,微生物制剂与水生植物种植是可以同时进行的。
(5)本发明提出的微生物群落-水生植物群落复合治理技术,水生植物群落的生长,是与微生物群落协同作用,得以在水底生长,将水体沉积物中、水中的各类污染物进行降解与转化,改善水质。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,对本发明进一步详细说明。
实施例1复合微生物菌剂的制备
在本实施例中,所使用的复合微生物菌剂由枯草芽孢杆菌、类球红细菌、硝化细菌及反硝化细菌组成。
所述复合微生物菌剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)使用LB固体培养基分别接种枯草芽孢杆菌、类球红细菌、硝化细菌及反硝化细菌菌种进行活化,在30-37℃条件下,静置培养18-24h,分别得到枯草芽孢杆菌、类球红细菌、硝化细菌及反硝化细菌的单一菌落;其中LB固体培养基:含1%胰蛋白胨,酵母提取物0.5%,NaCl 0.5%,琼脂1.5%-2.5%,pH7.2-7.5。
(2)分别将LB固体培养基上的单一菌落接种到LB液体培养基中进行扩大培养,在30-37℃、180rpm条件下培养24h进行菌种培养;其中LB液体培养基:含胰蛋白胨1%,酵母提取物0.5%,NaCl 0.5%,pH 7.2-7.5。
(3)培养期后,经检测枯草芽孢杆菌、类球红细菌、硝化细菌及反硝化细菌这几种细菌在液体培养基中生长良好,菌体浓度达到1.0×109-5.0×109个/mL。将各菌液于4000rpm下离心,5-10min后去除上清液,获得菌体沉淀,将菌体沉淀与生理盐水溶液混合均匀制成菌悬液,调整生理盐水使用量,使菌液微生物量达到1.0×109个/mL,得到各菌株的浓缩液。
(4)将上述配制的各菌株浓缩液进行等体积混合,制成符合使用的复合微生物菌剂。
实施例2复合微生物菌剂的制备
在本实施例中,所使用的复合微生物菌剂由假单胞菌、巨大芽孢杆菌、不动杆菌及光合细菌组成。
所述复合微生物菌剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)使用LB固体培养基分别接种假单胞菌、巨大芽孢杆菌、不动杆菌及光合细菌进行活化,在30-37℃条件下,静置培养18-24h,分别得到假单胞菌、巨大芽孢杆菌、不动杆菌及光合细菌的单一菌落;其中LB固体培养基:含1%胰蛋白胨,酵母提取物0.5%,NaCl0.5%,琼脂1.5%-2.5%,pH7.2-7.5。
(2)分别将LB固体培养基上的单一菌落接种到LB液体培养基中进行扩大培养,在30-37℃、180rpm条件下培养24h进行菌种培养;其中LB液体培养基:含胰蛋白胨1%,酵母提取物0.5%,NaCl 0.5%,pH 7.2-7.5。
(3)培养期后,经检测假单胞菌、巨大芽孢杆菌、不动杆菌及光合细菌这几种细菌在液体培养基中生长良好,菌体浓度达到1.0×109-5.0×109个/mL。将各菌液于4000rpm下离心,5-10min后去除上清液,获得菌体沉淀,将菌体沉淀与生理盐水溶液混合均匀制成菌悬液,调整生理盐水使用量,使菌液微生物量达到1.0×109个/mL,得到各菌株的浓缩液。
(4)将上述配制的各菌株浓缩液进行等体积混合,制成符合使用的复合微生物菌剂。
实施例3复合微生物菌剂的制备
在本实施例中,所使用的复合微生物菌剂由短小芽孢杆菌、硝化杆菌及反硝化杆菌组成。
所述复合微生物菌剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)使用LB固体培养基分别接种短小芽孢杆菌、硝化杆菌及反硝化杆菌进行活化,在30-37℃条件下,静置培养18-24h,分别得到短小芽孢杆菌、硝化杆菌及反硝化杆菌的单一菌落;其中LB固体培养基:含1%胰蛋白胨,酵母提取物0.5%,NaCl 0.5%,琼脂1.5%-2.5%,pH7.2-7.5。
(2)分别将LB固体培养基上的单一菌落接种到LB液体培养基中进行扩大培养,在30-37℃、180rpm条件下培养24h进行菌种培养;其中LB液体培养基:含胰蛋白胨1%,酵母提取物0.5%,NaCl 0.5%,pH 7.2-7.5。
(3)培养期后,经检测短小芽孢杆菌、硝化杆菌及反硝化杆菌这几种细菌在液体培养基中生长良好,菌体浓度达到1.0×109-5.0×109个/mL。将各菌液于4000rpm下离心,5-10min后去除上清液,获得菌体沉淀,将菌体沉淀与生理盐水溶液混合均匀制成菌悬液,调整生理盐水使用量,使菌液微生物量达到1.0×109个/mL,得到各菌株的浓缩液。
(4)将上述配制的各菌株浓缩液进行等体积混合,制成符合使用的复合微生物菌剂。
实施例4复合微生物菌剂的制备
在本实施例中,所使用的复合微生物菌剂由枯草芽孢杆菌和类球红细菌组成。
所述复合微生物菌剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)使用LB固体培养基分别接种枯草芽孢杆菌和类球红细菌进行活化,在30-37℃条件下,静置培养18-48h,分别得到枯草芽孢杆菌和类球红细菌的单一菌落;其中LB固体培养基:含1%胰蛋白胨,酵母提取物0.5%,NaCl 0.5%,琼脂1.5%-2.5%,pH7.2-7.5。
(2)分别将LB固体培养基上的单一菌落接种到LB液体培养基中进行扩大培养,在30-37℃、180rpm条件下培养24-48h进行菌种培养;其中LB液体培养基:含胰蛋白胨1%,酵母提取物0.5%,NaCl 0.5%,pH 7.2-7.5。
(3)培养期后,经检测枯草芽孢杆菌和类球红细菌这两种细菌在液体培养基中生长良好,菌体浓度达到1.0×109-5.0×109个/mL。将各菌液于4000rpm下离心,5-10min后去除上清液,获得菌体沉淀,将菌体沉淀与生理盐水溶液混合均匀制成菌悬液,调整生理盐水使用量,使菌液微生物量达到1.0×109个/mL,得到各菌株的浓缩液。
(4)将上述配制的各菌株浓缩液进行等体积混合,制成符合使用的复合微生物菌剂。
将实施例1-4制备的复合微生物菌剂,应用于城市污染水体治理,7天内可将COD指标降低至40mg/L以下,降解率超过85%;氨氮在合适条件下,降低90%以上。
实施例5复合微生物膜的制备
在本实施例中,将复合微生物菌剂(实施例1制备)负载于载体,具体为:
采用聚乙烯醇为胶黏剂,聚丙烯材料制成载体。本实施例中,50克聚乙烯醇溶于300mL水,形成聚乙烯醇胶黏体。聚乙烯醇胶黏体与复合微生物菌剂(实施例1制备)以1:1或1:2(体积比)进行均匀混合,形成胶黏体-菌剂混合体。将胶黏体-菌剂混合体均匀喷洒在聚丙烯材料的载体上,静置固结,形成均匀的微生物膜。
实施例6复合微生物膜的制备
在本实施例中,将复合微生物菌剂(实施例2制备)负载于载体,具体为:
采用羟丙基甲基纤维素为胶黏剂,活性炭纤维材料制成载体。本实施例中,60克羟丙基甲基纤维素溶于300mL水,形成羟丙基甲基纤维素胶黏体。羟丙基甲基纤维素胶黏体与复合微生物菌剂(实施例2制备)以1:1或1:2(体积比)进行均匀混合,形成胶黏体-菌剂混合体。将胶黏体-菌剂混合体均匀喷洒在活性炭纤维材料的载体上,静置固结,形成均匀的微生物膜。
实施例7复合微生物膜的制备
在本实施例中,将复合微生物菌剂(实施例3制备)负载于载体,具体为:
采用醋酸纤维素为胶黏剂,涤纶超细纤维材料制成载体。本实施例中,55克醋酸纤维素溶于300mL水,形成醋酸纤维素胶黏体。醋酸纤维素胶黏体与复合微生物菌剂(实施例3制备)以1:1或1:2(体积比)进行均匀混合,形成胶黏体-菌剂混合体。将胶黏体-菌剂混合体均匀喷洒在涤纶超细纤维材料的载体上,静置固结,形成均匀的微生物膜。
实施例8复合微生物膜的制备
在本实施例中,将复合微生物菌剂(实施例4制备)负载于载体,具体为:
采用聚乙烯醇为胶黏剂,聚丙烯材料制成载体。本实施例中,50克聚乙烯醇溶于300mL水,形成聚乙烯醇胶黏体。聚乙烯醇胶黏体与复合微生物菌剂(实施例1制备)以1:1或1:2(体积比)进行均匀混合,形成胶黏体-菌剂混合体。将胶黏体-菌剂混合体均匀喷洒在聚丙烯材料的载体上,静置固结,形成均匀的微生物膜。
通过检测试验水体中的氨氮、硝氮、总氮等的变化,来验证复合微生物膜(实施例4-8)的功效。试验系统为1.5m×1.5m×1.0m的水箱,试验水体为人工配置,水深0.9m,其中氨氮8-10mg/L,硝氮2-4mg/L,总氮12-15mg/L。25条成膜的载体材料优选0.8m长,均匀浸没于试验水体中,连续监测试验水体的水质变化。7天后,试验水体的氨氮去除率超过70%,硝氮去除率超过50%,总氮去除率超过60%。由此可证明,成膜的复合菌剂可以有效地降低水体中的营养盐含量,提高水体水质指标。
实施例9模拟湖库系统治理实施例
本实施例所使用的水华藻类主要为铜绿微囊藻和羊角月牙藻两类,水生植物选择粉绿狐尾藻,微生物菌种选择枯草芽孢杆菌和类球红细菌。试验系统为容积约35m3的水泥池。
首先在试验系统内构建以铜绿微囊藻和羊角月牙藻为主的水华现象。试验水体从试验地附近的河水取得,过筛以去除杂物。然后于水池内接种铜绿微囊藻和羊角月牙藻,经过3-5天静置形成水华。在该阶段测得水体OD680为0.31,透明度为25cm。该数据证明,水华藻类浓度达到较高水平,水华问题凸显。
接下来在该试验系统内,铺设已成膜的复合微生物菌剂载体(按照实施例8的方法制备得到),复合菌剂由枯草芽孢杆菌及类球红细菌以1:1均匀混合形成,两种菌悬液的浓度优选为1.0×109个/mL。
本实施例中,复合菌剂载体覆盖面积占试验系统面积的1/3,在试验区域内均匀分布。复合菌剂载体铺设完成后,向试验区域均匀播种约0.5m长的狐尾藻植株,狐尾藻覆盖面积为试验区域面积的1/2左右。
复合菌剂载体铺设及狐尾藻播种完成后,每三天取水样检测藻类密度及水体透明度变化。结果显示,从试验开始到第12天时,藻类密度变化为0.31、0.21、0.11、0.046、0.024,而相应的水体透明度则逐渐增加:25cm、35cm、46cm、59cm、62cm。由此可见,投加复合微生物菌剂载体及水生植物狐尾藻后,试验区域内的水体水质有明显改善,发生的水华现象得到有效治理及抑制。从试验结果看,本发明是一种标本兼顾治理湖库、缓流型河道水体富营养化及水华问题的综合技术。
本发明将实施例8制备的复合微生物菌剂载体与其他沉水植物(例如黑藻、金鱼藻、马来眼子菜或大茨藻)搭配使用,试验结果同样表明,试验区域内的水体水质有明显改善,发生的水华现象得到有效治理及抑制。
本发明提供一种适用于湖库、缓流型河道治理水华的方法,该方法将消除、抑制水华爆发与初步恢复水体的植物群落生态系统进行结合,标本兼顾。本发明采用的复合微生物材料及复合水生植物材料可通过机械的方式同时播种到治理水域,同时达到降解水体有机污染物、恢复水体植物生态系统的目的,在短期及长期内均可发挥治理富营养化水体、抑制水华爆发的作用。本发明有效解决了单一治理措施的局限性,如絮凝剂只能去除表层藻类、化学法底泥固磷成本高且二次污染、以及生态安全性难以保障的问题。本发明采取的微生物群落-水生植物群落协同构建的方法,针对性地解决湖库、缓流型河道的水华问题,并且有利于治理水域的生态恢复过程。
所属领域的普通技术人员应当理解:以上任何实施例的讨论仅为示例性的,并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子;在本发明的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化,为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。