CN110902834A - 一种诱导挺水植物根表覆锰膜的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水生态修复技术领域，具体公开了一种诱导挺水植物根表覆锰膜的装置及方法，所述方法包括：S1.组织培养，S2.制备锰膜诱导液，S3.诱导装置的构建，S4.锰膜的高效诱导。本发明通过科学构建锰膜高效诱导装置，充分利用乙烯和赤霉素对根表锰膜形成的调节作用，提高根表锰膜的数量；并利用用植物根表锰膜、无机矿质多孔纤维及其他基质填料表层锰膜、功能性生物膜的协同作用，提升湿地挺水植物的生态环境效益。本发明可广泛适用于多种类型的污水处理，对氨氮降解、磷酸盐吸收和重金属固定都具有良好性能，同时兼具经济性和实用性的特点。

Description

一种诱导挺水植物根表覆锰膜的装置及方法

技术领域

本发明属于植物培育和水生态修复技术领域，更具体地，涉及一种诱导挺水植物根表覆锰膜的装置及方法，同时还涉及该方法在水生态修复中的应用。

背景技术

水生植物现已被广泛应用于自然和人工湿地中的污水处理过程中，特别是人工湿地中的挺水植物具有发达的根系和较强的泌氧能力，能吸收水体中的营养物质、降低水体富营养化程度、抑制水藻生长。许多微生物可以将可溶性的二价锰氧化成不溶性的锰氧化物，并且在自然状态下，微生物氧化生成高价锰的速率可达非生物过程的105倍。可氧化Mn(Ⅱ)的微生物不仅能够氧化游离的锰离子，而且可以吸附更多的重金属，并控制其迁移转化，因此能够修复环境中的重金属污染以及氧化降解多种有机污染物。锰氧化细菌锰的氧化主要表现在(1)它能积极促使各种元素在细胞内的富集,生成活性很大的化合物,这些化合物对周围环境的氧化还原电位具有很强的控制作用并能利用其固有的还原性质、酸性和鳌合性质对锰进行氧化(2)它自身可以产生酶或其他专一性因子来催化相关反应。目前鉴定出的锰氧化菌，包括假单胞菌(Pseudomonas)、节杆菌属(Arthrobacter)、杆状菌属(Bacillus)、希瓦氏菌属(Shewanella)等。挺水植物长期生活在渍水环境下，依靠的发达通气组织能将空气中或光合作用产生的氧气运至根部，从而在根际周围区域形成微氧环境；同时，借助根际氧化微生物作用及根系分泌的氧化酶类促使根际土壤溶液中的还原性物质Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)氧化形成Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)的铁锰氧化物胶膜沉积于根际表面，形成锰膜。

根表铁锰膜是一种通过氧化或氢氧化铁、锰离子形成的沉积于水生植物根系表面的红棕色无定形胶膜状物质，因其特殊的化学组成及空间分布，对水中及土壤中阴、阳离子的强吸附作用而具有多种有益的生态环境效应。一方面，铁锰膜能作为根系营养库，当植物体需要养分时将膜中营养元素活化以供吸收利用；另一方面，能吸附、氧化还原或固定重金属离子，减轻或缓解重金属对植物体的毒害。根表形成的锰氧化物与自然界的锰氧化物有相似的特征，具有较高的比表面积和羟基功能团，具有化学吸附特性，能起一定的氧化还原作用，能与金属和其它的阴、阳离子反应，因而具有潜在的净化重金属污染的功能。目前对于植物根表覆铁膜方法的研究屡见不鲜，但多将焦点放在提高铁膜形成效率、增加铁膜生成量上，而忽视了对诱导根表覆锰膜的研究。因此，研究出一种快速诱导挺水植物高含量根表锰膜形成的方法具有十分重要的意义。

植物体内两个气体信号，氧气和乙烯，经常参与植物或植物淹水部位的响应。因为与在空气中相比，气体在水体中的扩散效率极低，所以导致乙烯在淹水组织中能逐渐积累到有生物活性的含量水平。乙烯在不定根出现和生长过程中发挥关键作用，同时作为植物体内一种逆境响应激素，能感知包括淹水涝害在内的多种非生物及生物胁迫。在植物组织中，乙烯生成速率与组织中乙烯前体的含量密切相关，当把乙烯前体ACC施于植物植物器官时，可以观察到乙烯产生明显增加。已有研究表明，植物会对淹水胁迫做出响应，引起植物激素水平变化，释放乙烯从而促进植物根系生长，且乙烯能作为中间元件向下游因子传递信号以增加植物对植物激素的产生量和敏感性。

长期水淹和水培诱导植物根表锰膜的方法对植物造成不可恢复的胁迫和毒害作用，不利于湿地挺水植物在系统中的长期稳定运行。采用多孔的无机矿质纤维以及生物陶粒、火山岩等作为人工湿地基质，可以丰富挺水植物的根际微生物构成，也具有保温、保湿的作用，减少长期淹水条件对于植物正常生长的影响，在该基质的影响下，根系所受到的水力冲击得到缓冲，故相比于传统的水培条件诱导锰膜生长具有更大的优越性。

根表锰膜可在近根的区域富集养分，这些养分可以在介质中养分缺乏时被活化吸收；同时根表与基质表面铁锰氧化物具有高吸附能力和特殊的电化学特性，从而对Cd²⁺、Pb^{2 +}、Hg²⁺、Zn²⁺等金属离子具有强烈的吸附作用，或与其共沉淀固定，因而在一定程度上减轻植物的重金属毒害。

发明内容

本发明的目的是针对现有淹水状态诱导湿地植物根表锰膜的方法存在的诱导时间长、诱导数量小的缺陷，提供一种诱导挺水植物根表覆锰膜的装置及方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种诱导挺水植物根表覆锰膜的装置，其特征在于，包括PVC容器，容器内从上至下依次填充无机矿质多孔纤维材料、生物陶粒、火山岩、石英砂，容器顶部加盖具有螺纹的PVC盖板，容器下部侧壁上设有出水管，出水管上设有排水阀，容器上部侧壁上设有进水管。

优选地，所述进水端管口顶端套有包裹100目纱布的多孔短管防止阻塞。

优选地，所述无机矿质多孔纤维材料为2cm*2cm*2cm无机矿质多孔纤维小块，其孔隙率80％～90％，填充层厚度15～20cm，作为挺水植物根系的支撑材料，无机矿质多孔纤维既能增加锰膜附着面积，又具有一定的固水保湿作用减缓水分挥发对锰膜的影响。

优选地，所述生物陶粒铺设厚度15～20cm，粒径5～8mm，孔隙率为35～40％；所述火山岩铺设层高15～20cm，粒径8mm～10mm，孔隙率38～42％；所述石英砂填充在容器底部增加装置的稳定性，同时在出水口前过滤水中的矿物和无机矿质多孔纤维碎屑及植物残渣，铺设厚度10～15cm且高于侧壁出水口，粒径5～8mm，孔隙率为40％～50％。

本发明还提供了一种诱导挺水植物根表覆锰膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.组织培养：将植物根系放入完全培养液中，培养1～2周；

S2.制备锰膜诱导液：将静置24h的完全培养液加入45～80mg/L的Mn²⁺，调节至pH＝5.0～5.5，形成锰膜诱导液；

S3.诱导装置的构建：采用加盖的PVC容器，从上至下依次填充无机矿质多孔纤维材料、生物陶粒、火山岩及石英砂，将组织培养后的挺水植物移植其中，栽植深度位于表层多孔矿质纤维材料与生物陶粒交界面以下5～10cm处；

S4.锰膜的诱导：向诱导装置填料中接种Mn(Ⅱ)氧化细菌，驯化7～10天，然后将锰膜诱导液输入诱导装置的PVC容器中，叶施植物激素赤霉素(GA)，培养48～72h，根表覆锰膜诱导完成。

优选地，所述步骤S1与S2中的完全培养液，按浓度计，包含以下组分：

优选地，所述步骤S1中的完全培养液，需在培养挺水植物植株前静置3天降低水中溶解氧含量，并调节pH＝5.0～5.5。

更优选地，在组织培养周期内每间隔3～4天，将植株转移至重新配置并静置3天的完全培养液中。

优选地，所述步骤S2中的锰膜诱导液中的Mn²⁺以一水合硫酸锰的形式提供，采用0.1M HCl或0.1M NaOH调节诱导液pH。

优选地，所述步骤S3中的挺水植物为芦苇、香蒲、灯芯草等根系比表面积大、通气组织发达的常见的多年生湿地挺水植物。

优选地，所述步骤S3中的挺水植物选用40cm～50cm长的植株，在进行组织培养前，使用去离子水对其根部进行清洗。

优选地，所述步骤S4中，在将所述的组织培养后的挺水植物移植于诱导装置前，为显著增加根表锰膜的含量，也可使用外源乙烯前体1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)根施预处理挺水植物48～72h，ACC浓度范围为50μM～100μM，在该浓度范围内的ACC可显著增加根表锰膜的含量。

优选地，所述步骤S4中，锰膜诱导液输入诱导装置，控制水量浸没表层多孔矿质纤维材料，并达到其表层高度以上2～3cm；叶施植物激素赤霉素(GA)前将挺水植物根系浸没于锰膜诱导液表面以下10～15cm，给予植物根系淹水胁迫积累乙烯，同时能尽量降低二价铁、锰离子直接被空气快速氧化，生成与根系结合不牢固的沉淀物质以及致使培养液缓冲能力失效的大量H⁺的可能性；根表覆锰膜诱导完成后，打开侧壁出水阀，诱导液可由出水口排出。

优选地，所述步骤S4中，赤霉素(GA)的叶施浓度为0.15mM～0.20mM。

本发明还提供了上述诱导挺水植物根表覆锰膜的装置在废水处理中的应用。

本发明所述的根表覆锰膜的方法提升水生态修复作用，是指将所述植物根系上与无机矿质多孔纤维中、诱导装置填料表面的锰膜应用于水生态修复，促进水中氨氮的转化和植物对磷的吸收，并通过其吸附作用、氧化还原作用固定水中的重金属离子。

本发明提出一种诱导挺水植物根表覆锰膜的方法，克服了现有技术中水培、土培诱导锰膜时间长、诱导锰膜含量小的缺陷。所提出的方法通过借鉴人工湿地科学构建锰膜诱导装置，充分利用乙烯和赤霉素对根表锰膜形成的调节作用，能显著提高根表锰膜的数量，影响根系对多种离子的转运吸收代谢途径，改变根际微生物状况；同时，可利用植物根表与填料表层锰膜及由接种微生物形成的功能性生物膜的协同作用将该诱导装置用于水生态处理。该装置广泛适用于多种类型的污水处理，对氨氮降解、磷酸盐吸收和重金属固定都具有优异性能，同时兼具经济性和实用性、生态环保的特点。

与现有技术相比，本发明提出的诱导挺水植物根表覆锰膜的方法及其在水生态修复中的应用具有以下优点：

1、本发明可以在较小的装置内同时实现多株挺水植物根表锰膜的诱导。

2、诱导形成的根表锰膜与植物结合牢固，不易在浸水环境中被冲刷、脱落造成二次污染。

3、该诱导过程基本不会影响植株的正常生长，不会导致植株病态或死亡。

4、由于根系泌氧作用，高效诱导根表锰膜形成的同时，根系周围的无机纤维、生物陶粒、火山岩表面及孔道中也会附着锰氧化物，故而，在将装置应用于水生态修复中时，植物根表覆锰膜与高效诱导装置中填料表层锰膜发挥协同作用。

5、本发明所述高效诱导挺水植物根表覆锰膜的方法中使用的锰膜高效诱导装置同时也是水生态修复装置，可广泛适用于多种类型的污水处理，对氨氮降解、磷酸盐吸收和重金属固定都具有良好性能，同时兼具经济性和实用性的特点。

附图说明

图1是本发明的诱导挺水植物根表覆锰膜的装置的结构示意图；

图中：1是PVC容器，2是进水管，3是石英砂，4是火山岩，5是生物陶粒，6是无机矿质纤维，7是PVC盖板，8是香蒲，9是根表覆锰膜，10是出水管，11是排水阀；

图2是本发明中诱导挺水植物根表覆锰膜的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明以典型水生湿地挺水植物香蒲为例，提供一种诱导香蒲根表覆锰膜的方法，通过构造锰膜的诱导装置，对香蒲8根施乙烯前体ACC、叶施植物激素赤霉素GA，有效提高了根表覆锰膜的数量；并在同一装置中利用植物根表锰膜与装置填料表层功能性生物膜的协同作用进行水质净化，其对氨氮降解、磷酸盐吸收和重金属固定都具有良好性能，有效提升了湿地挺水植物的生态环境效益。

具体地，图1显示出本发明实施例中诱导挺水植物根表覆锰膜的装置的结构示意图，诱导装置采用圆柱形PVC容器1，高0.8m，底面半径0.9m，从上至下依次填充无机矿质多孔纤维材料6、生物陶粒5、火山岩4、石英砂3，加盖具有螺纹的PVC盖板7，尽可能地降低根系直接接触空气的几率。

如图2所示，为本发明实施例中诱导挺水植物根表覆锰膜的方法流程图，具体包括如下步骤：

S1、选用生长健壮、从根至叶长度约为40～50cm的香蒲8进行根部清洗；

本实施例中，选取生长健壮、从根至叶长度约为40～50cm香蒲8植株15株，将下部横走根茎清洗干净，并清除坏死的老根；

S2、将植物根系浸入完全培养液中，培养1～2周：

本实施例中，将植物根系浸入上述静置3天的完全培养液中，茎部近根区用尼龙绳打牢，培养10～15天，期间每隔3～4天更换一次培养液，横走根上生长出新的毛细根，呈白色；

S3、将预先静置24h的完全培养液调节pH，加入一定浓度的Mn²⁺，制备锰膜诱导液：

本实施例中，将预先静置24h的完全培养液调节pH＝5.0后加入浓度70mg/L的Mn²⁺，形成锰膜诱导液；

S4、构建诱导装置，采用加盖的PVC容器，填充无机矿质多孔纤维材料6、生物陶粒5、火山岩4及石英砂3，并将组织培养后的香蒲根施一定浓度外源乙烯前体(ACC)后移植其中，栽植深度位于表层矿质多孔纤维6与生物陶粒5交界面以下5～10cm处：

本实施例中，为方便根表覆锰膜的表征，本实施例中设置A、B、C三个具有上述特征的完全相同装置。选取10株经过S2组织培养后的香蒲，根施50～100μM的外源乙烯前体1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)，根施时间为72h；随后分别移植5株于上述诱导根表覆锰膜装置A、B中，栽植深度位于表层无机矿质多孔纤维材料6与生物陶粒5交界面以下5～10cm；剩余5株香蒲直接栽植于装置C。

S5、向诱导装置填料中接种Mn(Ⅱ)氧化细菌，驯化7～10天，然后将锰膜诱导液输入诱导装置的PVC容器中，将锰膜诱导液输入诱导装置，给植株叶施植物激素赤霉素(GA)：

本实施例中，向诱导装置A、B中接种Mn(Ⅱ)氧化细菌，驯化7～10天，装置A、B中的香蒲叶施植物激素赤霉素(GA)的浓度为0.18mM，培养72h；将装置C注入相同浓度的锰膜诱导液但植株不做任何激素处理培养72h。

上述5个步骤中，为表征植株根表覆锰状况，在步骤S2完成时，将备放于B装置的5株香蒲置于体视显微镜下观察细微根表状况，发现横走根长出白色新毛根和根茎，根表光滑；在步骤S5完成时，将B装置中诱导后的5株香蒲收获，于体视显微镜下观察细微根表状况，发现侧根及其基部、主根均有棕黑色无定型类胶膜物质附着沉积；在步骤S5完成时，将C装置中诱导后的5株香蒲，于体视显微镜下观察细微根表状况，发现侧根及其基部、主根略有黄色胶状物质，根系生长正常。在步骤S5完成时，B装置中根系周围的无机矿质多孔纤维及生物陶粒表层能明显观察到棕色粘结性胶膜，C装置中根系周围的无机矿质多孔纤维及生物陶粒表层部分存在棕色生物薄膜；16s rRNA序列分析结果表明，B装置中填料表面微生物群落的丰度和多样性均高于C装置，且相比于C装置，B装置所取样本微生物群落中厚壁菌门和γ-变形菌纲的微生物丰度明显升高。有研究显示，具有锰氧化细菌活性的细菌类群主要集中在厚壁菌门(Firmicutes)，且γ-变形菌(Gammaproteobacteria)在深海锰结核的锰循环过程中起重要作用。

采用DCB法提取锰膜验证根表锰膜数量，即分别将B、C装置中收获的5株植物根系用去离子水洗净后，随机剪取3克覆有锰膜的毛根浸于DCB浸提剂，并于25℃根系用去离子水小心洗净，放入盛有DCB浸提剂的250mL塑料烧杯中，在60℃的水浴锅中以150～200r/min转速揽拌15min，后溶液转移至100mL容量瓶中定容，过滤后，把提取液进行一定程度的稀释后用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定Mn元素含量，来源于B装置的香蒲覆锰膜平均可达到3.7gMn/kg根的水平，远高于未经高效诱导的C装置中的植株根表覆锰膜含量，表明乙烯前体、赤霉素可共同促进香蒲根表覆锰膜的积累。所述DCB浸提剂为0.3mol/LNa₃C₆H₅O₇·2H₂0 40mL、1mol/LNaHCO₃ 5mL及Na₂S₂O₄ 3g。

用扫描电子显微镜对成熟区根表任意切段进行微观形态观察及能谱原子激发，外源施加18mM GA3喷施处理72h后能够大幅度增加主要沉积于根毛的锰膜含量，且根表锰膜可以渗入到植物皮层约3层细胞的深度，在香蒲根表形成的铁锰氧化物能够延伸到根际15～17cm左右。

保留装置A，利用挺水植物根表覆锰膜与无机矿质多孔纤维覆锰膜的协同作用，将该诱导装置用于水生态处理。打开排水阀11，装置中的锰膜诱导液由出水管10排出，模拟进入装置A的废水来源于城市河道劣Ⅴ类黑臭水，其中氨氮浓度5.0～5.6mg/L，正磷酸根浓度4.5～5.0mg/L，进水水温20℃～22℃。48h后，因根表覆锰膜对营养物质的吸收作用的加强以及根表锰膜的氧化能力，出水氨氮为3.25～3.85mg/L，去除率为65％～70％；由于根表覆锰膜增强了对磷酸盐的吸收，磷酸盐出水浓度约为2.66～3.10mg/L，去除率达到70％以上。另外，在本实施例中，由于根表覆锰膜减轻了植株对重金属的毒害作用，植株长势良好，无明显病态或中毒迹象。

Claims (10)

1.一种诱导挺水植物根表覆锰膜的装置，其特征在于，包括PVC容器(1)，容器内从上至下依次填充无机矿质多孔纤维材料(6)、生物陶粒(5)、火山岩(4)、石英砂(3)，容器顶部加盖具有螺纹的PVC盖板(7)，容器下部侧壁上设有出水管(10)，出水管上设有排水阀(11)，容器上部侧壁上设有进水管(2)。

2.如权利要求1所述的诱导挺水植物根表覆锰膜的装置，其特征在于，所述无机矿质多孔纤维材料(6)为2cm*2cm*2cm无机矿质多孔纤维小块，其孔隙率80％～90％，填充层厚度15～20cm；所述生物陶粒(5)铺设厚度15～20cm，粒径5～8mm，孔隙率为35～40％；所述火山岩(4)铺设层高15～20cm，粒径8mm～10mm，孔隙率38～42％；所述石英砂(3)填充在容器底部，铺设厚度10～15cm且高于侧壁出水口，粒径5～8mm，孔隙率为40％～50％。

3.一种诱导挺水植物根表覆锰膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.组织培养：将植物根系放入完全培养液中，培养1～2周；

S2.制备锰膜诱导液：将静置24h的完全培养液加入45～80mg/L的Mn²⁺，调节至pH＝5.0～5.5，形成锰膜诱导液；

S3.诱导装置的构建：采用加盖的PVC容器，从上至下依次填充无机矿质多孔纤维材料、生物陶粒、火山岩及石英砂，将组织培养后的挺水植物移植其中，栽植深度位于表层多孔矿质纤维材料与生物陶粒交界面以下5～10cm处；

S4.锰膜的诱导：向诱导装置填料中接种Mn(Ⅱ)氧化细菌，驯化7～10天，然后将锰膜诱导液输入诱导装置的PVC容器中，叶施植物激素赤霉素(GA)，培养48～72h，根表覆锰膜诱导完成。

4.如权利要求3所述的诱导挺水植物根表覆锰膜的方法，其特征在于，所述步骤S1与S2中的完全培养液，按浓度计，包含以下组分：

5.如权利要求3所述的诱导挺水植物根表覆锰膜的方法，其特征在于，所述步骤S1中的完全培养液，需在培养挺水植物植株前静置3天降低水中溶解氧含量，并调节pH＝5.0～5.5；在组织培养周期内每间隔3～4天，将植株转移至重新配置并静置3天的完全培养液中。

6.如权利要求3所述的诱导挺水植物根表覆锰膜的方法，其特征在于，所述步骤S2中的锰膜诱导液中的Mn²⁺以一水合硫酸锰的形式提供，采用0.1M HCl或0.1M NaOH调节诱导液pH。

7.如权利要求3所述的诱导挺水植物根表覆锰膜的方法，其特征在于，所述步骤S3中的挺水植物为芦苇、香蒲或灯芯草中的一种，选用40cm～50cm长的植株，在进行组织培养前，使用去离子水对其根部进行清洗。

8.如权利要求3所述的诱导挺水植物根表覆锰膜的方法，其特征在于，所述步骤S3中，在将所述的组织培养后的挺水植物移植于诱导装置前，使用外源ACC根施预处理挺水植物48～72h，ACC浓度范围为50μM～100μM。

9.如权利要求3所述的诱导挺水植物根表覆锰膜的方法，其特征在于，所述步骤S4中，锰膜诱导液输入诱导装置，控制水量浸没表层多孔矿质纤维材料，并达到其表层高度以上2～3cm，叶施植物激素赤霉素前将挺水植物根系浸没于锰膜诱导液表面以下10～15cm，根表覆锰膜诱导完成后，打开侧壁出水阀，诱导液可由出水口排出。

10.如权利要求3所述的诱导挺水植物根表覆锰膜的方法，其特征在于，所述步骤S4中，赤霉素的叶施浓度为0.15mM～0.20mM。

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