巢式固定好氧反硝化菌耦合沉水植物在湖泊修復中的應用及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于環境生物學領域，更具體涉及一種巢式固定化好氧反硝化菌耦合沉水植物在湖泊生態修復中的應用，同時還涉及一種巢式固定化好氧反硝化菌耦合沉水植物在湖泊生態修復中的裝置。
【背景技術】
[0002]富營養化湖泊中氮素的消減是污染治理、湖泊修復的關鍵，反硝化作用是湖泊水體脫氮的限制性步驟。硝態氮經過反硝化作用依次形成亞硝態氮、一氧化氮、一氧化二氮，最終形成氮氣而被徹底去除。湖泊可以通過自凈作用脫氮，這主要依賴于沉積物和水體微生物的反硝化作用。好氧反硝化菌可以在有氧條件下進行反硝化作用，因其對氧的耐受范圍廣、生長周期短、同步異養硝化好氧反硝化等優點，許多株好氧反硝化菌從不同類型的反應器和自然生態系統中被分離出來。
[0003]為了解決好氧反硝化菌直接投放于工藝中存在的脫氮效率低、菌種易流失、脫氮穩定性差等問題，菌株的固定化方法相繼被開發出來。例如用海藻酸鈉和聚乙烯醇等材料進行菌株的包埋，用高分子有機生物質載體進行負載等(張雪琪，2014)。已有研究表明，生物質載體和聚乙烯醇對好氧反硝化菌的固定具有良好的化學穩定性，可回收利用性，可再生性等優點，還可用作人工濕地的高效脫氮填料(專利號:ZL 201320576702.5; ZL201310680417.2)。然而將其應用到湖泊的原位修復中，卻受到湖泊環境條件的限制。湖泊水體中的氧含量遠低于空氣，使菌種在氧的獲得上受到限制，反硝化不徹底容易出現亞硝態氮的積累；反硝化過程的實現還依賴于充足的碳源為反硝化菌提供電子供體，然而自然水體中可被反硝化微生物直接利用的碳源較為缺乏，這亦使反硝化作用受阻；湖泊的原位生態修復是一個人為干預的生態演替過程，涉及湖泊生態系統中諸多因素的相互促進、相互牽制、共同參與，因而單一的菌株投放對湖泊生態的影響力，可能不足以改變反硝化作用的強度，需要不同生物型、生態位的生物共同作用。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是在于提供了一種巢式固定化好氧反硝化菌耦合沉水植物在湖泊生態修復中的應用。克服了好氧反硝化菌應用于湖泊治理時，由于湖泊水體含氧不足、可直接利用碳源的缺乏對反硝化順利進行的限制，同時通過生物質載體的特殊結構耦合湖泊高等水生植物，實現了沉水植被退化的受污染湖泊中植被的重建與恢復。
[0005]本發明的另一個目的是在于提供了一種巢式固定化好氧反硝化菌耦合沉水植物在湖泊生態修復中的裝置，該裝置結構簡單，使用方便，消除了湖泊底質對沉水植物生長的限制，促進了湖泊沉水植物的擴繁。
[0006]為了實現上述技術目的，本發明采取了如下技術方案:
一種巢式固定化好氧反硝化菌耦合沉水植物在湖泊修復中的應用，其步驟是: I)絲瓜絡小柱的預處理:取老熟的絲瓜剝去外皮，除去內瓤，切成底面邊長為Icm的正六邊形、高為5cm的六邊柱狀體(圖1)，放在沸水(100°C左右)中煮沸20~30min，然后用自來水沖洗30?60s，放在去離子水中浸泡12?24h，在68?72 °C烘箱中烘5?6h至恒重，于干燥器中貯存備用。
[0007]2)好氧反硝化細菌菌懸液制備:采用已有的好氧反硝化菌株制備細菌濃度為9 X15?9X107cfu/mL的菌懸液。該菌株來源于本實驗室已篩選出的細菌，篩選方法請見農業環境科學學報，2010年第6期，人工濕地高效好氧反硝化菌的分離鑒定及反硝化特性研究。
[0008]所述的細菌菌株保藏編號CCTCC N0:M2013488；
所述的好氧反硝化細菌菌懸液的制備方法請見授權專利一種固定化好氧反硝化菌的制備方法:授權專利號為ZL 201310423208.X；
3)好氧反硝化細菌的固定:將120g聚乙烯醇加熱溶解于溫度為60?80°C的1040mL去離子水中，冷卻至30?40 °C后放置于室溫(20?25 °C，以下相同)下23?25h，同160mL細菌濃度為9X 15?9 X 107cfu/mL的好氧反硝細菌的菌懸液混合均勻，然后放入28?30根已滅菌的絲瓜絡小柱，使混合液浸入到絲瓜絡的縫隙中；
4)固定化好氧反硝化菌巢式載體制備:為了將固定有好氧反硝化菌的絲瓜絡小柱復合形成圖2所示的蜂巢狀，申請人利用一個制備支架(圖3、圖4)輔助小柱的排列和交聯。將巢式載體制備支架鎖扣扣住，高溫(121°C)滅菌30min后，浸泡于飽和硼酸溶液中，用無菌鑷子將浸滿好氧反硝化菌液和聚乙烯醇混合液的絲瓜絡轉移到制備支架中，并排列成圖2所示的蜂巢狀，于4°C冰箱中交聯固化12?24h，使獨立的小柱粘合形成巢式結構。交聯完畢，將支架鎖扣打開，自下而上取出巢式載體，用無菌水洗滌2?3次后轉移至0.9%的生理鹽水中，于4C冰箱中It存備用；
5)植物根系與巢式載體聯合:在步驟(4)制得的巢式載的體巢孔中分別插入I?3株沉水植物成株的根系，使莖葉部分留于巢孔上方，根系則通過巢孔與固定化的好氧反硝化菌充分接觸。根系泌氧形成的局部好氧區，可以為好氧反硝化菌供氧，同時根系分泌的有機酸等小分子有機碳化合物，為好氧反硝化菌提供易于利用的碳源。
[0009]所述的沉水植物為滿足當地氣候及水域條件的苦草、菹草、黑藻、穗花狐尾藻、金魚藻以及伊樂藻等其中的一種或二至六種的任意組合；
6)斷枝處理:剪斷巢式載體底部過長的根系組織，并從植物頂端剪斷過長的葉，保留植株葉長20?25cm，然后把巢式載體置于一塊無紡布上，將剪斷的根和葉再次剪成0.5?1.0cm的碎片并平均分配入巢孔中。對于植物成株，從根尖一端剪掉少量根系組織，不會對植物的存活造成顯著影響，還會刺激植物生長激素的分泌，促進新根的萌發和伸長。
[0010]7)包裹載體:以無紡布包裹巢式載體，露出沉水植物的莖葉部分，放置于水體的沉積物-水界面。剪碎的根系可以進一步被水體中纖維分解型微生物分解成新的易于被好氧反硝化菌利用的碳源，成為一種緩釋性的生態碳源補充劑。
[0011]—種巢式固定化好氧反硝化菌耦合沉水植物在湖泊生態修復中的裝置，它由負載有好氧反硝化菌的絲瓜絡小柱及小柱排列形成的巢孔組成。為了將負載有好氧反硝化菌的絲瓜絡小柱復合形成圖2所示的蜂巢狀裝置，申請人利用一個制備支架輔助小柱的排列和交聯。該支架由底板、垂直軸、十個巢孔(9 一 20個，可以更多)、第一鎖扣、第二鎖扣、第三鎖扣、第四鎖扣、第一合頁、第二合頁、第一直角面、第二直角面組成。其連接關系是:垂直軸和十個巢孔垂直焊接在底板的表面，其中垂直軸焊接在正方形底板的一個頂點處，十個巢孔均為底面為正六邊形的不銹鋼柱狀體(形狀與絲瓜絡小柱相同)，垂直軸焊接在在底板的平面上，使組件之間以間隔一個正六邊形柱狀體的方式排列分布。通過第一合頁、第二合頁把第一直角面、第二直角面連接到垂直軸上，使第一直角面、第二直角面可以沿垂直軸旋轉，形成如圖3所示的閉合狀態或圖4所示的打開狀態。第一鎖扣、第二鎖扣、第三鎖扣均為不銹鋼質地的圓環，第四鎖扣為一根剛好可以穿過圓環的不銹鋼具柄插桿。第一鎖扣、第二鎖扣均焊接在第一直角面上，第三鎖扣焊接在第二直角面上。當第一直角面、第二直角面沿垂直軸旋轉至閉合狀態時，第一鎖扣、第二鎖扣、第三鎖扣在垂直方向上重疊，將第四鎖扣的插桿自上而下依次穿過第一鎖扣、第三鎖扣、第二鎖扣的圓環，第一直角面、第二直角面被固定在閉合狀態下。這一支架可以輔助負載有好氧反硝化菌的絲瓜絡小柱排列并交聯形成蜂巢狀結