荣成天鹅湖无机解磷菌的解磷特性及其对沉积物磷释放的影响

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近年来,我国黄海等水域绿潮暴发的频率逐年增大,大型藻华的暴发与衰亡对水环境造成了严重影响。磷是大多数水体富营养化和藻华暴发的重要诱因,而解磷菌是影响沉积物内源磷释放的一重要因素,在水体磷的生物地球化学循环中发挥着关键作用。本文以硬毛藻频繁暴发的荣成天鹅湖为研究对象,通过室内筛选和模拟试验,分析了藻类暴发区和非暴发区沉积物中土著微生物的解磷能力,对表层沉积物中的无机解磷菌进行了分离鉴定后,在单独和混合接种条件下比较了不同菌株的解磷效果,探讨无机解磷菌对天鹅湖沉积物磷释放的影响及解磷作用机制。主要研究结果如下:(1)天鹅湖各湖区沉积物中微生物均表现出对磷酸钙的溶解能力,其中西部、北部和湖中心土著微生物的解磷能力较强。培养过程中,秋季和春季沉积物微生物培养液的p H分别降至4.78~4.87和4.35~5.31,其中西部湖区2个季节均为最低;而培养液可溶性磷含量分别升至217.44~256.09 mg L-1和201.01~333.02 mg L-1,其中秋季北部湖区含量最高,春季则中心湖区较高。(2)平板筛选过程中,无机解磷菌菌落呈现不同的形态和不同大小的溶磷圈。本研究共从天鹅湖沉积物中分离到10株无机解磷菌,并通过16S r DNA序列分析对其种属进行了鉴定。分离出的10株无机解磷菌分别属于芽胞杆菌科(Bacillaceae),芽胞杆菌属(Bacillus sp.)和地芽胞杆菌属(Geobacillus sp.)2个属,弯曲芽胞杆菌(Bacillus flexus)、巨大芽胞杆菌(Bacillus megaterium)、地衣芽胞杆菌(Bacillus licheniformis)和嗜热噬脂肪地芽胞杆菌(Geobacillus stearothermophilu)4个种。芽胞杆菌属是天鹅湖沉积物中无机解磷菌的主要菌属。(3)利用液体培养法,对筛选出的无机解磷菌菌株(IPB1-IPB10)的解磷效果进行评估。结果发现,所有的无机解磷菌菌株均能促进磷酸钙的溶解,但不同菌株间解磷能力差异很大。培养期间,各解磷菌处理培养液的p H降至4.10~5.06,而可溶性磷含量明显升高,最大值变幅为99.75~209.55 mg L-1。巨大芽孢杆菌具有较强的解磷能力,培养液中可溶性磷含量最高。分泌酸性物质是天鹅湖无机解磷菌的主要解磷机制,培养液的p H与可溶性磷含量呈显著负相关(P<0.01)。在菌株混合培养过程中,无机解磷菌的解磷能力得到了增强。(4)选取巨大芽胞杆菌、地衣芽胞杆菌和弯曲芽胞杆菌3个菌株分别接种到天鹅湖沉积物中,通过室内摇瓶试验研究无机解磷菌对不同湖区沉积物的解磷能力。结果表明,无机解磷菌接种后2个湖区沉积物中钙结合态磷(HCl-P)含量均明显降低,尤其是中心湖区,相较初始含量降低了17.84~25.90 mg kg-1。培养过程中,北部和中心湖区沉积物3个接菌处理的水体p H分别降至4.17~4.55和4.56~4.61,可溶性磷含量最大值为0.18~0.37 mg L-1和0.09~0.18 mg L-1。巨大芽胞杆菌对天鹅湖2个湖区沉积物均表现出了较强的解磷能力。(5)以3株无机解磷菌和湖中心沉积物为试材进行室内模拟试验,发现试验前期各接菌处理水体p H均不同程度的下降,其中沉积物灭菌组和非灭菌组分别降至6.46~6.76和6.66~6.78。试验期间各处理水体氧化还原电位均不断下降,结束时沉积物-水界面呈还原状态。灭菌条件下解磷菌的接种明显促进了沉积物磷的释放,试验后期各加菌处理水体的总磷含量远高于对照(差值为0.06~0.30 mg L-1);未灭菌条件下水体总磷上升较慢且总体水平较低,不同解磷菌处理间差异较小。试验结束时,大部分加菌处理沉积物中HCl-P含量明显下降,降幅为19.92~50.08 mg kg-1,BD-P含量略有下降,而Na OH-P并未下降。研究表明,无机解磷菌的接种可明显降低上覆水p H,从而使得沉积物中HCl-P溶解释放;在天鹅湖,HCl-P为沉积物磷的主要赋存形态,其在解磷菌作用下对上覆水体磷水平的潜在贡献不容忽视。
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