河道底泥生态修复的方法与流程

1.本发明涉及水环境治理技术领域，更加涉及河道底泥生态修复的方法。


背景技术：

2.底泥是水体生态系统的重要组成部分，也是污染物和营养物质的主要滞纳库。大量的污染物进入水体后，通过吸附、沉淀、络合等物理化学作用附着于泥沙上，造成底泥污染。虽然通过加强截流、污水处理等措施可以减少污染负荷进入受纳水体，但底泥污染的内源性释放却在很大程度上限制了污染水体的改善，成为影响和制约水质改善的重要二次污染源。大量污染严重的底泥在水动力、物理、化学和生物等一系列作用下会重新向水中释放污染物，导致河道水体黑臭。因此，污染底泥治理是水体污染综合整治的重要组成部分。虽然各地不断加强污水管网建设，提高污水排放标准，但是底泥中的内源污染物质释放是导致河道水体久治不愈的主要原因。
3.底泥内源污染控制的方法众多，可以分为异位处理技术和原位处理技术。底泥疏浚是一种目前广泛应用的底泥异位处理技术。底泥疏浚是一种可以有效恢复和改善河道功能的工程性措施，但该措施存在工程量大、作业成本高、容易引起二次污染、清淤后的底泥处置等问题。
4.丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi)amf，广泛分布于土壤中，是一类专性活体营养共生菌，能够与地球上绝大多数植物形成菌根。amf在改变土壤酶及植物根际微生物活性，提高植物群落的稳定性和生产力方面起着重要的生态作用，同时能促进植物抗病、抗盐、抗重金属、抗寒，促进植物生长发育，增强植物对氮、磷及重金属的吸收。大量研究表明amf不仅可以侵染陆生植物还可以侵染湿生植物，与湿生植物形成共生体系，但在湿生环境下能够形成菌根结构植物相较于陆生植物的种类非常少，且就算形成侵染率也比较低。无法发挥其促进植物抗病、抗盐、抗重金属、抗寒，促进植物生长发育，增强植物对氮、磷及重金属的吸收等作用。因而，目前还没有将其应用于水体生态系统底泥的原位修复。


技术实现要素：

5.基于上述问题，本发明提供了一种河道底泥生态修复的方法，其可将菌根化的水生植物应用到河道底泥的修复中，采用水生菌根植物对河道底泥进行原位修复，不仅能够提升水生植物的存活率和生长速度还能够提升河道底泥的修复效果，能够有效去除底泥黑臭、改善底泥和重金属污染情况。
6.为实现上述目的，本发明提供的河道底泥生态修复的方法，包括依次的如下步骤：
7.(1)制备丛枝菌根真菌菌剂；
8.(2)于陆生环境下将水生植物接种所述丛枝菌根真菌菌剂得水生菌根植物，水生植物包括挺水植物和沉水植物；
9.(3)将所述水生菌根植物移栽到河道底泥中，且水深0～0.5m下种植挺水植物，水深0.5～1.2m下种植沉水植物；
10.(4)对已生长的水生菌根植物进行管理，定期清理枯枝落叶。
11.与现有技术相比，本发明的河道底泥生态修复的方法于陆生环境下将水生植物接种丛枝菌根真菌菌剂得水生菌根植物，丛枝菌根真菌是好氧微生物，在陆生环境下对水生植物接种可以稳定的形成较高的侵染率的水生菌根植物，且侵染结构一旦形成后再淹水，虽不能形成新的侵染，但对已形成侵染结构影响不大。故将水生菌根植物移栽到河道底泥中，丛枝菌根真菌菌剂能够促进水生植物的生长以及提高植物的抗逆性，以避免被污染的黑臭底泥不利于植物的生长，而致底泥中的水生植物生长受阻或不能生存的问题，与传统植物修复相比，丛枝菌根真菌菌剂能够提高植物的适应性，促进其在污染环境中的生长。其次，丛枝菌根真菌菌剂能促进植物抗病、抗盐、抗重金属、抗寒，促进植物生长发育，增强植物对氮、磷及重金属的吸收，从而改善河道底泥中磷和重金属的修复。另外，水生菌根植物的泌氧作用能够持续的改善底泥的厌氧状态，以及为微生物提供附着场所，能够提升根系周围底泥的修复效果。
12.作为一较佳技术方案，所述丛枝菌根真菌菌剂的丛枝菌根真菌为funneliformis mosseae，购于长江大学生命科学学院，种质资源库编号为gz01a，国家微生物平台编号为1511c0001bgcam0012。
13.作为一较佳技术方案，所述挺水植物为芦苇、美人蕉、再力花、鸢尾、旱伞草和菖蒲中的至少一种，所述沉水植物为狐尾藻、金鱼藻、狸藻、眼子菜、苦菜、黑藻和伊乐藻中的至少一种。更具体的，水深0～0.2m下种植旱伞草、鸢尾和菖蒲，水深0.2～0.5m下种植芦苇、美人蕉和再力花。
14.作为一较佳技术方案，步骤(1)制备丛枝菌根真菌菌剂包括依次的无菌苗培养、接种、菌剂收获。
15.作为一较佳技术方案，所述无菌苗培养包括选取三叶草种子，用无菌水浸泡后灭菌，放入垫有润湿滤纸的培养皿中光照培养，待出芽后备用。
16.作为一较佳技术方案，所述接种包括取固态培养基质和占固态培养基质重量0.5～1％的丛枝菌根真菌于花盆中混匀，再于表面平铺占固态培养基质重量1.2～2.5％的丛枝菌根真菌，放入出芽的所述三叶草种子，再覆盖上所述固态培养基质，用无菌水浇透，再加霍格兰营养液，期间进行盆栽管理，每周定期补充霍格兰营养液，根据盆栽固态培养基质的水分情况，施加无菌水以维持盆栽的含水率在田间的60％。
17.作为一较佳技术方案，所述菌剂收获包括接种一定时间后，剪掉三叶草植株地上部分，将根剪碎和培养基质混匀，晾干保存在冰箱备用。
18.作为一较佳技术方案，步骤(2)于陆生环境下将水生植物接种所述丛枝菌根真菌菌剂得水生菌根植物包括：
19.①
培育水生植物无菌苗：选取水生植物种子，用无菌水浸泡后灭菌，放入垫有润湿滤纸的培养皿中光照培养，待出芽后备用；
20.②
水生菌根植物培育：先将河堤土壤翻耕整理，挖出深沟，再于沟里均匀撒入0.5～1kg/m2的所述丛枝菌根真菌菌剂，将培育的水生植物无菌苗放入，然后将土壤填平进行水肥管理，待培育一段时间后选择根系侵染率在40％以上的为合格的水生菌根植物。
21.作为一较佳技术方案，所述固态培养基质的制备方法包括按蛭石、河沙、珍珠岩的质量比2～3:1～2:1～2的比例配置后混合均匀，放入高压灭菌锅中于120～130℃下灭菌
2h，取出后风干备用。
附图说明
22.图1为amf和ck实验对美人蕉生物量的影响图。
23.图2为amf和ck实验对美人蕉叶绿素含量的影响图。
24.图3为amf和ck实验对美人蕉净光合速率的影响图。
25.图4为amf和ck实验对美人蕉cd累积量的影响图。
26.图5为amf和ck实验对上覆水nh
3-n含量的影响图。
27.图6为amf和ck实验对上覆水tp含量的影响图。
具体实施方式
28.本发明的河道底泥生态修复的方法，包括依次的如下步骤：
29.(1)制备丛枝菌根真菌菌剂，具体包括：
30.①
无菌苗培养：选取三叶草种子，用无菌水浸泡后灭菌，放入垫有润湿滤纸的培养皿中光照培养，待出芽后备用。
31.②
接种：取固态培养基质和占固态培养基质重量0.5～1％的丛枝菌根真菌于花盆中混匀，再于表面平铺占固态培养基质重量1.2～2.5％的丛枝菌根真菌，放入出芽的所述三叶草种子，再覆盖上固态培养基质，用无菌水浇透，再加霍格兰营养液，期间进行盆栽管理，每周定期补充霍格兰营养液，根据盆栽固态培养基质的水分情况，施加无菌水，以维持盆栽的含水率在田间的60％。
32.③
菌剂收获：接种一定时间后，剪掉三叶草植株地上部分，将根剪碎和培养基质混匀，晾干保存在冰箱备用。
33.(2)于陆生环境下将水生植物接种所述丛枝菌根真菌菌剂得水生菌根植物，水生植物包括挺水植物和沉水植物，具体包括：
34.①
培育水生植物无菌苗：选取水生植物种子，用无菌水浸泡后灭菌，放入垫有润湿滤纸的培养皿中光照培养，待出芽后备用。
35.②
水生菌根植物培育：先将河堤土壤翻耕整理，挖出深沟，再于沟里均匀撒入0.5～1kg/m2的所述丛枝菌根真菌菌剂，将培育的水生植物无菌苗放入，然后将土壤填平进行水肥管理，待培育一段时间后选择根系侵染率在40％以上的为合格的水生菌根植物。
36.(3)将水生菌根植物移栽到河道底泥中，且水深0～0.5m下种植挺水植物，水深0.5～1.2m下种植沉水植物，挺水植物为芦苇、美人蕉、再力花、鸢尾、旱伞草和菖蒲中的至少一种，沉水植物为狐尾藻、金鱼藻、狸藻、眼子菜、苦菜、黑藻和伊乐藻中的至少一种。且挺水植物的种植中，水深0～0.2m下种植旱伞草、鸢尾和菖蒲，水深0.2～0.5m下种植芦苇、美人蕉和再力花。
37.(4)对已生长的水生菌根植物进行管理，定期清理枯枝落叶。
38.其中，丛枝菌根真菌菌剂的丛枝菌根真菌为funneliformis mosseae，购于长江大学生命科学学院，种质资源库编号为gz01a，国家微生物平台编号为1511c0001bgcam0012。
39.固态培养基质的制备方法包括按河沙：蛭石：珍珠岩的质量比3:2:1的比例配置后混合均匀，放入高压灭菌锅中于120～130℃下灭菌2h，取出后风干备用。
40.为更好地说明本发明的目的、技术方案和有益效果，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。需说明的是，下述实施所述方法是对本发明做的进一步解释说明，不应当作为对本发明的限制。
41.下面分别采用实验室试验(实施例1)和河道底泥(实施例2)为例对本发明的河道底泥生态修复的方法及其技术效果进行详细说明。
42.实施例1
43.(1)制备丛枝菌根真菌菌剂，具体包括：
44.①
无菌苗培养：选取适量的三叶草种子于100ml的烧杯中加入无菌水浸泡4h，用70％的乙醇消毒30～60s，然后将乙醇倒入废液缸，加入无菌水，轻轻晃动，清洗1～2min。再将10％的次氯酸钠倒入烧杯，消毒10min，期间不时晃动烧杯使种子充分接触消毒剂，再将次氯酸钠溶液倒入废液缸，加入无菌水，轻轻晃动，清洗3～4min，如此重复3～4次。将三叶草种子置于垫有湿滤纸的培养皿中，放入25～28℃恒温培养箱中光照培养，待出芽后备用，期间视情况补充无菌水保持滤纸湿润直至出芽。
45.②
接种：将花盆用75％的酒精消毒后晾干，盆里先加入4kg灭菌好的固态培养基质，加入20g丛枝菌根真菌菌剂混匀，然后再在表面将60g的丛枝菌根真菌菌剂平铺，最后放上出芽的三叶草种子，再覆盖上0.5kg固态培养基质，用无菌水将固态培养基质浇透并浇50～100ml的1/2霍格兰营养液，每周浇一次霍格兰营养液，一次80～150ml，根据盆栽培养基质的水分情况，施加无菌水以维持盆栽的含水率在田间的60％。固态培养基质的制备方法包括按蛭石、河沙、珍珠岩的质量比3:2:1的比例配置后混合均匀，放入高压灭菌锅中于120～130℃下灭菌2h，取出后风干备用。
46.③
菌剂收获：接种10周后，剪掉三叶草植株地上部分，拔去粗根后，收集部分较细小的根系用于测定菌根侵染率，采集部分固态培养基质采用湿筛法测固态培养基质中的孢子数，其侵染率为80％以上，孢子数≥8个/g，表明其可以用于后续水生菌根植物的培育，将根系剪碎和固态培养基质混匀，晾干保存于4℃冰箱中备用。
47.(2)于陆生环境下将美人蕉接种丛枝菌根真菌菌剂得菌根美人蕉，具体包括：
48.①
无菌苗培养：选取适量的美人蕉种子于100ml的烧杯中加入无菌水浸泡4h，用70％的乙醇消毒30～60s，然后将乙醇倒入废液缸，加入无菌水，轻轻晃动，清洗1～2min。再将10％的次氯酸钠倒入烧杯，消毒10min，期间不时晃动烧杯使种子充分接触消毒剂，再将次氯酸钠溶液倒入废液缸，加入无菌水，轻轻晃动，清洗3～4min，如此重复3～4次。将美人蕉种子置于垫有湿滤纸的培养皿中，放入25～28℃恒温培养箱中光照培养，待出芽后备用，期间视情况补充无菌水保持滤纸湿润直至出芽。
49.②
接种：将花盆用75％的酒精消毒后晾干，盆里先加入4kg灭菌好的固态培养基质，固态培养基质的制备方法包括按蛭石、河沙、珍珠岩的质量比3:2:1的比例配置后混合均匀，放入高压灭菌锅中于120～130℃下灭菌2h，取出后风干备用。再加入20g步骤(1)所制备的丛枝菌根真菌菌剂混匀，然后再在表面将60g的步骤(1)所制备的丛枝菌根真菌菌剂平铺，最后放上出芽的美人蕉种子，再覆盖上0.5kg固态培养基质，用无菌水浇透，再加霍格兰营养液，自然光照盆栽培养，期间进行盆栽管理，每周定期补充霍格兰营养液一次80～150ml，根据盆栽固态培养基质的水分情况，施加无菌水以维持盆栽的含水率在田间的60％，且在接种10周后，采集部分根系测定菌根侵染率为75％，其已形成有效浸染，表明可
以用于后续的底泥修复，此为接种丛枝菌根真菌，此实验记为amf。
50.并设置另一不接种的空白对照记为ck，其具体操作为：将花盆用75％的酒精消毒后晾干，盆里先加入4kg灭菌好的固态培养基质，固态培养基质的制备方法包括按蛭石、河沙、珍珠岩的质量比3:2:1的比例配置后混合均匀，放入高压灭菌锅中于120～130℃下灭菌2h，取出后风干备用。放上出芽的美人蕉种子，再覆盖上0.5kg固态培养基质，用无菌水浇透，再加霍格兰营养液，自然光照盆栽培养，期间进行盆栽管理，每周定期补充霍格兰营养液一次80～150ml，根据盆栽固态培养基质的水分情况，施加无菌水以维持盆栽的含水率在田间的60％，并维持与amf同样的盆栽时间。
51.(3)菌根美人蕉移栽
52.将采集含有重金属cd的黑臭底泥放置透明塑料桶底，底泥厚度30cm左右，将amf和ck中的美人蕉移栽到采至城市黑臭河道的底泥中，加入上覆水，上覆水深度为30～50cm。每天采集水样测定上覆水中的氨氮、总磷，连续测定9天。实验进行两个月时用光合仪测定植物的叶绿素含量、净光合速率，然后采集植物一小部分新鲜根系测定菌根植物侵染率，其余部分烘干后测定植物生物量、cd的累积量。
53.其结果显示，试验结束后侵染率仍能达到50％，移栽前的侵染率为75％，移栽后的菌根侵染率下降了25％，说明淹水条件下amf对美人蕉的侵染率下降，这可能是因为萌发了很多新的根系，且在淹水条件下，amf与美人蕉较难形成新的菌根结构，所以侵染率下降，但总的侵染率仍能达到50％，说明在陆生环境下对美人蕉接种可以稳定的形成较高的侵染率的菌根美人蕉，且侵染结构一旦形成后再淹水，虽不能形成新的侵染，但对已形成侵染结构影响不大。且移栽水生菌根植物后底泥中黑臭在30天内得到消除，而ck还有明显的黑臭情况存在，故接种amf可以提高底泥黑臭的消除速度，同时测其微生物底泥中的微生物量增长多了30％，说明水生菌根植物可以促进底泥中微生物的生长。水生植物接种amf后能够促进植物根系的生长，根系的泌氧作用能够改善底泥的厌氧情况，从而消除底泥的黑臭。
54.图1为amf和ck实验对美人蕉生物量的影响图，其结果显示，接种amf美人蕉的生物量相较于ck增加了59％，污染的黑臭底泥往往是会抑制美人蕉的生长，甚至直接造成美人蕉的死亡，而接种amf能够提高美人蕉的抗逆性，促进美人蕉的生长，提升美人蕉的存活率，从而提高对底泥黑臭的修复效率。
55.图2为amf和ck实验对美人蕉叶绿素含量的影响，其结果显示，接种amf处理相较于ck叶绿素含量增加了66％，说明在黑臭底泥治理中接种amf能够显著增加植物叶绿素的含量，能够促进植物的光合作用，从而促进水生植物的生长。
56.图3为amf和ck实验对美人蕉净光合速率的影响图，其结果显示，接种amf处理相较于ck净光合速率增加了35％，说明在黑臭底泥治理中接种amf能够显著提升水生植物的净光合速率，从而提升了植物生长速率。
57.图4为amf和ck实验对美人蕉cd累积量的影响图，其结果显示，接种amf处理相较于ck的cd累积量增加了68％，接种处理显著增加了美人蕉对重金属cd的累积量，故提升了水生植物对重金属的去除率。
58.图5为amf和ck实验对上覆水nh
3-n含量的影响图，其结果显示，接种amf处理相较于ck的上覆水nh
3-n含量降低了386％，说明接种amf能够显著降低上覆水nh
3-n的含量，能够提升水生植物对河道的修复效率。
59.图6为amf和ck实验对上覆水tp含量的影响图，其结果显示，接种amf处理相较于ck的上覆水tp含量降低了48％，接种amf能够降低上覆水tp的含量，能够提升水生植物对河道的修复效率，有效解决了tp在河道治理中难以去除的问题，庞大的丛枝菌根真菌根外菌丝系统能够促进植物对磷的吸收，减少底泥中磷向上覆水释放，从而降低上覆水体中的磷含量。
60.实施例2
61.1.整理边坡
62.将河堤没有进行固化的河道进行边坡的整理，没有固化的河堤，直接在河岸两边进行水生菌根植物的培育；固化的河堤可以另选取合适的地方进行水生菌根植物的培育。
63.2.水生菌根植物培育
64.①
制备丛枝菌根真菌菌剂：参照实施例1中步骤(1)制备丛枝菌根真菌菌剂。
65.②
培养各水生植物无菌苗：参照实施例1中步骤(2)中的
①
培育各水生植物无菌苗。水生植物为芦苇、美人蕉、再力花、鸢尾、旱伞草、菖蒲、狐尾藻、金鱼藻、狸藻、眼子菜、苦菜、黑藻和伊乐藻。
66.③
水生菌根植物培育
67.先将河堤土壤翻耕整理好，挖出10cm左右深的沟，再于沟里均匀撒入0.5～1kg/m2的丛枝菌根真菌菌剂，，将育好的各水生植物苗放入，然后将土壤填平。然后进行水肥管理，水生植物培育两个月后，采集植物根系测定菌根侵染率，根系侵染率在40％以上的为合格的水生菌根植物。
68.3.水生菌根植物移栽
69.水生菌根植物培育两个月后依照相应的水深将不同的水生植物进行移栽，0～0.2m的水深种植较为矮小的水生菌根植物，如旱伞草、鸢尾、菖蒲；0.2～0.5m的水深种植较为高达的水生菌根植物，如芦苇、美人蕉、再力花等；0.5～1.2m的水生种植菌根沉水植物，如狐尾藻、黑藻、眼子菜等。
70.4.水生植物管理及治理效果
71.秋季的时候收割水生植物地上部分，以免植物枝叶腐烂污染河道，冬季时河道的底泥中的黑臭完全消失，测试河道中的上覆水中的氨氮、总磷和底泥中cd的累积量其含量均可以达到地表水五类水标准，植物对重金属cd累积量为60μg/株，说明水生植物接种丛枝菌根真菌菌剂之后，可提高对氮、磷及重金属的吸收，从而可改善河道底泥中氨氮、磷和重金属的修复。
72.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，但是也并不仅限于实施例中所列，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。