富营养化水体生物修复研究进展

摘要：近年来，大量含有氮、磷元素的营养物质排入河湖加剧了水质下降及水体富营养化进程，影响到水体的生态环境，控制水体富营养化成为当务之急；削减水体氮、磷负荷是消除富营养化、恢复生态系统的关键，在外源性营养物质减少后，对内源性营养物质的控制中，生物措施越来越受到重视。其中生态浮床技术最具经济和技术合理性，国内研究主要包括浮床植物的筛选、浮床的机理、浮床材料及应用等方面；微生物强化技术是利用微生物作为生态系统的分解者，通过脱氮菌、去磷菌、光合细菌、复合光合细菌、有效微生物群（ＥＭ）、溶藻菌等去除水体污染，由于传统微生物修复的限制，新型脱氮菌群、反硝化聚磷菌的筛选以及固定化技术、微生物制剂等的应用成为研究的新热点，今后生物修复富营养化水体更加侧重于植物—微生物的联合应用。

关键词：富营养化；生物修复；生态浮床；微生物强化技术

中图分类号：Ｘ５２；Ｘ１７２文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）04－0660-04

近年来，我国农业、工业和城镇化建设加快，大量含有氮、磷元素营养物质的工业、生活和农业废水以点源和面源形式不断排入河流、湖泊中，使水体中藻类大量繁殖，形成恶性循环，加剧了水质下降及富营养化进程，水体中化学耗氧量（ＣＯＤｃｒ）、总氮、总磷、氨氮等主要富营养化污染指标普遍劣于相应标准１～２类［１，２］。

水体富营养化后，首先危害水产养殖业，水体透明度降低，藻类大量繁殖，水中溶解氧降低，导致鱼、虾、贝类大量死亡；再者，水体生态系统严重退化产生的过量亚硝酸盐和硝酸盐、藻类致病毒素对人体健康产生很大的威胁，水体散发的腥臭味更影响到周边水环境和人文景观［３，４］。所以解决城市水体富营养化现象，恢复河流湖泊的生态和社会功能问题，日益成为城市可持续发展的关键乃至限制性因素。

１水体富营养化控制的方法

消除富营养化的关键在于削减水体中氮、磷的负荷，从而消除水体藻类疯长的基础，达到降低水体中藻类生物量、提高水体透明度的目的，实践中采用多种方法进行综合防治。

１．１外源性营养物质控制

通过减少或者截断外部输入的营养物质，使水体失去营养物质富集的可能性。实践证明，对工业废水、农业生产及生活污水的有效控制是控制水体富营养化的关键措施之一［４］。

１．２内源性营养物质控制

外源性营养物质减少后，对内源性营养物质的控制是消除富营养化、恢复生态系统的关键［５，６］。目前常用的方法有工程性措施、物理化学措施、生物措施等。

工程性措施如底泥疏浚、引水置换和底泥覆盖等，存在的主要问题是工程量巨大，成本高，因此一般仅适用于小型水体［７］。

物理化学措施如利用湖底深层曝气、絮凝沉淀、化学药剂杀藻等达到减氮除磷杀藻的目的，主要的问题是短期内使用易造成二次污染，生态系统不能有效恢复。

相对于传统的工程、物理化学处理方法，生物措施则成本低廉、综合效益高、不易造成二次污染，在消除富营养化及生态修复方面优势明显，越来越受到人们的重视，主要是利用水生生物通过代谢活动去除水体营养物质、抑制藻类生长，研究应用集中在水生植物修复技术［８，９］、微生物强化技术［１０］等方面。

水生植物修复技术机理是植物和根区微生物共存，产生协同效应，经过植物吸收、微生物转化、物理吸附和沉降作用，一方面对营养元素的吸收净化可有效削减营养物质负荷，另一方面对浮游植物产生竞争抑制，同时沉水植物能够促使悬浮或溶解在湖水中的污染物向底泥转移，澄清和净化水质，在生态系统恢复中起到了关键作用［１１］。其中，人工湿地处理技术和生态浮床技术（也称人工浮岛、生物浮岛）在工程实践中应用广泛。人工湿地利用基质－微生物－植物这个复合的生态系统，实现对废水中有害物质的去除［１２］，国内学者开展了潜流人工湿地系统净化，总氮、总磷去除等方面的研究［１３，１４］。而生态浮床技术利用植物在生长过程中对水体中氮、磷等元素的吸收及植物根系微生物和浮床基质对水体中悬浮物的吸附，富集水体中的有害物质，国内外在浮床植物的筛选、浮床的机理、浮床材料应用等方面开展了大量研究。

微生物强化技术主要利用微生物作为生态系统中的分解者，通过氨化、硝化、反硝化作用将氮转化成气体，加快水体中氮的循环；参与有机磷的分解作用，促进水生植物的吸收利用，使磷元素从水体中去除。国内学者在脱氮菌、去磷菌、复合光合细菌、有效微生物群（ＥＭ）、溶藻菌以及固定化微生物技术、微生物制剂等的应用上做了许多研究。

２生态浮床研究动态

生态浮床是近年来一种新型的水体生物修复方法之一，特点是不需要搬运或输送污染水体（包括底泥和岸边受污染的土壤），直接利用水生植物、微生物对水体中氮、磷元素进行有效吸附、转化和降解，在受污染区域进行原位处理，最具经济和技术合理性，所以运用的也最为广泛。

２．１浮床植物的筛选

目前已用于或可用于人工生态浮床净化水体的植物主要有：美人蕉、芦苇、荻、多花黑麦草、稗草、水稻、香根草、牛筋草、香蒲、葛蒲、石菖蒲、水浮莲、凤眼莲、水芹菜、水蕹菜、芝麻花、灯心草等［１５－２２］。在提高浮床植物应用效果的研究上，郭沛涌等［２３，２４］对冬春季不同植物盖度的浮床研究发现，在黑麦草覆盖率为３０％时，系统对ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ的去除率都达到最高。周晓红等［２５］通过水培试验发现，重度刈割有利于黑麦草生物量的累积，且能有效提高系统对ＴＮ、ＴＰ等的去除能力。

２．２浮床的机理

林东教等［２６］研究发现，浮床净化是一个漂浮植物、微生物、水体及植物根区生理生态特性相互作用的结果；周小平等［２７］的研究表明，植物组织累积的Ｎ、Ｐ量分别占各自系统去除量的４０．３２％、６３．８７％，其吸收同化作用是其去除的主要途径；浮床在一定程度上调控了受污染河道中浮游藻类群落种群结构和生物量，明显改变不同水层中的细菌和真菌的数量，提高了水体的自净功能［２８，２９］。

２．３浮床材料

浮床材料的应用大致经历了几个阶段的发展：第一阶段，是植物水上种植的一种方式，材料以泡沫塑料板、竹排、椰壳、渔用网片、玻璃钢等为材料，无论材料和水生植物都易造成二次污染；第二阶段，重视了成本和材料两个方面，但在耐腐蚀、牢固性及氧的传输功能等方面严重不足；现阶段，浮床制作大多有气体交换区，提高了水体的表面复氧作用，通过水生动物、根际微生物等来提高植物的水质净化能力。

２．４生态浮床应用

国外生态浮床在城市暴雨污水、生活污水、工农业废水的净化上都有应用。我国生态浮床方面的研究从２０世纪９０年代初逐渐增多，在工农业废水以及河道、湖泊污水治理中都有应用，如应用于北京永定河引渠罗道庄河道、杭州南应加河道、上海华漕杨树湾河道、无锡五里湖工程、上海七宝宝华小区河道、上海青浦区府前河道、巢湖湖水、合肥环城河水、苏州重污染河道、太湖五里湖示范区等，均取得了良好效果［３０－３３］。

３微生物强化修复污染水体研究进展

３．１微生物修复污染水体

微生物作为生态系统中的分解者，对污染物的去除和养分的循环起着不可忽视的作用，已有的研究表明，通过对氮的氨化、硝化、反硝化作用，脱氮菌（主要包括硝化菌和反硝化菌）驱动着水体中氮的生物地球化学循环，其中硝化作用是指氨经过硝化细菌氧化为亚硝酸和硝酸的过程，是脱氮中的关键环节，但自然界中的硝化细菌是一类好氧化能自养的细菌，特点是自养、好氧和生长速度慢，在高有机物浓度条件下很难形成优势菌种，严重影响其硝化能力，因此高效异养硝化菌、好氧反硝化菌、高效氨氮降解菌等新型脱氮菌群成为最新研究的热点［３４，３５］。

磷元素对水体环境富营养化程度改善和恶化的影响往往比氮元素更大，微生物参与着有机磷的分解作用，可以促进水生植物的吸收利用，已有研究主要通过植物过滤、吸附、共沉和各种絮凝微生物絮凝沉淀作用，去除效率低下，有研究利用反硝化聚磷菌在好氧条件下摄取磷合成聚磷酸盐而储存于细胞内来达到除磷目的，解决传统利用物理絮凝作用去除磷效率低下的问题［３６］。

光合细菌、复合光合细菌可去除富营养化水体的有机质和氨氮［３７］；有效微生物群（ＥＭ）由筛选出的优势乳酸菌、酵母菌、放线菌及光合细菌等功能性菌株组成，具有广泛的应用价值，研究表明可显著抑制“水华”藻类生长，去除水体富营养化［３８］，采用溶藻菌控制蓝藻［３９］。

３．２固定化微生物技术

固定化微生物技术是用化学或物理手段将游离微生物定位于限定的空间区域内，并使其保持活性、反复利用的方法，能够提高微生物密度、稳定性、耐毒害和抗冲击能力等，被广泛应用。

在氮循环菌中，硝化菌为自养细菌，其生长缓慢，易受外界环境影响，对低温异常敏感，固定化硝化菌能够提高硝化菌群浓度，增加硝化菌对温度的抵抗力和有毒物质的耐受性，取得较好的硝化效果［４０］。如张爽等［４１］采用聚乙烯醇－硼酸包埋法固定经常温富集培养的含耐冷菌的硝化污泥，处理常温和低温生活污水，１０ ℃以下氨氮去除率可稳定在８０.00％左右。应用固定化氮循环细菌技术（ＮＩＣＢ）对富营养化水体原位修复，并在镇江金山湖进行湖泊水体氮污染净化实践，结果表明，总氮和氨氮去除效果明显［４２，４３］。常会庆等［４４］用伊乐藻和固定化细菌共同作用研究表明，对水体中的几种形式的氮素都有不同程度的降低作用。蔡昌凤等［４５］在传统的ＰＶＡ固定化方法中加入麦秸粉末，混合固定硝化细菌和反硝化细菌，对厌氧酸化后的焦化废水进行脱氮，经过１２ ｈ的曝气处理后，氨氮浓度去除率高达９４．３0％，ＣＯＤ去除率为６３．１５％。

固定化技术除磷研究主要是利用固定化聚磷菌除磷，采用固定化技术，可以提供厌氧和好氧交替的环境，使聚磷菌成为优势菌群，达到除磷的目的［４６］。

３．３微生物制剂修复富营养化

近些年兴起的微生物制剂作为以改善环境状况和强化处理系统稳定、高效为目标，通过菌群构建等科学方法得到的具有特殊功能的生物制品［４７］，在水体修复领域已得到广泛应用。如美国Ａｌｋｅｎ－Ｍｕｒｒｙ公司开发的系列微生物制剂Ｃｌｅａｒ－Ｆｌｏ，除了用于修复污染河流外，也用于修复富营养化的湖泊，在国内也有应用［４８］。美国生态实验室研发的液可清是一种由３２种专性活菌构成的混合微生物制剂，已获得美国环保局、卫生部和农业部的认证，在我国云南昆明城市西南部西坝河进行的水体修复中有应用，３周后，修复河段内的ＢＯＤ５、总氮、总磷和浊度分别有不同程度的下降［４９］。

在富营养化水体的生物修复中，以植物－微生物为基础的原位生物修复体系不但可以降低水体中的营养盐水平；而且还可同步实现生态系统结构的改善与经济效益的获得，被越来越多地应用于实践中。

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