濕地水生植物及其根際微生物對水體的影響機理

朱林

（天津大黃堡濕地自然保護(hù)區(qū)管理處，天津 301700）

1 研究背景

伴隨經(jīng)濟飛速發(fā)展，隨之而來的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。特別在發(fā)展中國家，廢水時常不經(jīng)處理就直接排入水體，造成了水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化，不但破壞了生態(tài)環(huán)境，而且引起灌溉及城市供水困難，嚴(yán)重制約了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。濕地植物具有獨特而復(fù)雜的凈化機理，特別對水體的氮和磷污染效果更明顯，被廣泛應(yīng)用于各種污水處理與水體生態(tài)修復(fù)。通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解實現(xiàn)對污染物的去除，同時通過營養(yǎng)物質(zhì)和水分的循環(huán)，實現(xiàn)廢水無害化。

2 研究的目的意義

水污染是當(dāng)今全球性的重大環(huán)境問題。如何有效降低污染水體中的氮磷含量，凈化被污染水體，已成為當(dāng)今環(huán)境問題研究的重要課題。

利用水生植物及其根際微生物的相互作用對水體中營養(yǎng)元素的吸收、轉(zhuǎn)化和移除來防治和修復(fù)富營養(yǎng)化水體的研究已開展多年，并表現(xiàn)出了很好的凈化效果。本研究為形成有效的污染物消減濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系提供技術(shù)支撐。

3 水生植物對水體中氮磷等污染物的凈化作用

不同水生植物在污染水體修復(fù)中具有不同的效果。水生植物按生態(tài)類型，可分為沉水植物、飄浮植物、浮葉植物和挺水植物。

沉水植物能夠從底質(zhì)沉積物中補充不足的營養(yǎng)，在水生植物群落中占據(jù)營養(yǎng)競爭優(yōu)勢。這種營養(yǎng)資源使得沉水植物在水體中營養(yǎng)濃度很低的情況下仍能生長，因此，沉水植物對浮游植物具有競爭優(yōu)勢。沉水植物有效地減緩湖泊內(nèi)源性營養(yǎng)物負(fù)荷的儲備速度，使輸入與輸出的營養(yǎng)鹽趨于平衡，以機械化方式收割沉水植物轉(zhuǎn)移氮磷營養(yǎng)鹽，是水體富營養(yǎng)化適度控制的一項實用技術(shù)。由于沉水植物在水體生態(tài)中具有這些重要作用，在水體修復(fù)工程中得到應(yīng)用較多。然而沉水植物在富營養(yǎng)化水體中卻難以恢復(fù)。光照對沉水植物生長有很大影響，這也是制約沉水植物在富營養(yǎng)化水體修復(fù)中應(yīng)用的瓶頸。此外，水體營養(yǎng)條件和底質(zhì)環(huán)境等諸多因素也影響了沉水植物的恢復(fù)。采用伊樂藻、苦草、狐尾藻、篦齒眼子菜、金魚藻、菹草及輪藻對總氮和總磷均有顯著去除作用。

漂浮植物浮生水面，在光照競爭中占絕對優(yōu)勢，能夠高效吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)。蔣艾青應(yīng)用鳳眼蓮對城郊污水魚塘中的NH4-N、NO3-N、COD及TN去除率分別為70%、88.1%、56%及73.1%。邵林廣應(yīng)用水浮蓮對富營養(yǎng)化湖泊進(jìn)行凈化試驗，BOD5的去除率在70%以上，總氮去除率60%以上，總磷去除率70%以上。漂浮植物容易打撈，但繁殖能力很強。鳳眼蓮能夠在很短的時間里占領(lǐng)整個水域，將其它植物種類排擠掉成為優(yōu)勢種，使整個水生生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性大大降低，同時阻隔水體與外界的陽光和空氣交換，降低水體中溶解氧，不利于生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。如應(yīng)用其進(jìn)行水體的生態(tài)修復(fù)，必須嚴(yán)格注意控制其過度繁殖。

4 微生物對水體中氮磷等污染物的凈化作用

微生物是濕地系統(tǒng)的重要組成部分，是污染物質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化的主要生物群體和承擔(dān)者，濕地微生物控制著有機物質(zhì)和主要養(yǎng)分的循環(huán)過程，并對維持植物的營養(yǎng)供應(yīng)起著重要作用。

微生物是濕地系統(tǒng)中有機物質(zhì)、氮素及磷素的循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心，微生物生物量本身也是這種轉(zhuǎn)化的一部分，可被植物利用，是一個動態(tài)活性營養(yǎng)庫。

4.1 微生物對氮的去除機理

濕地對氮的去除主要是通過植物吸收、沉淀及基質(zhì)吸附，硝化不完全反硝化產(chǎn)生一氧化氮以及完全反硝化產(chǎn)生氮氣等作用實現(xiàn)的。一般認(rèn)為，植物吸收的氮僅占總?cè)コ?0%～30%。另外，研究發(fā)現(xiàn)厭氧氨化細(xì)菌直接將NO2-和NH4+轉(zhuǎn)化為氮氣也是濕地脫氮的一種途徑，但對其在濕地除氮過程中所發(fā)揮作用的大小所知甚少。黃娟等以大量試驗資料為基礎(chǔ)，對潛流型人工濕地的脫氮途徑及規(guī)律進(jìn)行了定量分析，得出微生物降解量約占進(jìn)水總氮的50%。Spieles等研究表明，人工濕地系統(tǒng)中，反硝化作用脫除的氮占總?cè)コ谋壤哌_(dá)60%～70%。所以，目前普遍認(rèn)為人工濕地中最主要的除氮機制仍然是微生物的硝化-反硝化作用來完成。

微生物的硝化作用是一個對溫度敏感的過程，其原因在于溫度對硝化細(xì)菌的增殖速度和活性都有較大影響。一般認(rèn)為，硝化細(xì)菌的最適溫度是28～36℃，在溫度<10℃時硝化反應(yīng)便受到抑制，<6℃反應(yīng)速率大幅度降低。因為溶解氧的增加可提高硝化反應(yīng)速率并加快硝化細(xì)菌的生長速度，但對反硝化脫氮有抑制作用，所以以溶解氧濃度適中時效果最好。

4.2 微生物對磷的去除機理

進(jìn)入濕地的含磷化合物主要包括顆粒磷、溶解有機磷和無機磷酸鹽。無機磷化合物的溶解性改變，有機磷化合物的分解礦化，無機磷的氧化和還原都需要磷細(xì)菌等微生物的生物化學(xué)反應(yīng)及酶的催化來實施。目前普遍認(rèn)可的生物除磷理論是聚磷微生物（PAOs）的攝/放磷原理。

在濕地磷循環(huán)過程起主要作用的是具有解磷功能的溶磷菌以及具有吸磷作用的聚磷菌。不同種類的細(xì)菌解磷能力不同，而且同一細(xì)菌對不同磷酸鹽的分解能力也有不同。比較不同種類的微生物菌株對不同種類難溶性磷酸鹽及磷礦粉的溶磷能力，磷酸鈣、磷酸鋁及磷酸鐵等難溶性磷酸鹽易被酵母菌、霉菌溶解，而磷礦粉易被巨大芽孢桿菌溶解。Paul等測定從豆科植物根際分離出來的幾株芽孢桿菌屬溶解Ca3(PO4)2的效果表明，溶磷能力最強的是巨大芽孢桿菌(Bacillus megateruium)，最弱的為短芽孢桿菌(Bacillus brevis)。

5 濕地植物及根際微生物相互作用對水體影響

研究發(fā)現(xiàn)植物凈水系統(tǒng)中，植物根區(qū)起著很重要的作用。根際這個微生態(tài)系統(tǒng)有3個重要的結(jié)構(gòu)主成份：植物根系、微生物及土壤或水。它們相互作用從而形成一個復(fù)雜體系，進(jìn)入根際的污染物便在此體系中發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)行為，從而表現(xiàn)出相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

植物除自身能吸收氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)外，由于植物根系的特殊的物理化學(xué)環(huán)境使得聚集在根區(qū)的微生物數(shù)量比非根區(qū)多得多，根區(qū)的凈水效果明顯比非根區(qū)好。在植物生長過程中不斷地向生長介質(zhì)中分泌大量的低分子有機物（如糖類、有機酸、氨基酸及酚類化合物等），為根際微生物提供大量的營養(yǎng)和能量物質(zhì)，加上植物根區(qū)的泌氧能力，在根區(qū)的微生物活性也增強了，對有機物降解加快，從而產(chǎn)生明顯的根際效應(yīng)。

國內(nèi)外已經(jīng)利用蘆葦香蒲吸收水體過量的營養(yǎng)物質(zhì)，消除水體的富營養(yǎng)化，恢復(fù)水域的養(yǎng)分平衡。目前水質(zhì)改善方法較多，如活性污泥法、穩(wěn)定塘法及人工濕地等。其中人工濕地技術(shù)作為一種低投資、低能耗、低處理成本、易管理及對氮磷去除率高的水生態(tài)處理技術(shù)，克服了化學(xué)方法凈化污水易造成二次污染和物理方法凈化污水治標(biāo)不治本的缺點，在歐洲和北美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。而我國對人工濕地處理污水的研究直到“七五”期間才開始，面對天然水體污染的日益嚴(yán)重，需要研究新的污染防治對策來解決水體的富營養(yǎng)化問題。生物修復(fù)技術(shù)以其高效、快速、簡便、投資省和不造成二次污染等特點被認(rèn)為是防治天然水體污染的高新技術(shù)。生物生態(tài)污水處理技術(shù)，是利用植物或培養(yǎng)接種的微生物的生命活動，對水中污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)移及降解轉(zhuǎn)化作用，從而使水體得到凈化的技術(shù)之一。近年來該技術(shù)發(fā)展很快，研究表明，人工濕地能夠利用基質(zhì)、微生物及植物這個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用，實現(xiàn)對污水中磷素和氮素的高效去除。濕地微生物在脫除富營養(yǎng)化水體中的氮磷中起著至關(guān)重要的作用。不同區(qū)域內(nèi)微生物數(shù)量及種類都影響氮磷的處理效果。研究發(fā)現(xiàn)，氮的去除與硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量密切相關(guān)；而利用濕地聚磷菌在好氧條件下過量攝取污水中的磷酸鹽，可有效將污水中的磷酸鹽脫除。微生物在人工濕地對污水的處理中起重要作用，而細(xì)菌在人工濕地主要的微生物類群中占主導(dǎo)地位，近年來人工濕地中的細(xì)菌已成為世界上研究的重點。

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