生物修復技術在水體富營養化中的應用進展

劉鑫+陳明明+張俊英

摘要：指出了水體富營養化是一個全球性的環境問題。通過分析水體富營養化的成因，針對日益嚴峻的水體富營養化問題，綜述了目前應用較廣的生物修復技術。主要從微生物修復技術、植物修復技術以及植物—微生物聯合修復技術的原理、應用現狀以及優缺點等方面進行了論述，并提出了植物—微生物聯合修復技術在今后水體修復方面具有良好的發展前景。

關鍵詞：水體富營養化；微生物修復；植物修復；植物-微生物聯合修復

中圖分類號：X524

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0130-05

1 水體富營養化的概述

水體富營養化是指氮、磷等無機營養物大量進入湖泊、海灣等相對封閉、水流緩慢的水體，引起藻類和其他水生植物大量繁殖，水體溶解氧下降、水質惡化，其它水生生物大量死亡的現象[1]。隨著社會工業化進程的快速發展，農業生產上對氮肥、磷肥的不合理使用，未經處理的家畜家禽糞便隨意堆放，生活中大量使用含磷洗滌劑，生活污水的任意排放，以及工業企業對未經處理或處理不達標后的工業廢水的肆意排放等現象，使湖泊、河口、海灣等水環境中的氮、磷等營養物質的不斷積累，給藻類以及其它水生生物的大量繁殖提供了物質基礎，引起浮游藻類等的惡性增殖，造成水體透明度下降，顏色加深、水體溶解氧量驟減，化學需氧量濃度增加，水質惡化，使魚類及其它水生生物窒息死亡產生惡臭，水體生態系統遭到破壞，進而導致水體富營養化。

目前判斷水體富營養化一般采用的指標是：水體中氮含量超過0.2～0.3 mg/L，磷含量大于0.01～0.02 mg/L， BOD>10mg/L，pH值為7～9的淡水中細菌總數超過104個/mL，表征藻類數量葉綠素a>0 μmg/L[2]。

國內外治理富營養化水體主要采用物理、化學、生物三種修復技術。其中生物修復技術近年來在國內外研究中得到了廣泛的關注。富營養化水體的生物修復技術是一種利用特定的生物（微生物、植物或原生動物）對水體中污染物及氮、磷等營養鹽進行有效吸收、轉化或降解的過程，從而使富營養化水體得到凈化的生物措施[3]。

2 微生物對富營養水體修復效果

關于利用微生物修復富營養化水體的研究已成為學術界廣泛關注的熱點問題。微生物修復技術主要是利用微生物對水中污染物的生物代謝作用，使富營養化水體中氮、磷等營養鹽含量降低，水質得到改善的過程。當排入水體的污染物含量超過水體所能承受的環境容量時，水體脫氮可通過微生物的氨化—硝化—反硝化作用把水體中NH3、銨態氮（NH+4-N）、硝態氮（NO-3-N）、亞硝態氮（NO-2-N）以N2的形式移出水體進入大氣氮循環，從而降低水體中含氮營養鹽的含量。同時，水體除磷可利用聚磷微生物的厭氧釋磷、好氧吸磷的特性來完成除磷；也可利用一些具有生物絮凝作用的微生物通過絮凝沉淀除磷。水體中氮、磷含量的降低，能有效的抑制藻類的大量繁殖。

近年來，關于利用微生物來修復富營養化水體的相關研究十分活躍，得到了很多研究者的青睞。微生物對富營養化水體修復能起到顯著的效果，主要依靠于興起的微生物固定化技術和微生物修復劑投加技術。

2.1 固定化微生物在富營養化水體修復中的應用

目前，單獨用于修復富營養化水體的固定化微生物主要有固定化光合細菌（Photosynthetic bacteria，簡稱PSB）。有研究表明，光合細菌脫氮機理可概括為兩個方面：光合細菌可直接吸收水體中可以利用的銨態氮和硝態氮，來合成自身生長所需的蛋白質等營養物質，即通過自身吸收來達到脫氮的目的。光合細菌既屬于好氧反硝化菌又是異養硝化菌，且能把NH+4氧化成NO-2后直接進行反硝化反應，即通過硝化反硝化作用來達到脫氮的目的。曹攀等通過與傳統活性污泥脫氮除磷效果的對比試驗，論證光合細菌的脫氮除磷機理。最后試驗得出：光合細菌的脫氮機制是通過好氧直接吸收分解和厭氧反硝化作用達到脫氮效果[4]。

光合細菌的細胞中具有能進行光合作用的載色體，亦能增強光合細菌的光合磷酸化過程，從而加快除磷進程。研究表明，光合細菌對重度富營養化水體處理10 d后，最優實驗組（pH為7.5，投加濃度為0.25 mL/L，其中每毫升菌液中含有3.4×109個光合細菌）對TN、TP的處理效率分別可以達到30%、45%以上，對透明度的提升效率達到了95%以上[5]。

雖然光合細菌對富營養化水體中氮、磷等營養鹽具有很好的處理效果，但是，游離的光合細菌也存在一些弊端，如：在流動的水流中易被沖走，作用時間短從而不能穩定有效的處理水體，在靜水里又容易被其他生物所食用；缺乏吸附和生長繁殖的載體等[6]，這些因素都制約著游離態光合細菌的凈水效果，然而，微生物固定化技術的興起解決了這些問題。

將培養好的光合細菌（OD600= 0.5）細胞懸浮液和海藻酸鈉（滅菌冷卻到45℃的體積分數為4%）分別各50mL進行混合，混合后立即倒入孔徑約1 mm的自制造粒器中，使形成的固定化顆粒滴入5%的CaCl2溶液中，再放置24h，最后濾出顆粒，用生理鹽水洗凈，從而實現光合細菌的固定化。利用海藻酸鈣固定化的光合細菌處理人工模擬的富營養化水體，并以NH4NO3和NaH2PO4來提供氮源、磷源，對照組為利用游離光合細菌處理水體。實驗結果表明：經過19 d的處理，實驗組對水體的處理效果明顯優于對照組，實驗組對總氮、總磷的去除率能達到60%以上，同時對銨態氮、硝態氮及COD的去除率能達到80%左右[6]。另外，也有研究表明，固定化光合細菌對富營養化養殖水體也具有極佳的凈化效果，與游離態的光合細菌相比，具有較高的去除率（丁成，2008）[7]。吳珊等人還對游離態光合細菌的最佳固定化方法以及對銅綠微囊藻的抑制作用進行了研究，實驗發現在最佳固定化（采用沸石、碳酸鈣和海藻酸鈉混合包埋光合細菌）條件下，固定化光合細菌對銅綠微囊藻抑制作用達到了80%以上，而等量的游離態光合細菌的抑制作用只有25%左右[8]。

從以上的研究成果可以看出，利用微生物固定化技術對富營養化水體的修復具有良好的發展前景，不論是對湖泊水質的處理還是在水產養殖業的應用，固定化微生物的應用均體現出顯著的凈化水體的能力，同時在一定程度上也有效地抑制了藻類的大量增殖。

2.2 微生物修復劑投加技術在富營養化水體修復的應用

微生物修復劑投加技術是微生物修復領域一個新興的研究熱點。所謂微生物修復劑投加技術是指向富營養化水體中投加有效微生物群EM，來促進水體中有機物和氮、磷等污染物質的降解，并且可以快速提高水體中微生物的濃度，利用微生物的代謝作用可在短期內增大污染物降解速率，從而達到修復富營養化水體水質的目的[9]。有效微生物群EM是指從自然界中篩選出各種有益微生物，用特定的方法混合培養所形成的微生物復合體系，其微生物組合以光合細菌、硝化細菌、芽孢桿菌、放線菌、酵母菌和乳酸菌等為主[10]。

早在20世紀80年代，日本學者比嘉照夫就成功開發出了EM（Effective Microorganisms，有效微生物群）技術，且在國內外均得到了廣泛的研究和應用。1992年美國一家公司成功分離和研制出名為Clear-Flo系列的微生物修復劑[11]，在美國某個溝渠使用了三個月左右，水體中的氨氮含量從0.02 mg/L降為了0 mg/L，其中對COD、BOD5的去除率均達到了70%以上。

我國也有相關研究表明，不論是在優勢種群為藍藻門中的銅綠微囊藻的富營養化水體中，還是優勢種群為綠藻門中的蛋白核小球藻和四尾柵藻的富營養化水體中投加微生物修復劑，水體中TN、TP的含量均呈現下降趨勢[9]。同時，在優勢種群為銅綠微囊藻的富營養化水體中投入有效微生物群EM期間，TN、TP的含量均呈明顯的下降趨勢，水體透明度也有明顯的提高。在停止投放菌劑1個月之后，TN、TP的含量達到最低點，均下降了60%左右。這一結果與呂愛芃的研究成果達成了一致[12]。

馬文林等利用微生物復合修復劑（由活性微生物菌體和具有調節水體環境、促進藻類生長功能的微量化學元素組成）對富營養化人工景觀湖的修復過程中，湖水中的chla、TP 含量都呈現穩定的下降趨勢。在試驗期末，水體中chla、TP含量均下降了65%以上，同時有效的抑制了水華的形成，結果表明微生物生態修復劑對富營養化人工景觀湖的修復具有顯著成效[13]。

綜上所述，微生物修復劑在降低富營養化水體中氮、磷等營養鹽濃度及降解有機污染物方面均取得顯著的成效，具有很大的發展前景。以上的研究結果均體現出微生物對水體有良好的修復效果，但是利用微生物來修復富營養化水體仍然需要對各種微生物發揮最佳降解效果所需環境因子深入研究、如何提升修復效率、解決需菌量大等問題都是需要繼續研究的方向[14]。

3 水生植物對富營養水體修復效果

植物修復技術是生物修復的一類。主要是利用水生植物，尤其是水生維管束植物和高等藻類，因為在其自身生長過程中可以吸收富營養化水體中氮、磷等營養物質，并且通過定期收獲水生植物帶走營養物質對富營養化水體進行修復[15]。

根據水生植物的生活方式，水生維管束植物可分為挺水植物，漂浮植物，浮葉植物和沉水植物。①挺水植物：根莖生于底泥中，植物體上部挺出水面，具有修復能力的主要有蘆葦、香蒲等；②漂浮植物：植物體完全漂浮于水面，具有特化的適應漂浮生活的組織結構，常用于修復水體的主要有鳳眼蓮、浮萍、黃花水龍等；③浮葉植物：根莖生于底泥，葉漂浮于水面，常用于修復水體的主要有睡蓮、蔣菜；④沉水植物：植物體完全沉于水氣界面以下，根扎于底泥或漂浮于水中。常用于修復水體研究的主要有黑藻、金魚藻、狐尾藻、伊樂藻等[16]。

水生植物對富營養化水體的修復機理可概括為5個方面：①攔截外源污染物；②植物吸收：水生植物能夠從水體中吸收生長所需的氮、磷等營養物質，并貯存于植物細胞中，通過木質化作用，轉化成為植物體的組成部分；③化感作用，即水生植物會向水體中釋放化感物質以抑制浮游藻類的生長；④水生植物的存在減小了水中的風浪擾動，有利于水體中懸浮物的沉積，還能有效地抑制底泥中污染物再釋放；⑤植物根系及底質的吸附作用[17，18]。

筆者主要從目前研究應用最多的漂浮植物系統、挺水植物系統和沉水植物系統3大類生態系統來探討對富營養化水體的修復。

3.1 挺水植物

不同種類挺水植物對氮和磷的去除能力存在顯著的差異。

在武漢地區利用黃菖蒲、石菖蒲、黑三棱和常綠水生鳶尾 4 種挺水植物對2種不同程度的富營養化水體進行水體凈化試驗，研究結果表明這四種挺水植物對2種不同富營養化程度水體的總氮的去除率均能達到40%以上，對TP的去除率均能達到50%以上。4種挺水植物對水體中TN、TP的去除率依次為黑三棱>黃菖蒲>常綠水生鳶尾>石菖蒲，可以看出黑三棱對水體有較好的凈化能力，而石菖蒲對水體的凈化能力相對較差。總體上來看這四種挺水植物對富營養化水體中P的去除率均高于對N的去除率（戢小梅等，2015）[19]。

徐秀玲等通過對香蒲、鳶尾、菖蒲3種挺水植物在3種不同程度的富營養化水體的生長狀況及其對氮磷的去除程度的研究，來判斷對水體的修復效果。研究表明，在低濃度下，各植物生長狀況都較好，在高濃度下，香蒲和鳶尾的耐受能力明顯高于菖蒲。在中低濃度下，對水體TN的處理效果均是鳶尾>菖蒲>香蒲，并且去除率都達到了60%以上，在高濃度下，由于菖蒲生長受限，3種挺水植物對水體TN的去除率為香蒲（74%）>鳶尾（69%）>菖蒲（54%）；對TP的處理效果，在中低濃度下各植物對TP的去除率依次為鳶尾>菖蒲>香蒲，高濃度下的去除率依次為鳶尾>香蒲>菖蒲，并且鳶尾的處理效果尤為明顯，均在70%及以上。總的來說，鳶尾對不同程度富營養化水體中TN、TP的去除效果都較為明顯，可以被廣泛應用于富營養化水體修復領域[20]。

3.2 漂浮植物

在漂浮植物處理水體富營養化中，應用最多的便是黃花水龍和鳳眼蓮。黃花水龍是太湖的土著植物，在處理太湖水的問題中起了較大作用。王超等研究表明，夏季黃花水龍對水體中TN的去除率可達60%，對TP的去除率達25%，并且冬季也可存活，冬季對TN、TP的去除率均能達到20%以上 [21]。由此可見，黃花水龍是處理太湖富營養化的一種非常理想的漂浮植物。

有研究表明，在氮磷濃度較高的情況下，鳳眼蓮對TN的去除率可達40%以上，對TP的去除率能達80%以上（張志勇等，2010）[22]。鳳眼蓮、水芙蓉和蓮花竹三種漂浮植物對水體的凈化效果，結果表明，30d后鳳眼蓮對TN、TP的去除率最高分別可達80%、90%左右，水芙蓉對TN、TP 的去除率均能達到75%以上，蓮花竹的處理效果相對較差。由此可見，鳳眼蓮是一種理想的水體修復植物，并且鳳眼蓮還可以作為觀賞植物，因此在處理富營養化水體中被廣泛應用[23]。

3.3 沉水植物

由于沉水植物長期沉沒于水下，受外界的干擾較小，因此也常用做水體富營養化的修復植物。

研究表明，苦草、黑藻、金魚藻、伊樂藻組、狐尾藻、菹草六種沉水植物對富營養化水體中氮磷具有凈化作用。金魚藻和伊樂藻對氮的去除率較高，均達到60%以上，苦草、黑藻、狐尾藻、菹草其次，對氮的去除率也均達到40%以上；對總磷的去除率，苦草和伊樂藻也明顯較高，達到45%以上，其余沉水植物在20%以下。總體來講，金魚藻和伊樂藻對富營養化水體的中氮、磷的去除較為明顯 [24]。

高鏡清等在春季利用金魚藻、伊樂藻、菹草，在夏季利用金魚藻，狐尾藻、苦草，分別研究了沉水植物對東湖富營養化水體的處理程度。五種植物中，金魚藻的生長狀況最好，春季的增長率達125%以上，夏季達55%以上。而且金魚藻對TP的春夏兩季的去除率均達90%以上。由此看來金魚藻對富營養化水體的營養源的去除效果都較為理想，是一種較有前景的修復水體的沉水植物[25]。

水生植物對富營養化水體具有較好的凈化效果，修復水體的植物來源廣、易培養，修復期間具有較高的觀賞價值和構景作用，后期收割后還能作為飼料等能有效的避免二次污染；植物修復所需成本低、能耗低，卻對水體具有高效的凈化效果，因此，被常用于富營養化水體修復。但是植物修復仍存在一些弊端，如處理時間較長、占地面積大及植物生長受季節影響嚴重等[26]，都在一定程度上限制了植物修復的廣泛應用。

4 植物—微生物聯合作用對富營養水體修復效果

水生植物修復和微生物修復并不是孤立存在的，水體中各種生物間存在著相互依賴、相互制約的關系，任何生物種類的改變均會影響其他生物種群和數量的改變[27]。對于一些復合污染的水體，單一的修復技術就很難達到理想的凈化處理效果，此時如果將不同的修復技術進行有效的結合，形成聯合生物修復技術往往對水體就能達到顯著的凈化效果。

植物—微生物聯合修復技術是利用水生植物和微生物的協同作用來完成對富營養化水體的修復。該生物聯合修復技術利用太陽能作為驅動力，能耗小，費用省，對環境的破壞小，對大面積的污染水體具有顯著的治理效果，同時還具備一定的觀賞價值。修復原理可簡述為：在水生植物生長時，根系為微生物提供多樣性的生境，且植物可輸送氧氣至根區，有利于微生物的好氧呼吸；同時，微生物的旺盛生長，增強了對污染物的降解，使植物有更加優越的生長空間，從而促使微生物—植物體系對污染物的快速降解、轉化[14]。

植物—微生物聯合修復技術處理富營養化水體效果最顯著主要有以下三種組合：植物—固定化氮循環菌（INCB）修復、植物—固定化光合微生物修復、植物浮床—微生物修復。

4.1 植物—固定化氮循環菌（INCB）修復

由于植物生長季節的差異，常會慶等在夏季利用漂浮植物鳳眼蓮聯合固定化氮循環菌（INCB），在冬季利用典型沉水植物伊樂藻聯合固定化氮循環菌（INCB）進行原位修復富營養化水體。試驗期間水體中TN、NO-2-N和NH+4-N均有不同程度的降。鳳眼蓮聯合修復期間水體中NO-2-N的去除率達到了90%以上，TN的去除率達到了70%以上；修復后水體指標chla、CODMn、pH均達到了較低，水體透明度也有明顯的提高。伊樂藻聯合修復期間水體中NO-2-N的去除率達到了98%以上，NH+4-N的去除率達到了85%以上；chla等的含量也有一定的下降，水體透明度維持在夏季修復后水平。檢測結果還發現，試驗期間水體及底泥中亞硝化菌，硝化菌，反硝化菌群數量均有大幅度的增長，微生物菌群數的增加有助于水體的脫氮。利用這兩種植物對富營養化水體進行整年的修復得到了較好的凈水效果，后期沉水植物具有維持水質的效果，同時對水體磷含量的提高具有一定的緩沖能力[28]。

4.2 植物—固定化光合微生物修復

相關研究者利用漂浮植物黃花水龍和沉水植物伊樂藻以及固定化光合細菌在浙江大學溫室內進行了對重富營養化水體的修復實驗，利用NH4NO3和NaH2PO4來提供水體的氮源、磷源。實驗結果表明，在處理第19 d時黃花水龍—固定化光合細菌組合組呈現出最佳去除效果，TN和NH+4-N的去除率達到了98%以上，對TP的去除率也達到了90%以上。然而利用單獨光合菌修復水體的對照組，19 d后，水體中總氮、總磷、銨態氮的去除率幾乎在60%左右。以上實驗結果表明，有植物存在的體系對水體的修復效果明顯高于單一的微生物修復[28]。

4.3 植物浮床—微生物修復

水體修復利用植物浮床的案例有很多，植物浮床技術是指人工將高等水生植物或經改良的陸生植物種植到富營養化水體的表面，利用植物根部的吸收、吸附作用以及物種之間的競爭化感機制，消解富集于水體的氮、磷和其他有害物質，以達到凈化水質的目的[29]。

利用香菇草、睡蓮、西伯利亞鳶尾三種植物制成植物浮床，分別研究其對污染水體的凈化效果。35 d后，研究表明，存在植物浮床試驗區的凈化效果遠遠高于只有浮床沒有植物的對照區。3種植物均長勢良好，對總氮的去除率為香菇草（90.0%）>睡蓮（85.7%）>西伯利亞鳶尾（81.2%），對照組的去除率僅有54.9%；香菇草（68.6%）>西伯利亞鳶尾（62.8%）>睡蓮（57.0%），高于對照組的19.8%；并且對COD的去除率也在63%以上（趙豐等，2011）[30]。

利用植物浮床—微生物對唐山市南湖公園試驗區污染水體的凈化效果優于植物浮床單獨作用。在未投加微生物的植物浮床試驗區內，水體中COD、總氮、銨態氮和總磷的去除率最高值只有33%左右，然而在植物浮床—微生物的試驗區內，鳳眼蓮—微生物聯合修復對水體中有機物的去除率達到了34%左右，對COD的去除率達到了63%左右，同時美人蕉、旱傘草、千屈菜、鳶尾的聯合修復對水體也表現出較好的凈化效果。秋末冬初溫度較低時，植物開始死亡，可將植物收割，此時加入固定化氮循環細菌和水體中原有微生物進行原位修復[31]。

從以上的研究成果可以看出，植物浮床對氮、磷都有較好去除效果，植物浮床—微生物聯合凈水效果又高于植物浮床單獨作用，因此，可將植物浮床—微生物廣泛應用于水體治理中。

植物—微生物聯合修復技術對富營養化水體具有較好的凈化效果，在一定程度上克服了單一修復技術的不足，但聯合修復技術仍存在一些弊端，如植物、微生物種類繁多，各種組合的修復機理存在差異，技術應用難度大等，都在一定程度上限制了聯合修復技術的廣泛應用。總體上看，植物—微生物聯合修復技術將會成為水體修復領域的研究熱點。

5 結論及展望

由于生物特性的限制，聯合修復的發展過程中仍有諸多難題亟待解決。今后可以著重加強以下幾方面研究。

（1）部分微生物具有良好的凈水效果，但是其具有致病性或在吸收轉化過程中會產生有毒有害的物質，此時就可以借助分子生物學技術手段和基因工程理論，重新組建微生物的遺傳性狀，篩選出具有降解多種污染物且凈水效率更高的優良菌株及酶系[32]。

（2）植物生長具有季節性，一些具有良好凈化效果的植物不能全年對水體進行修復，此時可以深入的去研究各種植物組合的修復機理以及凈水效果，以便于更好的應用于實踐之中。

（3）植物的生物量少，有時很難對大面積的富營養化水體進行修復，這時可選擇多種生態修復技術進行優化組合，揚長避短，爭取在較短的時間內達到最佳的處理效果。

總而言之，生物修復技術在修復富營養化水體領域具有較好的發展前景。

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