景觀生態浮島根系微生物對富營養化水體中氮磷的凈化作用

羅晶　陳津端　周安剛

【摘 要】在我國各地，水體富營養化都是一個普遍問題，富營養化引起的危害不容忽視，是水體治理中重點研究的問題，隨著技術的成熟，景觀生態浮島技術已經開始在富營養化水體中得到推廣和使用。本文針對當前我國水體富營養化的問題進行分析，并通過實驗的方式探討景觀生態浮島根系微生物對富營養化水體中氮磷的凈化作用。

【關鍵詞】景觀生態浮島;根系微生物;富營養化水體;氮磷;凈化

中圖分類號： X703 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）30-0011-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.005

景觀生態浮島的應用不僅可以凈化水質，也能夠營造出良好的景觀效果，是當前湖、河、庫生態治理的重要技術，理想的景觀生態浮島對于水體中的氮、磷具有良好的凈化作用，還能通過營養元素吸附作用為植物提供養分，是當前富營養化水體凈化的重要研究方向。在景觀生態浮島中，植物是其中的重點組成，通過植物的合理搭配，能夠構建出不同的微生物群落，并進一步改善浮島的物理結構，從根際理論來看，通過光合作用，植物可以制造出大量氧氣，在植物的根系，也會形成“缺氧區”、“好氧區”和“厭氧區”，從而為污水中各類不同的微生物提供環境。在光合作用下，也會刺激植物根部分泌各類有機物，植物類型不同，有機物也各具差異，當前，已經發現200多種植物根系分泌物，包括生物酶、糖類、有機酸等類型，為根系微生物的生長創設了良好環境，可以進一步提高污水的凈化能力。

1 我國水體富營養化問題分析

長期以來，在各類污染因素的影響下，我國水體富營養化比例居高不下，水體功能退化嚴重，各類污染物未經處理便進入湖泊與和河道，數據顯示，在我國水體中，有75%的水體存在不同程度的富營養化趨勢，I類水質比例僅有5.8%。

在富營養化水體中，有大量氮、磷，在長期積累下，致使藻類滋生，究其根源，包括三點：①工業與生活廢水的大量排放，未經正規程序處理的工業廢水與生活廢水中，含有大量氮、磷;②養殖廢水，在養殖廢水中，也含有大量氮磷、固體懸浮物與有機污染物。

富營養化問題的存在嚴重影響水資源作用的發揮，減小了水體透明度，導致陽光透過量大幅減少，影響水生植物的光合作用，降低溶解氧濃度，水中物質在厭氧菌的影響下，分解出大量有害氣體，有害氣體的存在又威脅到水中動物、植物的生長，讓水體發出臭味，而人、畜如果長期飲用這類水，水體中的神經毒素、肝毒素會進入食物鏈，威脅人體健康。

2 景觀生態浮島凈化原理及根系微生物作用

2.1 景觀生態浮島的凈化原理

2.1.1 截留吸收

景觀生態浮島具有大面積植物根系，能夠在水體中形成過濾層，攔截污染物和大顆粒物，并發生交換、過濾、吸附效應，能夠吸收水體中大多數氮磷物質，起到修復作用。

2.1.2 接觸氧化

景觀生態浮島中的植物根系，讓水體與生物之間的接觸面積增大，植物根系能夠將氧氣傳至植物根部，構建氧化態微環境，促進微生物的繁殖，從而分解、轉化富營養化水體中的營養鹽和污染物。

2.1.3 降解

景觀生態浮島有龐大的根系，在浮島下部，有大量原生動物、真菌和細菌，在微生物的繁殖下會形成生物膜，在微生物代謝作用下，可以去除水體中的各類污染物。

2.1.4 克藻作用

景觀生態浮島對于早了的生長也有一定的抑制作用，生態浮島植物的生長中，可以分泌大量升華物質，能夠抑制藻類生長。

2.1.5 去除作用

部分景觀生態浮島植物，有著特殊的生理機制，可以吸收富營養化水體中的重金屬，如，鳳眼蓮能夠與富營養化水體中的鉛、汞、銅、鎳、砷發生絡合作用，且不會對水體動植物產生毒害。

2.2 根系微生物作用

景觀生態浮島是通過微生物、植物、基質之間的協同作用來去除污水中的氮磷，其中，根系微生物的多樣性、數量、群落結構對凈化效果有重要影響，在微生物、植物和基質的相互作用下，才構建出平衡的微生態系統，研究顯示，微生物群落對污水中氮、磷、硫的移除有直接影響。不同的污水中，微生物多樣化、群落也各不相同，而景觀生態浮島中植物類型越豐富，氮磷去除效果越好。設置了景觀生態浮島后，微生物菌群數量增加，多數為有益菌，對于污水中有機污染物、氮、磷的降解有積極作用，也減小了富營養化程度，利用人為作用建立優勢菌群，為有益微生物的繁殖提供了優勢環境，可以更好的發揮出優勢微生物在氧化、氨化、硝化和反硝化上的作用，將富營養化水體中的化學物質、排泄物、生物殘體等分解為硝酸鹽、硫酸鹽、二氧化碳等，在光合作用的影響下，水體中溶解氧含量也能大大增加，從而構建良性的生態系統。在水體中氮、磷降低到一定標準后，即可有效改善水體富營養化情況，抑制藻類生長，大大降低了水華的發生率，也避免了二次污染的產生。得益于景觀生態浮島的優勢，該種技術在我國各個城市富營養化水體的處理中得到了推廣，有越來越多的學者為了促進微生物繁殖，嘗試在其中增加微生物促進劑，如LLMO生物活性液、Clear-Flo菌劑等，取得了良好的治理效果。

3 景觀生態浮島根系微生物對富營養化水體中氮磷的凈化

3.1 實驗方式

本實驗在自然光照條件下進行，選擇長勢一致、健康的三種景觀生態浮島植物作為研究對象（石菖蒲、黃菖蒲、黑三棱），用塑料網格將植株固定在玻璃缸中，采用水培法，一周后開展實驗，污染水質每次承裝5L，實驗時間共計30d，每隔5d測試一次總氮、總磷含量，并及時補充水分。在實驗5d、15d、25d，采集制作微生物樣品稀釋液，測定生態浮島植物根際、非根際主要細菌數量。

去除率=（水體初始濃度-第i天容器水體濃度）/水體初始濃度100%

3.2 實驗結果

3.2.1 銨態氮去除結果

氨氮含量是評估富營養化水體的主要指標，氨氮含量越高，污染問題越嚴重，隨著氨氮水平的提升，水體中溶解氧會不斷降低。實驗結果顯示，石菖蒲、黃菖蒲與黑三棱對于銨態氮均有一定的去除效果，其中黑三棱效果最好，黃菖蒲次之，石菖蒲稍遜色。

3.2.2 總氮去除結果

在總氮去除效果上，石菖蒲、黃菖蒲與黑三棱均有一定的去除作用，黑三棱效果最佳，總體效果為黑三棱>黃菖蒲>石菖蒲。在前三個周期中，黑三棱、黃菖蒲去除效果明顯，第四個周期達到最佳效果，后續去除效果趨于緩和，石菖蒲在第三個周期去除效果最佳，后續趨于緩和。

3.3 總磷去除結果

在生物生長過程中，磷是必備的營養物質，相較于其他植物，藻類對磷含量變化更加敏感，因此，對富營養化水體中磷的監測十分必要，工業廢水、合成洗滌劑廢水中，都有大量磷元素，如果污水未得到科學的處理，會導致含磷化合物被排放至水體，引起富營養化。在富營養化水體中，磷是以“有機磷”、“聚磷酸鹽”、“磷酸鹽”的方式存在，景觀生態浮島對磷的去除主要依靠根系的吸收、吸附作用。

在總磷的去除上，黑三棱>黃菖蒲>石菖蒲，其中，黑三棱在第一個周期中，去除效果最好，后續不斷減緩，黃菖蒲與石菖蒲在第二個周期中，去除效果最好，后續減緩。

3.4 微生物數量的變化

對微生物數量的測試結果顯示，景觀生態浮島植物根際微生物數量高于污水微生物數量，其中，黑三棱的根際效應更加明顯，類型包括擬桿菌門、酸桿菌門、綠彎菌門、放線菌門、變形菌門、廣古菌門。變形菌門是革蘭氏陰性菌，在氮元素的循環上，具有重要作用;放線菌門能夠促進植物的正常生長，提高植物根系對磷酸鹽、鐵的利用率，促使植物分解污水中的各種有機物，在污水處理上用途廣泛;酸桿菌門是典型的厭氧菌，對于醋酸鹽、芳香族混合物具有發酵作用。根系微生物能夠促進硝化作用、氨化作用、反硝化作用的順利進行，不同景觀生態浮島植物結構特征和根區特征不同，代謝情況也會受到季節因素的影響，根系輸氧能力不同，這會對根際微生物的生長、繁殖造成影響。

而植物類型不同，根系微生物也具有差異，有研究人員在景觀生態浮島中發現了玫瑰彎菌屬，能夠有效去除含氮污染物，并具備異養硝化還原性能;有的植物根系存在硝化螺菌，可以轉化亞硝酸鹽，促進氮循環，避免富營養化水體中亞硝酸鹽數量太多導致魚類死亡;還有的植物根系有綠針假單胞菌與根瘤菌屬，能夠將污水中的有機磷分解;有的植物根系中有大量紅環菌，這類微生物在厭氧光照情況下，能夠正常生存，從而達到去除污水有機物的目的。植物類型不同，在微生物的富集上，也具有一定差異，在具體的應用上，需要根據污水成分來篩選景觀生態浮島植物，科學選擇植物類型。由于技術局限，本研究僅針對三種景觀生態浮島植物進行了研究，在后續的研究中，還需要進一步增加植物類型，并構建微生物文庫，以便更好的分析生態浮島植物根系微生物的凈化作用。

4 結語

景觀生態浮島技術對于富營養化水體中氮、磷、有機物的去除具有良好的效果，目前，這一技術已經在多個地區得以推行，在該種技術的應用中，正是得益于微生物、植物、基質之間的協同作用。本文選取集中景觀生態浮島技術的幾種代表植物，分析微生物對氮、磷的去除效果，得出的研究結論與學界相似，為了發揮出景觀生態浮島技術的應用優勢，還需要對這一技術進行深入研究，針對不同水體的處理要求找到適合的搭配植物。

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