湿地水生植物及其根际微生物对水体的影响机理

朱林

（天津大黄堡湿地自然保护区管理处，天津 301700）

1 研究背景

伴随经济飞速发展，随之而来的环境污染越来越严重。特别在发展中国家，废水时常不经处理就直接排入水体，造成了水体严重富营养化，不但破坏了生态环境，而且引起灌溉及城市供水困难，严重制约了社会经济的可持续发展。湿地植物具有独特而复杂的净化机理，特别对水体的氮和磷污染效果更明显，被广泛应用于各种污水处理与水体生态修复。通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解实现对污染物的去除，同时通过营养物质和水分的循环，实现废水无害化。

2 研究的目的意义

水污染是当今全球性的重大环境问题。如何有效降低污染水体中的氮磷含量，净化被污染水体，已成为当今环境问题研究的重要课题。

利用水生植物及其根际微生物的相互作用对水体中营养元素的吸收、转化和移除来防治和修复富营养化水体的研究已开展多年，并表现出了很好的净化效果。本研究为形成有效的污染物消减湿地生态修复技术体系提供技术支撑。

3 水生植物对水体中氮磷等污染物的净化作用

不同水生植物在污染水体修复中具有不同的效果。水生植物按生态类型，可分为沉水植物、飘浮植物、浮叶植物和挺水植物。

沉水植物能够从底质沉积物中补充不足的营养，在水生植物群落中占据营养竞争优势。这种营养资源使得沉水植物在水体中营养浓度很低的情况下仍能生长，因此，沉水植物对浮游植物具有竞争优势。沉水植物有效地减缓湖泊内源性营养物负荷的储备速度，使输入与输出的营养盐趋于平衡，以机械化方式收割沉水植物转移氮磷营养盐，是水体富营养化适度控制的一项实用技术。由于沉水植物在水体生态中具有这些重要作用，在水体修复工程中得到应用较多。然而沉水植物在富营养化水体中却难以恢复。光照对沉水植物生长有很大影响，这也是制约沉水植物在富营养化水体修复中应用的瓶颈。此外，水体营养条件和底质环境等诸多因素也影响了沉水植物的恢复。采用伊乐藻、苦草、狐尾藻、篦齿眼子菜、金鱼藻、菹草及轮藻对总氮和总磷均有显著去除作用。

漂浮植物浮生水面，在光照竞争中占绝对优势，能够高效吸收水体中的营养物质。蒋艾青应用凤眼莲对城郊污水鱼塘中的NH4-N、NO3-N、COD及TN去除率分别为70%、88.1%、56%及73.1%。邵林广应用水浮莲对富营养化湖泊进行净化试验，BOD5的去除率在70%以上，总氮去除率60%以上，总磷去除率70%以上。漂浮植物容易打捞，但繁殖能力很强。凤眼莲能够在很短的时间里占领整个水域，将其它植物种类排挤掉成为优势种，使整个水生生态系统的物种多样性大大降低，同时阻隔水体与外界的阳光和空气交换，降低水体中溶解氧，不利于生态系统的健康发展。如应用其进行水体的生态修复，必须严格注意控制其过度繁殖。

4 微生物对水体中氮磷等污染物的净化作用

微生物是湿地系统的重要组成部分，是污染物质降解和转化的主要生物群体和承担者，湿地微生物控制着有机物质和主要养分的循环过程，并对维持植物的营养供应起着重要作用。

微生物是湿地系统中有机物质、氮素及磷素的循环转化的核心，微生物生物量本身也是这种转化的一部分，可被植物利用，是一个动态活性营养库。

4.1 微生物对氮的去除机理

湿地对氮的去除主要是通过植物吸收、沉淀及基质吸附，硝化不完全反硝化产生一氧化氮以及完全反硝化产生氮气等作用实现的。一般认为，植物吸收的氮仅占总去除氮的20%～30%。另外，研究发现厌氧氨化细菌直接将NO2-和NH4+转化为氮气也是湿地脱氮的一种途径，但对其在湿地除氮过程中所发挥作用的大小所知甚少。黄娟等以大量试验资料为基础，对潜流型人工湿地的脱氮途径及规律进行了定量分析，得出微生物降解量约占进水总氮的50%。Spieles等研究表明，人工湿地系统中，反硝化作用脱除的氮占总去除氮的比例高达60%～70%。所以，目前普遍认为人工湿地中最主要的除氮机制仍然是微生物的硝化-反硝化作用来完成。

微生物的硝化作用是一个对温度敏感的过程，其原因在于温度对硝化细菌的增殖速度和活性都有较大影响。一般认为，硝化细菌的最适温度是28～36℃，在温度<10℃时硝化反应便受到抑制，<6℃反应速率大幅度降低。因为溶解氧的增加可提高硝化反应速率并加快硝化细菌的生长速度，但对反硝化脱氮有抑制作用，所以以溶解氧浓度适中时效果最好。

4.2 微生物对磷的去除机理

进入湿地的含磷化合物主要包括颗粒磷、溶解有机磷和无机磷酸盐。无机磷化合物的溶解性改变，有机磷化合物的分解矿化，无机磷的氧化和还原都需要磷细菌等微生物的生物化学反应及酶的催化来实施。目前普遍认可的生物除磷理论是聚磷微生物（PAOs）的摄/放磷原理。

在湿地磷循环过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。不同种类的细菌解磷能力不同，而且同一细菌对不同磷酸盐的分解能力也有不同。比较不同种类的微生物菌株对不同种类难溶性磷酸盐及磷矿粉的溶磷能力，磷酸钙、磷酸铝及磷酸铁等难溶性磷酸盐易被酵母菌、霉菌溶解，而磷矿粉易被巨大芽孢杆菌溶解。Paul等测定从豆科植物根际分离出来的几株芽孢杆菌属溶解Ca3(PO4)2的效果表明，溶磷能力最强的是巨大芽孢杆菌(Bacillus megateruium)，最弱的为短芽孢杆菌(Bacillus brevis)。

5 湿地植物及根际微生物相互作用对水体影响

研究发现植物净水系统中，植物根区起着很重要的作用。根际这个微生态系统有3个重要的结构主成份：植物根系、微生物及土壤或水。它们相互作用从而形成一个复杂体系，进入根际的污染物便在此体系中发生一系列物理、化学和生物学行为，从而表现出相应的生态环境效应。

植物除自身能吸收氮磷等营养物质外，由于植物根系的特殊的物理化学环境使得聚集在根区的微生物数量比非根区多得多，根区的净水效果明显比非根区好。在植物生长过程中不断地向生长介质中分泌大量的低分子有机物（如糖类、有机酸、氨基酸及酚类化合物等），为根际微生物提供大量的营养和能量物质，加上植物根区的泌氧能力，在根区的微生物活性也增强了，对有机物降解加快，从而产生明显的根际效应。

国内外已经利用芦苇香蒲吸收水体过量的营养物质，消除水体的富营养化，恢复水域的养分平衡。目前水质改善方法较多，如活性污泥法、稳定塘法及人工湿地等。其中人工湿地技术作为一种低投资、低能耗、低处理成本、易管理及对氮磷去除率高的水生态处理技术，克服了化学方法净化污水易造成二次污染和物理方法净化污水治标不治本的缺点，在欧洲和北美等发达国家已经得到广泛的应用。而我国对人工湿地处理污水的研究直到“七五”期间才开始，面对天然水体污染的日益严重，需要研究新的污染防治对策来解决水体的富营养化问题。生物修复技术以其高效、快速、简便、投资省和不造成二次污染等特点被认为是防治天然水体污染的高新技术。生物生态污水处理技术，是利用植物或培养接种的微生物的生命活动，对水中污染物进行转移及降解转化作用，从而使水体得到净化的技术之一。近年来该技术发展很快，研究表明，人工湿地能够利用基质、微生物及植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，实现对污水中磷素和氮素的高效去除。湿地微生物在脱除富营养化水体中的氮磷中起着至关重要的作用。不同区域内微生物数量及种类都影响氮磷的处理效果。研究发现，氮的去除与硝化细菌和反硝化细菌的数量密切相关；而利用湿地聚磷菌在好氧条件下过量摄取污水中的磷酸盐，可有效将污水中的磷酸盐脱除。微生物在人工湿地对污水的处理中起重要作用，而细菌在人工湿地主要的微生物类群中占主导地位，近年来人工湿地中的细菌已成为世界上研究的重点。

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