生物修复技术在水体富营养化中的应用进展

2017-08-22刘鑫陈明明张俊英

绿色科技 2017年14期

刘鑫+陈明明+张俊英

摘要：指出了水体富营养化是一个全球性的环境问题。通过分析水体富营养化的成因，针对日益严峻的水体富营养化问题，综述了目前应用较广的生物修复技术。主要从微生物修复技术、植物修复技术以及植物—微生物联合修复技术的原理、应用现状以及优缺点等方面进行了论述，并提出了植物—微生物联合修复技术在今后水体修复方面具有良好的发展前景。

关键词：水体富营养化；微生物修复；植物修复；植物-微生物联合修复

中图分类号：X524

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）14-0130-05

1 水体富营养化的概述

水体富营养化是指氮、磷等无机营养物大量进入湖泊、海湾等相对封闭、水流缓慢的水体，引起藻类和其他水生植物大量繁殖，水体溶解氧下降、水质恶化，其它水生生物大量死亡的现象[1]。随着社会工业化进程的快速发展，农业生产上对氮肥、磷肥的不合理使用，未经处理的家畜家禽粪便随意堆放，生活中大量使用含磷洗涤剂，生活污水的任意排放，以及工业企业对未经处理或处理不达标后的工业废水的肆意排放等现象，使湖泊、河口、海湾等水环境中的氮、磷等营养物质的不断积累，给藻类以及其它水生生物的大量繁殖提供了物质基础，引起浮游藻类等的恶性增殖，造成水体透明度下降，颜色加深、水体溶解氧量骤减，化学需氧量浓度增加，水质恶化，使鱼类及其它水生生物窒息死亡产生恶臭，水体生态系统遭到破坏，进而导致水体富营养化。

目前判断水体富营养化一般采用的指标是：水体中氮含量超过0.2～0.3 mg/L，磷含量大于0.01～0.02 mg/L， BOD>10mg/L，pH值为7～9的淡水中细菌总数超过104个/mL，表征藻类数量叶绿素a>0 μmg/L[2]。

国内外治理富营养化水体主要采用物理、化学、生物三种修复技术。其中生物修复技术近年来在国内外研究中得到了广泛的关注。富营养化水体的生物修复技术是一种利用特定的生物（微生物、植物或原生动物）对水体中污染物及氮、磷等营养盐进行有效吸收、转化或降解的过程，从而使富营养化水体得到净化的生物措施[3]。

2 微生物对富营养水体修复效果

关于利用微生物修复富营养化水体的研究已成为学术界广泛关注的热点问题。微生物修复技术主要是利用微生物对水中污染物的生物代谢作用，使富营养化水体中氮、磷等营养盐含量降低，水质得到改善的过程。当排入水体的污染物含量超过水体所能承受的环境容量时，水体脱氮可通过微生物的氨化—硝化—反硝化作用把水体中NH3、铵态氮（NH+4-N）、硝态氮（NO-3-N）、亚硝态氮（NO-2-N）以N2的形式移出水体进入大气氮循环，从而降低水体中含氮营养盐的含量。同时，水体除磷可利用聚磷微生物的厌氧释磷、好氧吸磷的特性来完成除磷；也可利用一些具有生物絮凝作用的微生物通过絮凝沉淀除磷。水体中氮、磷含量的降低，能有效的抑制藻类的大量繁殖。

近年来，关于利用微生物来修复富营养化水体的相关研究十分活跃，得到了很多研究者的青睐。微生物对富营养化水体修复能起到显著的效果，主要依靠于兴起的微生物固定化技术和微生物修复剂投加技术。

2.1 固定化微生物在富营养化水体修复中的应用

目前，单独用于修复富营养化水体的固定化微生物主要有固定化光合细菌（Photosynthetic bacteria，简称PSB）。有研究表明，光合细菌脱氮机理可概括为两个方面：光合细菌可直接吸收水体中可以利用的铵态氮和硝态氮，来合成自身生长所需的蛋白质等营养物质，即通过自身吸收来达到脱氮的目的。光合细菌既属于好氧反硝化菌又是异养硝化菌，且能把NH+4氧化成NO-2后直接进行反硝化反应，即通过硝化反硝化作用来达到脱氮的目的。曹攀等通过与传统活性污泥脱氮除磷效果的对比试验，论证光合细菌的脱氮除磷机理。最后试验得出：光合细菌的脱氮机制是通过好氧直接吸收分解和厌氧反硝化作用达到脱氮效果[4]。

光合细菌的细胞中具有能进行光合作用的载色体，亦能增强光合细菌的光合磷酸化过程，从而加快除磷进程。研究表明，光合细菌对重度富营养化水体处理10 d后，最优实验组（pH为7.5，投加浓度为0.25 mL/L，其中每毫升菌液中含有3.4×109个光合细菌）对TN、TP的处理效率分别可以达到30%、45%以上，对透明度的提升效率达到了95%以上[5]。

虽然光合细菌对富营养化水体中氮、磷等营养盐具有很好的处理效果，但是，游离的光合细菌也存在一些弊端，如：在流动的水流中易被冲走，作用时间短从而不能稳定有效的处理水体，在静水里又容易被其他生物所食用；缺乏吸附和生长繁殖的载体等[6]，这些因素都制约着游离态光合细菌的净水效果，然而，微生物固定化技术的兴起解决了这些问题。

将培养好的光合细菌（OD600= 0.5）细胞悬浮液和海藻酸钠（灭菌冷却到45℃的体积分数为4%）分别各50mL进行混合，混合后立即倒入孔径约1 mm的自制造粒器中，使形成的固定化颗粒滴入5%的CaCl2溶液中，再放置24h，最后滤出颗粒，用生理盐水洗净，从而实现光合细菌的固定化。利用海藻酸钙固定化的光合细菌处理人工模拟的富营养化水体，并以NH4NO3和NaH2PO4来提供氮源、磷源，对照组为利用游离光合细菌处理水体。实验结果表明：经过19 d的处理，实验组对水体的处理效果明显优于对照组，实验组对总氮、总磷的去除率能达到60%以上，同时对铵态氮、硝态氮及COD的去除率能达到80%左右[6]。另外，也有研究表明，固定化光合細菌对富营养化养殖水体也具有极佳的净化效果，与游离态的光合细菌相比，具有较高的去除率（丁成，2008）[7]。吴珊等人还对游离态光合细菌的最佳固定化方法以及对铜绿微囊藻的抑制作用进行了研究，实验发现在最佳固定化（采用沸石、碳酸钙和海藻酸钠混合包埋光合细菌）条件下，固定化光合细菌对铜绿微囊藻抑制作用达到了80%以上，而等量的游离态光合细菌的抑制作用只有25%左右[8]。

从以上的研究成果可以看出，利用微生物固定化技术对富营养化水体的修复具有良好的发展前景，不论是对湖泊水质的处理还是在水产养殖业的应用，固定化微生物的应用均体现出显著的净化水体的能力，同时在一定程度上也有效地抑制了藻类的大量增殖。

2.2 微生物修复剂投加技术在富营养化水体修复的应用

微生物修复剂投加技术是微生物修复领域一个新兴的研究热点。所谓微生物修复剂投加技术是指向富营养化水体中投加有效微生物群EM，来促进水体中有机物和氮、磷等污染物质的降解，并且可以快速提高水体中微生物的浓度，利用微生物的代谢作用可在短期内增大污染物降解速率，从而达到修复富营养化水体水质的目的[9]。有效微生物群EM是指从自然界中筛选出各种有益微生物，用特定的方法混合培养所形成的微生物复合体系，其微生物组合以光合细菌、硝化细菌、芽孢杆菌、放线菌、酵母菌和乳酸菌等为主[10]。

早在20世纪80年代，日本学者比嘉照夫就成功开发出了EM（Effective Microorganisms，有效微生物群）技术，且在国内外均得到了广泛的研究和应用。1992年美国一家公司成功分离和研制出名为Clear-Flo系列的微生物修复剂[11]，在美国某个沟渠使用了三个月左右，水体中的氨氮含量从0.02 mg/L降为了0 mg/L，其中对COD、BOD5的去除率均达到了70%以上。

我国也有相关研究表明，不论是在优势种群为蓝藻门中的铜绿微囊藻的富营养化水体中，还是优势种群为绿藻门中的蛋白核小球藻和四尾栅藻的富营养化水体中投加微生物修复剂，水体中TN、TP的含量均呈现下降趋势[9]。同時，在优势种群为铜绿微囊藻的富营养化水体中投入有效微生物群EM期间，TN、TP的含量均呈明显的下降趋势，水体透明度也有明显的提高。在停止投放菌剂1个月之后，TN、TP的含量达到最低点，均下降了60%左右。这一结果与吕爱芃的研究成果达成了一致[12]。

马文林等利用微生物复合修复剂（由活性微生物菌体和具有调节水体环境、促进藻类生长功能的微量化学元素组成）对富营养化人工景观湖的修复过程中，湖水中的chla、TP 含量都呈现稳定的下降趋势。在试验期末，水体中chla、TP含量均下降了65%以上，同时有效的抑制了水华的形成，结果表明微生物生态修复剂对富营养化人工景观湖的修复具有显著成效[13]。

综上所述，微生物修复剂在降低富营养化水体中氮、磷等营养盐浓度及降解有机污染物方面均取得显著的成效，具有很大的发展前景。以上的研究结果均体现出微生物对水体有良好的修复效果，但是利用微生物来修复富营养化水体仍然需要对各种微生物发挥最佳降解效果所需环境因子深入研究、如何提升修复效率、解决需菌量大等问题都是需要继续研究的方向[14]。

3 水生植物对富营养水体修复效果

植物修复技术是生物修复的一类。主要是利用水生植物，尤其是水生维管束植物和高等藻类，因为在其自身生长过程中可以吸收富营养化水体中氮、磷等营养物质，并且通过定期收获水生植物带走营养物质对富营养化水体进行修复[15]。

根据水生植物的生活方式，水生维管束植物可分为挺水植物，漂浮植物，浮叶植物和沉水植物。①挺水植物：根茎生于底泥中，植物体上部挺出水面，具有修复能力的主要有芦苇、香蒲等；②漂浮植物：植物体完全漂浮于水面，具有特化的适应漂浮生活的组织结构，常用于修复水体的主要有凤眼莲、浮萍、黄花水龙等；③浮叶植物：根茎生于底泥，叶漂浮于水面，常用于修复水体的主要有睡莲、蒋菜；④沉水植物：植物体完全沉于水气界面以下，根扎于底泥或漂浮于水中。常用于修复水体研究的主要有黑藻、金鱼藻、狐尾藻、伊乐藻等[16]。

水生植物对富营养化水体的修复机理可概括为5个方面：①拦截外源污染物；②植物吸收：水生植物能够从水体中吸收生长所需的氮、磷等营养物质，并贮存于植物细胞中，通过木质化作用，转化成为植物体的组成部分；③化感作用，即水生植物会向水体中释放化感物质以抑制浮游藻类的生长；④水生植物的存在减小了水中的风浪扰动，有利于水体中悬浮物的沉积，还能有效地抑制底泥中污染物再释放；⑤植物根系及底质的吸附作用[17，18]。

笔者主要从目前研究应用最多的漂浮植物系统、挺水植物系统和沉水植物系统3大类生态系统来探讨对富营养化水体的修复。

3.1 挺水植物

不同种类挺水植物对氮和磷的去除能力存在显著的差异。

在武汉地区利用黄菖蒲、石菖蒲、黑三棱和常绿水生鸢尾 4 种挺水植物对2种不同程度的富营养化水体进行水体净化试验，研究结果表明这四种挺水植物对2种不同富营养化程度水体的总氮的去除率均能达到40%以上，对TP的去除率均能达到50%以上。4种挺水植物对水体中TN、TP的去除率依次为黑三棱>黄菖蒲>常绿水生鸢尾>石菖蒲，可以看出黑三棱对水体有较好的净化能力，而石菖蒲对水体的净化能力相对较差。总体上来看这四种挺水植物对富营养化水体中P的去除率均高于对N的去除率（戢小梅等，2015）[19]。

徐秀玲等通过对香蒲、鸢尾、菖蒲3种挺水植物在3种不同程度的富营养化水体的生长状况及其对氮磷的去除程度的研究，来判断对水体的修复效果。研究表明，在低浓度下，各植物生长状况都较好，在高浓度下，香蒲和鸢尾的耐受能力明显高于菖蒲。在中低浓度下，对水体TN的处理效果均是鸢尾>菖蒲>香蒲，并且去除率都达到了60%以上，在高浓度下，由于菖蒲生长受限，3种挺水植物对水体TN的去除率为香蒲（74%）>鸢尾（69%）>菖蒲（54%）；对TP的处理效果，在中低浓度下各植物对TP的去除率依次为鸢尾>菖蒲>香蒲，高浓度下的去除率依次为鸢尾>香蒲>菖蒲，并且鸢尾的处理效果尤为明显，均在70%及以上。总的来说，鸢尾对不同程度富营养化水体中TN、TP的去除效果都较为明显，可以被广泛应用于富营养化水体修复领域[20]。

3.2 漂浮植物

在漂浮植物处理水体富营养化中，应用最多的便是黄花水龙和凤眼莲。黄花水龙是太湖的土著植物，在处理太湖水的问题中起了较大作用。王超等研究表明，夏季黄花水龙对水体中TN的去除率可达60%，对TP的去除率达25%，并且冬季也可存活，冬季对TN、TP的去除率均能达到20%以上 [21]。由此可见，黄花水龙是处理太湖富营养化的一种非常理想的漂浮植物。

有研究表明，在氮磷浓度较高的情况下，凤眼莲对TN的去除率可达40%以上，对TP的去除率能达80%以上（张志勇等，2010）[22]。凤眼莲、水芙蓉和莲花竹三种漂浮植物对水体的净化效果，结果表明，30d后凤眼莲对TN、TP的去除率最高分别可达80%、90%左右，水芙蓉对TN、TP 的去除率均能达到75%以上，莲花竹的处理效果相对较差。由此可见，凤眼莲是一种理想的水体修复植物，并且凤眼莲还可以作为观赏植物，因此在处理富营养化水体中被广泛应用[23]。

3.3 沉水植物

由于沉水植物长期沉没于水下，受外界的干扰较小，因此也常用做水体富营养化的修复植物。

研究表明，苦草、黑藻、金鱼藻、伊乐藻组、狐尾藻、菹草六种沉水植物对富营养化水体中氮磷具有净化作用。金鱼藻和伊乐藻对氮的去除率较高，均达到60%以上，苦草、黑藻、狐尾藻、菹草其次，对氮的去除率也均达到40%以上；对总磷的去除率，苦草和伊乐藻也明显较高，达到45%以上，其余沉水植物在20%以下。总体来讲，金鱼藻和伊乐藻对富营养化水体的中氮、磷的去除较为明显 [24]。

高镜清等在春季利用金鱼藻、伊乐藻、菹草，在夏季利用金鱼藻，狐尾藻、苦草，分别研究了沉水植物对东湖富营养化水体的处理程度。五种植物中，金鱼藻的生长状况最好，春季的增長率达125%以上，夏季达55%以上。而且金鱼藻对TP的春夏两季的去除率均达90%以上。由此看来金鱼藻对富营养化水体的营养源的去除效果都较为理想，是一种较有前景的修复水体的沉水植物[25]。

水生植物对富营养化水体具有较好的净化效果，修复水体的植物来源广、易培养，修复期间具有较高的观赏价值和构景作用，后期收割后还能作为饲料等能有效的避免二次污染；植物修复所需成本低、能耗低，却对水体具有高效的净化效果，因此，被常用于富营养化水体修复。但是植物修复仍存在一些弊端，如处理时间较长、占地面积大及植物生长受季节影响严重等[26]，都在一定程度上限制了植物修复的广泛应用。

4 植物—微生物联合作用对富营养水体修复效果

水生植物修复和微生物修复并不是孤立存在的，水体中各种生物间存在着相互依赖、相互制约的关系，任何生物种类的改变均会影响其他生物种群和数量的改变[27]。对于一些复合污染的水体，单一的修复技术就很难达到理想的净化处理效果，此时如果将不同的修复技术进行有效的结合，形成联合生物修复技术往往对水体就能达到显著的净化效果。

植物—微生物联合修复技术是利用水生植物和微生物的协同作用来完成对富营养化水体的修复。该生物联合修复技术利用太阳能作为驱动力，能耗小，费用省，对环境的破坏小，对大面积的污染水体具有显著的治理效果，同时还具备一定的观赏价值。修复原理可简述为：在水生植物生长时，根系为微生物提供多样性的生境，且植物可输送氧气至根区，有利于微生物的好氧呼吸；同时，微生物的旺盛生长，增强了对污染物的降解，使植物有更加优越的生长空间，从而促使微生物—植物体系对污染物的快速降解、转化[14]。

植物—微生物联合修复技术处理富营养化水体效果最显著主要有以下三种组合：植物—固定化氮循环菌（INCB）修复、植物—固定化光合微生物修复、植物浮床—微生物修复。

4.1 植物—固定化氮循环菌（INCB）修复

由于植物生长季节的差异，常会庆等在夏季利用漂浮植物凤眼莲联合固定化氮循环菌（INCB），在冬季利用典型沉水植物伊乐藻联合固定化氮循环菌（INCB）进行原位修复富营养化水体。试验期间水体中TN、NO-2-N和NH+4-N均有不同程度的降。凤眼莲联合修复期间水体中NO-2-N的去除率达到了90%以上，TN的去除率达到了70%以上；修复后水体指标chla、CODMn、pH均达到了较低，水体透明度也有明显的提高。伊乐藻联合修复期间水体中NO-2-N的去除率达到了98%以上，NH+4-N的去除率达到了85%以上；chla等的含量也有一定的下降，水体透明度维持在夏季修复后水平。检测结果还发现，试验期间水体及底泥中亚硝化菌，硝化菌，反硝化菌群数量均有大幅度的增长，微生物菌群数的增加有助于水体的脱氮。利用这两种植物对富营养化水体进行整年的修复得到了较好的净水效果，后期沉水植物具有维持水质的效果，同时对水体磷含量的提高具有一定的缓冲能力[28]。

4.2 植物—固定化光合微生物修复

相关研究者利用漂浮植物黄花水龙和沉水植物伊乐藻以及固定化光合细菌在浙江大学温室内进行了对重富营养化水体的修复实验，利用NH4NO3和NaH2PO4来提供水体的氮源、磷源。实验结果表明，在处理第19 d时黄花水龙—固定化光合细菌组合组呈现出最佳去除效果，TN和NH+4-N的去除率达到了98%以上，对TP的去除率也达到了90%以上。然而利用单独光合菌修复水体的对照组，19 d后，水体中总氮、总磷、铵态氮的去除率几乎在60%左右。以上实验结果表明，有植物存在的体系对水体的修复效果明显高于单一的微生物修复[28]。

4.3 植物浮床—微生物修复

水体修复利用植物浮床的案例有很多，植物浮床技术是指人工将高等水生植物或经改良的陆生植物种植到富营养化水体的表面，利用植物根部的吸收、吸附作用以及物种之间的竞争化感机制，消解富集于水体的氮、磷和其他有害物质，以达到净化水质的目的[29]。

利用香菇草、睡莲、西伯利亚鸢尾三种植物制成植物浮床，分别研究其对污染水体的净化效果。35 d后，研究表明，存在植物浮床试验区的净化效果远远高于只有浮床没有植物的对照区。3种植物均长势良好，对总氮的去除率为香菇草（90.0%）>睡莲（85.7%）>西伯利亚鸢尾（81.2%），对照组的去除率仅有54.9%；香菇草（68.6%）>西伯利亚鸢尾（62.8%）>睡莲（57.0%），高于对照组的19.8%；并且对COD的去除率也在63%以上（赵丰等，2011）[30]。

利用植物浮床—微生物对唐山市南湖公园试验区污染水体的净化效果优于植物浮床单独作用。在未投加微生物的植物浮床试验区内，水体中COD、总氮、铵态氮和总磷的去除率最高值只有33%左右，然而在植物浮床—微生物的试验区内，凤眼莲—微生物联合修复对水体中有机物的去除率达到了34%左右，对COD的去除率达到了63%左右，同时美人蕉、旱伞草、千屈菜、鸢尾的联合修复对水体也表现出较好的净化效果。秋末冬初温度较低时，植物开始死亡，可将植物收割，此时加入固定化氮循环细菌和水体中原有微生物进行原位修复[31]。

从以上的研究成果可以看出，植物浮床对氮、磷都有较好去除效果，植物浮床—微生物联合净水效果又高于植物浮床单独作用，因此，可将植物浮床—微生物广泛应用于水体治理中。

植物—微生物联合修复技术对富营养化水体具有较好的净化效果，在一定程度上克服了单一修复技術的不足，但联合修复技术仍存在一些弊端，如植物、微生物种类繁多，各种组合的修复机理存在差异，技术应用难度大等，都在一定程度上限制了联合修复技术的广泛应用。总体上看，植物—微生物联合修复技术将会成为水体修复领域的研究热点。

5 结论及展望

由于生物特性的限制，联合修复的发展过程中仍有诸多难题亟待解决。今后可以着重加强以下几方面研究。

（1）部分微生物具有良好的净水效果，但是其具有致病性或在吸收转化过程中会产生有毒有害的物质，此时就可以借助分子生物学技术手段和基因工程理论，重新组建微生物的遗传性状，筛选出具有降解多种污染物且净水效率更高的优良菌株及酶系[32]。

（2）植物生长具有季节性，一些具有良好净化效果的植物不能全年对水体进行修复，此时可以深入的去研究各种植物组合的修复机理以及净水效果，以便于更好的应用于实践之中。

（3）植物的生物量少，有时很难对大面积的富营养化水体进行修复，这时可选择多种生态修复技术进行优化组合，扬长避短，争取在较短的时间内达到最佳的处理效果。

总而言之，生物修复技术在修复富营养化水体领域具有较好的发展前景。

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