自然生物膜对面源污水中氮磷去除的研究进展

吴国平，高孟宁，唐 骏，陆海鹰，3，吴永红① （.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 20008；2.江苏丘陵地区镇江农业科学研究所，江苏 句容 22400；3.江苏省农业科学院农业生物技术研究所，江苏 南京 2004）

随着工业废水和城市生活污水等点源污染源得到有效控制，过量施肥等农业活动导致的面源污染正成为地表水环境污染负荷的最重要来源［1-2］。据美国、日本等国家报道：即使点源污染得到全面控制，江河水质达标率也仅为65%，湖泊水质达标率约为42%［3］。我国第一次污染源调查结果显示，农业源产生的氮、磷已分别占地表水体氮、磷污染负荷的57%和67%［4］。如何有效地控制和去除农业污染水体中过量的氮磷污染物进入地表水体引起的氮磷负荷，是改善地表水体水质的重要前提［5］。面源污染产生路径的实质是污染物从土相向水相迁移转化的过程，以及面源污染主要发生在水土界面之间，而位于水土界面之间的自然生物膜已被广泛应用于面源污染防控［6］。

近年来，众多学者就自然生物膜对污水中氮磷的去除效果进行研究，结果表明自然生物膜可以有效去除氮磷［7-9］。点源污染中氮、磷等营养元素的处理技术已基本趋向成熟，而专门针对农业污染水体中氮磷的去除技术和方法还有待进一步研究。由于水体污染具有分布范围广、污染量大及难以集中控制等特点，传统的点源处理工艺已不适合，且难以达到满意的去除效果。相比于传统的生物技术，自然生物膜技术不仅制造成本低，而且具有更强的环境适应性、广泛的应用性和较好的环境安全性［10-11］。因此，笔者综述了国内外关于自然生物膜对污染水体中氮磷去除的研究进展，展望了未来研究重点，以期为自然生物膜在污染水体治理中的应用提供参考。

1 自然生物膜特征

自然生物膜（水生生物学上称为周丛生物）是淹水固体表面所有微型生物及其与周边非生物物质构成的聚集体，广泛存在于河流、湖泊、湿地环境中的岩石和表层沉积物表面，常以藻类等自养微生物为优势物种（图1）［12］。自然生物膜厚度取决于生物膜生物量并随生物膜的生长阶段而变化，一般在几十微米至几百微米之间，甚至只有几微米或者厚达几毫米。自然生物膜是一个微生态系统，不同微生物群落在自然生物膜内达到动态平衡，不同微生物群落之间通过协同和竞争形成能充分利用营养元素的最优组织，因此具有很好的生态稳定性［13］。

图1 自然生物膜照片及结构示意Fig.1 Picture of periphytic biofilm and its structure diagram

自然生物膜在组成上的多样性和结构上的特征，使其作为一个整体表现出有别于单一微生物的“集体功能”。从结构上看，自然生物膜由微生物细胞聚集体构成，包括各种微藻、细菌、真菌、原生动物和后生动物等微型生物物质及周边非生物物质。微生物细胞聚集体之间由胞外聚合物及矿质所填充并存在大量空隙和通道（图1）。这些空隙和通道为矿质吸附、络合、共沉降的养分提供存储空间，使得自然生物膜具有暂时存储养分的功能，被认为具有“缓存器”功能［12］。金属氧化物（铁、锰和铝氧化物）、有机质和少量矿物质作为生物膜的组成成分，决定着自然生物膜的地球化学反应活性［14］。自然生物膜不仅同时具备生物活性和化学反应活性2种特征，并且两者可以相互影响、相互耦合，使其对水土界面之间的元素生物地球化学循环有着重要影响［15］，这也是自然生物膜的存在可以促进水体自净能力的主要原因［11］。

随着自然生物膜研究的推进，表征生物膜结构的显微成像技术也在不断发展并被应用于生物膜研究。电子显微镜作为一种常用的膜表征设备，包括电子扫描电镜和环境扫描电镜，主要用于研究和表征生物膜的孔隙结构以及观察膜表面形貌和厚度。共聚焦显微技术与荧光显微技术的联用可以将观测定位到三维空间，在观测生物膜的同时，还可以获得其内部不同结构层面的信息，提高了图像清晰度以及视野的深度和宽度。此外，共聚焦显微技术还可以对生物膜内微生物群落的空间分布和精确定位进行长度、体积的测量和计算［16］。随着生物膜研究的深入，同步辐射和拉曼光谱等生物技术也将会在一定程度上表征生物膜内部结构和功能。

2 自然生物膜对氮的去除

2.1 去除效果

传统生物脱氮工艺最具有代表性的就是A/O法和A2/O法等工艺，这些工艺在废水脱氮方面起到了一定作用。但这些市政污水处理工艺仍然存在许多问题，如硝化菌群增殖速度慢，且硝化菌世代间隔长，难以维持较高生物浓度，造成总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用［17］。随着研究的发展，生物膜被认为是一种较好的生物材料，能有效去除污水中的氮，为此，开发了多种脱氮的生物膜反应器，包括典型生物膜反应器工艺（例如生物膜滤池和生物膜转盘等）和实用新型生物膜反应器工艺〔生物膜流化床、移动床生物膜反应器（MBBRs）和序批式生物膜反应器（SBBRs）〕等［18-20］。

基于这种“工业”生物膜有效净化市政污水的启发，不少学者发现普遍生长在地表水体水-土界面之间的自然生物膜对污染物的净化也有一定作用［21］。自然生物膜对地表水体中的氮具有较好的去除效果，且效率很高。当利用自然生物膜处理工农业混合污水时，第9天氨氮去除率可达90%［22］；处理高浓度城市污水时，第8天氨氮去除率可达100%［23］；处理低浓度农田排水时，去除效率也达62%～90%［24］。

自然生物膜完全利用太阳能驱动生长，富集成本低廉，同时适合于大尺度、大面积的应用，是一种环境友好型新型生物材料。自然生物膜还能引入家庭生活污水处理中，将其安装在屋顶，利用太阳光驱动系统运行，结果显示自然生物膜在1 d内对总氮的去除率可达到64%［25］。一些研究者也将自然生物膜应用于河流湖泊等大型水体的净化修复，可有效治理面源污染，抑制水华爆发。譬如，采用人工介质富集微生物去除太湖梅梁湾水源中氮营养物质的试验研究表明，人工介质表面富集大量微生物，形成了自然生物膜，当介质密度为26.8%、水力停留时间为5 d时，对总氮、氨氮和亚硝态氮的去除率分别为26.6%、43.2%和79.4%［26］。

2.2 去除机制

2.2.1 硝化与反硝化

自然生物膜与应用在市政污水处理中的“工业”生物膜脱氮过程一样，基本原理和自然界中氮的循环过程一致，就是含氮物质（如蛋白质、氨基酸、尿素和脂类等）经微生物降解释放出氨氮，氨氮通过好氧硝化作用转变为硝态氮（包括硝酸盐和亚硝酸盐），硝态氮通过厌氧反硝化作用转变成氮气的过程［27-28］。该过程主要包括硝化过程和反硝化过程，硝化反应过程相对固定，而反硝化反应过程则相对多样，包括异养反硝化、自养反硝化和同步硝化反硝化（SND）等。

2.2.2 吸收

相比于传统的氮去除工艺，自然生物膜组成包括藻类等自养型微生物，除了反硝化方式脱氮以外，光合作用也可将含氮物质，如氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素和氨基酸等吸收，转变为生物量，将氮截留在藻类生物量中，从而降低水体中氮浓度。CHANG等［29］发现一种蓝藻细菌Diazotrophic cyanobacteria可以吸收氮气，然而这种吸收作用需要消耗大量能量。利用自然生物膜对污水进行处理时，自然生物膜可将氮磷等营养吸收，以促进其生物量增加［30］。但是，在正常环境下，鲜有学者能将自然生物膜氮素的吸收和反硝化2种机制分开，因为在反硝化（或硝化）过程中，也伴随着反硝化（或硝化）微生物生物量的增加。

2.2.3 氨挥发与吹脱

自然生物膜主要以藻类为优势物种，藻类的光合作用导致水体pH增加，促进铵离子向NH3转化，增加氨挥发［31］，这也是自然生物膜有别于“工业”生物膜的特征之一。吹脱除氮机制指当水中氨氮以铵离子和游离氨状态存在时，两者之间存在一个平衡关系，并且受pH值的影响。当pH值为7时，氨氮多以铵离子形式存在，而当pH值约为11时，游离氨大致在90%以上。因此，在高pH值条件下，将热气体通入水中，使气液相充分接触，使水中溶解的游离氨穿过气液界面，向气相转移，从而达到脱除氨氮的目的。常用空气或水蒸气作为载体，可获得较好的吹脱除氮效果［32］。当利用藻类-细菌生物膜反应器去除生活污水中氮时，其脱氮能力是纯细菌生物膜的2倍，该过程主要依靠吹脱机制［33］。

2.3 影响因素

影响自然生物膜脱氮的因素很多，包括污水中的溶解氧含量、pH、水温及反应基质浓度等。例如：在旋转式生物膜反应器中用厌氧氨氧化工艺处理高氮污水时，发现低浓度溶解氧引起的抑制作用可以恢复［34］。有氧存在时，厌氧氨氧化活性完全抑制，但此抑制作用可逆，当氧气浓度低于2 μmol·L-1时，活性便可以恢复［35］。当pH值为7.5～8.0时，很容易实现短程硝化；当pH值＞6.8时，不会影响系统亚硝酸盐积累的稳定性［36］。pH从6.0升至7.5时，厌氧氨氧化速率提高；pH由8.0升至9.5时，厌氧氨氧化速率下降；最适pH值范围为7.5～8.0［37］。厌氧氨氧化的适宜pH范围为6.7～8.3，当pH=8.0时，达到最大反应速率［38］，而陈曦等［39］研究发现 pH值约为7.80条件下测得的氨氧化速率最大。

温度是影响微生物生存的重要环境因素。在（31±0.5）℃条件下，实现了短程硝化-反硝化生物脱氮工艺，NO2--N/NOx-N的比率始终维持在90%以上，硝化出水中ρ（硝酸盐氮）保持在1 mg·L-1以下［40］。6～43 ℃条件有利于厌氧氨氧化反应［41］。郑平等［42］研究表明厌氧氨氧化反应最适温度约为30℃，适宜温度为20～43℃；杨洋等［43］研究表明厌氧氨氧化反应最佳温度在30～35℃之间。

当氨氮和亚硝态氮浓度超过一定值时，就可能抑制厌氧氨氧化菌活性，影响厌氧氨氧化反应的进行。氨的抑制浓度为 38.0～98.5 mmol·L-1，亚硝酸盐的抑制浓度为5.4～12.0 mmol·L-1，厌氧氨氧化菌对氨的耐受能力高于亚硝酸盐［44］。研究厌氧氨氧化反应的抑制作用时，发现当ρ（亚硝态氮）高于350 mg·L-1时，厌氧氨氧化菌活性降低50%［45］。

3 自然生物膜对磷的去除

3.1 去除效果

高负荷营养盐输入是导致水体富营养化的重要原因之一，相比于氮，磷往往被认为是水体浮游藻类生长的限制性营养元素［46］，对水体富营养化的影响更加直接。目前，大量的除磷措施包括物理方法（如反渗透膜）、化学方法（如氯化铝等的应用）以及生物方法（如生物膜反应器）被用来去除水体中过多的磷［18，24，47］。但是，一般的物理和化学措施易造成环境的二次污染，且价格昂贵，难以大面积实施。相比之下，生物除磷方法，例如自然生物膜系统，因其具有易操作、高效率和环境友好等优势，被认为是最有前景的磷去除措施，近年来得到广泛应用。

自然生物膜对磷有较强的亲合力，对水体中磷的去除有着重大贡献，可以充当水环境中一种重要的潜在磷库［48-49］。结合自然生物膜在水体磷截留中的作用，认为附着自然生物膜影响着水体磷元素的去除。自然生物膜除磷存在吸收、沉降和过滤多种作用机制，同时可以降低来自沉积物的颗粒磷和溶解态磷的垂直传输，从而起到缓冲流通量的作用［50］。因此，研究者们逐渐将自然生物膜系统应用于水体磷去除，并取得较好的处理效果。自然生物膜可大量吸收磷，是水体磷一个重要的磷库，研究还发现以蓝藻为主的自然生物膜比以绿藻为主的生物膜具有更好的除磷效果［49-50］。应用藻类-细菌生物膜反应器去除生活污水中磷的试验研究结果表明，经过10 d的处理，磷的平均去除率可达85%［33］。利用自然生物膜去除污染水体中磷，最高去除效率可达 0.13 g·m-2·d-1［50］。

3.2 去除机制

3.2.1 吸收降解

自然生物膜中微生物的生长代谢需要营养元素磷，因此，吸收作用是自然生物膜除磷的重要原理之一，主要包括两个方面：（1）自然生物量的增加，例如，第28天时自然生物膜生物量积累的磷占加入水体磷的40%～70%［51-52］，最多可以有95%的磷被自然生物膜吸收，转变为生物膜生物量［25，53-54］；（2）主要是由于聚磷菌（PAO）通过降解形成聚羟基脂肪酸（PHA）并存储。在有氧状态下，PAO利用PHA生长，并降解磷［55-56］。

3.2.2 吸附

自然生物膜是一个复杂的微生态系统，具有丰富多样的微生物物种组成和复杂的微结构形态特征［57］。早在1998年，SPÄTH等［58］研究表明自然生物膜具有较多的吸附位点，例如生物膜胞外聚合物以及微生物细胞外膜、细胞壁、细胞质膜和细胞质。WU等［9］综述了微生物聚合体对污染物的去除，认为吸附是微生物聚合体去除水体污染物，如氮磷、重金属、有机物以及硫化物等的主要机制。可见，吸附作用是自然生物膜除磷的非常重要的机制之一，大量研究也佐证了这种机制。例如，在类似于农业面源污染造成的富营养化水体中，自然生物膜对磷的去除主要依靠吸附作用［59-61］。研究3种类型自然生物膜对磷的吸附动力学特征时发现，非生物作用的吸附过程是自然生物膜除磷的主要机制［53］。

3.2.3 共沉淀

共沉淀机制指一种沉淀从水溶液中析出时，引起某些可溶性物质一起沉淀的现象，从而达到去除效果。WOODRUFF等［62］研究自然生物膜对表层沉积物化学过程的影响，结果表明，不是沉积物间隙水中的扩散，而是自然生物膜的存在，控制着沉积物-水界面化学物质（钙、磷和硅等）的迁移转化，上覆水中溶解性反应磷的净损失在48 h内符合共沉降机制，主要是与自然生物膜表面的方解石结合，形成共沉降。JARVIE等［63］研究自然生物膜对河流磷的去除，结果也发现了同样的现象，认为自然生物膜表面的碳酸钙和磷共沉淀，是自然生物膜除磷的主要机制。此外，由于自然生物膜主要以藻类等微生物为优势物种，进行光合作用过程中会产生大量氧气，并提高水体pH。氧气含量趋于饱和，有利于自然生物膜表面金属（如铁）与磷结合，形成铁-磷盐沉降，但夜间自然生物膜呼吸作用又会缓解这种效应［64］。pH提高有助于更多磷沉降，与自然生物膜表面的钙结合，形成钙-磷复合体，导致长期的磷埋藏。

3.3 影响因素

影响自然生物膜去除磷的因素很多，可归纳为3类［13］197-199：一是影响自然生物膜生长的因素，包括气候（如光照、温度等）、水力条件（如水体流速）、营养水平和营养结构；二是影响磷与自然生物膜结合的因素，包括水质、自然生物膜表面阳离子总量；三是影响自然生物膜自身的因素，包括自然生物膜群落组成、结构，物理厚度，孔隙率，以及自然生物膜的年龄等［65］。

为揭示自然生物膜富集磷的影响因素，研究者对自然生物膜富集磷的过程进行了深入研究，并得到了相关动力学模型。通过试验探讨了光照、温度以及水流速度对自然生物膜富集的影响，发现最大生物膜干重和细胞磷浓度受流速和温度的影响不显著，但却随特征光强的增加而增加，证明了高光强条件下自然生物膜可富集磷，并提出假说认为光照密度是影响自然生物膜除磷的最主要因素［66］。PIETRO等［67］研究金鱼藻及其与自然生物膜复合体对磷的去除，结果发现磷去除和初始磷浓度呈正比，而与光照和温度只有很小的相关性。在较低初始磷浓度条件下，磷的去除速率可以和大型植物相媲美；而在高初始磷浓度条件下，其超高的除磷速率更多地只是体现一种暂时的“奢侈消费”，并不能长期保持。SCINTO等［68］研究了佛罗里达一个贫营养水体3种类型自然生物膜对磷的吸收动力学特征，由Michaelis-Menten动力学模型得出3种自然生物膜（自然附植生物膜、丝状生物膜和附泥生物膜，以干重计）Km值为8.5～16.4 μmol，最大去除速率为0.24～0.74 μmol·g-1·min-1。相较于丝状生物膜和附泥生物膜，自然附植生物膜的磷去除效率较高，而前两者的磷去除效率之间不存在显著差异。

在自然水体中，高流速使自然生物膜易于形成单层结构，造成自然生物膜空隙和通道少，而低流速使自然生物膜形成复杂结构，空隙和通道多且结构复杂，易于吸附磷；粗糙基质也有利于自然生物膜的生长，粗糙基质和高河水流速的结合可以极大地增加自然生物膜上的生物量［69］。如在基质上涂一层硬脂酸可以提高自然生物膜上微生物的增长速度，但单位生物量中富集磷的量未必增加［70］。较高的水流速度可以导致自然生物膜的脱落，从而降低生物膜对水体中磷的富集，同时也可以减少浮游生物如自养型微生物在自然生物膜上的停留时间，降低其生长和繁殖机会，进一步减少微生物摄取磷的量［71］。因此，水体流速的控制对自然生物膜系统富集磷至关重要。

水质硬度主要指溶于水中钙、镁等盐类的总含量，是影响自然生物膜吸附位点的一个重要因素。研究表明水体中钙、镁离子会影响自然生物膜细胞以及胞外聚合物的吸附性能［72］。此外，大量研究还表明水体中磷和碳酸钙盐的共沉降是控制某些湖泊富营养化的一个自然机制，认为水体中磷和Ca-CO3的相互作用是形成磷向下通量的重要原因，自然生物膜的存在会导致水体CO2和O2浓度的变化，从而造成水体pH值升高，有利于碳酸钙等沉淀物的产生，导致磷与碳酸钙的共沉淀现象，有效降低水体磷浓度［73］。因此，水体硬度也是影响自然生物膜除磷不可忽视的重要因素。

4 强化自然生物膜去除氮磷效果的新型功能材料

4.1 植物生长激素

吲哚乙酸已被证实对植物和微生物生长具有促进作用，且目前已有研究将吲哚乙酸用于植物修复技术以提高植物修复能力，这主要是因为低剂量吲哚乙酸能诱导细胞分裂［74］。添加一定浓度吲哚乙酸可以促进自然生物膜对水体氮磷的去除，且“自然生物膜、吲哚乙酸、氮磷”共存系统的效果优于“吲哚乙酸处理自然生物膜后再处理氮、磷”的效果。这主要是因为吲哚乙酸可以通过改变自然生物膜的微生物群落结构，使得自然生物膜更加适应当前环境，从而促进对污水中氮磷的吸收与富集，且自然生物膜还可利用吲哚乙酸作为碳源，进一步生长繁殖，从而达到更好去除效果的目的［75］。

4.2 上转换发光材料

上转换发光材料指那些在长波长光激发下，可持续发射波长比激发波长短的光材料，如稀土离子掺杂的含氧化合物Y2SiO5［76］。以往研究表明，上转换材料经掺杂后可使单细胞微生物失去活性，例如大肠埃希菌等群落。但是鲜有关于上转换材料作用于复杂的微生物聚集体（例如周丛生物）的报道［77］。有学者［78-79］尝试利用上转换材料调节自然生物膜的组成，以促进自然生物膜去除氮磷的效率，研究表明自然生物膜经镨和锂掺杂的上转换材料刺激后具有很好的适应性，导致自然生物膜经上转换材料刺激后可以有效地去除污水中磷和铜，去除率分别达61%和70%；对高、低初始浓度氮的去除率分别为56%和96%［80］。

4.3 纳米光催化材料

纳米光催化材料常应用于促进一些化学过程的发生，在自然生物膜去除氮的过程中，也涉及氮的各种形态的转化，如硝酸盐的还原。因此，ZHU等［81］尝试利用纳米光催化材料改变自然生物膜的群落结构，同时，利用纳米材料产生的甲基或电子可促进反硝化过程。研究表明自然生物膜可以通过分泌胞外聚合物抵御纳米光催化材料的活性氧自由基胁迫，从而使得自然生物膜有时机改变其自身群落组成，适应纳米光催化材料的存在。研究还发现在自然生物膜和纳米二氧化钛共存情况下，它们可以同时为硝酸盐去除系统提供电子受体、电子供体和电子传输载体，促进了硝酸盐反硝化过程的发生［82］。在构建的自然生物膜-纳米CdS生物电化学系统中，自然生物膜的存在可以大幅度提高反硝化速率，这是因为在光照条件下，周丛生物产生的胞外聚合物可作为空穴捕获剂，为催化剂提供电子，将硝酸盐还原为亚硝酸盐或氮气。另一方面，催化剂激发电子，由价带跃迁到导带，为自然生物膜中的微生物提供光生电子，同时胞外聚合物可作为电子介体，协助运载电子，共同促进硝酸盐还原［83］。

5 结论与展望

自然生物膜对面源污水中氮磷负荷有很好的去除能力，其在相关农业生态工程中的应用，将为面源污染防控提供一个高效且可持续的途径。自然生物膜存在于水土界面，是水生态系统物质迁移转化的重要路径。同时，复杂的微生物组成和独特的聚集结构使其具有出色的生物富集转化能力，并且其矿物胶体化学特性在水环境物质的生物地球化学循环中起着重要作用。另外，自然生物膜不仅可以有效地吸附水体中氮磷等营养元素以及大量金属元素，还可以利用自然生物膜回收氮磷资源和一些稀有重金属资源，使资源得到充分循环利用，实现可持续发展［76］。

目前，在许多地表水处理生态工程中，面源污染组成复杂、负荷多变以及排放不规律等特征严重影响了其正常运行，而自然生物膜的存在可以在一定程度上“缓冲”这种多变水质水量的影响［11］，［13］107-126，［84-85］。因此，建议未来将自然生物膜技术耦合到相关生态工程中，不仅有助于面源污染控制，也有助于维护生态工程的正常运行。但目前关于自然生物膜在生态工程中的应用仍有一些基础性科学问题亟待解决。譬如，自然生物膜对氮磷的迁移转化、有机絮体、矿物颗粒的吸附特性、床面稳定性和对水体其他基底面的覆盖侵蚀等几个方面的影响还需要进一步探讨。未来自然生物膜生长模型也需要从单相走向多相，自然生物膜生长及其去除氮磷等过程的定量表达也需进一步模拟，并需从多相角度进行模拟。

自然生物膜中微生物物种多样性和群落结构是决定其生理功能多样性和适应性的重要特征，因此要将自然生物膜作为一个开放的混合系统来重点研究其群落生态学，充分发挥自然生物膜对氮磷去除的广谱特征。此外，由于应用需求的不同，自然生物膜群落组成和结构的搭配至关重要。现代分子基因技术，特别是宏基因组学技术的不断发展，使得研究者可以从基因本质上去探讨自然生物膜相关生态特征，并与氮磷去除功能相结合，探索具体功能微生物群落的物种组成和关键功能基因，进而分离纯化，优化自然生物膜，使其具有更高的氮磷去除能力。