景观生态浮岛根系微生物对富营养化水体中氮磷的净化作用

罗晶　陈津端　周安刚

【摘 要】在我国各地，水体富营养化都是一个普遍问题，富营养化引起的危害不容忽视，是水体治理中重点研究的问题，随着技术的成熟，景观生态浮岛技术已经开始在富营养化水体中得到推广和使用。本文针对当前我国水体富营养化的问题进行分析，并通过实验的方式探讨景观生态浮岛根系微生物对富营养化水体中氮磷的净化作用。

【关键词】景观生态浮岛;根系微生物;富营养化水体;氮磷;净化

中图分类号： X703 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）30-0011-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.005

景观生态浮岛的应用不仅可以净化水质，也能够营造出良好的景观效果，是当前湖、河、库生态治理的重要技术，理想的景观生态浮岛对于水体中的氮、磷具有良好的净化作用，还能通过营养元素吸附作用为植物提供养分，是当前富营养化水体净化的重要研究方向。在景观生态浮岛中，植物是其中的重点组成，通过植物的合理搭配，能够构建出不同的微生物群落，并进一步改善浮岛的物理结构，从根际理论来看，通过光合作用，植物可以制造出大量氧气，在植物的根系，也会形成“缺氧区”、“好氧区”和“厌氧区”，从而为污水中各类不同的微生物提供环境。在光合作用下，也会刺激植物根部分泌各类有机物，植物类型不同，有机物也各具差异，当前，已经发现200多种植物根系分泌物，包括生物酶、糖类、有机酸等类型，为根系微生物的生长创设了良好环境，可以进一步提高污水的净化能力。

1 我国水体富营养化问题分析

长期以来，在各类污染因素的影响下，我国水体富营养化比例居高不下，水体功能退化严重，各类污染物未经处理便进入湖泊与和河道，数据显示，在我国水体中，有75%的水体存在不同程度的富营养化趋势，I类水质比例仅有5.8%。

在富营养化水体中，有大量氮、磷，在长期积累下，致使藻类滋生，究其根源，包括三点：①工业与生活废水的大量排放，未经正规程序处理的工业废水与生活废水中，含有大量氮、磷;②养殖废水，在养殖废水中，也含有大量氮磷、固体悬浮物与有机污染物。

富营养化问题的存在严重影響水资源作用的发挥，减小了水体透明度，导致阳光透过量大幅减少，影响水生植物的光合作用，降低溶解氧浓度，水中物质在厌氧菌的影响下，分解出大量有害气体，有害气体的存在又威胁到水中动物、植物的生长，让水体发出臭味，而人、畜如果长期饮用这类水，水体中的神经毒素、肝毒素会进入食物链，威胁人体健康。

2 景观生态浮岛净化原理及根系微生物作用

2.1 景观生态浮岛的净化原理

2.1.1 截留吸收

景观生态浮岛具有大面积植物根系，能够在水体中形成过滤层，拦截污染物和大颗粒物，并发生交换、过滤、吸附效应，能够吸收水体中大多数氮磷物质，起到修复作用。

2.1.2 接触氧化

景观生态浮岛中的植物根系，让水体与生物之间的接触面积增大，植物根系能够将氧气传至植物根部，构建氧化态微环境，促进微生物的繁殖，从而分解、转化富营养化水体中的营养盐和污染物。

2.1.3 降解

景观生态浮岛有庞大的根系，在浮岛下部，有大量原生动物、真菌和细菌，在微生物的繁殖下会形成生物膜，在微生物代谢作用下，可以去除水体中的各类污染物。

2.1.4 克藻作用

景观生态浮岛对于早了的生长也有一定的抑制作用，生态浮岛植物的生长中，可以分泌大量升华物质，能够抑制藻类生长。

2.1.5 去除作用

部分景观生态浮岛植物，有着特殊的生理机制，可以吸收富营养化水体中的重金属，如，凤眼莲能够与富营养化水体中的铅、汞、铜、镍、砷发生络合作用，且不会对水体动植物产生毒害。

2.2 根系微生物作用

景观生态浮岛是通过微生物、植物、基质之间的协同作用来去除污水中的氮磷，其中，根系微生物的多样性、数量、群落结构对净化效果有重要影响，在微生物、植物和基质的相互作用下，才构建出平衡的微生态系统，研究显示，微生物群落对污水中氮、磷、硫的移除有直接影响。不同的污水中，微生物多样化、群落也各不相同，而景观生态浮岛中植物类型越丰富，氮磷去除效果越好。设置了景观生态浮岛后，微生物菌群数量增加，多数为有益菌，对于污水中有机污染物、氮、磷的降解有积极作用，也减小了富营养化程度，利用人为作用建立优势菌群，为有益微生物的繁殖提供了优势环境，可以更好的发挥出优势微生物在氧化、氨化、硝化和反硝化上的作用，将富营养化水体中的化学物质、排泄物、生物残体等分解为硝酸盐、硫酸盐、二氧化碳等，在光合作用的影响下，水体中溶解氧含量也能大大增加，从而构建良性的生态系统。在水体中氮、磷降低到一定标准后，即可有效改善水体富营养化情况，抑制藻类生长，大大降低了水华的发生率，也避免了二次污染的产生。得益于景观生态浮岛的优势，该种技术在我国各个城市富营养化水体的处理中得到了推广，有越来越多的学者为了促进微生物繁殖，尝试在其中增加微生物促进剂，如LLMO生物活性液、Clear-Flo菌剂等，取得了良好的治理效果。

3 景观生态浮岛根系微生物对富营养化水体中氮磷的净化

3.1 实验方式

本实验在自然光照条件下进行，选择长势一致、健康的三种景观生态浮岛植物作为研究对象（石菖蒲、黄菖蒲、黑三棱），用塑料网格将植株固定在玻璃缸中，采用水培法，一周后开展实验，污染水质每次承装5L，实验时间共计30d，每隔5d测试一次总氮、总磷含量，并及时补充水分。在实验5d、15d、25d，采集制作微生物样品稀释液，测定生态浮岛植物根际、非根际主要细菌数量。

去除率=（水体初始浓度-第i天容器水体浓度）/水体初始浓度100%

3.2 实验结果

3.2.1 铵态氮去除结果

氨氮含量是评估富营养化水体的主要指标，氨氮含量越高，污染问题越严重，随着氨氮水平的提升，水体中溶解氧会不断降低。实验结果显示，石菖蒲、黄菖蒲与黑三棱对于铵态氮均有一定的去除效果，其中黑三棱效果最好，黄菖蒲次之，石菖蒲稍逊色。

3.2.2 总氮去除结果

在总氮去除效果上，石菖蒲、黄菖蒲与黑三棱均有一定的去除作用，黑三棱效果最佳，总体效果为黑三棱>黄菖蒲>石菖蒲。在前三个周期中，黑三棱、黄菖蒲去除效果明显，第四个周期达到最佳效果，后续去除效果趋于缓和，石菖蒲在第三个周期去除效果最佳，后续趋于缓和。

3.3 总磷去除结果

在生物生长过程中，磷是必备的营养物质，相较于其他植物，藻类对磷含量变化更加敏感，因此，对富营养化水体中磷的监测十分必要，工业废水、合成洗涤剂废水中，都有大量磷元素，如果污水未得到科学的处理，会导致含磷化合物被排放至水体，引起富营养化。在富营养化水体中，磷是以“有机磷”、“聚磷酸盐”、“磷酸盐”的方式存在，景观生态浮岛对磷的去除主要依靠根系的吸收、吸附作用。

在总磷的去除上，黑三棱>黄菖蒲>石菖蒲，其中，黑三棱在第一个周期中，去除效果最好，后续不断减缓，黄菖蒲与石菖蒲在第二个周期中，去除效果最好，后续减缓。

3.4 微生物数量的变化

对微生物数量的测试结果显示，景观生态浮岛植物根际微生物数量高于污水微生物数量，其中，黑三棱的根际效应更加明显，类型包括拟杆菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、放线菌门、变形菌门、广古菌门。变形菌门是革兰氏阴性菌，在氮元素的循环上，具有重要作用;放线菌门能够促进植物的正常生长，提高植物根系对磷酸盐、铁的利用率，促使植物分解污水中的各种有机物，在污水处理上用途广泛;酸杆菌门是典型的厌氧菌，对于醋酸盐、芳香族混合物具有发酵作用。根系微生物能够促进硝化作用、氨化作用、反硝化作用的顺利进行，不同景观生态浮岛植物结构特征和根区特征不同，代谢情况也会受到季节因素的影响，根系输氧能力不同，这会对根际微生物的生长、繁殖造成影响。

而植物类型不同，根系微生物也具有差异，有研究人员在景观生态浮岛中发现了玫瑰弯菌属，能够有效去除含氮污染物，并具备异养硝化还原性能;有的植物根系存在硝化螺菌，可以转化亚硝酸盐，促进氮循环，避免富营养化水体中亚硝酸盐数量太多导致鱼类死亡;还有的植物根系有绿针假单胞菌与根瘤菌属，能够将污水中的有机磷分解;有的植物根系中有大量红环菌，这类微生物在厌氧光照情况下，能够正常生存，从而达到去除污水有机物的目的。植物类型不同，在微生物的富集上，也具有一定差异，在具体的应用上，需要根据污水成分来筛选景观生态浮岛植物，科学选择植物类型。由于技术局限，本研究仅针对三种景观生态浮岛植物进行了研究，在后续的研究中，还需要进一步增加植物类型，并构建微生物文库，以便更好的分析生态浮岛植物根系微生物的净化作用。

4 结语

景觀生态浮岛技术对于富营养化水体中氮、磷、有机物的去除具有良好的效果，目前，这一技术已经在多个地区得以推行，在该种技术的应用中，正是得益于微生物、植物、基质之间的协同作用。本文选取集中景观生态浮岛技术的几种代表植物，分析微生物对氮、磷的去除效果，得出的研究结论与学界相似，为了发挥出景观生态浮岛技术的应用优势，还需要对这一技术进行深入研究，针对不同水体的处理要求找到适合的搭配植物。

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