浅析浅水湖泊苦草—铁细菌—土壤除磷体系

阙天洋 王娟娟

摘 要：水体富营养化是国内普遍存在的问题，引起富营养化的磷分为内源磷和外源磷，外源磷通过控制排污即可解决，而内源磷的残留却是个难题。目前，最有效的水体富营养化治理方法是以种植沉水植物为主的生物修复。苦草根系发达，适应力强，是环境修复的先锋物种，对磷的去除效果极佳。但在苦草衰亡期，沉积物中的磷失去控制又会释放出来，水体磷含量重新升高。而铁细菌的加入或可弥补其不足，在苦草衰亡期将磷元素用微生物氧化铁吸附固定。

关键词：水体富营养化;苦草;铁细菌;生物修复

中图分类号 X524;X173 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）19-0133-03

改革開放以来，我国工业化水平不断提升，导致国内水体中氮磷等营养盐含量急剧增加。水体富营养化最主要的原因是氮素和磷素浓度超标，一般情况下，当水中总磷浓度达到 0.02mg/L、无机氮浓度达到0.3mg/L时，表明水体已经富营养化[1]。氮元素来源较为丰富，迁移转化的机制也更为复杂，控制较为困难，因此磷也被当作水体富营养化的主要限制性营养因子[2]。

淡水湖泊中的磷按来源可分为内源磷和外源磷2种，所谓的控制污水排放就是针对外源磷的解决方法。但是研究发现，在减少了外源磷的排放后，水体富营养化现象不会立刻改善，并且在较长时间内磷含量依旧处于很高水平，这就是内源磷的影响。淡水湖泊的沉积物中含有浓度不低的磷素，会在底泥与湖水之间扩散与积累，形成稳定内循环，这个循环过程在淡水湖泊磷代谢过程中具有重要作用。因此，在较为有效地控制了外源磷之后，想要改善湖泊的富营养化水平，就需要将研究重点转移到对内源磷的控制上。湖底沉积物对磷的滞留成为了控制水体富营养化以及生态恢复的关键[3，4]。

1 内源磷控制研究现状

当前控制内源磷的方法大致分为物理、化学、生物3类。物理方法是阻断湖泊中磷元素的释放或者直接将其移除，常采用的方法是补水换水、疏浚底泥等，工程量大，成本高，对环境改变大。化学方法是利用铁、铝等元素调控湖泊中磷元素的形态，干预磷的吸附和释放过程，如向湖水中施用铁盐、铝盐原位钝化、硝酸盐原位添加等[5]，或利用铁氧化物的沉淀絮凝作用控制水体中磷的含量[6]，见效较快，且对富营养化严重的水域同样适用，但投放的化学物质进入底泥容易造成二次污染。生物修复则是利用水生植物直接吸收过量磷元素，并通过水生植物对周边环境的影响来协同清除水体富营养化带来的危害。与运用铁盐来调控磷元素相比，植物修复具有效果显著、成本低、对环境影响小等优点。刘敏等[7]研究发现，部分水生植物组合后的除磷效果要优于单一品种，将风车草、狐尾藻和黑三棱组合种植，可显著去除富营养化水体中的磷。陈照方等[8]通过对4种水生植物的研究发现，苦草可去除富营养化水体中75%的总磷。

2 苦草—铁细菌—沉积物体系控制湖泊磷的可行性

湖泊中的优势物种是沉水植物和浮游植物。沉水植物占据沉积物中丰富的营养盐，浮游植物享有充沛的阳光，两者各有优势。但随着湖水中营养盐的增加，浮游植物数量激增，限制沉水植物的生长，这一过程又会导致湖泊富营养化程度加剧。治理湖泊富营养就要逆转这个趋势，将湖泊生态系统从浮游植物主导的浑浊态转为沉水植物主导的清澈态。生物修复就是通过引入新的物种或为原生沉水植物创造良好的生存条件，人为干预，清除过多的营养盐。相对于其他技术，生物修复成本低，治理效果好，对环境影响较小，同时还可赋予湖泊观赏价值，是现阶段最被看好的治理湖泊富营养化的方法。但目前常见的生物修复是种植一种有效的沉水植物或将几种可以配合的沉水植物组合种植，极少涉及到微生物参与。而微生物在沉水植物的生长过程中具有非常关键的作用，不仅能够促进植物生长，而且特定种类的微生物还可在植物衰亡期控制磷的释放。

2.1 沉水植物苦草对磷转化的影响 富营养化的湖泊中植物种群单一，自净能力极弱，生物修复的重点就是重新构筑其生态系统，使湖泊重新恢复活力。苦草根系丰富，叶片繁茂，通气组织发达，在高中低浓度的磷环境中都有良好表现，通常作为水体修复的先锋物种[9]。苦草影响磷的途径主要有直接吸收、物理吸附以及间接影响。

2.1.1 直接吸收 苦草耐受能力强，恶劣环境下亦能生存，适应温度范围广，10℃即可发芽，除了冬季，其他时期都可生长[10]。苦草根系占总生物量的绝大部分，根冠比较高，偏向从根系吸收养分。林超等[11]研究发现，在高浓度条件下生长50d，刺苦草的最大株高可增加205%。陈德元等[12]在高浓度磷条件下将5株苦草幼苗种植84d，最后测得苦草中的总磷增加量达48.25mg。但是，直接吸收并不是植物去除磷的主要途径，陈照方等[8]研究发现苦草通过直接吸收去除水体系统中的磷只占总去除量的2.38%。

2.1.2 物理吸附 苦草的根系极其丰富，接触面积大，更容易吸附水体中的不溶性胶体、矿物及微生物，将其固定在湖泊底泥中。湖水中的叶片可以减缓底泥表面湖水流速，为底层悬浮物的沉降创造条件;此外，较快的流速不利于磷素在苦草叶片中累积，降低流速可使苦草吸收和储藏更多的磷。底泥间隙水的磷含量一般高于湖水，减少扰动可以减少沉积物悬浮造成的磷释放，还能为湖泊中的微生物提供栖息空间[13]。微生物会在苦草表面形成凝膜吸附杂质，改善湖水的澄清度，并增加透光率，促进苦草生长。

2.1.3 间接影响 苦草能通过光合作用产生氧气，提高周边水体溶解氧含量，同时其发达的通气组织可将氧气输送到根系，使根际转变为局部有氧环境[14]，有利于微生物的生命活动，并提高根系底泥的氧化还原电位。研究表明[15]，在厌氧还原性较强的条件下，底泥中会积累较多的Fe2+与磷酸根。湖泊底层环境本身是处于厌氧状态，会积累大量铁与磷元素，当氧化还原电位升高时，大量磷会被吸附。苦草生长过程中会向周边环境分泌有机酸，改变环境pH，而较低的pH可以减缓内源磷的释放。部分有机酸具有抑制藻类生长的功能，这类物质被称之为化感物质，可有效缓解藻类过量繁殖现象。张之浩等[16]通过模拟实验发现，苦草分泌的化感物质对绿藻和硅藻的抑制率可达33.13%。植物修复湖泊沉积物中磷的主要方式是通过植物本身直接吸收以及植物根际微生物分解代谢，从而减少沉积物中磷含量或将其转化为难溶形态。

2.2 铁细菌对沉积物磷的控制 苦草对湖泊富营养化有极佳的改善效果，然而并非一年四季都可生长，当温度低于适宜温度就会进入衰亡期无法继续生长。俞振飞等[17]研究发现在苦草衰亡期，水体磷浓度比空白对照略低但并无显著差异，说明苦草进入衰亡期后基本失去了治理能力，若没有其他控制方法，水体磷浓度又会上升。最快速的控磷方法是用铁调控，不过铁盐容易产生污染，大规模施用成本高昂。特定种类的微生物可以在对环境影响不大的前提下达到类似效果。且微生物只要有菌种，就可用较为低廉的原材料进行生产，只要几个周期就可大量培养，施入湖中自行迁移，也不会产生二次污染。

铁氧化菌是一类能加速铁氧化过程的细菌，广泛存在于江河湖海以及土壤等环境中，生存条件较为宽泛。铁氧化菌产生的分泌物可促进植物生长，吸收更多的磷。且铁氧化菌可以生成氧化铁，在植物修复的基础上，吸附和转化磷，并在植物衰亡期利用湖泊铁循环控制内源磷的释放。将植物修复与铁的调控相结合，可以提高磷的去除效率。

2.2.1 铁对磷固定、释放的影响 铁在氧化条件下会被氧化成Fe（OH）3等氧化铁，这些氧化铁有着极为特殊的化学性质，对磷酸盐的吸附效果极好。当氧化还原电位较高时，磷酸盐会与Fe3+结合形成不溶的磷酸铁，可溶性磷也会被Fe（OH）3从水体中吸附[18]。在湖泊浅层底泥中，磷会被氧化铁吸附，而在更深的泥层氧化条件就转变成还原条件，铁磷结合物又被分解，将吸附的磷元素释放出来。在浅水湖泊中，沉积物与水的交界面是一个非常特殊的地方，这里是氧气徘徊的边界，植物将氧气传递到这里，氧化还原反应发生很频繁，湖水中的磷和铁在这个位置上反复地沉积与溶解[19]。据已有的关于沉积物中铁与磷的积累及释放过程的研究，可推断底泥中磷的释放在很大程度上取决于铁的氧化还原过程。

2.2.2 微生物在铁转化中的作用 铁氧化菌是一类特殊的微生物，通过将铁氧化获取能量，在铁的氧化过程中具有关键作用，而铁的氧化过程对浅水湖泊中磷的内循环又具有重大影响。铁氧化菌常生存于氧化—还原交界带，初次被发现是在浅水湖泊中，随着研究的深入，在江河湖海等领域也都有发现，存在范围极为广泛[13]。目前发现的铁氧化菌主要是硝化螺菌门（Nitrospira）、坚壁菌门（Firmicute）、绿细菌门（Chlorobi）和变形杆菌门（Proteobacteria）[20]。

国内大部分浅水湖泊pH处于中性或近中性。以往学者认为，在pH偏中性且氧气较充足条件下，铁氧化很快，微生物的作用较为有限。但近些年有学者对25种植物调查发现，92%的被调查植株的根际存在铁细菌[21]，50%～90%的铁氧化物是由微生物活动形成的[22]。铁氧化菌种类繁多，根据原料亚铁的不同形态，生成的氧化铁结构、功能也大不相同[23]，但对磷酸盐都表现出良好的吸附特性。因此，微生物在调控环境铁氧化物形成方面具有不可忽视的作用。

3 结语

改善湖泊富营养状态，须多管齐下，不仅要看当下的治理结果，还要看长远的效果，富营养状况是否会复发等。植物原位修复还要考虑成熟水草的收割问题，否则吸收的磷又会回到湖泊系统，水草衰亡后也要考虑进一步的控磷方案。湖泊系统非常复杂，仅仅是磷的内循环就涉及到植物、微生物、底泥、水体等。

在苦草—铁细菌—微生物体系中，首先苦草的生长会自然吸收一小部分磷元素。其次，苦草会在生长过程中通过光合作用从根系分泌出氧气改变根际环境，将根附近的铁氧化。氧化态的铁可以与磷酸根结合或将其吸附住，减少磷的再释放。苦草生长期会源源不断地释放出氧气，维持铁磷结合物的稳定，底泥中的铁氧化菌也会生成铁氧化物将更多的磷固定。苦草进入衰亡期之后，铁氧化菌由于从其他途径获得的能量有限，通过不断将铁氧化来维持生物量，从而控制磷的释放。

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（责编：徐世红）