蜀绣双面绣熊猫图片:微生物在富营养化水体生物修复中的作用

近年来，随着对环境资源开发利用力度的日益增加，大量含有氮、磷元素营养物质的污染物不断排入湖泊、水库和河流，使水体的营养物质负荷量不断增加。另一方面，为提高农作物产量，农田施用的化肥和牲畜粪便逐年增加，经雨水冲刷和渗透，进入水体的营养物质不断增多。由于这些人为因素的影响使水体的污染和富营养化问题日益严重。富营养化水体的有效治理已成为迫待解决的重要环境问题。 传统的水处理方法是将受污染的水集中到污水处理厂进行治理，采用的主要相关处理工艺有人工曝气、A2／O脱氮除磷工艺、SBR等。人工曝气修复污染湖泊、河流虽然具有占地少、投资省、运行费用低、见效快等特点，但停止人工曝气后，经过1个月时间，水质又恶化至原来水平。故人工曝气只能作为湖泊、河流修复的一种缓解措施和辅助手段。对于A2／O脱氮除磷工艺与SBR法，其建造、运行、管理费用过高，且在治理污染水体时需要进行换水，仅适用于较小型水体。可见这些传统处理方法虽然工艺成熟、处理效果理想，但对于湖泊、河流等开放型水体系统的修复，传统处理方法具有很大局限性。鉴于此，近年来水体生物修复技术发展迅速，利用水生植物、微生物对水体中氮、磷元素进行有效吸附、转化和降解，可减轻水体富营养化程度，修复水体自净功能。目前对水体生物修复中植物修复的研究很多，但针对生物修复过程中微生物对水体生物修复作用影响的研究较少。本文介绍了水体生物修复过程中相关的重要微生物，并总结了微生物在水体生物修复系统中及在生物修复功能中的作用，以求能够为今后相关领域的研究提供理论参考。
1水体富营养化与微生物修复
1．1水体富营养化及成因
水体富营养化是指水体接纳过量的氮、磷等营养物质，使藻类以及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成水质恶化，加速水体老化，使水生生态系统和水体功能受到影响和破坏，影响水资源利用，给饮用、工农业供水、水产养殖、旅游以及水上运输等带来巨大损失，并对人体健康构成危害的现象。
水体富营养化分为天然富营养化和人为富营养化。天然富营养化要经过几千年甚至几万年才能完成，而人类经济活动可导致湖泊在几年内就出现富营养化。可见人为富营养化是目前水体富营养化的主要原因。水体中藻类生长离不开碳、氮、磷3种关键元素的存在，而这3种元素也是引起水体富营养化的决定因素。在受氮、磷元素影响的水体中，尤其是封闭水体，藻类会不断大量繁殖，消耗水体中大量溶解氧(DO)，而藻类的死亡和解体又会将从水体中所吸收的氮、磷元素释放回水体，从而造成水体中藻类的恶性循环繁殖。另外水体中可供藻类利用的碳、氮远远多于可利用的磷元素，磷元素通常被认为是水体富营养化的限制因子。对于水体富营养化状况，英国国家环境署规定，在静止水体中，总磷浓度0．086 mg·L-1为富营养化的临界值。国际上一般认为湖水中总磷浓度0．02 mg(P)·L-1、总氮浓度0．2 mg(N)·L-1是水体富营养化的发生浓度。我国考虑到湖泊总氮、总磷等营养盐浓度普遍较高的实际情况，对总氮、总磷标准进行适当调整后通过界定叶绿素含量、总氮、总磷、COD、透明度等水质指标值，对我国湖泊富营养化程度进行了分类，具体见表1。
1．2水体微生物修复
生物修复(Bioremediation)是一种利用特定的生物(植物、微生物或原生动物)吸收、转化、清除或降解环境污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。而微生物修复是生物修复的一类，其基本原理是利用自然界中微生物对污染物的生物代谢作用。微生物修复的基本思想是在人为促进条件下，通过提供氧气，添加氮、磷营养盐，接种经过驯化培养的高效微生物等来强化其修复过程，迅速去除污染物质。目前，水体微生物修复的研究已成为学术界广泛关注的热点问题，正处于相当活跃的发展时期。可以看出利用微生物技术对水体生态环境进行修复将会是21世纪初环境生物技术的主攻方向之一。
从已经尝试进行的水体微生物修复技术的实践经验看，与传统的物理、化学修复技术相比，水体微生物修复技术具有以下优点：费用省，仅为传统环境工程技术的30％-50％；环境影响小，遗留问题少，无二次污染和污染物转移；可有效降低污染物浓度；修复时间较短；操作者与污染物直接接触机会减少，不致对人产生危害；控制操作简单，对周围环境干扰少。
成功的微生物修复需具备以下条件：一是目标化合物必须能够被微生物利用，污染场地不含对降解菌种有抑制作用的物质，否则需先行稀释或将该抑制剂无害化；二是必须存在具代谢活性的微生物，这些微生物在降解或转化化合物时必须达到一定的速率，且不会产生有毒物质；三是污染场地或生物反应器的环境条件必须有利于微生物生长或保持活性；四是技术费用必须尽可能低。
2修复微生物与水体微生物修复目标
2．1脱氮除磷相关微生物
氮、磷元素含量过高是水体富营养化的重要原因，因此对其有去除效果的微生物理所应当地成为生物治理水体富营养化的关注点。如：芽孢杆菌、碱杆菌属、假单孢菌、黄杆菌等复合菌都有去除水环境中氮、磷化合物的功能，还可转化水体中的硫、铁、汞、砷等有害物质元素。
富营养化水体主要涉及的脱氮过程以硝化作用、反硝化作用最为重要。硝化作用主要分为2个阶段：第一阶段是由亚硝化杆菌、亚硝化螺菌、亚硝化球菌等将NH3氧化为亚硝酸盐；第二阶段是硝化杆菌、硝化球菌、硝化刺菌等将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。而反硝化作用中芽孢杆菌、短杆菌。假单杆菌都是可以将硝酸盐移出水体、提高水体pH的好氧菌和兼性厌氧菌。
目前富营养化水体除磷主要指沉淀除磷，而絮凝作用是沉淀除磷中的重要方法。相关的微生物主要有芽孢杆菌、不动杆菌、专性厌氧的脱硫弧菌、假单孢菌、产碱杆菌、黄杆菌、无色杆菌、微球菌、动胶菌等有生物絮凝作用的微生物。
2．2水体微生物修复目标
水体微生物修复的目的，主要表现在利用水体自身及人工添加的外来有益微生物和植物对水体环境中的碳循环、氮循环、磷循环和硫循环进行人为调控，加强水生藻类和植物对水体污染物尤其是碳、氮、磷、硫元素的耐受性，促进其对主要污染物的去除、降解和转化，以达到改善水体污染状况，治理水体富营养化，逐步使水体恢复其自净功能。水体生物修复的最终目标，是使水体达到地表水和湖泊水水质国家标准。为达到此目的，环境管理部门要求控制氨氮、总磷、透明度3项水体基本指标。根据我国水体环境污染总体状况，目前通常把氨氮含量定在地表水Ⅱ类标准，0．5 mg·L-1；总磷含量定在湖泊水III类标准，0．025 mg·L-1 (地表水II类标准可放宽到0．1 mg·L-1；透明度定在湖泊水Ⅳ类标准，1．5 m(地表水透明度无标准；富营养化湖泊水体透明度一般仅0．2-0．3 m)。
3微生物对水体生物修复的作用
作为自然生态环境的主要构成部分，环境水体以本身具有生态修复功能的同时，自然水体及其包含的多种植物、微生物还提供着多样的生态服务功能，如：环境改善、水资源与水能、物种生境、景观与文化以及气候调节等。而微生物作为自然界里个体最小，数量最大，分布最广，种类最多的生物类群，通过多种微生物共同作用形成了微生物链，在水体修复中通过氧化、还原、光合、同化、异化作用把有机污染物转变为简单的化合物，保证水质的正常功能，从而改善水体环境质量，进一步影响整个水体生物修复过程。
3．1净化水体
水体生态环境中的有益微生物(硝化细菌、光合细菌、硫化细菌、芽孢杆菌等净水微生物)，在水环境中能清除水体底部长时间积累的动物排泄物、动植物残体以及有害气体(氨、硫化氢等)，使之先分解为小分子有机物(多肽、高级脂肪酸等)，接着分解为更小分子的有机物(氨基酸、低级脂肪酸、单糖、环烃等)，最终分解为C02、硝酸盐、硫酸盐、N2等，有效地降低水体COD和BOD，使水体中的氨氮(NH4-N)与亚硝酸氮(N02-N)降低，透明度升高，总磷含量降低，起到了净化水质的作用。
3．2促进碳循环
在水体生态环境中，碳元素的总量非常大，而对水体生物修复有益的微生物的生长繁殖是通过对各种含碳化合物(尤其是作用于无氮有机物)进行发酵和氧化而实现的。水体在纵向上主要分为表层有氧区和无氧区。对水体碳元素循环而言，在表层有氧区微生物如细菌和真菌主要对纤维素、淀粉、几丁质等有机物进行氧化分解使之转化为COz，而在无氧IX(主要指深水区和淤泥层)，有机物主要被微生物发酵产生有机酸、CH4、H2和C02，其中生成的COz又经藻类和植物的光合作用合成复杂的有机物，为水生动物、底栖动物等提供O2和多糖类物质，进入动植物体碳循环系统，从而形成一个复杂的动态循环。可见，水体微生物的存在对水中植物的生长及水体碳元素循环具有不可替代的作用。
3．3促进氮循环
水体氮循环是水体生态系统中物质循环的重要环节，水体中氮元素含量的多少促进或限制着水体生态系统的能量转化，也是水体植物、藻类生长的限制因子之一，而对水体中氮元素含量的控制可有效控制水体富营养化程度。整个氮循环过程主要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用，其中氨化作用、硝化作用和反硝化作用与水体中氮元素的去除有密切关系。在水体氮循环过程中，生物固氮、氨化、反硝化是微生物的特有环境功能，微生物通过氨化作用、硝化作用、反硝化作用把水体中的NH3、氨氮、亚硝酸氮(N02-N)和硝酸盐转化为N：，从而降低水体中的氨氮、亚硝基氮和硝酸盐，起到了防止藻类大量繁殖的作用。可见，氮元素循环所涉及的微生物的分布对水体氮循环过程有重要影响。另外，每个氮循环环节又都与环境因素和大量微生物的协同作用密不可分，如：最适环境为弱碱性；含氮有机物经微生物分解而产生氨与大量细菌、放线菌和真菌协同作用息息相关，且与上面提到的各种硝化、反硝化微生物等相关。任意一种氮循环环节中的必需微生物的减少或缺失都会影响整条氮循环链，对富营养化水体生物修复中氮元素的转化和去除造成严重影响，从而影响富营养化水体生物修复的氮元素控制修复作用。
3．4促进磷循环
在水体生态环境中，磷元素同样是水体植物生长的限制因子之一，同时它还是水体初级生产力的限制营养元素之一，对水体环富营养化程度改善和恶化的影响往往比氮元素更大。水体中磷元素以颗粒磷(Particulate phosphorus)、溶解有机磷(Dissolved organic phosphorus)和无机磷酸盐(Dissolved inorganic phosphorus)3种形式存在，3种形式之间通过微生物的作用从而构成一个复杂的动态循环。该动态循环主要由增磷作用与耗磷作用这组矛盾运动过程所构成，而水体环境中总磷的增加与减少也是由这对矛盾运动所决定。
多种附着生长和悬浮在水体环境中的微生物，在生长繁殖过程中都可以吸收和利用污水中的无机磷酸盐。有研究表明通过污水进入表面流人工湿地中的磷元素大约有质量分数为14％(0．117-0．220 g．m-2·a-1)被微生物所吸收利用，且这部分磷在微生物死亡后几乎全部被迅速分解释放，回到水体当中，故一般认为微生物的活动与总磷的去除效率之间并无显著相关性。但各种絮凝微生物对水体中磷的絮凝沉淀作用及水体底层土壤吸附沉淀和水生植物利用起到重要的协助作用，在水体磷循环中微生物使水中的溶解态磷被悬浮颗粒吸附形成颗粒态磷，经凝絮作用转为沉淀，为去除水体中富集的磷元素提供有力帮助，有效地降低水体总磷含量，进一步防止藻类的大量繁殖，对水体生物修复的磷元素控制起着重要促进作用。
3．5促进硫循环
在水体中硫元素主要以氧化态-II(硫氢基，R— SH以及硫化物H2S)、氧化状态、氧化状态加硫酸盐(S042-)3种形式存在。硫酸盐作为许多植物和微生物可用硫的惟一来源，通过氧化态(R-HS)将其转化为有机的硫氢基化合物，从而为植物和微生物所利用；同时，硫酸盐还可为水中动物提供所必须的含硫氨基酸等。另外，虽然微生物产生的H2S对大多需氧微生物有毒性，但它可以与许多金属离子发生反应，生成沉淀从而降低其有害性，达到净化水体的作用。
3．6控制藻类繁殖
水体富营养化的一个显著特征就是藻类大量繁殖，使得水体DO、透明度大幅下降，造成水体中鱼类大量死亡。目前除藻方法一般分为工程物理方法、化学药剂法和生物方法3大类。作为庞大的富营养化湖泊、河流的藻类控制技术，利用工程物理方法和化学药剂法显然是行不通的，因此，对环境友好的生物控藻技术越来越多地受到国内外关注。在生物控藻技术中，由于微生物具有易繁殖特点，使得微生物控藻成为生物控藻里最有前途的一种方式。有报道显示，中性柠檬酸菌、黏细菌、Micro-Bac发酵液、光合细菌、消化细菌、玉垒菌组合等微生物能通过释放毒藻素或激发食藻生物的繁殖，达到良好的杀藻或抑藻效果，从而改善水体富营养化程度，促进水体净化。
由此可见，微生物在水体碳、氮、磷、硫4种主要元素循环及生物控藻作用中都起到非常重要的作用，它可以有效控制4种元素在水体中的含量和存在形式，释放毒藻素，激发食藻生物繁殖，促进形成有益微生物菌落，分解有机物，消除有害物质(NH4--N，H2S，过量的氮、磷元素等)，抑制藻类在水体中的大量繁殖，进一步提高水体透明度和DO，有效净化水体，最终为恢复水体自净功能和促进富营养化水体的生物修复提供有效的帮助和有力支持。
4  富营养化水体微生物修复研究进展
微生物修复主要是应用原位技术以及向水体投加有效微生物群从而改善污染水体的透明度、高锰酸盐指数(CODMn)、溶解氧(D0)、总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a等以达到减轻水体富营养化程度的效果。其中，有效微生物群(Effective microorganisms)是指从自然界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、放线菌、酵母菌和乳酸菌为主。李雪梅，杨中艺等研究表明，在投入有效微生物群后，水表面和水面以下0．15 m水体中的叶绿素a含量、总氮、总磷和高锰酸盐指数下降，而水中的溶解氧含量和水体的透明度相应上升。表明藻类水华已得到控制，因而应用有效微生物群对藻型富营养化水体叶绿素a含量的降低和水体透明度的提高有显著效果，可有效抑制蓝藻过度繁殖，控制藻类水华发生。另外由于微生物反应的温和性和多样性。通过强化微生物的代谢分解作用进行污染控制的生物修复技术，是解决难降解化合物污染的关键技术，在发达国家已得到极大重视，具有广阔的产业化前景。同时，对于复合污染的生物修复，单一修复技术往往难以奏效，而将不同修复技术有效结合，形成联合生物修复技术可更有效地达到降解、去除污染物的目的。鉴于这几点，近年来以植物修复和微生物修复为主的结合生物修复系统受到了广泛的关注。其中，人工湿地以及植物塘处理系统发展迅速并获得一定收效，尤其是表面流人工湿地系统发展极为迅速。
水体生物修复系统主要通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水中磷元素的高效去除，其中植物、附着微生物、其他微生物的吸收，植物枯枝和土壤有机磷的稳定化(矿化)沉积作用，吸附和沉淀作用，土壤和表覆水之间的扩散交换作用都与微生物有密切联系。水体中，氮作为影响水体富营养化的重要元素，在生物修复系统的挥发、土壤吸附和离子交换过程中的去除效果并不理想。植物吸收对氮的去除也只占总质量的10％左右，且必须通过收获才能令氮元素离开修复系统。而微生物的存在可以调节水体中NH4+一N的硝化作用及NOx的反硝化作用，使氮元素以N：的形式移出水体。由此可见，水体生物修复中，微生物对水体污染物质的吸收、沉淀、转化等具有非常重要的促进作用。
微生物对修复植物的生长具有促进作用。一般而言，生物修复系统中所选植物对污染物都有很强的耐受性，但林连升等研究表明，不同富营养化程度的水体中，植物修复能力存在差异。在一定浓度范围内，水生植物的净化率随水体中氮、磷等物质的含量增加而加大。黄亚等发现，在污染水体中，植物生长状况不佳，植株也较为矮小。针对污染水体对修复植物生长的不利影响，GlickTM通过研究表明，为改善植物的生长状况，向植物根部加入促进植物生长的微生物，这类微生物能降低植物体内抑制生长的乙烯含量，并为植物提供铁离子，从而显著增加植物种子的发芽率和植物的生物量，使植物修复过程更加迅速有效。由此可见，水体生物修复中的微生物与其修复效果之间存在密切联系。
微生物与水体污染物去除率密切相关，对污染物的去除有良好的促进作用。梁威、胡洪营研究发现，对于人工湿地生物修复系统来说，污水中BOD5的去除率与湿地微生物总数显著相关，氨氮的去除率与硝化细菌和反硝化细菌数量密切相关，污水中总大肠杆菌的去除率与湿地原生动物和放线菌数量也存在显著相关性。而近些年兴起的微生物制剂作为以改善环境状况和强化处理系统稳定、高效为目标，通过菌群构建等科学方法得到的具有特殊功能的生物制品，在水体修复领域已得到广泛应用。早在1992年，美国一公司已研制出Clear-Flo系列菌剂专门用于湖泊和池塘生物清淤、养殖水体净化、河流修复及潮汛去除。1992年美国Moulin Vert水渠使用Clear-Flo 1 200 3个月，NH4+-N从0．02 mg·L-1降为0，COD降低84％，BOD5降低74％，无毒性检出。近几年，美国生态实验室研发的液可清(ACF32)(Aqua Clean ACF32)是一种由32种专性活菌构成的混合微生物制剂，已获得美国环保局、卫生部和农业部的认证，在美国等国家已有许多成功应用。王丽风、邓柳等引通过应用液可清制剂对受污染的昆明城市西南部西坝河进行修复，试验结果表明：投加液可清制剂3周后，修复河段内的BOD5、总氮、总磷和浊度分别下降43．9％、46．3％、25．5％和43．6％。由此可见，微生物制剂在减轻水体BOD5、总氮、总磷、COD、NH4+-N、浊度污染，控制水体富营养化具有显著效果。
5  展望
为弥补传统水处理方法处理开放性富营养化水体时建造、运行、管理费用高，处理规模小等局限性，富营养化水体生物修复作为费用低、高效和无二次污染的新型水体修复系统具有相当大的研究发展空间。针对现阶段富营养化水体生物修复的发展状况，整个水体生物修复体系中的微生物研究还存在以下几方面问题：(1)不同水质状况中微生物对水体生物修复处理效果的影响尚未研究清楚；(2)很难建立不同水质下，各水质指标在水体生物修复过程中与微生物的相关性分析体系，并有效评测其修复状况及效果，这是由于在不同水质情况下运用生物修复技术是建立在一系列数据分析基础之上的，主要因素有污染物、可降解的微生物；(3)水体生物修复系统中微生物修复体系的建立尚缺少针对性和多样性。因此，对于水体微生物的研究应成为今后深入研究的重点，应加大力度研究整个生物修复系统不同修复阶段所需微生物的种类和数量、有效微生物群制剂投加与生物修复系统协同运行效果及对水体生物修复过程中微生物数量的控制技术等领域的相关内容，这些领域将为富营养化水体生物修复的普及和发展带来新的动力。
郑焕春2 周青1，2
(1．江南大学工业生物技术教育部重点实验室  无锡214122；
2．江南大学环境与土木工程学院  无锡  214122)
（中国生态农业学报2009.1第17卷）