朱林

（天津大黃堡濕地自然保護(hù)區(qū)管理處，天津 301700）

1 研究背景

伴隨經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，隨之而來的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。特別在發(fā)展中國(guó)家，廢水時(shí)常不經(jīng)處理就直接排入水體，造成了水體嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化，不但破壞了生態(tài)環(huán)境，而且引起灌溉及城市供水困難，嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。濕地植物具有獨(dú)特而復(fù)雜的凈化機(jī)理，特別對(duì)水體的氮和磷污染效果更明顯，被廣泛應(yīng)用于各種污水處理與水體生態(tài)修復(fù)。通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的去除，同時(shí)通過營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)廢水無(wú)害化。

2 研究的目的意義

水污染是當(dāng)今全球性的重大環(huán)境問題。如何有效降低污染水體中的氮磷含量，凈化被污染水體，已成為當(dāng)今環(huán)境問題研究的重要課題。

利用水生植物及其根際微生物的相互作用對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)元素的吸收、轉(zhuǎn)化和移除來防治和修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的研究已開展多年，并表現(xiàn)出了很好的凈化效果。本研究為形成有效的污染物消減濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系提供技術(shù)支撐。

3 水生植物對(duì)水體中氮磷等污染物的凈化作用

不同水生植物在污染水體修復(fù)中具有不同的效果。水生植物按生態(tài)類型，可分為沉水植物、飄浮植物、浮葉植物和挺水植物。

沉水植物能夠從底質(zhì)沉積物中補(bǔ)充不足的營(yíng)養(yǎng)，在水生植物群落中占據(jù)營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。這種營(yíng)養(yǎng)資源使得沉水植物在水體中營(yíng)養(yǎng)濃度很低的情況下仍能生長(zhǎng)，因此，沉水植物對(duì)浮游植物具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。沉水植物有效地減緩湖泊內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷的儲(chǔ)備速度，使輸入與輸出的營(yíng)養(yǎng)鹽趨于平衡，以機(jī)械化方式收割沉水植物轉(zhuǎn)移氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽，是水體富營(yíng)養(yǎng)化適度控制的一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)。由于沉水植物在水體生態(tài)中具有這些重要作用，在水體修復(fù)工程中得到應(yīng)用較多。然而沉水植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體中卻難以恢復(fù)。光照對(duì)沉水植物生長(zhǎng)有很大影響，這也是制約沉水植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)中應(yīng)用的瓶頸。此外，水體營(yíng)養(yǎng)條件和底質(zhì)環(huán)境等諸多因素也影響了沉水植物的恢復(fù)。采用伊樂藻、苦草、狐尾藻、篦齒眼子菜、金魚藻、菹草及輪藻對(duì)總氮和總磷均有顯著去除作用。

漂浮植物浮生水面，在光照競(jìng)爭(zhēng)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，能夠高效吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。蔣艾青應(yīng)用鳳眼蓮對(duì)城郊污水魚塘中的NH4-N、NO3-N、COD及TN去除率分別為70%、88.1%、56%及73.1%。邵林廣應(yīng)用水浮蓮對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊進(jìn)行凈化試驗(yàn)，BOD5的去除率在70%以上，總氮去除率60%以上，總磷去除率70%以上。漂浮植物容易打撈，但繁殖能力很強(qiáng)。鳳眼蓮能夠在很短的時(shí)間里占領(lǐng)整個(gè)水域，將其它植物種類排擠掉成為優(yōu)勢(shì)種，使整個(gè)水生生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性大大降低，同時(shí)阻隔水體與外界的陽(yáng)光和空氣交換，降低水體中溶解氧，不利于生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。如應(yīng)用其進(jìn)行水體的生態(tài)修復(fù)，必須嚴(yán)格注意控制其過度繁殖。

4 微生物對(duì)水體中氮磷等污染物的凈化作用

微生物是濕地系統(tǒng)的重要組成部分，是污染物質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化的主要生物群體和承擔(dān)者，濕地微生物控制著有機(jī)物質(zhì)和主要養(yǎng)分的循環(huán)過程，并對(duì)維持植物的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)起著重要作用。

微生物是濕地系統(tǒng)中有機(jī)物質(zhì)、氮素及磷素的循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心，微生物生物量本身也是這種轉(zhuǎn)化的一部分，可被植物利用，是一個(gè)動(dòng)態(tài)活性營(yíng)養(yǎng)庫(kù)。

4.1 微生物對(duì)氮的去除機(jī)理

濕地對(duì)氮的去除主要是通過植物吸收、沉淀及基質(zhì)吸附，硝化不完全反硝化產(chǎn)生一氧化氮以及完全反硝化產(chǎn)生氮?dú)獾茸饔脤?shí)現(xiàn)的。一般認(rèn)為，植物吸收的氮僅占總?cè)コ?0%～30%。另外，研究發(fā)現(xiàn)厭氧氨化細(xì)菌直接將NO2-和NH4+轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖彩菨竦孛摰囊环N途徑，但對(duì)其在濕地除氮過程中所發(fā)揮作用的大小所知甚少。黃娟等以大量試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，對(duì)潛流型人工濕地的脫氮途徑及規(guī)律進(jìn)行了定量分析，得出微生物降解量約占進(jìn)水總氮的50%。Spieles等研究表明，人工濕地系統(tǒng)中，反硝化作用脫除的氮占總?cè)コ谋壤哌_(dá)60%～70%。所以，目前普遍認(rèn)為人工濕地中最主要的除氮機(jī)制仍然是微生物的硝化-反硝化作用來完成。

微生物的硝化作用是一個(gè)對(duì)溫度敏感的過程，其原因在于溫度對(duì)硝化細(xì)菌的增殖速度和活性都有較大影響。一般認(rèn)為，硝化細(xì)菌的最適溫度是28～36℃，在溫度<10℃時(shí)硝化反應(yīng)便受到抑制，<6℃反應(yīng)速率大幅度降低。因?yàn)槿芙庋醯脑黾涌商岣呦趸磻?yīng)速率并加快硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速度，但對(duì)反硝化脫氮有抑制作用，所以以溶解氧濃度適中時(shí)效果最好。

4.2 微生物對(duì)磷的去除機(jī)理

進(jìn)入濕地的含磷化合物主要包括顆粒磷、溶解有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷酸鹽。無(wú)機(jī)磷化合物的溶解性改變，有機(jī)磷化合物的分解礦化，無(wú)機(jī)磷的氧化和還原都需要磷細(xì)菌等微生物的生物化學(xué)反應(yīng)及酶的催化來實(shí)施。目前普遍認(rèn)可的生物除磷理論是聚磷微生物（PAOs）的攝/放磷原理。

在濕地磷循環(huán)過程起主要作用的是具有解磷功能的溶磷菌以及具有吸磷作用的聚磷菌。不同種類的細(xì)菌解磷能力不同，而且同一細(xì)菌對(duì)不同磷酸鹽的分解能力也有不同。比較不同種類的微生物菌株對(duì)不同種類難溶性磷酸鹽及磷礦粉的溶磷能力，磷酸鈣、磷酸鋁及磷酸鐵等難溶性磷酸鹽易被酵母菌、霉菌溶解，而磷礦粉易被巨大芽孢桿菌溶解。Paul等測(cè)定從豆科植物根際分離出來的幾株芽孢桿菌屬溶解Ca3(PO4)2的效果表明，溶磷能力最強(qiáng)的是巨大芽孢桿菌(Bacillus megateruium)，最弱的為短芽孢桿菌(Bacillus brevis)。

5 濕地植物及根際微生物相互作用對(duì)水體影響

研究發(fā)現(xiàn)植物凈水系統(tǒng)中，植物根區(qū)起著很重要的作用。根際這個(gè)微生態(tài)系統(tǒng)有3個(gè)重要的結(jié)構(gòu)主成份：植物根系、微生物及土壤或水。它們相互作用從而形成一個(gè)復(fù)雜體系，進(jìn)入根際的污染物便在此體系中發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)行為，從而表現(xiàn)出相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

植物除自身能吸收氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外，由于植物根系的特殊的物理化學(xué)環(huán)境使得聚集在根區(qū)的微生物數(shù)量比非根區(qū)多得多，根區(qū)的凈水效果明顯比非根區(qū)好。在植物生長(zhǎng)過程中不斷地向生長(zhǎng)介質(zhì)中分泌大量的低分子有機(jī)物（如糖類、有機(jī)酸、氨基酸及酚類化合物等），為根際微生物提供大量的營(yíng)養(yǎng)和能量物質(zhì)，加上植物根區(qū)的泌氧能力，在根區(qū)的微生物活性也增強(qiáng)了，對(duì)有機(jī)物降解加快，從而產(chǎn)生明顯的根際效應(yīng)。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)利用蘆葦香蒲吸收水體過量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，消除水體的富營(yíng)養(yǎng)化，恢復(fù)水域的養(yǎng)分平衡。目前水質(zhì)改善方法較多，如活性污泥法、穩(wěn)定塘法及人工濕地等。其中人工濕地技術(shù)作為一種低投資、低能耗、低處理成本、易管理及對(duì)氮磷去除率高的水生態(tài)處理技術(shù)，克服了化學(xué)方法凈化污水易造成二次污染和物理方法凈化污水治標(biāo)不治本的缺點(diǎn)，在歐洲和北美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。而我國(guó)對(duì)人工濕地處理污水的研究直到“七五”期間才開始，面對(duì)天然水體污染的日益嚴(yán)重，需要研究新的污染防治對(duì)策來解決水體的富營(yíng)養(yǎng)化問題。生物修復(fù)技術(shù)以其高效、快速、簡(jiǎn)便、投資省和不造成二次污染等特點(diǎn)被認(rèn)為是防治天然水體污染的高新技術(shù)。生物生態(tài)污水處理技術(shù)，是利用植物或培養(yǎng)接種的微生物的生命活動(dòng)，對(duì)水中污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)移及降解轉(zhuǎn)化作用，從而使水體得到凈化的技術(shù)之一。近年來該技術(shù)發(fā)展很快，研究表明，人工濕地能夠利用基質(zhì)、微生物及植物這個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中磷素和氮素的高效去除。濕地微生物在脫除富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷中起著至關(guān)重要的作用。不同區(qū)域內(nèi)微生物數(shù)量及種類都影響氮磷的處理效果。研究發(fā)現(xiàn)，氮的去除與硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量密切相關(guān)；而利用濕地聚磷菌在好氧條件下過量攝取污水中的磷酸鹽，可有效將污水中的磷酸鹽脫除。微生物在人工濕地對(duì)污水的處理中起重要作用，而細(xì)菌在人工濕地主要的微生物類群中占主導(dǎo)地位，近年來人工濕地中的細(xì)菌已成為世界上研究的重點(diǎn)。

[1]崔麗娟,商曉靜,王義飛,等.北京地區(qū)不同濕地植物對(duì)生活污水的凈化效果研究[J].林業(yè)資源管理,2009,8(4):109-114.

[2]黃娟,王世和.蘆葦潛流人工濕地氮轉(zhuǎn)移規(guī)律的定量分析[J].安全與環(huán)境工程,2008,15(3):41-44.

[3]Xie S,Zhang X,Wang Z.Temperature effect on aerobic denitrification and nitrification[J].Environm ental Science,2003,15:669-673.