王 錚，張 艾，林旭萌，何月玲，臧學(xué)軻，薛 罡

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海;2.上海亞新城市建設(shè)有限公司, 上海;3.自然資源部大都市區(qū)國土空間生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心, 上海)

水體富營養(yǎng)化是指水體中氮磷等營養(yǎng)鹽含量過多引起水質(zhì)污染的現(xiàn)象[1]。水體富營養(yǎng)化會(huì)導(dǎo)致藻類過度生長從而形成大規(guī)模水華[2]。水華覆蓋于水體表面以及藻類死亡均會(huì)降低水體溶解氧(DO);同時(shí)藻類釋放的藻毒素會(huì)破壞水生生態(tài)系統(tǒng)[3],可能引發(fā)飲用水安全問題。

目前富營養(yǎng)化水體的修復(fù)措施主要是通過控源截污、內(nèi)源治理、疏?；钏⑸鷳B(tài)修復(fù)來削減進(jìn)入水體的氮磷營養(yǎng)鹽[4]。然而,當(dāng)水體中的氮磷降至富營養(yǎng)化的限值(氮低于0.20 mg/L,磷低于0.02 mg/L)時(shí),仍然可能發(fā)生水體富營養(yǎng)化[5]。這是因?yàn)樗w中普遍存在微生物與藻類對氮磷營養(yǎng)鹽的競爭[6]。當(dāng)水體中有機(jī)物含量較低,且有機(jī)物與氮磷的配比不滿足水體微生物生長的條件時(shí),表現(xiàn)為藻類對氮磷營養(yǎng)鹽的優(yōu)先攝取,水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化、藻類大量繁殖;當(dāng)水體中有機(jī)物含量較高且超過同化需求量時(shí),多余的有機(jī)物會(huì)消耗水體溶解氧,存在因水體缺氧或厭氧而形成黑臭水體的風(fēng)險(xiǎn)[7];當(dāng)水體中有機(jī)物與氮磷的配比適合微生物生長時(shí),微生物在利用有機(jī)物合成自身的同時(shí)攝取一定百分比的氮磷,使其在與藻類競爭氮磷時(shí)處于優(yōu)勢地位,可消除水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。簡言之：控制水體富營養(yǎng)化不僅要削減水體中氮磷的質(zhì)量濃度,還要使水體中有機(jī)物、氮、磷的質(zhì)量濃度配比有利于微生物的生長,即保持有機(jī)物、氮、磷的營養(yǎng)平衡。水體是有生命力的生態(tài)系統(tǒng),要想水體保持健康或是水體自凈功能保持正常,也需要上述營養(yǎng)平衡。

目前關(guān)于水體富營養(yǎng)化的研究主要集中在通過工程措施削減水體中氮磷的質(zhì)量濃度方面,從碳、氮、磷營養(yǎng)平衡的角度控制水體富營養(yǎng)化的研究和論述較為薄弱。本文著重從營養(yǎng)平衡促進(jìn)水生態(tài)平衡的角度總結(jié)、分析水體富營養(yǎng)化的控制措施,并提出適用性工程方法,以期為水體富營養(yǎng)化工程修復(fù)提供新的視角和觀點(diǎn)。

1 基于營養(yǎng)平衡調(diào)控的水體生態(tài)修復(fù)機(jī)理

雖然削減水體中的氮磷是控制富營養(yǎng)化的重要措施,但是,只有維持水體中碳、氮、磷的生態(tài)平衡,才能從根本上消除富營養(yǎng)化?；跔I養(yǎng)平衡調(diào)控的水體生態(tài)修復(fù)主要從微生物、水生植物和水生動(dòng)物三方面著手。

1.1 基于微生物的水體營養(yǎng)平衡調(diào)控

基于微生物的水體營養(yǎng)平衡調(diào)控通過微生物與藻類對氮、磷營養(yǎng)鹽的競爭來實(shí)現(xiàn),即在適宜的微生物繁殖條件下向水體中投加微生物菌劑,或是激活水體中存在的土著微生物,使微生物與有害藻類相互競爭。上述競爭作用有助于調(diào)控水體中微生物群落的功能、組成和數(shù)量[8],而微生物群落與水生生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)狀態(tài)有著重要關(guān)系,其組成會(huì)顯著影響水體的生物地球化學(xué)環(huán)境[9]。研究表明,水體中的一些細(xì)菌有助于有機(jī)和無機(jī)化合物的分解,可促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán),起到調(diào)節(jié)水體營養(yǎng)平衡的作用[10]。調(diào)查水體中微生物群落的豐度并進(jìn)行功能基因分析,可提高對水體潛在風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識,同時(shí)對于了解生態(tài)修復(fù)機(jī)制和評估生態(tài)修復(fù)的效果也有重要價(jià)值[11]。優(yōu)化微生物群落分布可以有效控制水體富營養(yǎng)化問題。

變形菌門(Proteobacteria)是不同營養(yǎng)狀態(tài)水體中最優(yōu)勢的菌群,可適應(yīng)不同的有毒環(huán)境,并參與水體中有機(jī)物的降解和代謝過程[12]。此外,變形菌門還可與其他細(xì)菌[如厚壁菌門(Firmicutes)、綠彎菌門(Chloroflexi)和放線菌門(Actinobacteria)]相互作用,這對維持水體內(nèi)部穩(wěn)定而言至關(guān)重要[13]。芽孢桿菌屬(Bacillus)和假單胞菌屬(Pseudomonas)是磷循環(huán)的指示指標(biāo),若這兩個(gè)菌屬在輕中度富營養(yǎng)化水體中的含量較高,則水體富營養(yǎng)化的主要因素可能是磷而不是氮[14]。若水體中氮的質(zhì)量濃度增加,則硝化螺旋菌門(Nitrospirae)、綠彎菌門、β-變形菌綱(Betaproteobacteriales)和鞘脂桿菌目(Sphingobacteriales)之間的相互作用會(huì)增強(qiáng)[15]。

生物和非生物因素之間的復(fù)雜作用會(huì)影響微生物群落的組成,如浮游植物滲出的有機(jī)碳被細(xì)菌吸收等[16]。細(xì)菌捕食群落特征即使發(fā)生非常微小的變化,也會(huì)通過原生捕食者群落營養(yǎng)水平的顯著變化,迅速反映到食物鏈[17]。此外,異養(yǎng)細(xì)菌能夠產(chǎn)生促進(jìn)生長的化合物(如維生素),并改善浮游植物的營養(yǎng)供應(yīng)[18]。因此,基于微生物水平的營養(yǎng)平衡調(diào)控可優(yōu)化群落結(jié)構(gòu)、改善水體生態(tài)環(huán)境,是治理和預(yù)防水體富營養(yǎng)化的長效措施。

1.2 基于水生植物的水體營養(yǎng)平衡調(diào)控

水生植物是水體生態(tài)系統(tǒng)主要的初級生產(chǎn)者,是水體生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量流動(dòng)的主要傳輸者,直接影響水體生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,對于富營養(yǎng)化水體的碳、氮、磷平衡具有多重作用。

協(xié)同作用。在實(shí)際處理過程中,水生植物還協(xié)同微生物促進(jìn)水體中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán),加速氮、磷的去除[24],從而對富營養(yǎng)化水體起到凈化作用。研究發(fā)現(xiàn)：一方面,水生植物可為微生物提供定居的表面及附著的基質(zhì)[25],同時(shí)水生植物代謝產(chǎn)生的有機(jī)物和氧氣可為微生物的生長提供適宜的微環(huán)境,間接促進(jìn)富營養(yǎng)化水體中碳、氮、磷的循環(huán)[26];另一方面,微生物促進(jìn)底棲動(dòng)物與水生植物的相互作用,并加速水生植物尤其是沉水植物根系周圍沉積物的氧化和分解,從而增強(qiáng)水生植物的沉淀、吸附、凝結(jié)和過濾功能,顯著抑制沉積物的再懸浮。

抑制作用。水生植物對藻類的抑制作用主要體現(xiàn)在水生植物和藻類對生長空間、營養(yǎng)物質(zhì)的競爭,以及化感效應(yīng)。水生植物尤其是漂浮植物個(gè)體較大,會(huì)與藻類競爭光照,降低藻類的光合作用,從而抑制藻類的正常生長;同時(shí),水生植物吸收和存儲(chǔ)營養(yǎng)鹽的能力較強(qiáng),當(dāng)水生植物群落處于優(yōu)勢時(shí),藻類對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收量相應(yīng)減少,使得水體由藻型向草型演變,這有利于水體恢復(fù)營養(yǎng)平衡[[27];此外,水生植物產(chǎn)生化感效應(yīng)抑制藻類的生長[28],并且化感效應(yīng)的抑制作用隨水生植物覆蓋度的增加而增大[29],但是水生植物只有達(dá)到一定的生物量才會(huì)對藻類產(chǎn)生抑制作用。

1.3 基于水生動(dòng)物的水體營養(yǎng)平衡調(diào)控

當(dāng)植食性浮游動(dòng)物在水體中占優(yōu)勢地位時(shí),其對有害藻類的攝食作用較強(qiáng),這將使藻類的生物量得到有效控制,出現(xiàn)“清水期”現(xiàn)象。水生動(dòng)物修復(fù)技術(shù)對富營養(yǎng)化水體的生態(tài)營養(yǎng)平衡調(diào)控具有重要作用。

20世紀(jì)末,研究者提出“非經(jīng)典生物操縱理論”,即通過鰱、鱅等濾食性魚類直接攝食浮游植物從而控制藻華的方法[32]。濾食性魚類會(huì)影響清水和渾水之間的平衡,其在移動(dòng)中參與底棲和中上層食物網(wǎng),從而將底棲和中上層生態(tài)環(huán)境聯(lián)系起來[33]。考慮到不同生物群體在水生系統(tǒng)中的作用不同,研究者通過將水生植物與鰱、鱅等濾食性魚類混養(yǎng),從而調(diào)控水體營養(yǎng)平衡,如將黑藻(Hydrilla verticillata)和竹葉眼子菜(Potamogeton malaianus)與濾食性水生動(dòng)物結(jié)合修復(fù)富營養(yǎng)化湖泊[34]。此外,底棲動(dòng)物對恢復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)的作用不容小覷。研究發(fā)現(xiàn)：將三角帆蚌、銅銹環(huán)棱螺等與鰱鱅混養(yǎng)可顯著影響微生物的群落結(jié)構(gòu)[35],其中三角帆蚌與鰱鳙以30/70的比例混養(yǎng)時(shí)對有機(jī)物、氮和磷的去除效果最佳[36];混養(yǎng)條件下水生系統(tǒng)各營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)促進(jìn),逐漸恢復(fù)平衡狀態(tài)。

值得注意的是,水生動(dòng)物對水生植物的恢復(fù)具有重要作用。底棲動(dòng)物通過吸收和排泄促進(jìn)水體中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán),其以沉水植物生物膜上附著的藻類和有機(jī)質(zhì)為食物,對沉水植物表面附著藻類有較強(qiáng)的牧食性,因此通過放牧使得底棲動(dòng)物進(jìn)行牧食,限制沉水植物附著藻類的繁殖,從而促進(jìn)大型水生植物的生長[37]。在植被恢復(fù)過程中,沉水植物的生物量與浮游動(dòng)物的密度均不斷增大,且大型浮游動(dòng)物逐漸成為優(yōu)勢種群[38]。大型浮游動(dòng)物對浮游植物的捕食加速了沉水植被恢復(fù),對促進(jìn)富營養(yǎng)化水體維持營養(yǎng)平衡狀態(tài)具有重要作用。

2 基于營養(yǎng)平衡調(diào)控的工程修復(fù)技術(shù)

營養(yǎng)平衡調(diào)控是控制富營養(yǎng)化水體碳、氮、磷營養(yǎng)負(fù)荷及恢復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)的重要手段。近年來,研究者基于微生物、水生植物、水生動(dòng)物對水體營養(yǎng)平衡的調(diào)控作用,綜合開發(fā)出生態(tài)浮島、沉水植物、人工濕地和微生物修復(fù)等多種工程修復(fù)技術(shù)。

2.1 生態(tài)浮島修復(fù)技術(shù)

生態(tài)浮島主要通過系統(tǒng)中的浮島植物和微生物的協(xié)同作用去除水體中的氮磷營養(yǎng)物質(zhì),因其成本低、不占用額外土地,且適應(yīng)性良好而廣受好評[39]。近年來,這種將微生物與水生植物結(jié)合起來調(diào)控水體營養(yǎng)平衡的方法得到研究者的重視,并在應(yīng)用過程中展現(xiàn)出優(yōu)異的氮、磷營養(yǎng)鹽類處理效果。Yu等[40]采用6種水生植物構(gòu)建了不同類型的生態(tài)浮島,發(fā)現(xiàn)在2周內(nèi),水體中40%～90%的氮和50%～90%的磷被去除。

2.2 沉水植物修復(fù)技術(shù)

沉水植物是一種以固定方式完全生長在水面以下的大型水生植物[48],其在維持水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,促進(jìn)水體碳氮磷營養(yǎng)鹽循環(huán)方面發(fā)揮著重要作用。沉水植物不僅為浮游動(dòng)物和其他水生動(dòng)物提供了豐富的食物和棲息地,還通過化感作用和營養(yǎng)競爭抑制藻類的生長[49],系統(tǒng)構(gòu)建了一套符合水體營養(yǎng)平衡的多級生態(tài)系統(tǒng)(見圖1)。因此,恢復(fù)以沉水植物為主的水生植物群落是修復(fù)富營養(yǎng)化水體受損的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)、自我維護(hù)、自我更新的一項(xiàng)重要措施。

圖1 沉水植物恢復(fù)水體生態(tài)平衡示意圖[50]Fig.1 Schematic diagram of submerged plants restoring the ecological balance of water bodies[50]

然而,沉水植物修復(fù)方法易受溫度、光照、沉積物等因素的影響,增加了沉水植物應(yīng)用的難度。研究者們通過與水生動(dòng)物或微生物等相結(jié)合來優(yōu)化沉水植物的修復(fù)效果。Amorim等[53]通過沉水植物和浮游動(dòng)物的聯(lián)合作用控制藻類的繁殖,結(jié)果顯示,第10 d時(shí)藍(lán)藻的生物量減少了84.8%。劉淑嬌[54]利用沉水植物與特定菌群(如固定化氮循環(huán)菌、固定化聚磷菌等)的聯(lián)合作用修復(fù)富營養(yǎng)化水體,該聯(lián)合作用對于恢復(fù)富營養(yǎng)化水體的營養(yǎng)平衡效果顯著,并且提高了體系對環(huán)境的適應(yīng)度。

平衡收割沉水植物逐漸成為維持水體生態(tài)系統(tǒng)健康的一種具有成本效益的科學(xué)管理方法[55]。其被定義為優(yōu)化水生植物群落結(jié)構(gòu),維持生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的正常功能,增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和韌性的水生植物收割技術(shù)。在沉水植物的收割與不收割對比試驗(yàn)[56]中發(fā)現(xiàn)：在蘆薈收割區(qū),40 cm以上底泥中的有機(jī)物、TN和TP的含量均低于未收割區(qū),這是因?yàn)槭崭詈蟮某了参锇l(fā)出新芽,在生長過程中吸收底泥中氮、磷及有機(jī)物等;此外,收割沉水植物還改善了濕地的光照條件,促進(jìn)了氮磷養(yǎng)分的分解轉(zhuǎn)化。平衡收割能有效控制水體內(nèi)源營養(yǎng)物質(zhì)的積累和釋放,減少藻類的生長,對恢復(fù)富營養(yǎng)化水體的營養(yǎng)平衡具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.3 人工濕地修復(fù)技術(shù)

人工濕地是模擬天然濕地的綜合生態(tài)系統(tǒng)[57]。人工濕地中的水生植物(如香蒲、美人蕉等)及水生動(dòng)物和微生物種群在流動(dòng)過程中協(xié)同促進(jìn)富營養(yǎng)化水體中碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的良性循環(huán)[58],系統(tǒng)地構(gòu)建了一套多級水生態(tài)平衡系統(tǒng)。人工濕地中大型植物為微生物的生長提供了巨大的表面積,這有助于穩(wěn)定有機(jī)物;同時(shí),微生物的強(qiáng)盛生長可促進(jìn)大型植物的生長,兩者協(xié)同作用對維持人工濕地的長期穩(wěn)定具有重要意義。

2.4 微生物修復(fù)技術(shù)

2.4.1 微生物菌劑法

2.4.2 微生物營養(yǎng)平衡法

提供適量有機(jī)物既可促進(jìn)微生物同化氮磷,又可促進(jìn)微生物與藻類競爭從而達(dá)到控藻目的,對水體恢復(fù)營養(yǎng)平衡具有重要意義?；诖?生物絮凝技術(shù)得到不斷發(fā)展,其是一種通過向水體中添加額外碳源或提高飼料含碳量來提高水質(zhì)的技術(shù)[76]。在生物絮凝技術(shù)系統(tǒng)中,碳、氮、磷處于平衡狀態(tài),可促進(jìn)異養(yǎng)菌的生長并同化水體中的氨氮,且異養(yǎng)菌的同化作用顯著快于硝化細(xì)菌的硝化作用。Deng等[77]研究發(fā)現(xiàn),在生物絮凝技術(shù)系統(tǒng)中,有機(jī)物質(zhì)降解菌、絲狀菌和氮素轉(zhuǎn)化細(xì)菌的豐度得到提高,形成具有活性的生物絮凝物,這種絮團(tuán)在同化富營養(yǎng)化水體中氮磷的同時(shí)控制藻類的生長,還可作為水產(chǎn)養(yǎng)殖對象的餌料,降低水產(chǎn)動(dòng)物的致病率。

Wu等[78]通過碳源強(qiáng)化脫氮微生物學(xué)機(jī)制,以及菌-藻競爭和協(xié)同作用,基于水體生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及恢復(fù)后水生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能,提出一種通過微生物群落的特異性調(diào)節(jié)來提高污染水體生態(tài)系統(tǒng)自凈能力的就地恢復(fù)策略—生態(tài)系統(tǒng)激活系統(tǒng)(EAS),如圖2所示。EAS利用聚羥基烷酸(PHA)促進(jìn)污染水體原生微生物群落的結(jié)構(gòu)。其中,優(yōu)先以PHA為碳源促進(jìn)生長的微生物被稱為特異性微生物,而那些對PHA和原水溶解有機(jī)質(zhì)沒有特殊選擇性的微生物則被稱為非特異性微生物,后者可在EAS操作中逐步淘汰。由此,微生物群落可被調(diào)節(jié)為特定的結(jié)構(gòu),從而對富營養(yǎng)化水體的營養(yǎng)平衡進(jìn)行調(diào)控。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)激活系統(tǒng)示意圖[78]Fig.2 Schematic diagram of ecosystem activation system [78]

3 結(jié)語與展望

目前國內(nèi)采用的控源截污、內(nèi)源治理、生態(tài)修復(fù)等綜合措施難以徹底消除水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。從碳、氮、磷營養(yǎng)平衡角度認(rèn)識水體富營養(yǎng)化問題,并提出適用性工程方法及措施,是實(shí)現(xiàn)富營養(yǎng)化長效、持久控制的根本途徑。富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)過程中的營養(yǎng)平衡調(diào)控主要涉及微生物、水生植物和水生動(dòng)物等3方面。微生物、水生植物和水生動(dòng)物在水體營養(yǎng)平衡調(diào)控中起著同化/攝取/分解有機(jī)化合物的作用,可促進(jìn)碳、氮、磷循環(huán),保持水生態(tài)平衡,最終從根本上抑制藻華等富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生。對比分析發(fā)現(xiàn),生態(tài)浮島技術(shù)易受水生植物的根莖長度及系統(tǒng)碳源的限制,沉水植物修復(fù)方法易受外界環(huán)境影響,人工濕地存在碳氧水平和基質(zhì)碳源不足的問題,而微生物修復(fù)受限因素相對較少。具體在工程應(yīng)用中,可將上述技術(shù)組合使用,以達(dá)到良好的營養(yǎng)平衡調(diào)控及富營養(yǎng)化控制效果。