景觀生態(tài)浮島根系微生物對富營養(yǎng)化水體中氮磷的凈化作用

羅晶　陳津端　周安剛

【摘 要】在我國各地，水體富營養(yǎng)化都是一個(gè)普遍問題，富營養(yǎng)化引起的危害不容忽視，是水體治理中重點(diǎn)研究的問題，隨著技術(shù)的成熟，景觀生態(tài)浮島技術(shù)已經(jīng)開始在富營養(yǎng)化水體中得到推廣和使用。本文針對當(dāng)前我國水體富營養(yǎng)化的問題進(jìn)行分析，并通過實(shí)驗(yàn)的方式探討景觀生態(tài)浮島根系微生物對富營養(yǎng)化水體中氮磷的凈化作用。

【關(guān)鍵詞】景觀生態(tài)浮島;根系微生物;富營養(yǎng)化水體;氮磷;凈化

中圖分類號： X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）30-0011-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.005

景觀生態(tài)浮島的應(yīng)用不僅可以凈化水質(zhì)，也能夠營造出良好的景觀效果，是當(dāng)前湖、河、庫生態(tài)治理的重要技術(shù)，理想的景觀生態(tài)浮島對于水體中的氮、磷具有良好的凈化作用，還能通過營養(yǎng)元素吸附作用為植物提供養(yǎng)分，是當(dāng)前富營養(yǎng)化水體凈化的重要研究方向。在景觀生態(tài)浮島中，植物是其中的重點(diǎn)組成，通過植物的合理搭配，能夠構(gòu)建出不同的微生物群落，并進(jìn)一步改善浮島的物理結(jié)構(gòu)，從根際理論來看，通過光合作用，植物可以制造出大量氧氣，在植物的根系，也會形成“缺氧區(qū)”、“好氧區(qū)”和“厭氧區(qū)”，從而為污水中各類不同的微生物提供環(huán)境。在光合作用下，也會刺激植物根部分泌各類有機(jī)物，植物類型不同，有機(jī)物也各具差異，當(dāng)前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)200多種植物根系分泌物，包括生物酶、糖類、有機(jī)酸等類型，為根系微生物的生長創(chuàng)設(shè)了良好環(huán)境，可以進(jìn)一步提高污水的凈化能力。

1 我國水體富營養(yǎng)化問題分析

長期以來，在各類污染因素的影響下，我國水體富營養(yǎng)化比例居高不下，水體功能退化嚴(yán)重，各類污染物未經(jīng)處理便進(jìn)入湖泊與和河道，數(shù)據(jù)顯示，在我國水體中，有75%的水體存在不同程度的富營養(yǎng)化趨勢，I類水質(zhì)比例僅有5.8%。

在富營養(yǎng)化水體中，有大量氮、磷，在長期積累下，致使藻類滋生，究其根源，包括三點(diǎn)：①工業(yè)與生活廢水的大量排放，未經(jīng)正規(guī)程序處理的工業(yè)廢水與生活廢水中，含有大量氮、磷;②養(yǎng)殖廢水，在養(yǎng)殖廢水中，也含有大量氮磷、固體懸浮物與有機(jī)污染物。

富營養(yǎng)化問題的存在嚴(yán)重影響水資源作用的發(fā)揮，減小了水體透明度，導(dǎo)致陽光透過量大幅減少，影響水生植物的光合作用，降低溶解氧濃度，水中物質(zhì)在厭氧菌的影響下，分解出大量有害氣體，有害氣體的存在又威脅到水中動物、植物的生長，讓水體發(fā)出臭味，而人、畜如果長期飲用這類水，水體中的神經(jīng)毒素、肝毒素會進(jìn)入食物鏈，威脅人體健康。

2 景觀生態(tài)浮島凈化原理及根系微生物作用

2.1 景觀生態(tài)浮島的凈化原理

2.1.1 截留吸收

景觀生態(tài)浮島具有大面積植物根系，能夠在水體中形成過濾層，攔截污染物和大顆粒物，并發(fā)生交換、過濾、吸附效應(yīng)，能夠吸收水體中大多數(shù)氮磷物質(zhì)，起到修復(fù)作用。

2.1.2 接觸氧化

景觀生態(tài)浮島中的植物根系，讓水體與生物之間的接觸面積增大，植物根系能夠?qū)⒀鯕鈧髦林参锔?，?gòu)建氧化態(tài)微環(huán)境，促進(jìn)微生物的繁殖，從而分解、轉(zhuǎn)化富營養(yǎng)化水體中的營養(yǎng)鹽和污染物。

2.1.3 降解

景觀生態(tài)浮島有龐大的根系，在浮島下部，有大量原生動物、真菌和細(xì)菌，在微生物的繁殖下會形成生物膜，在微生物代謝作用下，可以去除水體中的各類污染物。

2.1.4 克藻作用

景觀生態(tài)浮島對于早了的生長也有一定的抑制作用，生態(tài)浮島植物的生長中，可以分泌大量升華物質(zhì)，能夠抑制藻類生長。

2.1.5 去除作用

部分景觀生態(tài)浮島植物，有著特殊的生理機(jī)制，可以吸收富營養(yǎng)化水體中的重金屬，如，鳳眼蓮能夠與富營養(yǎng)化水體中的鉛、汞、銅、鎳、砷發(fā)生絡(luò)合作用，且不會對水體動植物產(chǎn)生毒害。

2.2 根系微生物作用

景觀生態(tài)浮島是通過微生物、植物、基質(zhì)之間的協(xié)同作用來去除污水中的氮磷，其中，根系微生物的多樣性、數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)對凈化效果有重要影響，在微生物、植物和基質(zhì)的相互作用下，才構(gòu)建出平衡的微生態(tài)系統(tǒng)，研究顯示，微生物群落對污水中氮、磷、硫的移除有直接影響。不同的污水中，微生物多樣化、群落也各不相同，而景觀生態(tài)浮島中植物類型越豐富，氮磷去除效果越好。設(shè)置了景觀生態(tài)浮島后，微生物菌群數(shù)量增加，多數(shù)為有益菌，對于污水中有機(jī)污染物、氮、磷的降解有積極作用，也減小了富營養(yǎng)化程度，利用人為作用建立優(yōu)勢菌群，為有益微生物的繁殖提供了優(yōu)勢環(huán)境，可以更好的發(fā)揮出優(yōu)勢微生物在氧化、氨化、硝化和反硝化上的作用，將富營養(yǎng)化水體中的化學(xué)物質(zhì)、排泄物、生物殘?bào)w等分解為硝酸鹽、硫酸鹽、二氧化碳等，在光合作用的影響下，水體中溶解氧含量也能大大增加，從而構(gòu)建良性的生態(tài)系統(tǒng)。在水體中氮、磷降低到一定標(biāo)準(zhǔn)后，即可有效改善水體富營養(yǎng)化情況，抑制藻類生長，大大降低了水華的發(fā)生率，也避免了二次污染的產(chǎn)生。得益于景觀生態(tài)浮島的優(yōu)勢，該種技術(shù)在我國各個(gè)城市富營養(yǎng)化水體的處理中得到了推廣，有越來越多的學(xué)者為了促進(jìn)微生物繁殖，嘗試在其中增加微生物促進(jìn)劑，如LLMO生物活性液、Clear-Flo菌劑等，取得了良好的治理效果。

3 景觀生態(tài)浮島根系微生物對富營養(yǎng)化水體中氮磷的凈化

3.1 實(shí)驗(yàn)方式

本實(shí)驗(yàn)在自然光照條件下進(jìn)行，選擇長勢一致、健康的三種景觀生態(tài)浮島植物作為研究對象（石菖蒲、黃菖蒲、黑三棱），用塑料網(wǎng)格將植株固定在玻璃缸中，采用水培法，一周后開展實(shí)驗(yàn)，污染水質(zhì)每次承裝5L，實(shí)驗(yàn)時(shí)間共計(jì)30d，每隔5d測試一次總氮、總磷含量，并及時(shí)補(bǔ)充水分。在實(shí)驗(yàn)5d、15d、25d，采集制作微生物樣品稀釋液，測定生態(tài)浮島植物根際、非根際主要細(xì)菌數(shù)量。

去除率=（水體初始濃度-第i天容器水體濃度）/水體初始濃度100%

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 銨態(tài)氮去除結(jié)果

氨氮含量是評估富營養(yǎng)化水體的主要指標(biāo)，氨氮含量越高，污染問題越嚴(yán)重，隨著氨氮水平的提升，水體中溶解氧會不斷降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，石菖蒲、黃菖蒲與黑三棱對于銨態(tài)氮均有一定的去除效果，其中黑三棱效果最好，黃菖蒲次之，石菖蒲稍遜色。

3.2.2 總氮去除結(jié)果

在總氮去除效果上，石菖蒲、黃菖蒲與黑三棱均有一定的去除作用，黑三棱效果最佳，總體效果為黑三棱>黃菖蒲>石菖蒲。在前三個(gè)周期中，黑三棱、黃菖蒲去除效果明顯，第四個(gè)周期達(dá)到最佳效果，后續(xù)去除效果趨于緩和，石菖蒲在第三個(gè)周期去除效果最佳，后續(xù)趨于緩和。

3.3 總磷去除結(jié)果

在生物生長過程中，磷是必備的營養(yǎng)物質(zhì)，相較于其他植物，藻類對磷含量變化更加敏感，因此，對富營養(yǎng)化水體中磷的監(jiān)測十分必要，工業(yè)廢水、合成洗滌劑廢水中，都有大量磷元素，如果污水未得到科學(xué)的處理，會導(dǎo)致含磷化合物被排放至水體，引起富營養(yǎng)化。在富營養(yǎng)化水體中，磷是以“有機(jī)磷”、“聚磷酸鹽”、“磷酸鹽”的方式存在，景觀生態(tài)浮島對磷的去除主要依靠根系的吸收、吸附作用。

在總磷的去除上，黑三棱>黃菖蒲>石菖蒲，其中，黑三棱在第一個(gè)周期中，去除效果最好，后續(xù)不斷減緩，黃菖蒲與石菖蒲在第二個(gè)周期中，去除效果最好，后續(xù)減緩。

3.4 微生物數(shù)量的變化

對微生物數(shù)量的測試結(jié)果顯示，景觀生態(tài)浮島植物根際微生物數(shù)量高于污水微生物數(shù)量，其中，黑三棱的根際效應(yīng)更加明顯，類型包括擬桿菌門、酸桿菌門、綠彎菌門、放線菌門、變形菌門、廣古菌門。變形菌門是革蘭氏陰性菌，在氮元素的循環(huán)上，具有重要作用;放線菌門能夠促進(jìn)植物的正常生長，提高植物根系對磷酸鹽、鐵的利用率，促使植物分解污水中的各種有機(jī)物，在污水處理上用途廣泛;酸桿菌門是典型的厭氧菌，對于醋酸鹽、芳香族混合物具有發(fā)酵作用。根系微生物能夠促進(jìn)硝化作用、氨化作用、反硝化作用的順利進(jìn)行，不同景觀生態(tài)浮島植物結(jié)構(gòu)特征和根區(qū)特征不同，代謝情況也會受到季節(jié)因素的影響，根系輸氧能力不同，這會對根際微生物的生長、繁殖造成影響。

而植物類型不同，根系微生物也具有差異，有研究人員在景觀生態(tài)浮島中發(fā)現(xiàn)了玫瑰彎菌屬，能夠有效去除含氮污染物，并具備異養(yǎng)硝化還原性能;有的植物根系存在硝化螺菌，可以轉(zhuǎn)化亞硝酸鹽，促進(jìn)氮循環(huán)，避免富營養(yǎng)化水體中亞硝酸鹽數(shù)量太多導(dǎo)致魚類死亡;還有的植物根系有綠針假單胞菌與根瘤菌屬，能夠?qū)⑽鬯械挠袡C(jī)磷分解;有的植物根系中有大量紅環(huán)菌，這類微生物在厭氧光照情況下，能夠正常生存，從而達(dá)到去除污水有機(jī)物的目的。植物類型不同，在微生物的富集上，也具有一定差異，在具體的應(yīng)用上，需要根據(jù)污水成分來篩選景觀生態(tài)浮島植物，科學(xué)選擇植物類型。由于技術(shù)局限，本研究僅針對三種景觀生態(tài)浮島植物進(jìn)行了研究，在后續(xù)的研究中，還需要進(jìn)一步增加植物類型，并構(gòu)建微生物文庫，以便更好的分析生態(tài)浮島植物根系微生物的凈化作用。

4 結(jié)語

景觀生態(tài)浮島技術(shù)對于富營養(yǎng)化水體中氮、磷、有機(jī)物的去除具有良好的效果，目前，這一技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)地區(qū)得以推行，在該種技術(shù)的應(yīng)用中，正是得益于微生物、植物、基質(zhì)之間的協(xié)同作用。本文選取集中景觀生態(tài)浮島技術(shù)的幾種代表植物，分析微生物對氮、磷的去除效果，得出的研究結(jié)論與學(xué)界相似，為了發(fā)揮出景觀生態(tài)浮島技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，還需要對這一技術(shù)進(jìn)行深入研究，針對不同水體的處理要求找到適合的搭配植物。

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