淺析淺水湖泊苦草—鐵細(xì)菌—土壤除磷體系

闕天洋 王娟娟

摘 要：水體富營(yíng)養(yǎng)化是國(guó)內(nèi)普遍存在的問(wèn)題，引起富營(yíng)養(yǎng)化的磷分為內(nèi)源磷和外源磷，外源磷通過(guò)控制排污即可解決，而內(nèi)源磷的殘留卻是個(gè)難題。目前，最有效的水體富營(yíng)養(yǎng)化治理方法是以種植沉水植物為主的生物修復(fù)?？嗖莞蛋l(fā)達(dá)，適應(yīng)力強(qiáng)，是環(huán)境修復(fù)的先鋒物種，對(duì)磷的去除效果極佳。但在苦草衰亡期，沉積物中的磷失去控制又會(huì)釋放出來(lái)，水體磷含量重新升高。而鐵細(xì)菌的加入或可彌補(bǔ)其不足，在苦草衰亡期將磷元素用微生物氧化鐵吸附固定。

關(guān)鍵詞：水體富營(yíng)養(yǎng)化;苦草;鐵細(xì)菌;生物修復(fù)

中圖分類號(hào) X524;X173 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2020）19-0133-03

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)工業(yè)化水平不斷提升，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)水體中氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量急劇增加。水體富營(yíng)養(yǎng)化最主要的原因是氮素和磷素濃度超標(biāo)，一般情況下，當(dāng)水中總磷濃度達(dá)到 0.02mg/L、無(wú)機(jī)氮濃度達(dá)到0.3mg/L時(shí)，表明水體已經(jīng)富營(yíng)養(yǎng)化[1]。氮元素來(lái)源較為豐富，遷移轉(zhuǎn)化的機(jī)制也更為復(fù)雜，控制較為困難，因此磷也被當(dāng)作水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制性營(yíng)養(yǎng)因子[2]。

淡水湖泊中的磷按來(lái)源可分為內(nèi)源磷和外源磷2種，所謂的控制污水排放就是針對(duì)外源磷的解決方法。但是研究發(fā)現(xiàn)，在減少了外源磷的排放后，水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象不會(huì)立刻改善，并且在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)磷含量依舊處于很高水平，這就是內(nèi)源磷的影響。淡水湖泊的沉積物中含有濃度不低的磷素，會(huì)在底泥與湖水之間擴(kuò)散與積累，形成穩(wěn)定內(nèi)循環(huán)，這個(gè)循環(huán)過(guò)程在淡水湖泊磷代謝過(guò)程中具有重要作用。因此，在較為有效地控制了外源磷之后，想要改善湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化水平，就需要將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)內(nèi)源磷的控制上。湖底沉積物對(duì)磷的滯留成為了控制水體富營(yíng)養(yǎng)化以及生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵[3，4]。

1 內(nèi)源磷控制研究現(xiàn)狀

當(dāng)前控制內(nèi)源磷的方法大致分為物理、化學(xué)、生物3類。物理方法是阻斷湖泊中磷元素的釋放或者直接將其移除，常采用的方法是補(bǔ)水換水、疏浚底泥等，工程量大，成本高，對(duì)環(huán)境改變大?；瘜W(xué)方法是利用鐵、鋁等元素調(diào)控湖泊中磷元素的形態(tài)，干預(yù)磷的吸附和釋放過(guò)程，如向湖水中施用鐵鹽、鋁鹽原位鈍化、硝酸鹽原位添加等[5]，或利用鐵氧化物的沉淀絮凝作用控制水體中磷的含量[6]，見(jiàn)效較快，且對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重的水域同樣適用，但投放的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入底泥容易造成二次污染。生物修復(fù)則是利用水生植物直接吸收過(guò)量磷元素，并通過(guò)水生植物對(duì)周邊環(huán)境的影響來(lái)協(xié)同清除水體富營(yíng)養(yǎng)化帶來(lái)的危害。與運(yùn)用鐵鹽來(lái)調(diào)控磷元素相比，植物修復(fù)具有效果顯著、成本低、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。劉敏等[7]研究發(fā)現(xiàn)，部分水生植物組合后的除磷效果要優(yōu)于單一品種，將風(fēng)車(chē)草、狐尾藻和黑三棱組合種植，可顯著去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中的磷。陳照方等[8]通過(guò)對(duì)4種水生植物的研究發(fā)現(xiàn)，苦草可去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中75%的總磷。

2 苦草—鐵細(xì)菌—沉積物體系控制湖泊磷的可行性

湖泊中的優(yōu)勢(shì)物種是沉水植物和浮游植物。沉水植物占據(jù)沉積物中豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽，浮游植物享有充沛的陽(yáng)光，兩者各有優(yōu)勢(shì)。但隨著湖水中營(yíng)養(yǎng)鹽的增加，浮游植物數(shù)量激增，限制沉水植物的生長(zhǎng)，這一過(guò)程又會(huì)導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇。治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)就要逆轉(zhuǎn)這個(gè)趨勢(shì)，將湖泊生態(tài)系統(tǒng)從浮游植物主導(dǎo)的渾濁態(tài)轉(zhuǎn)為沉水植物主導(dǎo)的清澈態(tài)。生物修復(fù)就是通過(guò)引入新的物種或?yàn)樵了参飫?chuàng)造良好的生存條件，人為干預(yù)，清除過(guò)多的營(yíng)養(yǎng)鹽。相對(duì)于其他技術(shù)，生物修復(fù)成本低，治理效果好，對(duì)環(huán)境影響較小，同時(shí)還可賦予湖泊觀賞價(jià)值，是現(xiàn)階段最被看好的治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的方法。但目前常見(jiàn)的生物修復(fù)是種植一種有效的沉水植物或?qū)追N可以配合的沉水植物組合種植，極少涉及到微生物參與。而微生物在沉水植物的生長(zhǎng)過(guò)程中具有非常關(guān)鍵的作用，不僅能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)，而且特定種類的微生物還可在植物衰亡期控制磷的釋放。

2.1 沉水植物苦草對(duì)磷轉(zhuǎn)化的影響 富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊中植物種群?jiǎn)我?，自凈能力極弱，生物修復(fù)的重點(diǎn)就是重新構(gòu)筑其生態(tài)系統(tǒng)，使湖泊重新恢復(fù)活力?？嗖莞地S富，葉片繁茂，通氣組織發(fā)達(dá)，在高中低濃度的磷環(huán)境中都有良好表現(xiàn)，通常作為水體修復(fù)的先鋒物種[9]。苦草影響磷的途徑主要有直接吸收、物理吸附以及間接影響。

2.1.1 直接吸收 苦草耐受能力強(qiáng)，惡劣環(huán)境下亦能生存，適應(yīng)溫度范圍廣，10℃即可發(fā)芽，除了冬季，其他時(shí)期都可生長(zhǎng)[10]?？嗖莞嫡伎偵锪康慕^大部分，根冠比較高，偏向從根系吸收養(yǎng)分。林超等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在高濃度條件下生長(zhǎng)50d，刺苦草的最大株高可增加205%。陳德元等[12]在高濃度磷條件下將5株苦草幼苗種植84d，最后測(cè)得苦草中的總磷增加量達(dá)48.25mg。但是，直接吸收并不是植物去除磷的主要途徑，陳照方等[8]研究發(fā)現(xiàn)苦草通過(guò)直接吸收去除水體系統(tǒng)中的磷只占總?cè)コ康?.38%。

2.1.2 物理吸附 苦草的根系極其豐富，接觸面積大，更容易吸附水體中的不溶性膠體、礦物及微生物，將其固定在湖泊底泥中。湖水中的葉片可以減緩底泥表面湖水流速，為底層懸浮物的沉降創(chuàng)造條件;此外，較快的流速不利于磷素在苦草葉片中累積，降低流速可使苦草吸收和儲(chǔ)藏更多的磷。底泥間隙水的磷含量一般高于湖水，減少擾動(dòng)可以減少沉積物懸浮造成的磷釋放，還能為湖泊中的微生物提供棲息空間[13]。微生物會(huì)在苦草表面形成凝膜吸附雜質(zhì)，改善湖水的澄清度，并增加透光率，促進(jìn)苦草生長(zhǎng)。

2.1.3 間接影響 苦草能通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣，提高周邊水體溶解氧含量，同時(shí)其發(fā)達(dá)的通氣組織可將氧氣輸送到根系，使根際轉(zhuǎn)變?yōu)榫植坑醒醐h(huán)境[14]，有利于微生物的生命活動(dòng)，并提高根系底泥的氧化還原電位。研究表明[15]，在厭氧還原性較強(qiáng)的條件下，底泥中會(huì)積累較多的Fe2+與磷酸根。湖泊底層環(huán)境本身是處于厭氧狀態(tài)，會(huì)積累大量鐵與磷元素，當(dāng)氧化還原電位升高時(shí)，大量磷會(huì)被吸附?？嗖萆L(zhǎng)過(guò)程中會(huì)向周邊環(huán)境分泌有機(jī)酸，改變環(huán)境pH，而較低的pH可以減緩內(nèi)源磷的釋放。部分有機(jī)酸具有抑制藻類生長(zhǎng)的功能，這類物質(zhì)被稱之為化感物質(zhì)，可有效緩解藻類過(guò)量繁殖現(xiàn)象。張之浩等[16]通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，苦草分泌的化感物質(zhì)對(duì)綠藻和硅藻的抑制率可達(dá)33.13%。植物修復(fù)湖泊沉積物中磷的主要方式是通過(guò)植物本身直接吸收以及植物根際微生物分解代謝，從而減少沉積物中磷含量或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為難溶形態(tài)。

2.2 鐵細(xì)菌對(duì)沉積物磷的控制 苦草對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化有極佳的改善效果，然而并非一年四季都可生長(zhǎng)，當(dāng)溫度低于適宜溫度就會(huì)進(jìn)入衰亡期無(wú)法繼續(xù)生長(zhǎng)。俞振飛等[17]研究發(fā)現(xiàn)在苦草衰亡期，水體磷濃度比空白對(duì)照略低但并無(wú)顯著差異，說(shuō)明苦草進(jìn)入衰亡期后基本失去了治理能力，若沒(méi)有其他控制方法，水體磷濃度又會(huì)上升。最快速的控磷方法是用鐵調(diào)控，不過(guò)鐵鹽容易產(chǎn)生污染，大規(guī)模施用成本高昂。特定種類的微生物可以在對(duì)環(huán)境影響不大的前提下達(dá)到類似效果。且微生物只要有菌種，就可用較為低廉的原材料進(jìn)行生產(chǎn)，只要幾個(gè)周期就可大量培養(yǎng)，施入湖中自行遷移，也不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

鐵氧化菌是一類能加速鐵氧化過(guò)程的細(xì)菌，廣泛存在于江河湖海以及土壤等環(huán)境中，生存條件較為寬泛。鐵氧化菌產(chǎn)生的分泌物可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，吸收更多的磷。且鐵氧化菌可以生成氧化鐵，在植物修復(fù)的基礎(chǔ)上，吸附和轉(zhuǎn)化磷，并在植物衰亡期利用湖泊鐵循環(huán)控制內(nèi)源磷的釋放。將植物修復(fù)與鐵的調(diào)控相結(jié)合，可以提高磷的去除效率。

2.2.1 鐵對(duì)磷固定、釋放的影響 鐵在氧化條件下會(huì)被氧化成Fe（OH）3等氧化鐵，這些氧化鐵有著極為特殊的化學(xué)性質(zhì)，對(duì)磷酸鹽的吸附效果極好。當(dāng)氧化還原電位較高時(shí)，磷酸鹽會(huì)與Fe3+結(jié)合形成不溶的磷酸鐵，可溶性磷也會(huì)被Fe（OH）3從水體中吸附[18]。在湖泊淺層底泥中，磷會(huì)被氧化鐵吸附，而在更深的泥層氧化條件就轉(zhuǎn)變成還原條件，鐵磷結(jié)合物又被分解，將吸附的磷元素釋放出來(lái)。在淺水湖泊中，沉積物與水的交界面是一個(gè)非常特殊的地方，這里是氧氣徘徊的邊界，植物將氧氣傳遞到這里，氧化還原反應(yīng)發(fā)生很頻繁，湖水中的磷和鐵在這個(gè)位置上反復(fù)地沉積與溶解[19]。據(jù)已有的關(guān)于沉積物中鐵與磷的積累及釋放過(guò)程的研究，可推斷底泥中磷的釋放在很大程度上取決于鐵的氧化還原過(guò)程。

2.2.2 微生物在鐵轉(zhuǎn)化中的作用 鐵氧化菌是一類特殊的微生物，通過(guò)將鐵氧化獲取能量，在鐵的氧化過(guò)程中具有關(guān)鍵作用，而鐵的氧化過(guò)程對(duì)淺水湖泊中磷的內(nèi)循環(huán)又具有重大影響。鐵氧化菌常生存于氧化—還原交界帶，初次被發(fā)現(xiàn)是在淺水湖泊中，隨著研究的深入，在江河湖海等領(lǐng)域也都有發(fā)現(xiàn)，存在范圍極為廣泛[13]。目前發(fā)現(xiàn)的鐵氧化菌主要是硝化螺菌門(mén)（Nitrospira）、堅(jiān)壁菌門(mén)（Firmicute）、綠細(xì)菌門(mén)（Chlorobi）和變形桿菌門(mén)（Proteobacteria）[20]。

國(guó)內(nèi)大部分淺水湖泊pH處于中性或近中性。以往學(xué)者認(rèn)為，在pH偏中性且氧氣較充足條件下，鐵氧化很快，微生物的作用較為有限。但近些年有學(xué)者對(duì)25種植物調(diào)查發(fā)現(xiàn)，92%的被調(diào)查植株的根際存在鐵細(xì)菌[21]，50%～90%的鐵氧化物是由微生物活動(dòng)形成的[22]。鐵氧化菌種類繁多，根據(jù)原料亞鐵的不同形態(tài)，生成的氧化鐵結(jié)構(gòu)、功能也大不相同[23]，但對(duì)磷酸鹽都表現(xiàn)出良好的吸附特性。因此，微生物在調(diào)控環(huán)境鐵氧化物形成方面具有不可忽視的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

改善湖泊富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，須多管齊下，不僅要看當(dāng)下的治理結(jié)果，還要看長(zhǎng)遠(yuǎn)的效果，富營(yíng)養(yǎng)狀況是否會(huì)復(fù)發(fā)等。植物原位修復(fù)還要考慮成熟水草的收割問(wèn)題，否則吸收的磷又會(huì)回到湖泊系統(tǒng)，水草衰亡后也要考慮進(jìn)一步的控磷方案。湖泊系統(tǒng)非常復(fù)雜，僅僅是磷的內(nèi)循環(huán)就涉及到植物、微生物、底泥、水體等。

在苦草—鐵細(xì)菌—微生物體系中，首先苦草的生長(zhǎng)會(huì)自然吸收一小部分磷元素。其次，苦草會(huì)在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)光合作用從根系分泌出氧氣改變根際環(huán)境，將根附近的鐵氧化。氧化態(tài)的鐵可以與磷酸根結(jié)合或?qū)⑵湮阶。瑴p少磷的再釋放?？嗖萆L(zhǎng)期會(huì)源源不斷地釋放出氧氣，維持鐵磷結(jié)合物的穩(wěn)定，底泥中的鐵氧化菌也會(huì)生成鐵氧化物將更多的磷固定?？嗖葸M(jìn)入衰亡期之后，鐵氧化菌由于從其他途徑獲得的能量有限，通過(guò)不斷將鐵氧化來(lái)維持生物量，從而控制磷的釋放。

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（責(zé)編：徐世紅）