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    生物修復(fù)技術(shù)在水體富營(yíng)養(yǎng)化中的應(yīng)用進(jìn)展

    2017-08-22 02:28劉鑫陳明明張俊英
    綠色科技 2017年14期
    關(guān)鍵詞:植物修復(fù)植物

    劉鑫+陳明明+張俊英

    摘要:指出了水體富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)全球性的環(huán)境問(wèn)題。通過(guò)分析水體富營(yíng)養(yǎng)化的成因,針對(duì)日益嚴(yán)峻的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題,綜述了目前應(yīng)用較廣的生物修復(fù)技術(shù)。主要從微生物修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)以及植物—微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的原理、應(yīng)用現(xiàn)狀以及優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了論述,并提出了植物—微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在今后水體修復(fù)方面具有良好的發(fā)展前景。

    關(guān)鍵詞:水體富營(yíng)養(yǎng)化;微生物修復(fù);植物修復(fù);植物-微生物聯(lián)合修復(fù)

    中圖分類號(hào):X524

    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-9944(2017)14-0130-05

    1 水體富營(yíng)養(yǎng)化的概述

    水體富營(yíng)養(yǎng)化是指氮、磷等無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物大量進(jìn)入湖泊、海灣等相對(duì)封閉、水流緩慢的水體,引起藻類和其他水生植物大量繁殖,水體溶解氧下降、水質(zhì)惡化,其它水生生物大量死亡的現(xiàn)象[1]。隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上對(duì)氮肥、磷肥的不合理使用,未經(jīng)處理的家畜家禽糞便隨意堆放,生活中大量使用含磷洗滌劑,生活污水的任意排放,以及工業(yè)企業(yè)對(duì)未經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)后的工業(yè)廢水的肆意排放等現(xiàn)象,使湖泊、河口、海灣等水環(huán)境中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不斷積累,給藻類以及其它水生生物的大量繁殖提供了物質(zhì)基礎(chǔ),引起浮游藻類等的惡性增殖,造成水體透明度下降,顏色加深、水體溶解氧量驟減,化學(xué)需氧量濃度增加,水質(zhì)惡化,使魚(yú)類及其它水生生物窒息死亡產(chǎn)生惡臭,水體生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,進(jìn)而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。

    目前判斷水體富營(yíng)養(yǎng)化一般采用的指標(biāo)是:水體中氮含量超過(guò)0.2~0.3 mg/L,磷含量大于0.01~0.02 mg/L, BOD>10mg/L,pH值為7~9的淡水中細(xì)菌總數(shù)超過(guò)104個(gè)/mL,表征藻類數(shù)量葉綠素a>0 μmg/L[2]。

    國(guó)內(nèi)外治理富營(yíng)養(yǎng)化水體主要采用物理、化學(xué)、生物三種修復(fù)技術(shù)。其中生物修復(fù)技術(shù)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外研究中得到了廣泛的關(guān)注。富營(yíng)養(yǎng)化水體的生物修復(fù)技術(shù)是一種利用特定的生物(微生物、植物或原生動(dòng)物)對(duì)水體中污染物及氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行有效吸收、轉(zhuǎn)化或降解的過(guò)程,從而使富營(yíng)養(yǎng)化水體得到凈化的生物措施[3]。

    2 微生物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體修復(fù)效果

    關(guān)于利用微生物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的研究已成為學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。微生物修復(fù)技術(shù)主要是利用微生物對(duì)水中污染物的生物代謝作用,使富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量降低,水質(zhì)得到改善的過(guò)程。當(dāng)排入水體的污染物含量超過(guò)水體所能承受的環(huán)境容量時(shí),水體脫氮可通過(guò)微生物的氨化—硝化—反硝化作用把水體中NH3、銨態(tài)氮(NH+4-N)、硝態(tài)氮(NO-3-N)、亞硝態(tài)氮(NO-2-N)以N2的形式移出水體進(jìn)入大氣氮循環(huán),從而降低水體中含氮營(yíng)養(yǎng)鹽的含量。同時(shí),水體除磷可利用聚磷微生物的厭氧釋磷、好氧吸磷的特性來(lái)完成除磷;也可利用一些具有生物絮凝作用的微生物通過(guò)絮凝沉淀除磷。水體中氮、磷含量的降低,能有效的抑制藻類的大量繁殖。

    近年來(lái),關(guān)于利用微生物來(lái)修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的相關(guān)研究十分活躍,得到了很多研究者的青睞。微生物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)能起到顯著的效果,主要依靠于興起的微生物固定化技術(shù)和微生物修復(fù)劑投加技術(shù)。

    2.1 固定化微生物在富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)中的應(yīng)用

    目前,單獨(dú)用于修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的固定化微生物主要有固定化光合細(xì)菌(Photosynthetic bacteria,簡(jiǎn)稱PSB)。有研究表明,光合細(xì)菌脫氮機(jī)理可概括為兩個(gè)方面:光合細(xì)菌可直接吸收水體中可以利用的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮,來(lái)合成自身生長(zhǎng)所需的蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),即通過(guò)自身吸收來(lái)達(dá)到脫氮的目的。光合細(xì)菌既屬于好氧反硝化菌又是異養(yǎng)硝化菌,且能把NH+4氧化成NO-2后直接進(jìn)行反硝化反應(yīng),即通過(guò)硝化反硝化作用來(lái)達(dá)到脫氮的目的。曹攀等通過(guò)與傳統(tǒng)活性污泥脫氮除磷效果的對(duì)比試驗(yàn),論證光合細(xì)菌的脫氮除磷機(jī)理。最后試驗(yàn)得出:光合細(xì)菌的脫氮機(jī)制是通過(guò)好氧直接吸收分解和厭氧反硝化作用達(dá)到脫氮效果[4]。

    光合細(xì)菌的細(xì)胞中具有能進(jìn)行光合作用的載色體,亦能增強(qiáng)光合細(xì)菌的光合磷酸化過(guò)程,從而加快除磷進(jìn)程。研究表明,光合細(xì)菌對(duì)重度富營(yíng)養(yǎng)化水體處理10 d后,最優(yōu)實(shí)驗(yàn)組(pH為7.5,投加濃度為0.25 mL/L,其中每毫升菌液中含有3.4×109個(gè)光合細(xì)菌)對(duì)TN、TP的處理效率分別可以達(dá)到30%、45%以上,對(duì)透明度的提升效率達(dá)到了95%以上[5]。

    雖然光合細(xì)菌對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽具有很好的處理效果,但是,游離的光合細(xì)菌也存在一些弊端,如:在流動(dòng)的水流中易被沖走,作用時(shí)間短從而不能穩(wěn)定有效的處理水體,在靜水里又容易被其他生物所食用;缺乏吸附和生長(zhǎng)繁殖的載體等[6],這些因素都制約著游離態(tài)光合細(xì)菌的凈水效果,然而,微生物固定化技術(shù)的興起解決了這些問(wèn)題。

    將培養(yǎng)好的光合細(xì)菌(OD600= 0.5)細(xì)胞懸浮液和海藻酸鈉(滅菌冷卻到45℃的體積分?jǐn)?shù)為4%)分別各50mL進(jìn)行混合,混合后立即倒入孔徑約1 mm的自制造粒器中,使形成的固定化顆粒滴入5%的CaCl2溶液中,再放置24h,最后濾出顆粒,用生理鹽水洗凈,從而實(shí)現(xiàn)光合細(xì)菌的固定化。利用海藻酸鈣固定化的光合細(xì)菌處理人工模擬的富營(yíng)養(yǎng)化水體,并以NH4NO3和NaH2PO4來(lái)提供氮源、磷源,對(duì)照組為利用游離光合細(xì)菌處理水體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)19 d的處理,實(shí)驗(yàn)組對(duì)水體的處理效果明顯優(yōu)于對(duì)照組,實(shí)驗(yàn)組對(duì)總氮、總磷的去除率能達(dá)到60%以上,同時(shí)對(duì)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及COD的去除率能達(dá)到80%左右[6]。另外,也有研究表明,固定化光合細(xì)菌對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水體也具有極佳的凈化效果,與游離態(tài)的光合細(xì)菌相比,具有較高的去除率(丁成,2008)[7]。吳珊等人還對(duì)游離態(tài)光合細(xì)菌的最佳固定化方法以及對(duì)銅綠微囊藻的抑制作用進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在最佳固定化(采用沸石、碳酸鈣和海藻酸鈉混合包埋光合細(xì)菌)條件下,固定化光合細(xì)菌對(duì)銅綠微囊藻抑制作用達(dá)到了80%以上,而等量的游離態(tài)光合細(xì)菌的抑制作用只有25%左右[8]。

    從以上的研究成果可以看出,利用微生物固定化技術(shù)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)具有良好的發(fā)展前景,不論是對(duì)湖泊水質(zhì)的處理還是在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用,固定化微生物的應(yīng)用均體現(xiàn)出顯著的凈化水體的能力,同時(shí)在一定程度上也有效地抑制了藻類的大量增殖。

    2.2 微生物修復(fù)劑投加技術(shù)在富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)的應(yīng)用

    微生物修復(fù)劑投加技術(shù)是微生物修復(fù)領(lǐng)域一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)。所謂微生物修復(fù)劑投加技術(shù)是指向富營(yíng)養(yǎng)化水體中投加有效微生物群EM,來(lái)促進(jìn)水體中有機(jī)物和氮、磷等污染物質(zhì)的降解,并且可以快速提高水體中微生物的濃度,利用微生物的代謝作用可在短期內(nèi)增大污染物降解速率,從而達(dá)到修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體水質(zhì)的目的[9]。有效微生物群EM是指從自然界中篩選出各種有益微生物,用特定的方法混合培養(yǎng)所形成的微生物復(fù)合體系,其微生物組合以光合細(xì)菌、硝化細(xì)菌、芽孢桿菌、放線菌、酵母菌和乳酸菌等為主[10]。

    早在20世紀(jì)80年代,日本學(xué)者比嘉照夫就成功開(kāi)發(fā)出了EM(Effective Microorganisms,有效微生物群)技術(shù),且在國(guó)內(nèi)外均得到了廣泛的研究和應(yīng)用。1992年美國(guó)一家公司成功分離和研制出名為Clear-Flo系列的微生物修復(fù)劑[11],在美國(guó)某個(gè)溝渠使用了三個(gè)月左右,水體中的氨氮含量從0.02 mg/L降為了0 mg/L,其中對(duì)COD、BOD5的去除率均達(dá)到了70%以上。

    我國(guó)也有相關(guān)研究表明,不論是在優(yōu)勢(shì)種群為藍(lán)藻門(mén)中的銅綠微囊藻的富營(yíng)養(yǎng)化水體中,還是優(yōu)勢(shì)種群為綠藻門(mén)中的蛋白核小球藻和四尾柵藻的富營(yíng)養(yǎng)化水體中投加微生物修復(fù)劑,水體中TN、TP的含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[9]。同時(shí),在優(yōu)勢(shì)種群為銅綠微囊藻的富營(yíng)養(yǎng)化水體中投入有效微生物群EM期間,TN、TP的含量均呈明顯的下降趨勢(shì),水體透明度也有明顯的提高。在停止投放菌劑1個(gè)月之后,TN、TP的含量達(dá)到最低點(diǎn),均下降了60%左右。這一結(jié)果與呂愛(ài)芃的研究成果達(dá)成了一致[12]。

    馬文林等利用微生物復(fù)合修復(fù)劑(由活性微生物菌體和具有調(diào)節(jié)水體環(huán)境、促進(jìn)藻類生長(zhǎng)功能的微量化學(xué)元素組成)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化人工景觀湖的修復(fù)過(guò)程中,湖水中的chla、TP 含量都呈現(xiàn)穩(wěn)定的下降趨勢(shì)。在試驗(yàn)期末,水體中chla、TP含量均下降了65%以上,同時(shí)有效的抑制了水華的形成,結(jié)果表明微生物生態(tài)修復(fù)劑對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化人工景觀湖的修復(fù)具有顯著成效[13]。

    綜上所述,微生物修復(fù)劑在降低富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及降解有機(jī)污染物方面均取得顯著的成效,具有很大的發(fā)展前景。以上的研究結(jié)果均體現(xiàn)出微生物對(duì)水體有良好的修復(fù)效果,但是利用微生物來(lái)修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體仍然需要對(duì)各種微生物發(fā)揮最佳降解效果所需環(huán)境因子深入研究、如何提升修復(fù)效率、解決需菌量大等問(wèn)題都是需要繼續(xù)研究的方向[14]。

    3 水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體修復(fù)效果

    植物修復(fù)技術(shù)是生物修復(fù)的一類。主要是利用水生植物,尤其是水生維管束植物和高等藻類,因?yàn)樵谄渥陨砩L(zhǎng)過(guò)程中可以吸收富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),并且通過(guò)定期收獲水生植物帶走營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行修復(fù)[15]。

    根據(jù)水生植物的生活方式,水生維管束植物可分為挺水植物,漂浮植物,浮葉植物和沉水植物。①挺水植物:根莖生于底泥中,植物體上部挺出水面,具有修復(fù)能力的主要有蘆葦、香蒲等;②漂浮植物:植物體完全漂浮于水面,具有特化的適應(yīng)漂浮生活的組織結(jié)構(gòu),常用于修復(fù)水體的主要有鳳眼蓮、浮萍、黃花水龍等;③浮葉植物:根莖生于底泥,葉漂浮于水面,常用于修復(fù)水體的主要有睡蓮、蔣菜;④沉水植物:植物體完全沉于水氣界面以下,根扎于底泥或漂浮于水中。常用于修復(fù)水體研究的主要有黑藻、金魚(yú)藻、狐尾藻、伊樂(lè)藻等[16]。

    水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)機(jī)理可概括為5個(gè)方面:①攔截外源污染物;②植物吸收:水生植物能夠從水體中吸收生長(zhǎng)所需的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),并貯存于植物細(xì)胞中,通過(guò)木質(zhì)化作用,轉(zhuǎn)化成為植物體的組成部分;③化感作用,即水生植物會(huì)向水體中釋放化感物質(zhì)以抑制浮游藻類的生長(zhǎng);④水生植物的存在減小了水中的風(fēng)浪擾動(dòng),有利于水體中懸浮物的沉積,還能有效地抑制底泥中污染物再釋放;⑤植物根系及底質(zhì)的吸附作用[17,18]。

    筆者主要從目前研究應(yīng)用最多的漂浮植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)和沉水植物系統(tǒng)3大類生態(tài)系統(tǒng)來(lái)探討對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)。

    3.1 挺水植物

    不同種類挺水植物對(duì)氮和磷的去除能力存在顯著的差異。

    在武漢地區(qū)利用黃菖蒲、石菖蒲、黑三棱和常綠水生鳶尾 4 種挺水植物對(duì)2種不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行水體凈化試驗(yàn),研究結(jié)果表明這四種挺水植物對(duì)2種不同富營(yíng)養(yǎng)化程度水體的總氮的去除率均能達(dá)到40%以上,對(duì)TP的去除率均能達(dá)到50%以上。4種挺水植物對(duì)水體中TN、TP的去除率依次為黑三棱>黃菖蒲>常綠水生鳶尾>石菖蒲,可以看出黑三棱對(duì)水體有較好的凈化能力,而石菖蒲對(duì)水體的凈化能力相對(duì)較差??傮w上來(lái)看這四種挺水植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中P的去除率均高于對(duì)N的去除率(戢小梅等,2015)[19]。

    徐秀玲等通過(guò)對(duì)香蒲、鳶尾、菖蒲3種挺水植物在3種不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化水體的生長(zhǎng)狀況及其對(duì)氮磷的去除程度的研究,來(lái)判斷對(duì)水體的修復(fù)效果。研究表明,在低濃度下,各植物生長(zhǎng)狀況都較好,在高濃度下,香蒲和鳶尾的耐受能力明顯高于菖蒲。在中低濃度下,對(duì)水體TN的處理效果均是鳶尾>菖蒲>香蒲,并且去除率都達(dá)到了60%以上,在高濃度下,由于菖蒲生長(zhǎng)受限,3種挺水植物對(duì)水體TN的去除率為香蒲(74%)>鳶尾(69%)>菖蒲(54%);對(duì)TP的處理效果,在中低濃度下各植物對(duì)TP的去除率依次為鳶尾>菖蒲>香蒲,高濃度下的去除率依次為鳶尾>香蒲>菖蒲,并且鳶尾的處理效果尤為明顯,均在70%及以上??偟膩?lái)說(shuō),鳶尾對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN、TP的去除效果都較為明顯,可以被廣泛應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)領(lǐng)域[20]。

    3.2 漂浮植物

    在漂浮植物處理水體富營(yíng)養(yǎng)化中,應(yīng)用最多的便是黃花水龍和鳳眼蓮。黃花水龍是太湖的土著植物,在處理太湖水的問(wèn)題中起了較大作用。王超等研究表明,夏季黃花水龍對(duì)水體中TN的去除率可達(dá)60%,對(duì)TP的去除率達(dá)25%,并且冬季也可存活,冬季對(duì)TN、TP的去除率均能達(dá)到20%以上 [21]。由此可見(jiàn),黃花水龍是處理太湖富營(yíng)養(yǎng)化的一種非常理想的漂浮植物。

    有研究表明,在氮磷濃度較高的情況下,鳳眼蓮對(duì)TN的去除率可達(dá)40%以上,對(duì)TP的去除率能達(dá)80%以上(張志勇等,2010)[22]。鳳眼蓮、水芙蓉和蓮花竹三種漂浮植物對(duì)水體的凈化效果,結(jié)果表明,30d后鳳眼蓮對(duì)TN、TP的去除率最高分別可達(dá)80%、90%左右,水芙蓉對(duì)TN、TP 的去除率均能達(dá)到75%以上,蓮花竹的處理效果相對(duì)較差。由此可見(jiàn),鳳眼蓮是一種理想的水體修復(fù)植物,并且鳳眼蓮還可以作為觀賞植物,因此在處理富營(yíng)養(yǎng)化水體中被廣泛應(yīng)用[23]。

    3.3 沉水植物

    由于沉水植物長(zhǎng)期沉沒(méi)于水下,受外界的干擾較小,因此也常用做水體富營(yíng)養(yǎng)化的修復(fù)植物。

    研究表明,苦草、黑藻、金魚(yú)藻、伊樂(lè)藻組、狐尾藻、菹草六種沉水植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷具有凈化作用。金魚(yú)藻和伊樂(lè)藻對(duì)氮的去除率較高,均達(dá)到60%以上,苦草、黑藻、狐尾藻、菹草其次,對(duì)氮的去除率也均達(dá)到40%以上;對(duì)總磷的去除率,苦草和伊樂(lè)藻也明顯較高,達(dá)到45%以上,其余沉水植物在20%以下。總體來(lái)講,金魚(yú)藻和伊樂(lè)藻對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的中氮、磷的去除較為明顯 [24]。

    高鏡清等在春季利用金魚(yú)藻、伊樂(lè)藻、菹草,在夏季利用金魚(yú)藻,狐尾藻、苦草,分別研究了沉水植物對(duì)東湖富營(yíng)養(yǎng)化水體的處理程度。五種植物中,金魚(yú)藻的生長(zhǎng)狀況最好,春季的增長(zhǎng)率達(dá)125%以上,夏季達(dá)55%以上。而且金魚(yú)藻對(duì)TP的春夏兩季的去除率均達(dá)90%以上。由此看來(lái)金魚(yú)藻對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的營(yíng)養(yǎng)源的去除效果都較為理想,是一種較有前景的修復(fù)水體的沉水植物[25]。

    水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體具有較好的凈化效果,修復(fù)水體的植物來(lái)源廣、易培養(yǎng),修復(fù)期間具有較高的觀賞價(jià)值和構(gòu)景作用,后期收割后還能作為飼料等能有效的避免二次污染;植物修復(fù)所需成本低、能耗低,卻對(duì)水體具有高效的凈化效果,因此,被常用于富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)。但是植物修復(fù)仍存在一些弊端,如處理時(shí)間較長(zhǎng)、占地面積大及植物生長(zhǎng)受季節(jié)影響嚴(yán)重等[26],都在一定程度上限制了植物修復(fù)的廣泛應(yīng)用。

    4 植物—微生物聯(lián)合作用對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體修復(fù)效果

    水生植物修復(fù)和微生物修復(fù)并不是孤立存在的,水體中各種生物間存在著相互依賴、相互制約的關(guān)系,任何生物種類的改變均會(huì)影響其他生物種群和數(shù)量的改變[27]。對(duì)于一些復(fù)合污染的水體,單一的修復(fù)技術(shù)就很難達(dá)到理想的凈化處理效果,此時(shí)如果將不同的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合,形成聯(lián)合生物修復(fù)技術(shù)往往對(duì)水體就能達(dá)到顯著的凈化效果。

    植物—微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是利用水生植物和微生物的協(xié)同作用來(lái)完成對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)。該生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)利用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)力,能耗小,費(fèi)用省,對(duì)環(huán)境的破壞小,對(duì)大面積的污染水體具有顯著的治理效果,同時(shí)還具備一定的觀賞價(jià)值。修復(fù)原理可簡(jiǎn)述為:在水生植物生長(zhǎng)時(shí),根系為微生物提供多樣性的生境,且植物可輸送氧氣至根區(qū),有利于微生物的好氧呼吸;同時(shí),微生物的旺盛生長(zhǎng),增強(qiáng)了對(duì)污染物的降解,使植物有更加優(yōu)越的生長(zhǎng)空間,從而促使微生物—植物體系對(duì)污染物的快速降解、轉(zhuǎn)化[14]。

    植物—微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)處理富營(yíng)養(yǎng)化水體效果最顯著主要有以下三種組合:植物—固定化氮循環(huán)菌(INCB)修復(fù)、植物—固定化光合微生物修復(fù)、植物浮床—微生物修復(fù)。

    4.1 植物—固定化氮循環(huán)菌(INCB)修復(fù)

    由于植物生長(zhǎng)季節(jié)的差異,常會(huì)慶等在夏季利用漂浮植物鳳眼蓮聯(lián)合固定化氮循環(huán)菌(INCB),在冬季利用典型沉水植物伊樂(lè)藻聯(lián)合固定化氮循環(huán)菌(INCB)進(jìn)行原位修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體。試驗(yàn)期間水體中TN、NO-2-N和NH+4-N均有不同程度的降。鳳眼蓮聯(lián)合修復(fù)期間水體中NO-2-N的去除率達(dá)到了90%以上,TN的去除率達(dá)到了70%以上;修復(fù)后水體指標(biāo)chla、CODMn、pH均達(dá)到了較低,水體透明度也有明顯的提高。伊樂(lè)藻聯(lián)合修復(fù)期間水體中NO-2-N的去除率達(dá)到了98%以上,NH+4-N的去除率達(dá)到了85%以上;chla等的含量也有一定的下降,水體透明度維持在夏季修復(fù)后水平。檢測(cè)結(jié)果還發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)期間水體及底泥中亞硝化菌,硝化菌,反硝化菌群數(shù)量均有大幅度的增長(zhǎng),微生物菌群數(shù)的增加有助于水體的脫氮。利用這兩種植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行整年的修復(fù)得到了較好的凈水效果,后期沉水植物具有維持水質(zhì)的效果,同時(shí)對(duì)水體磷含量的提高具有一定的緩沖能力[28]。

    4.2 植物—固定化光合微生物修復(fù)

    相關(guān)研究者利用漂浮植物黃花水龍和沉水植物伊樂(lè)藻以及固定化光合細(xì)菌在浙江大學(xué)溫室內(nèi)進(jìn)行了對(duì)重富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)實(shí)驗(yàn),利用NH4NO3和NaH2PO4來(lái)提供水體的氮源、磷源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在處理第19 d時(shí)黃花水龍—固定化光合細(xì)菌組合組呈現(xiàn)出最佳去除效果,TN和NH+4-N的去除率達(dá)到了98%以上,對(duì)TP的去除率也達(dá)到了90%以上。然而利用單獨(dú)光合菌修復(fù)水體的對(duì)照組,19 d后,水體中總氮、總磷、銨態(tài)氮的去除率幾乎在60%左右。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,有植物存在的體系對(duì)水體的修復(fù)效果明顯高于單一的微生物修復(fù)[28]。

    4.3 植物浮床—微生物修復(fù)

    水體修復(fù)利用植物浮床的案例有很多,植物浮床技術(shù)是指人工將高等水生植物或經(jīng)改良的陸生植物種植到富營(yíng)養(yǎng)化水體的表面,利用植物根部的吸收、吸附作用以及物種之間的競(jìng)爭(zhēng)化感機(jī)制,消解富集于水體的氮、磷和其他有害物質(zhì),以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[29]。

    利用香菇草、睡蓮、西伯利亞鳶尾三種植物制成植物浮床,分別研究其對(duì)污染水體的凈化效果。35 d后,研究表明,存在植物浮床試驗(yàn)區(qū)的凈化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于只有浮床沒(méi)有植物的對(duì)照區(qū)。3種植物均長(zhǎng)勢(shì)良好,對(duì)總氮的去除率為香菇草(90.0%)>睡蓮(85.7%)>西伯利亞鳶尾(81.2%),對(duì)照組的去除率僅有54.9%;香菇草(68.6%)>西伯利亞鳶尾(62.8%)>睡蓮(57.0%),高于對(duì)照組的19.8%;并且對(duì)COD的去除率也在63%以上(趙豐等,2011)[30]。

    利用植物浮床—微生物對(duì)唐山市南湖公園試驗(yàn)區(qū)污染水體的凈化效果優(yōu)于植物浮床單獨(dú)作用。在未投加微生物的植物浮床試驗(yàn)區(qū)內(nèi),水體中COD、總氮、銨態(tài)氮和總磷的去除率最高值只有33%左右,然而在植物浮床—微生物的試驗(yàn)區(qū)內(nèi),鳳眼蓮—微生物聯(lián)合修復(fù)對(duì)水體中有機(jī)物的去除率達(dá)到了34%左右,對(duì)COD的去除率達(dá)到了63%左右,同時(shí)美人蕉、旱傘草、千屈菜、鳶尾的聯(lián)合修復(fù)對(duì)水體也表現(xiàn)出較好的凈化效果。秋末冬初溫度較低時(shí),植物開(kāi)始死亡,可將植物收割,此時(shí)加入固定化氮循環(huán)細(xì)菌和水體中原有微生物進(jìn)行原位修復(fù)[31]。

    從以上的研究成果可以看出,植物浮床對(duì)氮、磷都有較好去除效果,植物浮床—微生物聯(lián)合凈水效果又高于植物浮床單獨(dú)作用,因此,可將植物浮床—微生物廣泛應(yīng)用于水體治理中。

    植物—微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體具有較好的凈化效果,在一定程度上克服了單一修復(fù)技術(shù)的不足,但聯(lián)合修復(fù)技術(shù)仍存在一些弊端,如植物、微生物種類繁多,各種組合的修復(fù)機(jī)理存在差異,技術(shù)應(yīng)用難度大等,都在一定程度上限制了聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。總體上看,植物—微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)將會(huì)成為水體修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

    5 結(jié)論及展望

    由于生物特性的限制,聯(lián)合修復(fù)的發(fā)展過(guò)程中仍有諸多難題亟待解決。今后可以著重加強(qiáng)以下幾方面研究。

    (1)部分微生物具有良好的凈水效果,但是其具有致病性或在吸收轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì),此時(shí)就可以借助分子生物學(xué)技術(shù)手段和基因工程理論,重新組建微生物的遺傳性狀,篩選出具有降解多種污染物且凈水效率更高的優(yōu)良菌株及酶系[32]。

    (2)植物生長(zhǎng)具有季節(jié)性,一些具有良好凈化效果的植物不能全年對(duì)水體進(jìn)行修復(fù),此時(shí)可以深入的去研究各種植物組合的修復(fù)機(jī)理以及凈水效果,以便于更好的應(yīng)用于實(shí)踐之中。

    (3)植物的生物量少,有時(shí)很難對(duì)大面積的富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行修復(fù),這時(shí)可選擇多種生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合,揚(yáng)長(zhǎng)避短,爭(zhēng)取在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最佳的處理效果。

    總而言之,生物修復(fù)技術(shù)在修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體領(lǐng)域具有較好的發(fā)展前景。

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