水体富营养化的生物修复研究进展

黎铭轩 张妍 江学顶 李富华

摘   要：富营养化的水体对人们的生活环境造成了极大的负面影响，水体富营养化所产生的一系列问题甚至成为许多发展中国家经济发展的制约因素，严重时还会威胁到人类的生存。因此，如何修复富营养化的水体、降低其中的氮（N）、磷（P）等营养物质的含量以及如何利用最经济实用的技术手段来恢复水体综合功能已经成为当前全球环境研究的热点问题。本文主要从不同的生物修复技术在富营养化水体的作用进行研究与评价，列举出目前人类所掌握的富营养化水体修复技术，及其在未来的应用前景和展望。

关键词：富营养化  水体生物修复  修复技术

作为一种新兴的环境修复技术—生物修复技术，与物理化学修复相比，生物修复技术具有环境友好、成本低、无二次污染等优点。该技术已经引起了世界各国的关注，并在土壤、地表水和地下水的污染治理中发挥着越来越重要的作用。富营养化水体修复技术有很多种，不同的生物修复技术对富营养化水体的影响不同，因此针对不同水体选择合适的修复方案具有重要意义[1]。本文对水体富营养化的生物修复技术进行简要总结归纳，并对生物修复技术的未来与展望进行探讨。

1  富营养化水体生物修复技术

1.1 植物修复技术

使用水生植物来修复水体是最常见的一种方法，不仅能耗低，经济效益高，而且生态效益好，效果显著。水生植物种类繁多，可分为漂浮植物、水生植物、沉水植物等。

（1）沉水植物。

水下植物都在水层下，以适应大型水生植物的生存。植物的各个部位都能吸收水分和养分，尤其是曝气组织的发育，在水中缺氧的情况下能促进气体交换。这也是有更显著水净化效果的原因。水下植物的品种很多，有螺旋藻、狐尾藻、苦草、金鱼藻、鼠尾草等。与初始的底泥相比，矮生植物的根系沉积物中的典型酸性硫化挥发物（AVS）与亚铁（Fe2+）还原性物质分别减少了96.3%和92.6%。对比不同类型的修复水体，生长得更好的是矮慈姑，游离氨（NH4+-N）、总磷（TP）和叶绿素a（Chl-a）的平均浓度分别为2.1mg/s、1.3mg/s和301.6mg/s，远低于对照系统。矮慈姑系统地吸收和利用导致富营养化的物质，有效地抑制了底泥中污染物氮（N）、磷（P）的释放[2]。如何选择和正确匹配不同的修复植物具有重要的意义[3]。

（2）挺水植物。

挺水植物一般存在浅水区中，常出现有通气组织。由于其生物量大，需要大量的营养物质，不仅可减少富营养化水体中营养含量，且可为城市增添一道靓丽的风景[1]。挺水植物常见的有荷花、水芹、茭白荀、芦苇、蒲草、荸荠、莲、香蒲等[4]。N和P是植物成长的基本元素之一，研究结果表明：黄花鸢尾、旱伞草、黄菖蒲、蒲苇、水葱、西伯利亚鸢尾、花叶芦竹、千屈菜、水生美人蕉等植物在培养时间35d里对富营养化水体中总氮（TN）的去除率分别为89.1%、89.1%、93.4%、88.8%、88.7%、89.0%、89.0%和92.4%;挺水植物的根系较发达，具有较强的输氧能力，其根系易产生好氧的环境，促进植物生长与进一步除P[5]。

（3）飘浮植物。

水葫芦是我们生活中最常见的漂浮植物，对水中营养物质有很高的吸收率。但由于其传播扩散速度快，极易在水中形成危害，故需要进行定期打捞。研究结果表明，30天后，在N、P的浓度比较高的情况下TN和TP的去除率分别达到80.0%、90.0%，其他情况去除率可达到75.0%以上[6]。可见，水葫芦是理想的一种水体修复植物，也是一种观赏植物，故在处理富营养化水体中得到广泛的应用。

1.2 水稻修复技术

目前，有许多不同的生物修复技术，其中之一是利用水稻修复富营养化水体的技术[7]。其可行性主要表现在三个方面。首先，水稻具有很强的吸收和同化水中N、P的能力;其次，水稻是唯一能被淹没和种植的粮食作物，在这方面具有固有的优势;第三，水稻对水库、湖泊、生活污水、农田取水、污水渠等富营养化的水体有着显著修复能力[8]。

水稻修复富营养化有三种技术模式[9]：一是生态浮床水稻种植，成本低，效果好且易于管理，有利于生态系统的重建和恢复[10]。二是稻田湿地，可直接利用现有的稻田资源，大大降低湿地建设成本，且恢复过程简单，操作管理方便[11]。三是稻鱼共生，该方法有机地结合了两种农业生产：水稻种植和养鱼。对水体中N、P养分吸收也有明显的影响[12]。

1.3 微生物修复技术

微生物修复是指在受控环境条件下，将有毒的污染物转化为无毒物质的天然发生或经特殊培养的微生物的处理方法。这个技术能够有效降解目标污染物，微生物在水中形成局部的优势菌群，抑制致病菌和腐败菌的增殖，显著促进水质的改善与生物多样性的改善[13]。

在工程实施方面，微生物修复可分为原位生物修复（In-SituBioremediation）和异位生物修复（En-Situ Bioremediation）两种技术。微生物对水体的原位修复已经是控制水体污染技术的主流。原位生物修复不会涉及污水的输送，而直接对污染区进行修复。该过程取决于污染、水体中微生物的降解能力与人为创造的适宜微生物降解条件;而异位修复技术需从原来的位置移除至将被污染的目标培养基，与支持材料、营养物质和降解菌的接种剂进行浓缩混合处理[14]。

1.4 KQ复合微生物技术

KQ复合微生物主要是一种复合的菌群，通过特殊方法培养出光合细菌、酵母菌、乳酸菌、发酵丝状菌、放线菌等十多种菌群[15]，这些符合的菌群可以快速分解浓缩的有机物，缩短氧化时间，提高其降解的效率。

通过微生物的代谢，利用微生物修復技术。富营养化水体中微生物种群的细胞壁将有机物吸收和消化，在这个过程中，产生代谢物也能提供营养给其他微生物等，直至富营养化水体中有机物完全被分解[16]。该方法极大提高了对水体的净化效果且对环境的不良影响较小，具有良好的可持续性。

1.5 生態草技术

生态草技术是一种新型的仿生设计净化技术，其来源包括天然植物区系和人工植物区系。该技术由阿克曼生态群、仿生生态草和线性生态填料组成，在发达国家里得到了良好的应用，有显著效果。新型的填料正在逐步兴起，能提高装在的效果，并可以根据不同的应情况进行定制。因此这个技术的水体净化与修复功能和承载功能都得到了很大的改善，在水体处理中得到了广泛的应用[17]。

1.6 微生物-植物原位生物修复

基于种植植物和添加生物制剂的微生物-植物原位生物修复技术不但能处理富营养化的水体，还可维持水体中的生态平衡。该生物修复技术利用微生物来降解水体的有机物，并且通过植物将其转化为无机养分[18]。N、P的吸收转化和积累，使富营养化水体营养的综合去除，对进一步加强抑制富营养化的作用。另外，空气的氧可通过植物通气组织到达其根部，进而扩散到根部的表面，为微生物提供一个好氧的环境，为根区以外的微生物提供一个缺氧的环境，这种缺氧环境更有利于清除水体。对于N、P元素，微生物可将大分子的有机物转化程小分子的无机物用于植物生长。植物与微生物共同作用，维持水体的生态平衡，减少污染物，提供更便利的生活条件[19]。

1.7 人工湿地的错配

人工湿地污水净化是微生物、基质和植物相互作用的一种结果。目前，人工湿地生态过程中的污水处理技术可分为地表流和地下流。在地下水流的基础上，又可将其转化为垂直流和波形流的人工湿地系统。地表的径流人工湿地通过植物根系生物膜的降解和根系的截留来去除污染物;而地下水流的人工湿地可很好地利用湿地的基质。垂直流的人工湿地为地下流和地表流相结合的结果;在波形流人工湿地中随着水流的曲率的增加，污水流经内部矩阵湿土壤的多次波流，并添加挡板的传统设计淹没流湿地为一波流分布模式。与传统的湿地系统相比，垂直流的波形湿地系统的污水处理效果更加明显[20]。研究指出，对不同类型的湿地植物进行错配形成的复合人工湿地，能取得较好的处理效果，如表1所示。

2  结论与展望

总的来看，在富营养水体修复技术中，对于水体微生物修复技术，使用该技术能够增加生物的多样性，构建水体微生态平衡。同时也具有操作简单、投资小、二次污染风险低等特点，具有可观的发展前景[20]。对于水生植物修复技术，只要操作得当以及留心注意事项，能够很好且有效地对水体富营养化进行修复，但由于试验的时间较短及环境条件的限制，水生植物对水中TN、TP的去除效果在实际工程中还达不到。不同植物生长习性的不同也给试验控制增加了难度，如何全面的评价水生植物对富营养化水体的净化效果还需在以后的试验中进一步研究。而对于人工湿地污水处理技术，与传统的处理方法相比，该方法可以降低成本，提高净化效率，但易受气候条件和土地占用的影响。在综合分析的基础上，根据我国的实际情况，该技术在未来污水处理领域具有广泛的发展趋势[21]。

参考文献

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