（农业资源利用专业论文）水生植物和微生物联合修复富营养化水体试验效果及机理研究.pdf

致谢 本论文是在导师杨肖娥教授悉心指导下完成的。从论文的选题和构思、试验 方案的设计和实旌、数据处理和论文撰写等方面都倾注了导师无数的心血。恩师 严谨的治学态度、渊博的专业知识、敏锐的学术思想以及勤勉的敬业精神让我终 身受益，将激励我在今后人生道路上不懈努力和开拓进取。三年来，导师在学习 和生活上给予的照顾和对我科研业务能力的培养，让我倍受感激。在此，谨向恩 师致以崇高的敬意和诚挚的谢意! 在攻读博士学位过程中得到了濮培民研究员、叶正钱副教授、魏幼璋教授、 何振立教授、倪吾钟教授、石伟勇教授、吴良欢教授、郑绍建教授、罗安程教授、 方萍教授、马国瑞教授、李廷强老师、冯英老师、彭红云老师等的热心指导和帮 助，谨此表示诚挚的感谢! 感谢方云英、丁学锋、吴湘、蔡景波、熊集兵，焦蓉婷同学在试验中的大力 帮助。感谢贾彦博、田生科、张玲、柳丹、e j a z 、陈文荣、孙权、李江遐、申屠 佳丽、金晓芬、卢玲丽、孟凡花、王蕊、鲁洪娟、郝虎林、荆延德、晁岳恩、朱 艳霞，何万领，刘勇军，胡绵好，孙春燕，吴春勇等同学营造了良好的研究气氛 和学习环境，使我能够顺利完成博士论文。 感谢我的父母，感谢这人世上最无私的母爱、父爱! 为了我的求学，他们省 吃俭用，劳苦一生，倾注了全部心血，没有他们的辛勤付出，就没有我的今天! 感谢我的姐、哥及他们的家人，感谢那分最真的亲情，对我求学精神和物质无私 的关爱。最后还要感谢我的朋友，两年来，无论在物质上还是精神上，她付出了 很多很多，作出了巨大的牺牲。 感谢所有给予我指导、帮助和支持的领导、老师和同学以及将要参加本论文 评阅和答辩的各位专家、教授在百忙中付出的辛勤工作! 感谢所有关心和支持我的人! 常会庆 2 0 0 6 年6 月于杭州华家池畔 水生植物和微生物联合修复富营养化 水体的试验效果及机理研究 中又摘要 水问题是全球所面临的最热点环境问题之一，而其中氮磷污染与富营 养化又是水体污染最为普遍的现象，也是国内外水污染治理的难题，随着 人们对生态环境重视程度的提高，使用生态修复的方法来治理富营养化已 经越来越受到人们的关注，因为该方法以低廉高效的太阳能为能源，保护 并恢复了我们的生态系统。本论文以植物营养生态学的理论为基础，应用 水体修复小试和中试等技术平台，较为系统地研究了水体植物一微生物联 合作用对富营养化水体中氮磷的去除和修复效应及其机制。主要研究内容 包括：夏季漂浮水生植物及冬季沉水植物与固定化氮循环细菌( i n c b ) 联 合修复富营养化水体的效应及技术基础；固定化光合细菌与不同水生植物 联合作用对重富营养化水体修复效果及其机理的研究：探讨了水生植物对 不同形态氮吸收动力学特性及其根系分泌有机酸组分特点以及根系粗分泌 物对固定化氮循环细菌和光合细菌作用的研究。取得的主要研究结果和结论 包括： 1 应用物理生态工程的技术和原理，在夏季利用漂浮植物风眼莲 ( e i c h h o r m ac t a s s i r e s ) 作为先锋植物并结合固定化氮循环菌可以起到对 富营养化水体原位修复的目的。通过对接种固定化氮循环菌在水体中的定 量分析，并且结合漂浮植物的修复方法，来评价它们对氮素等水质变化的 影响和作用机理。研究表明：接种的固定化氮循环菌和漂浮植物凤眼莲都 有较大的净化水质的潜能，并且两者相结合时表现出了最佳的净水效果：与 处理前的水质相比较，试验期间总氮降低了7 0 2 1 ，亚硝态氮和铵态氮分别降 低了9 2 2 1 和5 0 9 1 ；水体的透明度由修复前的0 5m 提高到修复后的1 8m 。 此外，该系统中还具有较低含量的叶绿素mc o d 。和较低的、p h 值。当固定化 氮循环微生物接种于漂浮植物系统中时，除了氨化菌变化不明显外，亚硝化菌， 硝化菌，反硝化菌群数量与对照相比可以增加卜2 个数量级，其中增加的微生物 势必对氮素的去除和水质的提高产生作用。因此，我们可以得出夏季利用的漂浮 植物一微生物( i n c b ) 系统可以达到原位提高富营养化水体水质的目的。 2 由于沉水植物和漂浮植物栖息环境不同，因此它们对于水生态系统平衡所 起的主要作用也各不相同。漂浮植物生长季节主要在夏秋季，而要取得周年的修 复效果，就需要在冬春季节有维持和提高水体水质的体系来支持。以沉水植物伊 乐藻( e j o d e a n u z t a i i ) 和固定化氮循环微生物为主体的原位修复技术可以起 到维持和提高水质的效果。试验结果表明：采用两者的结合对维持和提高水质效 果最为明显，其中对水体中几种形态的氮素都有不同程度的降低的作用。如t n 可以降低4 0 1 8 ，亚硝态氮和铵氮分别降低9 8 6 7 和8 5 1 5 ，而且有利于水 体透明度维持和提高以及叶绿素的降低等效果。其主要原因是由于沉水植物伊乐 藻不但可以从底泥中吸收养分，而且可以直接从水体中进行营养盐的吸收利用。 此外，接种的氮循环菌群通过氨化作用、硝化和反硝化作用促使水体中的氮素以 气态的形式去除。在试验的后期，虽然水体中总磷( t p ) 和可溶性磷( d p ) 的含 量在各处理中都表现出上升的趋势，但是伊乐藻( e l o d e a 力u 据j j j 和氮循环 菌相结合确能对磷含量的升高有明显的缓冲作用。 本试验同时对四种菌群的氮循环微生物：氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细 菌、反硝化细菌在富营养化水体和底泥中的分布情况做了定量的研究。试验结果 表明：种植沉水植物( e l o d e a n u t t a l l i i ) 并接种固定化微生物都促进了水体和 底泥中四种菌群微生物数量的增加。而且两者相结合的处理效果最为明显，与对 照相比除氨化菌外，其它种群的微生物有卜3 个数量级的增长，而且差异达到了 显著性差异( p o 0 5 ) 。虽然不同时期受环境因素的影响，各种群微生物变化并 不一致，但总体上底泥与水体相比较总分布有更多的氮循环微生物。因此，冬季 利用沉水植物镶嵌技术并结合固定化微生物，以加速富营养水体中氮素转化，是 维持水质和提高系统缓存性能的可行之策。 3 采用漂浮水生植物黄花水龙( j u s s i a e as t i p u l a c e ao h w i ) 和沉水植物伊 乐藻( e 1 0 d e a 月u f 招f d 结合固定化光合细菌在室内模拟重富营养水体进行的 修复研究。其结果表明：在处理6 天时，不同处理对水体中营养物质t n ，t p ，硝 氮和铵氮都有不同程度的去除效果；当处理1 9 天时，固定化光合细菌结合漂浮植 物黄花水龙表现出最佳的去除效果：对t n ，t p ，铵态氮去除率分别9 8 0 1 ， 9 0 2 6 ，9 8 5 2 。单独光合菌的处理则对c o d m 。有最高的去除率8 3 1 3 ；在1 9 天处理时间内，对于t n ，t p 和铵氮的去除也分别达到了5 7 5 4 ，5 9 6 5 ， 6 2 8 4 。研究还表明：植物处理和接种固定化光合菌有利于体系中d o 浓度的增加， 同时也有明显的抑制藻类生长的作用。由于黄花水龙( j u s s i a e as t i p $ d a c e ao h w i ) 生物量的增加而去除的t n ，t p 最高分别为3 6 3 和3 4 6 8 。另外与有沉水植物 的系统相比，漂浮植物系统中较高的硝化和反硝化率也是促进水体中氮素的去除 一个主要原因。因此可以借鉴该研究中的植物一微生物系统来处理养分含量高的 污染水体，特别是对于城市污水厂尾水的深度处理是个方便、可行又节约能源 的生态处理方法。 4 进行水生植物对n h 4 + 和n 0 3 - 吸收动力学的研究。目的在于进行水体的生 态修复时，可以根据不同营养状况的富营养化水体而选择相应的养分吸收效率的 水生植物。本研究中比较了三种水生植物黄花水龙( u s s i a e as t i p u l a c e ao h w i ) 、 伊乐藻( e l o d e an u t t a l l i d 、风眼莲( e i c h h o r n i ac r a s s i p e s ) 对于铵态氮和 硝态氮吸收动力学特征。结果表明：漂浮植物黄花水龙( j u s s i a e as t i p u l a c e a o h i ) 和风眼莲( e i c h h o r n i ac r h s s i p e s ) 具有较大的吸收速率v 一和k 。值， 因此，它们更适合作为先锋植物对污染严重的富营养化水体进行前期的修复治 理，待水体水质提高到一定的程度时，再利用去污能力低的沉水植物进行对修复 水体水质的维持和提高，并在此基础上可逐步建立一个较为稳定的、生物多样性 的生态系统。由于沉水植物伊乐藻( e l o d e an u t t a l l i i ) 对铵态氮和硝态氮的吸收 有较低k 。值和v 一值，因此更适合对轻度污染的富营养化水体直接应用伊乐藻 来去除养分和维持水体水质。 5 对三种水生植物：黄花水龙( j u s s i a e as t 功妇c 船o h 矿i ) 、伊乐藻( e o d e a n u t t a i i ) 、风眼莲( e i c h h o r n i ac r a s s i p e s ) 分泌有机酸的分析结果表明： 三种水生植物分泌的主要有机酸组分以草酸和酒石酸为主。而且不同种类的水生 植物会分泌不同量的两种有机酸，其中对草酸和酒石酸的分泌量都以黄花水龙为 最多。由于水生植物在生长的不同阶段，会分泌出不同的种类和数量的有机酸。 因此，种植不同的水生植物将会在不同的时期对水体环境造成不同的影响，从而 影响到根系微生物的群落和分布，进而影响到植物一微生物系统对富营养化水体 的修复效果。 6 植物分泌物和功能微生物的相互作用对于植物一微生物系统净化水质效 果扮演着重要的作用。当加入三种植物( 黄花水龙，风眼莲，伊乐藻) 的分泌物后 对试验中所接种的氮循环微生物和光合细菌进行培养，结果表明：三种水生植物 粗分泌物对光合细菌都起到了促进生长的作用，但是对于氮循环微生物却有不同 的作用效果：分泌物对氨化菌和反硝化菌生长有促进作用，但是对于亚硝化菌和 反硝化菌表现出抑制的作用。而且不同水生植物的分泌物对微生物作用大小也有 所差异。这些结果能为今后进行植物一微生物修复体系中选择何种水生植物和接 种微生物能起到最佳的修复效果提供依据。 关键词：富营养化，生态修复，水生植物，微生物，水污染 文献综述 第一篇文献综述弟一扁又献练】丕 第一章水体富营养化及其发生机制 1 1 我国水资源概况与水资源污染现状 1 1 1 水资源概况 水是生命之源，没有水就没有生命。世界上水的总储量约有1 4 亿k m 3 ，覆盖 7 0 以上的地球表面，但是其中9 7 2 的水都分布在大洋和浅海中，这些咸水是 人类无法直接利用的( 要利用需要海水淡化，但是成本高) 。地球的淡水比例仅 占2 8 左右，陆地上两极冰盖和高山冰川中的储水占总水量的2 1 5 ，目前也无 法直接利用。其余不n i 的淡水又有将近一半被土壤和空气吸收，余下的部分蕴 藏在地球表面分布极不均等的江河湖泊之中。约0 6 5 才是人类可直接利用的。 据统计，过去的5 0 多年，全世界淡水使用量增加将近4 倍，每年高达4 1 3 0 立方千 米，农业用水占全部用水的6 0 ，因过去的2 0 余年中，灌溉面积增加了三分之一 以上。全球人均水资源拥有量日益下降，有1 0 0 多个国家缺水，严重的有4 0 多个。 据预测，亚洲的用水量下世纪将从目前占世界用水量的一半上升到近三分之二。 我国水资源总量约2 8 1 2 4 亿l m 3 ( 其中地下水8 0 0 0 t l m 3 ) ，居世界第六，而人均水资 源不足2 4 0 0 m 3 ，约为世界人均水资源量的1 4 ( 曲格平，1 9 9 0 ) 。相当于美国的 1 5 ，加拿大的1 4 8 ，世界排名1 1 0 位，我国被列为全球1 3 个人均水资源贫乏国家 之一。 1 1 2 水资源污染现状 据不完全统计，全世界每年排放的污水超过4 3 0 0 亿t ，造成5 5 0 0 0 亿m 3 的 水体受到污染，约占全球径流总量的1 4 以上。据联合国调查统计，全世界河 流稳定流量的4 0 左右受到污染，据1 9 7 9 1 9 8 4 年的监测结果，世界上1 0 的 河流缺氧3 0 以上，5 0 的河流含有较高的大肠杆菌。世界卫生组织指出，缺 乏清洁水和基本卫生设备，是世界上近8 0 疾病产生的根源。全球每天死于水 源疾病毒人数达2 5 万人，数百万人身体受损( 李训贵，2 0 0 4 ) 。 1 1 3 我国废水和主要污染物排放量 我国在2 0 0 4 年废水的排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量为2 2 1 1 亿 吨，生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨。化学需氧量排放量为1 3 3 9 2 万吨，其中工业 排放量为5 0 9 7 y i 吨，生活排放量为8 2 9 5 万吨；氨氮排放量为1 3 3 o 万吨，其中 工业排放量为4 2 2 万吨，生活排放量为9 0 8 j 吨( 国家环保总局2 0 0 4 年中国环 境状况公报) 。 文献综述 表1 1 废水及主要污染物排放统计 t a b l e1 1s t a r a b o u tt h ee f f l u e n c eo ft h ew a s t ew a t e ra n dm a i np o l l u t a n t s ( 国家环保总局2 0 0 4 年中国环境状况公报) 1 1 4 水体污染物的主要类型 需氧污染物：水体中所含的碳氢化合物、脂肪、蛋白质等有机化合物在水中 微生物等作用下，最终分解为二氧化碳、水等简单的无机物，同时消耗大量的氧； 而水体中的亚硫酸盐、硫化物、亚铁盐和氨类等还原性物质，在发生化学氧化时， 也要消耗水中的溶解氧。这些物质就统称为需氧污染物。水中溶解氧的下降，势 必影响鱼类及其它水生生物的正常生活，使水质恶化。一般来说，大多数鱼类要 求生活在溶解氧为4 m g l 以上的水体中( 如河鳟为3 - 1 2 m g l ，鲤鱼为6 - 8 m g l ， 青、草、鲢、鳙鱼为5 m g l 以上) 。当溶解氧 1 2 时磷为限制因素； 文献综述 n ：p 7 时氮为潜在的限制因素；7 n ：p 3 时就表 明水体已经处于富营养型( 况琪军，1 9 9 9 ) 。 0 文献综述 1 3 3 多样性指数 生物多样性是指一定空间范围内多种多样性的有机体( 动物、植物、微生物) 有规律地结合在一起的总称。它是对自然界生态平衡基本规律的一个简明的科学 概括，也是衡量生产发展是否符合客观规律的主要尺度。一个湖泊本身是一个完 整的生态系统，它是由浮游植物、浮游动物、底栖动物、水生昆虫、底生藻类、 水生维管束植物、腐屑和细菌以及摄食各种生物的多种鱼类构成( 杜宝汉，1 9 9 9 ) 。 1 3 4 指示生物法 把浮游植物作为评价水质污染的指示生物是由于藻类种群与水环境问存在 天然的生态平衡和保持相对稳定性的关系。一旦水质污染使环境因子发生改变， 将直接影响原有生物种群的平衡，使种群的组成和数量发生变化。为此，用生物 的指示种群来划分水质的污染级别和表示其污染的程度。此外，还可以用轮虫的 种类来判定水体的水质状况以确定污染等级。l a d e c e k 认为：臂尾轮虫与富营养化 水体关系密切，而异尾轮虫类则多生活在贫寡营养型水体中( g e o r g i e v ，1 9 9 0 ) 1 3 5 营养状况指数法 t s i 指数法：卡森是以透明度为基础，分为o - 1 0 0 的连续值，作为评价湖泊 营养状况的分级标准 t s i ( s d ) ：l o ( 6 一! ；罂) ，当t s i 指数为零时，湖泊的营养状态最低，此时透明 度最大。 修正的卡森指数：卡森指数是以透明度为基准的，没有考虑到除浮游植物以 外的其它因子对透明度的影响，因此日本的相崎守弘等人，把以透明度为基准的 t s i 指数，改为以叶绿素a 浓度为基准的营养状况指数，称之为修正的营养状况 指数( t s i m ) ，该指数同样采用0 - 1 0 0 的连续值来描述湖泊的营养状况，并使c h l a 每增加2 5 倍，t s i m 指数值增加1 0 ，其基本计算公式为：t s i m ( c h l ) ：1 0 ( 2 4 6 + ! 坚竺) l n 2 5 1 3 6 特征法评价指标 特征法是根据湖泊富营养化的生态环境因子特征来评价湖泊营养状况的方 法，最早是由1 9 3 7 年由日本的吉村提出如表1 3 ( 金相灿，1 9 8 7 ) 文献综述 表1 3 富营养化程度的综合判定 t a b l e1 3t h ei n t e g r a t e d j u d g e m e n ta b o u tt h ed e g r e eo f e u t r o p h i c a t i o n 1 3 7 营养评分模式 基本公式如下： m = 三步m 咒一i = l 式中，m 是富营养化程度的评分值( 各调查点) ；m ，评价参数的评分值：7 ，评 分参数的个数。 评分参数的评分值是根据表1 4 所示的评分标准，在o 一7 0 分的范围内，分 别赋予各评分参数相应的评分值。评分值愈高，表明水域的富营养化程度愈高。 文献综述 n 0 3 一n ( m g l - 1 ) 0 0 5 o 1 0 2 0 4 0 5 0 8 q 8 n 0 2 n ( m g ol 4 ) 0 0 0 1 ( o0 0 3 ( 0 0 1 o 0 3o 0 5 o 2 q 2 n h d n ( m g l _ ) 0 0 5 0 一 0 3 0 5 0 7 1 0 1 0 t n ( m g - l _ 1 ) 0 1 0 2 5o 5 ( 0 6 1 0 15 p o r p ( m g l - b o 0 0 1 0 0 0 5 o 0 1 0 0 3 o 0 5 o 1 0 1 t p ( m g l 1 ) 0 0 0 1 0 0 0 5 o 0 1 0 0 3 0 0 5 0 1 q 1 c h l a ( u g l 1 ) 0 5 152550500500 c o d ( m g l - 1 ) o 1 5c 0 4 1 0 2 0 5 0 3 0 1 5 1 0 0 4 0固4 0 评分值9 0。- - 。u 自 1 。3 。9 人工神经网络评价方法 人工神经网络理论是目前最活跃的前沿学科之一，尤其适合于处理非线性系 统。它力图模拟人脑的一些基本特征，可进行并行计算、分布式信息存储，具有 很强的自适应性、自组织性，特别是能处理任意类数据，这是其它传统方法所无 法比拟的。国内，人工神经网络技术虽已在湖库的富营养化评价方面获得了应用 ( 熊德琪，1 9 9 3 ) ，如谢宏斌( 1 9 9 9 ) 用b - p 神经网络对南湖水质富营养化进行综 合评价，任黎( 2 0 0 4 ) 利用神经网络模型评价了太湖的富营养化状态，卢文喜等 ( 1 9 9 8 ) 应用神经网络方法对我国1 7 个湖泊的富营养化程度进行了评价，但并没 有取得比其它方法更好的结果。经分析，主要原因是：( 1 ) 在确定人工神经网络 评价模型时，没有使用检验样本和测试样本，多数文献使用了较少的训练样本； ( 2 ) 使用了太多的隐层及其节点数；( 3 ) 部分文献输出层采用多个输出单元， 富营养化等级的识别比较困难。这些缺陷造成网络评价模型泛化能力较差。虽然 人工神经网络在求解这类不确定性问题方面具有很强的优越性，但由于现阶段我 国积累的数据量极其有限，难以满足该方法对大量数据样本集的要求，这对人工 神经网络方法的应用不能不说是一个挑战。 1 3 1 0 指标测定法 。 光合作用强度与呼吸作用强度的比值：这里所说的光合作用指水中藻类原 生质的合成作用，呼吸作用主要是指藻类为动物性浮游生物和鱼所捕食，以及藻 类和有机底物为微生物所降解的呼吸作用的总和。在贫营养水体中的真透光区， 由异养生物生长利用藻类作基质的呼吸强度与初级生长率相平衡，即光合作用 ( p ) ：呼吸作用( r ) = 1 这是正常水体的情况；在富营养化水体的真透光区内， 光合作用超过分解藻类的强度，即p ：r i ；当营养与光均成为限制因素时，光合 作用强度明显下降，异养生物降解有机物的作用加强，这时释放出的植物性营养 物质，为在新的更严重的富营养化条件下进行更强烈的光合作用提供了物质基 础，此时p ：r l ，当水体的光合强度与呼吸作用强度的比值不断波动。凡是大幅 波动与p ：r l 和p ：r l 之间的水体，是典型富营养化的表现。 藻类生产潜在能力的测定：该法测定时在水样中接种特定藻类( 般接种蓝 细菌、绿藻、硅藻) ，然后置于一定照度和温度条件下培养，使藻类生长达到稳 定期，最后用测定藻类细胞数或干重的方法，来决定藻类在某种水体中的增殖量， 文献综述 此值就称为藻类增殖量( a l g a lg r o w t hp r o t e n t i a l ，a g p ) 。由于营养物浓度与藻 类生物量成正比关系，水体中氮磷含量决定着藻类生长的潜在能力。一般贫营养 湖的a g p 在i m g l 以下，中营养湖为l - l o m g l ，富营养湖为5 - 5 0 m g l 。 光合作用产氧能力的测定：该法测定的是水样在自然光照条件下由于藻类 光合作用而增加的氧量。在日出前取三瓶水样，盖紧瓶盖并使瓶内不留有气泡。 将一瓶水样立即测定溶解氧的含量，作为本底值。另两瓶，其中一瓶需要用黑布 包好，不透光，然后直接放在阳光下，经过一定时间光照后，分别测定各瓶里的 溶解氧含量。将暴露在阳光下的瓶子内溶解氧含量扣除本底值，再加上用黑布遮 光瓶内因呼吸作用而消耗的氧值，即为该水样中藻类在一定时间的光照过程中所 产生的氧量。产氧量越多，说明藻类活动越旺盛。 鉴于我国农业和生活发展水平，决定了向水体输入氮磷等营养物质的影响还 将在很长一段时期内存在。因此建立适合我们国家的富营养化水体的评价标准， 并确定相关的概念尤为重要，我国的富营养化标准不能简单地套用欧洲的标准。 特别是浅水湖泊，不能简单地用透明度等来划分。目前富营养化的量化、定义尚 不明了，沼泽化与富营养化的差异，以及用什么指标( n ，p ，c ，s i ，c a ) 来指示湖泊 富营养化的程度等问题也值得讨论。需要加强对重点湖泊的长期观察，获得基本 数据以准确定义。欧洲的湖泊都有非常完整的长期观测资料，记录了从开始富营 养化演替为贫营养化的过程，值得借鉴。 文献综述 第二章水体富营养化控制措施 防止水体富营养化，主要是要解决水体的氮磷污染问题。通常可以采取以下 措施：首先必须对湖泊的外源和面源污染进行控制。主要任务是控制人为污染源， 减少或截断外部输入的营养物质；其次是对内源污染负荷的去除。主要的方法有 工程性措施、化学方法、生物性措施等等。因此，根据造成富营养化水体的具体 特点，结合我国国情探索一条经济、有效的治理方法已成为研究者的当务之急。 2 1 使用物理方法治理富营养化水体 2 1 1 底泥疏浚 疏浚底泥被认为是减少内源污染的一个重要的方法，能有效的去除那些底泥 中的营养物质含量，因此被认为是治理富营养化水体的一种有效方法。但是底泥 的疏浚耗资巨大，如滇池在1 9 9 8 1 9 9 9 年期间完成的滇池草海疏浚工程，该工程 涉及草海水域面积2 8 8 平方公里，疏挖底泥量就达2 9 7 o 万立方米，疏浚总投资 就高达1 4 l 亿元( 郭培章等，2 0 0 3 ) ，而且底泥疏浚后还可能引发水体中营养盐 浓度的升高。因为水体深层底泥中的可溶性磷以及氨氮可能高于表面底泥。当把 表层底泥挖掘后，正好暴露出深层底泥高含量的可溶性磷和氨氮，使更多的磷和 氮从底泥中释放出来，使水质进一步恶化。因为湖泊本身有很强的自净能力，污 染物进入湖泊后，通过物理，化学，生物和沉积过程，沉降于湖底，或转化为生 物资源，或释放到大气，或输出湖泊，所以说明湖底有时扮演的角色不是污染源， 而是库的作用。在这种情况下，特别当输入水质尚未明显改善情况时，就进行疏 浚底泥，可能会导致水质的进一步恶化。迄今为止，许多的实例说明，尚未见到 在中等以上湖泊中通过底泥疏浚控制湖泊富营养化的明显实例。 1 9 9 8 年曾对南京玄武湖也大规模清淤，水体透明度，c o d 和t p 基本不变，t n 略有改善，离控制富营养化相差很远。韩伟明( 1 9 9 3 ) 研究了清淤挖泥对杭州西 湖水质的影响，指出目前每年疏浚底泥对改善西湖水质效果不明显，湖水中的 c h l a 依然呈上升趋势。但湖中原有的水生植被及底栖生物群落被彻底破坏，汛 水自净能力急剧下降，湖水逐年递增，富营养化更加的严重。可见，单纯的清淤 挖泥对控制富营养化藻类种群暴发尚未见明显的效果，即使在无底泥情况下，藻 类依然会爆发。就底泥对湖水营养盐浓度的影响，存在着争议( k e i z e r ，1 9 9 2 ； 隋少峰，2 0 0 1 ) 。一些学者认为湖泊底泥有明显的磷释放现象( 袁文权等，2 0 0 4 ， 陈宜宜，1 9 9 7 ，胡雪峰，2 0 0 1 ) ，但根据实际检测结果及质量平衡原理，目前一 些湖泊的底泥是磷的沉积汇，而不是释放源。实验室模拟研究发现底泥中的氮存 在着明显的“负释放”现象( 范成新，1 9 9 8 ) ，挖泥对t n 的影响有时甚至可能呈 相反的情况。因此，清除底泥是否能降低湖水中氮、磷浓度还需要深入的研究。 文献综述 2 1 2 截污 处监堕鎏星渔泊萱菱塾的重蔓塞近! 垦些! 蕉适量撞剑重董差丝迦迫萱羞盐 的首要步骤。如滇池湖岸线长达1 6 3 千米长的环湖截污管道，可以拦截和收集所 有流向滇池的污水。西湖总长1 8 0 0 米的环湖截污干渠同样是治理西湖污染的重点 工程之一。但是，对营养盐浓度较高的富营养化湖泊来说，光靠截除外源污染还 远远不能达到治理湖水的目的。理论上，即使外源污染能完全截除，湖水中的营 养盐依然存在。而实际上，如降水、地表径流等外源污染也不可能截除。南京玄 武湖曾于1 9 9 0 年完成了对唯一的点污染源的截污工程。截污后，尽管湖区水体氮、 磷有所下降，但c h l a 反而呈上升趋势，而且，截污前后藻类种群也未见明显变 化，仍以蓝藻和绿藻为优势种群。王国祥等在杭州西湖所进行的围隔模拟截污实 验也表明，截污后水体的c h l a 不但未见明显下降反而有所上升，同时，围区内 以微囊藻为优势种，并出现“水华”，而同期围区外未见微囊藻及“水华”，优 势种为平裂藻、小球藻和直链藻( 王国祥，1 9 9 9 ) 。由此可见，对于富营养化严重 的湖泊，单纯依靠截污难以有效控制富营养化水体中的藻类暴发。 2 1 3 引水换水 引水换水的方法对于稀释富营养化严重湖泊的营养盐的确作用明显，能够降 低其中营养盐的浓度，但是最终没有能去除水体中营养物质，是治标不治本的权 宜之计。只是暂时的把污染转嫁到其它地区，侵占下游水体的环境容量。而且由 于稀释作用同时也减缓了藻类生长的密度制约压力，引水冲污后藻类生长往往呈 现加剧趋势。根据实际检测，南京玄武湖进行引水冲污，水体中氮磷浓度，叶绿 素a 等都有所下降，缓解了该湖严重的富营养化状况。但换水之后，湖内藻类数 里和生物量急剧回升( 王国祥，1 9 9 9 ) 。引钱塘江水冲洗西湖后，水中t n t p 有所 下降，但湖区内叶绿素a 较引水前有所上升。停止引水1 0 天后，湖水t p 几乎恢复 到原来水平。由此可见，单纯用引水冲污的办法控制富营养化藻类的过度生长繁 殖，往往难以奏效，充其量也只是一项治表的应急措施。 2 2 使用化学方法治理富营养化水体 化学方法：这是一类包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻的方法，例如有许多种 阳离子可以使磷有效地从水溶液中沉淀出来，其中最有价值的是价格比较便宜的 铁、铝和钙，它们都能与磷酸盐生成不溶性沉淀物而沉降下来。例如美国华盛顿 州西部的长湖是一个富营养水体，1 9 8 0 年1 0 月间向湖中投加铝盐的办法来沉淀湖 中的磷酸盐。在投加铝盐后的第四年夏天，湖水中的磷浓度则由原来的6 5 p l 降到3 0 ug l ，湖泊水质有较明显的改善。在化学法中，还有一种方法是用杀藻 剂杀死藻类。这种方法适合于水华盈湖的水体。杀藻剂将藻杀死后，水藻腐烂分 文献综述 解仍旧会释放出磷。因此，应该将被杀死的藻类及时捞出，或者再投加适当的化 学药品，将藻类腐烂分解释放出的磷酸盐沉降。但是使用化学方法很容易造成环 境的二次污染。因此，该法应尽量避免在饮用水源地或人类活动频繁的地区使用 ( 陈水勇，1 9 9 9 ，杨文龙，1 9 9 9 ) 。 2 3 利用生物的方法治理富营养化 生物性治理措施是一项去除湖泊内源性营养物负荷的有效措施。利用水生生 物通过吸收利用氮、磷元素进行代谢活动以去除水体中氮、磷营养物质的方法。 能源是利用太阳能，污染少，能实现资源的再利用，有利于建立合理的水生态循 环。 2 3 1 利用藻类治理富营养化水体 2 3 1 1 利用单细胞藻类 单细胞藻类不但具有蛋白含量高，耗能少等特点，而且可以利用单细胞藻类 如螺旋藻，小球藻或栅藻来吸收净化水体的营养盐( o s w a l ，1 9 6 8 ：c h u n g ，1 9 7 8 ； c h a u h a h a n ，1 9 9 5 ) 。但是单细胞藻类，由于其体积微小、很难收集。因此，用于 净化大型的湖泊、水库将会受到限制。 2 3 1 2 利用水网藻 水网藻是大型的网片状或网袋形绿藻，细胞呈长筒形，每一个网目由4 6 个 细胞组成，通常生长于池塘沟渠等处。日本科学家经广泛的调查后发现水网藻繁 殖能力比形成水华的蓝、绿藻更强，并在其生长过程中可以吸收大量氮磷，使氮、 磷含量恢复至正常水平( s t a r y ，1 9 8 7 ) ，而蓝绿藻由于失掉了赖以生长的高营养条 件，无法在水体中大量繁殖，达到以藻治藻的目的。水网藻的生长与温度、光照强 度、营养物浓度等环境条件密切相关( h a w e s ，1 9 9 3 ；m o s s ，1 9 7 2 ) 。水网藻对营养 物质的吸收能力随着其生长率的增大而增强，当温度、光照、氮磷浓度的增加， 其对营养物质的吸收能力也随之增强( 王朝晖，1 9 9 9 ) 。 2 4 1 利用微生物修复污染水体 微生物作为生态系统中的分解者，对污染物的去除和养分的循环起着不可 忽视的作用。尤其当水生态系统中接纳大量的无机营养物质。通过对氮的氢化、 硝化、反硝化作用，微生物驱动着水体中氮的生物地球化学循环；微生物参与着 有机磷的分解作用，可以促进水生植物的吸收利用。最近研究发现湖泊沉积物由 厌氧条件下的微生物还原可产生磷化氢( j e n k i n se ta 1 ，2 0 0 0 ；r o e l sa n dv e r s t r a e t e 2 0 0 1 ) 同样参与着湖泊磷的生物地球化学循1 5 f ( g l i n d e m a n ne ta 1 ，1 9 9 6a n d1 9 9 5 ) ； 微生物和酶能分解水体中的有机物，然后以c 0 2 形态还原到大气中。当氮磷浓 文献综述 度不断增加时，碳有可能成为新的限制因子。因此高浓度的有机物也可能引起蓝 藻暴发。依靠接种有益微生物菌株来加速c 、n 、p 在水体环境中的生物地球化 学循环，并强化对这些营养物质的去除，可以作为生物修复中的一项重要手段， 接种的微生物既可单独使用，也可作为植物修复的配套技术使用。 2 4 1 1 固定化光合细菌( p s b ) 使用 固定化光合细菌是将游离的光合细菌( 红螺科，红假单胞菌属的光合细菌) 利用固定化材料将其固定，用于处理污染水体的一种方法。可用固定化光合细菌 净化养鱼塘水质( 战培荣，1 9 9 7 ) ，h i s a s h i 等( 2 0 0 0 ) 用固定化光合菌处理合成废 水表现出较高的去除效果：4 8 d x 时可有效的去除c o d ( 8 9 ) ，磷( 7 7 ) ，硝态氮 ( 9 9 ) ，h 2 s ( 9 9 8 ) 。 2 4 1 2 固定化氮循环细菌 固定化氮循环菌在参与水体的氮素循环起着重要的作用，不少研究表明接种 固定化氮循环菌对去除富营养化水体中过量氮素。李正魁等( 2 0 0 0 ) 应用固定化氮 循环细菌技术( i m m o b i l i z e dn i t r o g e nc y c l i n gb a c t e r i a ，简称i n c b ) 在冬秋季环境 下净化湖泊水体氮污染的研究表明：富营养化湖水经固定化氮循环细菌净化后， 总氮下降7 2 ，铵氮下降8 5 6 ，在冬季低温( 7 ) 条件下仍保持了较高的除氮 能力，总氮和铵氮去除率分别达到了5 5 6 ，5 8 9 。常会庆等( 2 0 0 5 ) 用伊乐藻 和固定化细菌共同作用研究富营养化水体中养分变化表明：两者相结合对水体中 的几种形式的氮素都有不同程度的降低作用。 2 4 1 ，3 固定化聚磷菌的应用 聚磷菌的菌群主要有不动杆菌( a c i n e t o b a c t e r ) ，气单胞菌和很单胞菌，革 兰氏阳性菌等等。聚磷菌的除磷本质在于：在厌氧条件下，聚磷菌分解体内的聚 磷酸盐同时产生a t p ，并利用a t p 将废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，以p h b ( 聚 一b 一羟基丁酸盐) 及糖原等有机颗粒的形式储存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐 所产生的磷酸排出胞外：这时细胞内还会诱导成生相当量的聚磷酸盐激酶。聚磷 酸盐分解后的无机磷释放自聚磷菌体外，此为聚磷菌厌氧放磷现象。一旦进入好 氧环境，这类聚磷菌又可利用聚一b 一羟基丁酸盐氧化分解所释放的能量来摄取污 水中的磷，并把所摄取的磷合成聚磷酸盐而储存于细胞内。聚磷菌就是依靠好氧 吸收比厌氧释放更多的磷来达到除磷目的。由于聚磷菌是一类生长较慢的细菌， 它们较容易在厌氧和好氧交替的环境而成为优势菌群。因此采用固定化技术时， 如果能选用一种合适纳米材料对聚磷菌进行固定( 由于纳米吸附材料的特殊优 点) 并模拟聚磷菌的聚磷条件运用于物理生态工程将可能达到除磷的目的( 常会 庆等，2 0 0 5 ) 。 文献综述 2 4 1 3e m 制剂修复湖泊富营养化 e m 菌是由筛选出的优势乳酸菌、酵母菌、放线菌及光合菌等功能性菌株组 成，具有广泛的应用价值。王平等( 2 0 0 4 ) 通过细胞液体培养系统地考察了有效 微生物群( e m ) 对3 种常见“水华”藻类生长的抑制作用及适宜条件。试验结 果表明：e m 能显著抑制衣藻、四尾栅裂藻和判星藻的生长，培养7 d 时，3 种藻 类生物量平均降低率分别达到4 6 8 0 ，9 9 0 7 ，9 7 1 7 ；e m 发挥良好抑藻作 用( 绿藻) 的适宜条件为：培养温度3 0 ，培养时间5 d ，e m 投加量( v ( e m ) ：v ( 原 水) ) 为1 ：1 0 0 0 一l ：1 0 0 0 0 ，培养基的p h6 0 - 8 0 。同时王平等( 2 0 0 4 ) 接种 有效微生物群( e m ) 1 ：i 0 0 0 0 处理藻型富营养化水体的效果表明：水样叶绿素 如t n ，t p 及c o d 。去除率分别达9 0 4 9 ，4 5 2 5 ，5 5 4 8 及8 2 3 7 。 2 4 1 4c i e a r - f 1 0 系列菌剂修复湖泊富营养化 c l e a r f l o 是美国a l k e n m u r r y 公司开发的系列微生物制剂，除了用于修复污 染河流外，也用于修复富营养化的湖泊。1 9 9 7 年，美国马里兰州g a i t h e r s b u r r g 城的个富营养化湖泊补充了添加剂c 的c l e a r - r i o1 2 0 0 阻止了丝状篮绿藻的滋 生。1 9 9 8 年西班牙一富营养化池塘投加c l e a r - f l o1 0 0 1 结合少量的聚合物，池塘 水立即变清，之后再持续不加c l e a r - f l o1 0 0 1 进行处理，则可以保持池塘水体的 持续清澈，治理后b o d 5 下降9 7 ，c o d 下降8 5 ，s s 总量下降9 8 ，磷酸 盐下降6 9 ( 李建政，2 0 0 4 ) 。 2 4 1 5 基因治藻 美国环境研究国家中心启动了的e c o h a b 项目专门对引起赤潮的有毒甲藻 ( d i n o f l a g e l l a t 曲进行了系统研究。e c o h a b 项目采用了在分子水平上的d n a 技 术，寻找甲藻的基因序列，建立数据库和适时的量化评价方法，以求对其生态学 的完全理解，从而找到经济有效的治理方法( 李小平，2 0 0 2 ) 。 近年来，蓝藻在基因运载构建、基因定位、基因转移、表达、功能分析等方 面都取得了显著进展。利用基因工程，我们可以培植一批经济价值高、有自净化 功能的藻类植物用于污水处理，也可以培植藻类的竞争生物，抑制那些特征性藻 类的生长，或者直接利用生物生产除藻剂。 专家认为，虽然对藻类病毒的研究还处在初期阶段，但已有的生物化学和基 因研究成果可以作为有害藻类( 主要是甲藻类) 生物抑制剂的工程。通过改变蓝藻 d n a 基因的某些特性( 例如改变蓝藻气泡生长等) 来抑制蓝藻的生长。相信在不久 的将来，基因工程在防治水体富营养化方面应用会很广泛。 2 0 文献综述 2 5 1 生物操纵法治理富营养化湖泊 淡水生态系统中高营养级类群可以对低营养级类群产生强烈的影响，最终导 致整个生态环境的改变，这一现象被称作下行( t o p d o w n ) 效应。这是相对于“上 行( b o t o m u p ) 效应”，一般研究生态系统结构与功能都是从理化因子一浮游植物 一浮游动物一鱼类的次序进行。有关“下行效应”的研究促使了“生物操纵 ( b i o m a n i p u l a t i o n ) ”技术的提出。生物操纵又称“食物网操纵( f o o dw e b m a n i p u l a t i o n ) ”，指通过对湖泊生物群及其栖息地的一系列调节，以增加其中的 某些相互作用，促使浮游植物( 尤其是蓝藻) 生物量下降( 孙刚，1 9 9 9 ) 生物操纵常用来控制藻类的生物量，主要是采用鱼类种群的下行调控：如增 加食鱼性( p i s c i v o r e s ) 鱼类或减少食浮游动物( z o o p l a n k t i v o r e s ) 或食底栖动物 旧e n t h i v o r e s ) 鱼类，以保证有充分的浮游动物等来控制藻类( 李维，1 9 9 6 ) 。 2 6 1 高等水生植物对富营养化水体的净化 植物修复富营养化水体最基本的原理在于使用绿色植物原位吸收或减少水 体中氮、磷水平，并且收获的植物可用于畜牧业生产，能源生产和人类消费等资 源化用途。利用高等水生植物来治理富营养化水体在养分去除、重建和恢复良好 水生态系统等方面，正日益受到人们的关注( a r n l g ，1 9 9 9 ：吴玉树，1 9 9 1 ：濮培 民，2 0 0 1 ；r e d d y ，1 9 8 1 1 。除利用水生植物外还可以根据当地的实际来选用陆生 经济作物净化富营养化水体。一般陆生植物，由于其生长速率快，经济价值高等特 点，已被大量的用水水体的修复研究，宋样甫等( 1 9 9 8 ) 进行的浮床水稻试验表明， 水稻在富营养化水体表面生长、发育良好，同时对水体中氮、磷营养物质有十分 显著的去除效果。水稻覆盖率越高，对水体中氮磷的去除率越高，如覆盖率6 0 的浮床水稻对氮磷的去除率分别达n 5 8 7 和4 9 1 。对于陆生植物使用应当注 意以下几个方面：选取有经济价值高的陆生植物，如蔬菜类或花卉类植物等等， 而且生长快，养分需求量的物种；对于载体浮床的选择应考虑不会对环境造成二 次污染，而且要求使用方便，价格低廉的材料。 2 7 1 水生植物和微生物联合修复富营养化水体 据“八五”攻关资料介绍，太湖流域因降水和干沉降造成的氮、磷浓度为 1 2 m g l 、0 0 4 m g l ，比国际上公认的富营养化标准( 氮0 2 m g l 、磷0 0 2 m g l ) 要高出2 - 6 倍。早在2 0 世纪6 0 年代，美国在其最大的淡水湖泊( o k e e c h o b e e 湖) 进行了控制磷方面的长期研究。最新模式研究结果表明，若以目前常规方法 进行治理，通过降低磷来控制富营养化和藻类爆发，大约需要2 0 0 年。因此，以 当前的环境污染负荷和强度，单纯的依靠降低水体中营养盐水平，不能也不可能 达到治理富营养化水体目的。从污染源头开始，逐级控制营养盐向下游传递，并 文献综述 逐级将其尽可能就地转化为生物资源，提倡污染水体的分散处理，实现就地处理 就地回用，无疑是符合全球可持续发展战略新的水处理的概念和哲理。而以植物 一微生物为基础的原位生物修复体系不但可以降低水体中的营养盐水平；而且还 同步实现生态系统结构的改善与经济效益的获得( z h o ue ta 1 ，2 0 0 6 ：s h a n t aa n d j a n a ，2 0 0 3 ；m a l l i ke ta 1 ，1 9 9 0 ；s i e g 雠e de ta 1 ，1 9 9 0 ) 。因此，应用营养生态学理论， 利用高等植物实现污染物的资源化，同时借助固定化接种微生物的使用可以强化 营养物质的循环和转化。它们单独的使用对于富营养化水体养分吸收已经有了不 少的研究( j u a n p a b l oe ta 1 2 0 0 6 ；p a o l ae ta 1 。2 0 0 6 ；吴振斌等，2 0 0 3 ：s a t o s h ie t a 1 ，1 9 9