（环境工程专业论文）水生植物微生物系统净化水质效应研究.pdf

捅要 摘要 目前，我国湖泊水体的环境现状令人堪忧。许多大型湖泊，如太湖杭州西湖等，都 已经处于富营养或重富营养状态。因此如何治理富营养化的水体，减少其中的营养物质 的含量，恢复水体的综合功能，己成为当前全球性的环境问题的研究热点。 目前已有许多研究表明有些水生植物和微生物去除水体的氮磷能力是很强的，因此 本实验研究了不同水生植物一微生物系统对水质的净化效应。实验分为三个主体部分， 即室内实验、渤公岛及绍兴汤浦水库生物浮岛监测，研究内容如下： ( 1 ) 室内实验以浮叶植物荇菜为试材，设计总磷( t p ) 和总氮( t n ) 两个浓度梯度，每 个梯度各设5 个浓度，研究水体氮磷营养物质浓度和细菌数量的变化。浮游细菌和根际 细菌总数的变化以及它们与t n 、t p 去除率之间的相关性分析表明，无论在总磷或总氮 浓度梯度中，浮游细菌、根际细菌总数的增量基本都与t n 去除率呈j 下相关性，而与t p 去除率的相关性不大明显，浮游细菌的总数是在第7 天达到最大值。在荇菜一微生物系 统去除氮、磷过程中，对氮的去除以细菌为主，包括浮游细菌和根际细菌；对磷的去除 则以植物吸收为主，根际磷细菌也起了一定的作用。因此，在一些富营养化水体，尤其 是氮浓度较高的富营养化水体，荇菜是一种较好的水体净化植物。 ( 2 ) 生态浮岛所种植三种水生植物美人蕉、菖蒲、再力花对微生物的生长都具有一 定的促进作用；而且浮岛内部水质好于外部，说明挺水植物一微生物系统对水质去除有 一定的效果。水生植物菖蒲、美人蕉、再力花的根区微生物数量浮动变化较大，但是， 在三种挺水植物之中，菖蒲的根区微生物数量较为稳定，而且数量基本上是三者之中较 多的，所以本文作者认为菖蒲是水质净化效果较好的高等水生植物。 浮岛内外浮游微生物数量和营养盐指标明显受温度的影响，呈正相关关系，说明温 度在一定程度上决定着浮岛水质各指标的变化。 ( 3 ) 渤公岛监测实验分析得出：总磷( t p ) 含量在一定程度上决定着细菌生长及数量 变化。水生植物荇菜有较好的去除氮、磷营养盐能力，能促进细菌的生长。而且荇菜适 应能力极强，也极易管理，所以荇菜在一些富营养化较高的河段和浅水湖泊旱可以适当 种植。菹草为多年生沉水植物，在大面积生长时对水域中氮、磷营养盐的吸收效果比较 好，是冬季至初夏期间净化水质的主要水生植物。着生藻在生长时同样可以大量吸收氮、 磷等营养盐。 物 关键词：水生植物一微生物系统；富营养化；营养盐；浮叶植物；挺水植物；微生 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ee n v i r o n m e n to fl a k e si nt h ec o u n t r yi sw o r r y i e d a g r e a td e a lo fl a k e sa r e a l r e a d ya te u t r o p h i c a t i o no rh i g h e re u t r o p h i c a t i o nl e v e l ，s u c ha st a i h ul a k e ，w e s tl a k e ，e ta 1 h o wt oc o n t r o le u t r o p h i cw a t e r b o d y , r e d u c en u t r i m e n ta n dr e s u m et h ef u n c t i o no fw a t e r b o d y h a v eb e c o m et h ef o c u so fg l o b a le n v i r o n m e n t a lp r o b l e m t h ep r e v i o u ss t u d yi n d i c a t e dt h a ts o m eh y d r o p h y t e sa n dm i c r o o r g a n i s m sc o u l dw e l l p u r i f yw a t e r b o d y t h u s ，o u re x p e r i m e n ts t u d i e do nt h ee f f e c to fd i f f e r e n te c o s y s t e m so f m a c r o p h y t e sa n dm i c r o o r g a n i s m so nw a t e rp u r i f i c a t i o n t h i se x p e r i m e n ti n c l u d e dt h r e ep a r t s t h ei n d o o re x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n ti nb o g o n gi s l a n da n dt h ee x p e r i m e n to nt h ef l o a t i n g i s l a n do ft a n g p ur e s e r v o i ri ns h a o x i n g ( 1 ) i nt h ei n d o o re x p e r i m e n t ，n y m p h o i d e sp e l t a t u mw a st a k e na se x p e r i m e n t a lm a t e r i a l w es e tu pt w og r a d so fb o t ht o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) a n dn i t r o g e n ( t n ) a n df i v ec o n c e n t r a t i o n s f o re v e r yg r a dt os t u d yt h ec h a n g eo fn u t r i m e n tc o n c e n t r a t i o no f p h o s p h o r u sa n dn i t r o g e n a s s o c i a t e dw i t ht h et o t a ln u m b e ro fb a c t e r i a w ea n a l y z e dt h ec h a n g eo ft h et o t a ln u m b e ro f b a c t e r i o p l a n k t o na n dr h i z o s p h e r eb a c t e r i a t h ep e a i n e n c yb e t w e e nt h en u m b e ra n dt h e r e m o v a lr a t eo ft na n dt pi n d i c a t e dt h a tt h ei n c r e a s eo ft h e b a c t e r i o p l a n k t o na n dr h i z o s p h e r e b a c t e r i aw a sp o s i t i v er e l a t e dw i t ht h er e m o v a lr a t eo ft n ，b u tw a sn o to b v i o u s l yw i t ht h e r e m o v a lr a t eo ft p a n dt h et o t a ln u m b e rr e a c h e dt h et o po nt h e7 t hd a y i nt h ee c o s y s t e mo f m a c r o p h y t e sa n dm i c r o o r g a n i s m s ，n i t r o g e nw a sm a i n l yr e m o v e db yn i t r o g e nb a c t e r i a i n c l u d i n gb a c t e r i o p l a n k t o na n dr h i z o s p h e r eb a c t e r i a , w h i l ep h o s p h o r u sw a sm a i n l yr e m o v e d b yp l a n ta b o r b i n ga n dr h i z o s p h e r ep h o s p h o u r sb a c t e r i aa c t e ds o m e f o re c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ， n y m p h o i d e sp e l t a t u mc o u l db ec o l l o c a t e di ns o m ee u t r o p h i cr i v e r so rs h a l l o wl a k e s ， e s p e c i a l l yi nt h o s ew i t hh i g hn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n ( 2 ) i nt h i se x p e r i m e n t ，a q u a t i cm a c r o p h y t e si r i sp s e u d a c o r u s 、t h a l i ad e a l b a t aa n d c a n n ag e n e r a l 括g r o w i n gi ne c o t y p i cf l o a t i n gi s l a n dw e r et a k e na se x p e r i m e n t a lm a t e r i a l t h e yp r o m o t e dt h eg r o w t ho fm i c r o o r g a n i s m s t h ew a t e rq u a l i t yi n s i d ew a sb e t t e rt h a nt h a t o u t s i d eo ft h ef l o a t i n gi s l a n d t h u s ，t h es y s t e mo fe m e r g e n tp l a n t sa n dm i c r o o r g a n i s m sw e r e e f f e c t i v eo np u r i f y i n gw a t e r b o d y t h et o t a ln u m b e r so ft h er o o t z o n em i c r o o r g a n i s m so ft h e s e p l a n t sw e r ef l u c t u a t e d b u tt h a to fl r i sp s e u d a c o r u sw a sf l u c t u a t e dl e s st h a nt h eo t h e r s a n d t h a to fi r i sp s e u d a c o r u sw a sm a x i m u m a m o u n gt h e m r sp s e u d a c o r u sw a sag o o dp l a n to n p u r i f y i n gw a t e r b o d y t h et o t a ln u m b e ro fb a c t e r i o p l a n k t o na n dn u t r i m e n tw e r eb c i t hi n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r e i n s i d ea n do u t s i d eo ft h ef l o a t i n gi s l a n do b v i o u s l y , s h o w i n gt h a tt h et e m p e r a t u r ed e t e r m i n e d c h a n g eo ft h e ma tac e r t a i nd e g r e e ( 3 ) i nt h i se x p e r i m e n t ，t h ec o n t e n to ft pd e t e r m i n e dg r o w t ha n dt o t a ln u m b e ro fb a c t e r i a a tac e r t a i nd e g r e e n y m p h o i d e sp e l t a t u ma b s o r b e dp h o s p h o r u sa n d n i t r o g e np e r f e c t l y ，a n di t p r o m o t e dt h eg r o w t ho fb a c t e r i a m o r e o v e r t h ea d a p t a b i l i t yo fn y m p h o i d e sp e l t a t u mi sg o o d a n dc o u l db em a n a g e de a s i l y i tc o u l db ea p p l i e di ns o m ee u t r o p h i cr i v e r sa n ds h a l l o wl a k e s p o t a m o g e t o nc r i s p u sa b s o r b e dp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nw a sp e r f e c tt o ow h e ni tw a sp l a n t e d i nl a r g e s c a l e a l g a ec o u l ds t i l la b s o r ba g r e a td e a lo fn u t r i e n tw h e ni tg r e w i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：s y s t e mo fm a c r o p h y t e sa n dm i c r o o r g a n i s m s ，e u t r o p h i c a t i o n ，n u t r i m e n t ； f l o a t i n g l e a v e dm a c r o p h y t e s ，e m e r g e n tm a c r o p h y t e s ，m i c r o o r g a n i s m u i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同3 - 作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 期：o 觚矽哆 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：屠凇 导师签名： f 乜艺墨 日 期：沙讶、6 职 绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 当前我国湖泊存在的主要问题 据不完全统计，我国面积大于和等于l k m 2 的湖泊约有2 8 0 0 多个，湖泊总面积为 8 9 6 2 7 k m 。2 。由于自然和人为原因的影响，到2 0 世纪7 0 年代后期，湖泊已经减少至u 2 3 0 0 个左右，面积约为7 0 9 8 8 k m 2 。湖泊贮水量由原来的7 5 9 0 亿m 3 减少到现在的7 0 7 7 亿m 3 。 其中，淡水贮量由2 5 9 0 亿m 3 减少至u 2 2 5 0 亿m 3 【l 】。更令人担忧的是，随着工农业生产的发 展，湖泊水污染同趋严重。在全国七大流域中，太湖、淮河、黄河流域均有7 0 以上的 河段受到污染；海河、松辽流域污染也相当严重，污染河段占6 0 以上【2 1 。水污染己成 为我国面临的最主要的水环境问题。 1 1 2 我国湖泊富营养化现状 湖泊富营养化是指湖泊等水体接纳过量的氮、磷等营养性物质，使藻类以及其他水 生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成湖泊水质恶化，加速湖泊老化从而 使湖泊生态系统和水功能受到阻碍和破坏。富营养化较明显的特征是浮游藻类的集聚， 严重的甚至发生“水华”，因此给水资源的利用带来严重的影响，如：引用、水产养殖 以及工农业供水等带来巨大损失，影响到经济建设和社会的发展。因此，水体富营养化 已经成为水质恶化的主要水环境问题之一【3 1 。 目前，我国湖泊水体的环境现状令人堪忧。许多大型湖泊，如巢湖、太湖、鄱阳湖、 滇池、杭州西湖等，都已经处于富营养或重富营养状态，而且一些河流在部分河段也出 现了富营养化现象，如黄浦江流域、珠江广州河段等【4 1 。根据对全国2 5 个大中型湖泊进 行的调查，已趋富营养化的湖泊达9 2 ，与湖泊富营养化的评价指标相比，所调查的湖 泊中，多数湖泊总氮浓度高出5 - - 1 2 5 倍，少数湖泊总磷高出1 0 - - - 5 0 倍1 5 , 6 】。因此如何治 理富营养化水体，减少湖泊营养物质含量，恢复水体综合功能，己成为当前全球性的环 境问题的研究热剧7 1 。 1 1 3 湖泊富营养化的形成机理 富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是自然演变过程，湖泊富营养的状态，是湖泊营养化过程 所导致的结果。在湖泊学的意义上，湖泊有其发生、发展及其消亡的过程，这就是地理 学范畴内所谓的湖泊富营养化【引。而具体的来说，随着时间的推移，湖泊及其流域，它 、们的地理学、生物学等各方面的特性也会发生变化，流入的物质也会随之发生变化。湖 泊营养物质的积累导致湖泊的逐渐演变，一般的趋势为：从水深、营养物质少的贫营养 湖向水浅、营养物质多的富营养湖演变。这是湖泊自然富营养化的过程。 然而，湖泊富营养化也是人类社会活动对湖泊的影响导致湖泊自然演变过程的浓 缩。在人类活动的影响下，大量氮、磷等营养物质连续进入水体，流入湖泊，导致湖泊 富营养化加剧，原有的湖泊生态系统平衡被打破。健康水体中本来以硅藻和绿藻为主， 江南人学硕十学位论文 出现红色颤藻是富营养化的征兆，而富营养化发展到最后水体中则变为以蓝藻为主体。 藻类生长周期短，繁殖速度很快，总数基本上呈倍数增长，而其中有害蓝藻和绿藻成为 湖泊中优势种群，造成水生生物缺乏生存空间，尤其是水生植物大量死亡。水生植物大 量消失的后果有【9 】：浮游动物种类减少，群落结构趋于简单；鱼类和其它生物因水体缺 氧窒息而亡。例如富营养化导致太湖生物多样性急剧下降，近年在太湖东南部经常出现 高密度蓝藻带，东部个别水流微弱的湖湾蓝藻暴发现象时有发生。蓝藻暴发范围有进一 步向湖中心和太湖东部地区扩展的趋势，蓝藻暴发次数呈上升趋势。而且死亡的水生生 物在微生物的作用下分解，不断消耗氧，或者在厌氧条件下产生硫化氢使水质不断恶化。 由于水中的营养盐被水生生物吸收后成为其机体的一部分，生物死亡后营养盐又重新回 到水体中再次被利用，从而形成营养物质的循环。因此，己经形成富营养化的水体即使 切断了外源污染，也很难恢复正常状态。这是人为富营养化过程【8 】。 1 1 4 湖泊富营养化的控制因子 湖泊富营养化是极为复杂的生态过程，目前各国的研究结果表明，影响湖泊富营养 化的因子众多，如：营养物质氮、磷、碳等，湖泊的形态特征、地理位置等。 ( 1 ) 限制性营养物质 所谓富营养化实质上是指水体初级生产力异常增大的现象，而支配这种生产力的营 养性物质则是主要控制因子。从富营养化的形成机理可以看出，藻类的异常繁殖是湖泊 富营养化的形成标志，而限制藻类生产量的物质是磷、氮及碳【l 引。而作为藻类增殖的限 制性物质，这三种营养物质哪个可能性最大，是最有效的指标，目前尚无定论，这仍需 我们大量的研究和探讨。 ( 2 ) 温度和照度 浮游蓝藻类是喜温性的，因此温度对湖泊藻类的生长是一个比较重要的环境因子。 而光照则是藻类生长必可少的条件。 ( 3 ) 溶解氧和p h 溶解氧是藻类繁殖的一个重要条件，也是藻类代谢过程中非常重要的能源物质。但 是，各方面的藻类对溶解氧的要求不同，如；蓝藻类的m i c r o c y s t i s 在低溶解氧的条件下， 容易繁殖。p h 对湖泊生态系统同样有着明显的影响，有的藻类如蓝藻在高p h 条件下可 以很好的生长，这对我们防止湖泊富营养化是非常不利的。而且，一般藻类在生长茂密 的地方，水体p h 比较高，这主要是由于藻类光合作用吸收水中c 0 2 ，放出0 2 造成的。 而0 2 的增多又促进了藻类的生长。当然，高p h 对水体富营养化防治也有着有利的一面： 高p h 不利于湖泊底质中磷、铁、锰等物质的溶出i l 。 1 2 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。 2 绪论 1 2 1 使用物理方法治理富营养化水体 ( 1 ) 截污 外源污染是湖泊营养盐的重要来源，因此，截污是控制富营养化湖泊营养盐的首要 步骤，也成为中国许多富营养化湖泊治理的重要途径之一。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，因为湖泊中的 营养盐依然存在。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，虽然湖区水体氮、磷有所下降，但c 1 1 l a 反而呈上升趋势，而且，蓝藻和绿藻在湖 区仍为优势种群。王国祥等在杭州西湖所进行的围隔模拟截污实验也没有取得明显效果 。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 ) 底泥疏浚 疏浚底泥是减少内源污染的一个比较重要的方法，能有效的去除底泥中的营养物质 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，而 且底泥疏浚后的并不一定有明显的改善效果，反而可能会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寐，使 水质进一步恶化。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。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。 ( 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，但是最终没有能彻底去除水体中营养物质，是治标不治本的权宜之计， 只是一个应急措施而已。 1 2 2 使用化学方法治理富营养化水体 化学方法是一类包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻的方法，常见方法有：铁盐凝聚沉 降法，铝离子交换法，石灰凝聚与氨汽提法【1 2 】。在化学法中，还有一种方法是用杀藻剂 杀死藻类【l3 1 。这种方法适合于水华盈湖的水体。藻类被杀死后，水藻腐烂分解仍会释放 磷，因此死藻应及时捞出，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。 1 2 3 利用生物一生态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。 ( 1 ) 利用水生植物净化富营养化湖泊 、 人们利用高等水生植物治理富营养化水体，因为高等水生植物可以进行光合作用并 江南人学硕十学位论文 释放氧气，在水生生态系统中处于初级生产者的地位，而且能够发挥多种生态功能，例 如：能过量吸收n 、p 等营养物质，并可以短期储存体内，因而可降低水体营养盐水平； 对藻类的相生相克作用，抑制低等藻类的生长和促进水中其他水生生物的代谢1 1 4 。 洪瑞川等通过实验证明，水生植物石菖蒲对富营养化水体的净化能力是很强的。在 4 0 多天的滞留时间旱，水体总氮去除率达8 4 7 ，总磷去除率达7 7 8 ，氯化物去除率 达8 9 5 ，b o d 5 降低率达9 3 7 ，c o d 降低率达4 3 9 ，溶解氧增加2 6 6 1 1 5 j 。 芦苇、茭白和香蒲等高等水生植物对水中氮、磷等营养物质同样有较强的去除能力。 对空白、芦苇、茭白和香蒲4 个植物带进行了处理受污染河水的中试研究。整个监测时 间内4 个植物带对c o d 的平均去除率分别为为3 1 1 、4 3 7 、3 9 9 、3 7 9 ；对n h 4 + - n 平均去除率分别为6 2 2 、7 9 5 、7 2 7 、5 9 4 ；对t p 的平均去除率分别为4 2 7 、 7 5 2 、5 8 5 和4 8 6 。总体来看植物带的处理效果比空白带好。其中芦苇带的处理效 果最好【1 6 】。 可见，利用高等水生植物富集和去除氮、磷等营养物质，净化水质，是治理、调节 和抑制湖泊富营养化的有效途径之。 人工生物浮床技术净化水质的原理是利用水生植物对水体中营养盐的吸收和去除 作用。目前己用于或可用于人工生物浮床净化水体的植物主要有：美人蕉、芦苇、荻、 多花黑麦草、稗草、水稻、香根草、牛筋草、香蒲、葛蒲、石菖蒲、水浮莲、凤眼莲、 水芹菜、水摧菜、芝麻花、灯心草等【1 7 】。这些浮床植物对t n 、t p 等营养物质都有良好 的去除效果。例如高杆美人蕉对t n 的吸收量为2 3 4 6 4 9 m 2 ，对t p 的吸收量为3 1 0 g m 2 【1 8 】；水浮莲对c o d 、b o d 、s s 的去除率分别可达到6 2 9 、7 1 1 和6 5 8 t 19 1 。由 于不同植物的生理特性不同、净化富营养化水体的效果不同、收获植物的用途或经济价 值不一样，因此选择出适合环境特点、具有较高净化能力、又有一定经济价值的浮床植 物或植物组合就是人工生物浮床要解决的关键问题之一。 ( 2 ) 利用水生动物的净化作用力 萝卜螺对水质有净化作用，它不但可以直接吸收溶解的营养物质及有机碎屑，还可 以吃掉大量藻类，以达到净化水质的目的。研究表明，在3 0 - - 4 0 l 的水中，加入4 0 9 的 萝卜螺时，能对富营养化水体有很好的净化作用1 2 删。 。矗( 3 ) 微生物强化技术( 投菌法) t ，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。通过对氮的氨化、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。战培荣等川和h i s a l s h i 【2 2 】、李正魁等【2 3 1 分别利用不同微生 物对湖泊水质进行实验研究，结果表明微生物对水体营养盐有一定的去除作用。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外的研究现状 、 近年来，水体污染问题受到了广泛的关注，湖泊富营养化已经成为一个世界性的 4 绪论 环境问题，各国学者对如何预防和治理水体污染、控制富营养化及湖泊生态系统的恢复 与重建进行了大量的研究与实践。主要目标是消减水体营养负荷，降低藻类生物量，提 高水体清洁度，增加生物多样性与水体功能，恢复与重建健康的水生态系统。因此，当 外源性营养物输入得到控制后，还必须人为消减内源营养物质、恢复与重建完善生物结 构以促进湖泊生态系统恢复【2 引。而利用水生植物富集氮、磷是治理、调节和抑制湖泊富 营养化的有效途径之一。水生植被的恢复和重建作为浅水湖泊的生态调控和内源污染负 荷控制的重要手段，已成为共识，已有初步的探索和研究。在欧洲的一些小型湖泊用生 物控制改善水体透明度后，再恢复水生植物，取得了较好的效果。直接放养浮萍和水浮 莲等水生植物是国际常用的一种方法，具有较好的净化效果【2 5 1 。 由于处理污水中的氮磷及其它污染物比传统的生物脱氮除磷方法简单，成本低廉， 因此利用水上种植技术，种植水生或陆生植物生态修复受污染水体已成为近年国际上许 多学者研究的重要方向。目前对利用高等水生维管束植物对水体中氮、磷营养盐的吸收 研究比较多【2 6 1 ，但是对水生植物一微生物系统净化机理研究的还不多。 1 3 2 国内的研究现状 我国学者就湖泊富营养化状况、产生原因及防治对策，如在富营养化湖泊内水生植 被的恢复做了大量的研究和实践工作，诸如在太湖、巢湖、滇池、武汉东湖、杭州西湖 等均开展了较为系统的湖泊富营养化研究，并取得了一系列研究成果。回顾湖泊富营养 化研究与防治的历程，我国对一些严重富营养化的湖泊治理主要采取截污、底泥疏浚、 引水换水等物理方法治理措施，湖泊大规模生态系统恢复还处于起步与探索阶段【2 7 1 。为 了探索适合我国国情与环境条件的浅水湖泊治理理论与技术，中国国家科学技术部于 2 0 0 2 年设立了“太湖水污染控制与水体修复专项课题，展开了大规模湖泊生态恢复与 重建技术研究与工程示范。 一 众多学者研究证明，单一的措施难以控制富营养化发展与藻类暴发，湖泊健全的生 态系统结构难以得到有效恢复，富营养化仍呈加重趋势。所以湖泊的恢复要用生态系统 方法来实现，其中采用人工围隔系统来重建水生植被治理污染、修复水域生态系统是目 前水域生态恢复研究的热点和主要手段：濮培引2 8 j 等在无锡五里湖建立实验围隔区，实 验结果表明水生植被重建可以加速湖泊的生态修复，抑制藻类生长以增加透明度，并实 现了由浮叶植物向沉水植物的过渡；邱东茹【2 9 】等在武汉东湖实验围隔进行的沉水植被恢 复实验研究表明，水生植被的恢复可以有效地降低营养元素的循环速度，水体透明度增 加，溶解氧增加，浮游植物叶绿素a 含量明显降低，生物多样性也显著增加，这是重建 富营养湖泊生态系统的重要措施。这些研究为控制湖泊富营养化、改善水质、逐步恢复 湖泊健康的生态系统提供了理论支撑。- 随着研究的进展，证明单种生活型植物对污水的治理效果是有限的。因此，王国祥 p u j 等利用由浮水、浮叶、沉水植物为优势种的斑块小群丛构成的镶嵌组合植物群落控制 湖泊饮用水源区藻类及氮污染。结果表明，富营养化湖水经净化后，藻类生物量下降 5 7 7 ，藻类数量下降2 - 3 个数量级，t n 下降6 0 o ，水质得到明显改善。 这可能是因为：不同水生植物的净化优势不同，有的可以高效地吸收氮，有的却能 江南人学硕十学位论文 更好地富集磷；每种植物在不同时期的生长速率及代谢功能各不相同，由此导致不同时 期对氮、磷等营养元素的吸收量也不同，而且随着植物发育阶段不同，附着于植物体的 微型生物群落也会发生变化。微型生物群落的变化会直接影响植物对水体的净化率，当 多种植物搭配使用时就有利于植物间的取长补短，保持较为稳定的净化效果；多种植物 的组合具有合理的物种多样性，从而更容易保持长期的稳定性，而且也会减少病虫害。 高吉喜【3 l 】等的研究结果支持了这一观点。但是具体哪些种类组合可达到最好的治理效 果，这方面的研究还不是很多，有待今后加强。 1 4 立题依据及主要研究内容 1 4 1 立题依据 水生植物修复是生物方法和生态方法中通用的技术。它是一种耗能低、效果好的新 技术，即利用植物的吸收和吸附作用，富集导致水体富营养化的氮磷，降解和富集其它 有毒有害污染物，同时由于水生植物生长对藻类的抑制作用，使水体中藻类数量降低， 提高水体透明度，达到化害为利，净化水质的目的，使水域资源得到可持续发展和利用。 植物除了直接吸收、固定、分解污染物外，通常只是间接地参与污染物的分解，它通过 对浮游细菌、真菌等微生物的调控来进行环境的修复。因此，植物对环境的修复过程是 由高等植物、真菌、细菌等微生物共同组成的整体来完成的，其中包括许多物理、生物 和化学过程。其去除水中氮、磷及其他物质的形式大致可分为：吸收作用、降解作用、 吸附作用1 3 2 , 3 3 。 水生植物降解水中污染物主要是通过植物在水中的根和茎上吸附的微生物及植物 的吸收等作用，土壤和水中的微生物等的作用。植物密度、根的生长状况、植物根部的 泌氧能力等对植物处理水质效果有重要影响，决定了植物改善水质的特性。 而微生物作为淡水湖泊生态系统的分解者和微食物链的重要组成部分，是有机质分 解矿化，c 、n 、p 、s 等生源要素生物地球化学转化，生源温室气体( n 0 2 和c h 4 ) 排放以 及污染物降解等的主要参与者，其在物质循环和能量流动中起着必不可少的作用，是降 解废物、废水的主力军【3 4 。 其中氮循环过程包括生物固氮、氨化、硝化、反硝化及同化等作用，其中生物固氮、 - 演化、硝化及反硝化是微生物的特有过程3 5 37 1 。王国祥掣3 8 1 在太湖五里湖实验得出水生 高等植物是水体反硝化、亚硝化及氨化细菌的重要载体。用水生高等植物净化受污水体， 由于同时引入了大量的氮循环细菌，并为氨化、硝化反硝化作用创造了有利条件，从 而促进了水体氮循环过程，增强了水体自净功能。 在沉积物一水界面间的磷循环过程中，微生物同样起着重要的作用。一方面，它们 作为水生态系统的重要组成部分，其数量和种类影响着磷元素的生物地球化学循环；另 一方面，它们可以分解不溶性的磷酸盐，使湖泊中可溶磷含量增高，另外磷细菌对磷元 素的富集以及磷细菌死亡后发生有机p 的矿化作用，是湖泊中水合磷酸盐矿物沉积的重 要途径 3 9 】。 因此，恢复以水生植物为主的水生生态系统是重建富营养湖泊生态系统和控制湖泊 6 绪论 内源负荷的重要措施。同时采用飘浮栽培方式种植观赏或经济植物来净化富营养化水 体，可以美化、绿化环境，也许是以后污水治理发展的一个重要方向。 但是，由于水生植物在条件合适的情况下繁殖速度非常快且含水量高，覆盖了水体 表面，阻止了太阳光的进入，妨碍水生浮游生物的生长，影响水体的生物多样性和生长 率：并且如不及时收获，植物体的腐烂对环境会产生二次污染，影响水质质量，景观效 果欠佳等。因此，水生植物通过收获，其净化作用才能得以实现，同时，适时的收获， 维持其最大生长速度时的生长密度，有利于提高其净化效率。此外，同一种植物对不同 污染程度水体的净化效果差异、同一植物对不同污染源水体的适应性生长和净化效果的 区别、不同地区高净化能力的植物资源探索、植物的季节性去污能力变化以及植物问的 搭配、植物的去污机制和植物在水面漂浮栽培中的形态结构变化等问题都有待解决【4 0 】。 总之，水生植物微生物系统对不同程度富营养水体的净化机理尚缺乏系统、深入 的研究，因此本实验在不同水生植物一微生物系统净化水质的效应方面做了相关研究。 1 4 2 主要研究内容 实验内容共分为三个部分：室内实验、汤浦水库生态浮岛水质去除实验和渤公岛野 外实验。具体内容如下： ( 1 ) 室内实验 本实验以荇菜为试材，主要研究在不同程度富营养化水体中浮叶植物荇菜对水质的 净化效应。 ( i ) 测定室内外水体的水质变化，测定指标为：总磷、总氮、氨氮； ( i i ) 测定并比较室内水体中浮游细菌的数量：稀释平板法( 无菌操作) ； ( i i i ) 分析水体中各测定指标与浮游细菌数量之间的关系； ( ) 分析水生植物与浮游细菌之间的关系及对富营养化水体的净化作用。 ( 2 ) 汤浦水库生态浮岛水质去除实验 ( i ) 测定汤浦水库生态浮岛的水质变化，测定指标为：水温、溶解氧、p h 、总磷、 总氮、氨氮； ( i i ) 测定浮岛内外浮游微生物及三种水生植物根区微生物的数量：稀释平板法； ( i ) 研究水生植物与浮游微生物之间的关系及对富营养化水体的净化作用。 ( 3 ) 渤公岛野外实验 ( i ) 测定渤公岛水体的水质变化，测定指标为：水温、溶解氧、p h 、总磷、总氮、 氨氮、c o d ； ( i i ) 测定并比较该水体中浮游细菌的数量：稀释平板法( 无菌操作) ； ( i i i ) 研究水体中各测定指标与浮游细菌数量之间的关系； ( i v ) 研究水生植物与浮游细菌之间的关系及对富营养化水体的净化作用。 江南大学硕十学位论文 第二章浮叶植物荇菜一微生物系统去除氮磷能力研究 2 1 前言 水生微生物在整个水域的物质循环中起着相当大的作用，它们是物质的分解者，也 是生产者。微生物的数量和种类的多少标志着湖泊的生态环境、营养水平及水体污染状 况。谢其明等【4 1 1 对洪湖细菌生理群的调查研究表明，不同生理群细菌的数量与营养盐含 量有密切关系。陈碧鹃等【4 2 1 研究发现细菌与t n 、t p 含量及浮游植物有密切关系。 影响微生物数量和生产力的主要因素有无机营养盐浓度、溶解氧( d o ) 、水温、溶解 性有机碳、植物量和水体中的氮、磷等有机物含量【4 3 1 。本实验以浮叶植物荇菜为实验材 料，通过对水体中t n 、t p 、浮游细菌及根际细菌总数的测定，着眼于研究不同浓度营 养液条件下荇菜对浮游细菌和根际细菌数量的影响，分析浮游细菌和根际细菌与t n 、 t p 去除率之间的相关性。葛滢等删研究发现植物质量和氮磷去除率并无对应关系，所 以本实验未将植物质量的变化纳入实验分析之中。研究浮游细菌和根际细菌在水生态系 统中的作用机理及影响因素，对促进水生态系统中的物质循环、提高生态效率和水体自 净能力、提高环境容纳量、防治水体富营养化等均具有极为重要的意义。 2 2 材料与方法 2 2 1 实验材料 ( 1 ) 植物材料 本实验选择荇菜( 人少，印办d 沈s 印加r “聊) 为试材，浮叶植物，在无锡市五罩湖渤公 岛采集( 见图2 1 ) 。 ( 2 ) 植物培养液 基本培养液：江南大学校内河水。 处理培养液：t n 浓度不变，设置五个t p 浓度梯度；t p 浓度不变，设置五个t n 浓度梯度。 2 2 2 实验时间、地点 本实验安排在2 0 0 7 年4 月至5 月进行，实验地点设在实验室温室内，室内温度约 为2 5 c ，玻璃顶棚，自然日照。每天早上对培养液进行充氧( 时问各为5 m i n ) ，基本上 保持培养液有足够的溶解氧，提供荇菜生长所需。 2 2 3 实验方法 ( 1 ) 实验材料处理 将采集到的植株放置在置有学校河水的容器里培养两周后，选取健壮植株，清洗并 去除腐根烂叶，用滤纸吸去植株表面的水分，每份称取4 株荇菜，鲜重4 0g 左右( 误差小 于0 1g ) 备用。 浮叫植物荇菜一微生物系统击除氩磷能力研究 图2 - 1 ( a ) 荇莱驯化囤( b ) 荇策实验圈 f i 9 2 1 ( a ) d o m e s t i c a t i o no f n y m p h o i d e s p e l t a t u m ；( b ) e x p e r i c a t a lp i c t u r e o f n y m p h o i d e s p e l t a t u m ( 2 ) 湖水水样的处理及测定 取江南大学河水水样用慢速滤纸过滤两次后测定学校河水中t n 、t p 的含量。 测定结果为：t n ：16 4 m g l ：t p ：02 0 0 m g l 。 培养液浓度： at n 浓度不变( 16 4 m g l ) ，设五个开浓度梯度( o0 0 4 ；00 5 0 ；0 , 2 0 0 ；0 5 0 0 ；10 0 0 ) m g l ； b t p 浓度不变( 02 0 0 m l ) ，设五个t n 浓度梯度( o0 6 0 ；03 0 0 ；16 4 0 ；40 0 0 ；50 0 0 ) m g z l 。 注：t p 浓度0 0 0 4 “g ，l 为贫营养0 0 5 0 m g l 为中营养，0 2 0 0 、05 0 0 、10 0 0 m p j l 为宫营 养： t n 浓度：00 6 0 m e d l 为贫营养03 0 0 m g l 为中营养，16 4 0 、40 0 0 ，50 0 0 m g p l 为富营养【蚓。 各培养液是用慢速滤纸过滤两次后的河水分别用硝酸铵( n h 4 n 0 3 ) 、磷酸二氢钾 ( k h 2 p 0 4 ) 【4 1 配制8 l 的各浓度梯度的培养液，置于水桶中同时放入已称重的植物样本， 在自然光照下培养。 具体配制见下表： 表21 各浓度营养滤浓度的配制 t a b2id i f f tc o n c e n t r a t i o n o f n u t r i e n t l i q u o r ( 3 ) t n 、t p 测定 t p 使用过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法测定；t n 使用过硫酸钾氧化紫外分光光度 江南大学硕士学位论文 法测定1 4 引。每7 天检测一次t p 、t n 。 ( 4 ) 微生物测定 浮游细菌数量的测定方法【4 8 】：稀释平板法。每7 天检测一次浮游细菌总数。 根际细菌总数的测定方法【4 9 】：稀释平板法。t p 和t n 梯度的根际细菌总数是在第 2 8 天最后一次检测时用灭菌的玻璃刀剪取荇菜根1 9 ( 干重)