富营养化对水体的作用.doc

水体富营养化对水体的作用摘要: 随着经济的发展,人类对环境开发利用力度的日益增加,大量含氮、磷元素营养物质的污染物不断排入水体中，增加了水体营养物质负荷量，加速了水体富营养化的速度，本文简要介绍了水体富营养化的概念及成因、微生物修复的原理、修复的目标及以已修复作用等进一步分析了微生物的修复作用，揭示了微生物在水体生物修复中的作用。关键词：微生物技术 富营养化 修复作用1水体富营养化 1.1概念 水体富营养化是指水体接纳了过量的氮、磷等营养物质，使藻类以及其他水生生物异常体透明度和溶解氧变化，造成水质恶化，加速水体老化，是水生生态系统和水体功能受坏，影响水资源利用，给饮用、工农业供水、水产养殖以及水上运输等带来巨大危害的现象11.2成因 水体富营养化分为天然富营养化和人为富营养化。天然富营养化要经过几千年甚至几万年才能完成，而人类经济活动可导致湖泊在短短几年内就出现富营养化2。人为富营养化是当代湖泊富营养化的主要因素。在光合作用下，水体中藻类原生质的生成有赖于碳、磷、氮的存在，碳、磷、氮是生成藻类的决定性因素。也是构成湖泊水体富营养化的决定性因素。由于藻类可利用的氮远比可利用的磷多，因此，磷常被作为富营养化的限制因子。英国国家环境署规定，在静止水体中，总磷浓度0.086mg.L.-1为富营养化的临界值32.生物修复2.1概念生物修复是一种利用特定的生物（植物、微生物或原生生物）吸收转化、清除或降解环境污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施4而微生物修复是生物修复的一类，其利用自然界中微生物对污染物的生物代谢作用。 2.2原理湖泊中的动物、植物、微生物构成了一个完整的生态系统，在正常的情况下处于动态平衡状态。水体中的藻类、水生植物利用无机物通过光合作用合成自身有机物并且制造氧气。水体中的水生动物又以藻类、水生植物为食，控制藻类的过度繁殖。水生动物排泄的粪便及生物死亡的尸体会增加水体中有机物的含量。有机质在有机矿化微生物的作用下被分解为无机态，这些无机物再被藻类及水生植物利用。这样就形成了生态系统的物质循环，当循环中物质通量较少的时候，物质循环处于动态平衡状态。在物质平衡前提下，各种微生物群相互制约所以在数量上也保持平衡5。2.3微生物在污水处理中的主导作用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生源要素生物地球化学转化，生源温室气体(N 0和CH )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。利用经过遗传工程改造的微生物将成为治理环境污染、保持生态平衡的最有效的方法。如硝化细菌可去除C、N，杀灭病毒，降解农药，絮凝水体重金属及有机碎屑，它在消解碳系、氮系等有机污染时，也可消解有机污泥。反硝化细菌可将硝酸盐还原成NO：、N：。嗜烃菌可短时间去除大部分油污，使其转化为CO：和菌体蛋白。光合细菌能够利用水中残留的有机物(如H s、NH 等)作为氢的供体进行光合作用，减少分解水中的有害物质，起到改善水质,相对提高溶解氧的作用 。鱼池中只要有5gm 的光合细菌，3h内就能将池底不断产生的氮离子和有机物的初始分解物除去，使水质恢复正常。 2.4利用微生物成功治理湖泊富营养化的案例 2.4.1固定化氮循环细菌技术治理湖泊富营养化 氮是导致水体富营养化的罪魁祸首之一。江苏省农业科学院曾于2000年与中国科学院地理湖泊研究所合作研究了固定化氮循环细菌技术，该技术从太湖水生植物根部提取天然无害的氮循环细菌，经过驯化提高其抗高负荷氮污染的能力，并为之提供具有良好生存环境的载体，使氮循环细菌在载体中保持活性，同时以水中的氮为营养物质，在新陈代谢的过程中将湖泊水体中大量的氮离子转化为无害的氮气释放到空气中，有效降低了水体中氮元素的含量。他们在贵阳“温流水”养殖场试验成功，在水体面5600m 、流速为1025m s的情况下，每天除氮不低于lOOkg，有效地遏制了水体富营养化6 。 2.4.2投加人工复合细菌对水体污染净化天津大学的乔民教授的试验表明7 ：向湖水中投加以光合细菌为主的复合细菌群，能够有效地降低湖水浊度，并能维持较长时间，可以有效地降低湖水藻类生物量和湖水中 氨氮及总磷污染。总之该试验就是通过投加复合细菌群来强化水体生物自净能力、净化水体，最终达到控制水体富营养化的目的。该方法治理城市湖泊水体富营养化问题，具有费用少、收效快的特点。 2.4.3有效微生物群控制富营养化湖泊蓝藻有效微生物群(efective microorganisms)是从自然界筛选出各种有益微生物，用特定的方法混合培养所形成的微生物复合体系，其微生物组合以光合细菌、放线菌、酵母菌和乳酸菌为主8。中山大学的研究表明9 ：将一定量的有效微生物群液体菌剂和有效微生物群固体泥球投入人工湖后，水体的透明度、叶绿素a含量有明显的改善，而且可以有效抑制藻类的生长，在一定时期内可以防止水华的发生，改善景观。 2.2 水体微生物修复目标水体微生物修复的目的，主要表现在利用水体自身及人工添加的外来有益微生物和植物对水体环境中的碳循环、氮循环、磷循环和硫循环进行人为调控，加强水生藻类和植物对水体污染物尤其是碳、氮、磷、硫元素的耐受性，促进其对主要污染物的去除、降解和转化，以达到改善水体污染状况，治理水体富营养化，逐步使水体恢复其自净功能。水体生物修复的最终目标，是使水体达到地表水和湖泊水水质国家标准。为达到此目的，环境管理部门要求控制氨氮、总磷、透明度3 项水体基本指标。根据我国水体环境污染总体状况，目前通常把氨氮含量定在地表水类标准，0.5 mgL1；总磷含量定在湖泊水类标准，0.025 mgL1 (地表水类标准可放宽到0.1 mgL1)；透明度定在湖泊水类标准，1.5 m(地表水透明度无标准；富营养化湖泊水体透明度一般仅0.20.3 m)10。2.2.1净化水体水体生态环境中的有益微生物(硝化细菌、光合细菌、硫化细菌、芽孢杆菌等净水微生物)，在水环境中能清除水体底部长时间积累的动物排泄物、动植物残体以及有害气体(氨、硫化氢等)，使之先分解为小分子有机物(多肽、高级脂肪酸等)，接着分解为更小分子的有机物(氨基酸、低级脂肪酸、单糖、环烃等)，最终分解为CO2、硝酸盐、硫酸盐、N2 等，有效地降低水体COD 和BOD，使水体中的氨氮(NH4-N)与亚硝酸氮(NO2-N)降低，透明度升高，总磷含量降低，起到了净化水质的作用。2.2.2促进碳循环在水体生态环境中，碳元素的总量非常大，而对水体生物修复有益的微生物的生长繁殖是通过对各种含碳化合物(尤其是作用于无氮有机物)进行发酵和氧化而实现的。水体在纵向上主要分为表层有氧区和无氧区。对水体碳元素循环而言，在表层有氧区微生物如细菌和真菌主要对纤维素、淀粉、几丁质等有机物进行氧化分解使之转化为CO2，而在无氧区(主要指深水区和淤泥层)，有机物主要被微生物发酵产生有机酸、CH4、H2 和CO2，其中生成的CO2 又经藻类和植物的光合作用合成复杂的有机物，为水生动物、底栖动物等提供O2 和多糖类物质，进入动植物体碳循环系统，从而形成一个复杂的动态循环11可见，水体微生物的存在对水中植物的生长及水体碳元素循环具有不可替代的作用。2.2.3促进氮循环水体氮循环是水体生态系统中物质循环的重要环节，水体中氮元素含量的多少促进或限制着水体生态系统的能量转化，也是水体植物、藻类生长的限制因子之一，而对水体中氮元素含量的控制可有效控制水体富营养化程度。整个氮循环过程主要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用，其中氨化作用、硝化作用和反硝化作用与水体中氮元素的去除有密切关系。在水体氮循环过程中，生物固氮、氨化、反硝化是微生物的特有环境功能，微生物通过氨化作用、硝化作用、反硝化作用把水体中的NH3、氨氮、亚硝酸氮(NO2-N)和硝酸盐转化为N2，从而降低水体中的氨氮、亚硝基氮和硝酸盐，环所涉及的微生物的分布对水体氮循环过程有重要影响12-14。另外，每个氮循环环节又都与环境因素和大量微生物的协同作用密不可分，如：最适环境为弱碱性；含氮有机物经微生物分解而产生氨与大量细菌、放线菌和真菌协同作用息息相关，且与上化水体生物修复的氮元素控制修复作用。2.2.4促进磷循环在水体生态环境中，磷元素同样是水体植物生长的限制因子之一，同时它还是水体初级生产力的限制营养元素之一14，对水体环富营养化程度改善和恶化的影响往往比氮元素更大。水体中磷元素以颗粒磷(Particulate phosphorus) 、溶解有机磷(Dissolved organic phosphorus) 和无机磷酸盐(Dissolved inorganic phosphorus)3 种形式存在，3 种形式之间通过微生物的作用从而构成一个复杂的动态循环。该动态循环主要由增磷作用与耗磷作用这组矛盾运动过程所构成，而水体环境中总磷的增加与减少也是由这对矛盾运动所决定。多种附着生长和悬浮在水体环境中的微生物，在生长繁殖过程中都可以吸收和利用污水中的无机磷酸盐。有研究表明通过污水进入表面流人工湿地中的磷元素大约有质量分数为14%(0.1170.220gm2a1)被微生物所吸收利用，且这部分磷在微生物死亡后几乎全部被迅速分解释放，回到水体当中，故一般认为微生物的活动与总磷的去除效率之间并无显著相关性15。但各种絮凝微生物对水体中磷的絮凝沉淀作用及水体底层土壤吸附沉淀和水生植物利用起到重要的协助作用，在水体磷循环中微生物使水中的溶解态磷被悬浮颗粒吸附形成颗粒态磷，经凝絮作用转为沉淀，为去除水体中富集的磷元素提供有力帮助，有效地降低水体总磷含量，进一步防止藻类的大量繁殖，对水体生物修复的磷元素控制起着重要促进作用。2.2.5促进硫循环在水体中硫元素主要以氧化态-II (硫氢基，RSH以及硫化物H2S)、氧化状态、氧化状态加硫酸盐(SO42)3 种形式存在。硫酸盐作为许多植物和微生物可用硫的惟一来源，通过氧化态(R-HS)将其转化为有机的硫氢基化合物，从而为植物和微生物所利用；同时，硫酸盐还可为水中动物提供所必须的含硫氨基酸等。另外，虽然微生物产生的H2S 对大多需氧微生物有毒性，但它可以与许多金属离子发生反应，生成沉淀从而降低其有害性，达到净化水体的作用。2.2.6控制藻类繁殖水体富营养化的一个显著特征就是藻类大量繁殖，使得水体DO、透明度大幅下降，造成水体中鱼类大量死亡。目前除藻方法一般分为工程物理方法、化学药剂法和生物方法3 大类。作为庞大的富营养化湖泊、河流的藻类控制技术，利用工程物理方法和化学药剂法显然是行不通的，因此，对环境友好的生物控藻技术越来越多地受到国内外关注。在生物控藻技术中，由于微生物具有易繁殖特点，使得微生物控藻成为生物控藻里最有前途的一种方式。有报道显示，中性柠檬酸菌、黏细菌、Micro-Bac 发酵液、光合细菌、消化细菌、玉垒菌组合等微生物能通过释放毒藻素或激发食藻生物的繁殖，达到良好的杀藻或抑藻效果，从而改善水体富营养化程度，促进水体净化16。4 展望 湖泊富营养化的生物防治，虽然由于在大面积的湖泊中大量培养繁殖微生物，还有许多技术上的问题尚有待解决。目前还没有大规模的付诸于实施，但其应用前景很好。首先，利用微生物防治，花费成本低，虽然在研究阶段需要不少投资，但一旦研究出一种新方案或一种新菌种，利用微生物繁殖快的特点就会低成本，高效益的大规模应用；其次，不会带来负面效应，因为该方法主要利用微生物的生理代谢在生物圈内所起的作用，并没有另外使用化学试剂，所以不会在除去氮、磷的同时引起其他元素的过量增加。总之，利用微生物治理湖泊富营养化，应用前景光明，该方法将可能成为富营养化治理的首选方法。10 顾宗濂. 中国富营养化湖泊的生物修复J. 农村生态环境,2002, 18(1): 424511 肖国华. 微生物在水产养殖环境生物修复中的作用机制J.河北渔业, 2006 (10): 1312 Matulewich V. 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