原生动物在水质净化中的应用与发展

原生动物在水质净化中的应用与发展

生物法是对污染水体的净化。其基本原则是：将由净化系统中的细菌、真菌、原生动物和小型水生动物组成的生态系统净化。而为了深入研究和提高生物净化效果,可以不用监测水质仅观测生物特性而掌握污水处理系统的运行状况。现在污水处理或生态修复过程中,为了解水质净化效果,往往需要进行水质检测或进行细菌数量、活性的测量,但是细菌个体微小,用普通显微镜无法观测。可根据细菌与个体较大的原生动物之间的生态关系,以及原生动物对环境变化较为敏感的特点,通过研究原生动物种群的动态变化掌握水质净化系统运行状况和控制水质净化过程。省时省费用,容易对系统进行管理和维护。原生动物是一类形态各异,分类极广,适应性强,在各种自然环境水域中极为常见的一种水处理微生物,其细胞膜与周围环境直接接触,对水环境的变化非常敏感。近年来关于原生动物在净化水质方面的应用已成为水处理领域的重要研究方向,取得了一系列突破性进展。原生动物与水体中的其他生物相互作用,通过生物间的互生、共生和捕食关系达到对污染水体净化的目的。原生动物水处理技术的研究对改善目前水质净化中遇到的问题具有重要的意义,为水质净化和污水处理运行管理提供有益参考。1原生动物的基本特征1.1原生动物的生物学特性原生动物是动物界中最低等最简单、最原始的单细胞动物,门属真核原生生物界,具有单细胞结构的微型动物,个体微小,长度一般在100~300μm之间,少数种类的长度可达几毫米,而个别的种类长度则只有几微米。原生动物具有和多细胞动物相同的生理特性,包括新陈代谢、运动、繁殖、对外界刺激的感应性及对环境的适应性。原生动物都具有细胞膜,多数种属的细胞膜结实且富有弹性,从而使原生动物的本体保持一定的形态。但也有一些种属,如变形虫,只有一层极薄的原生质膜不能保证固定的体形。原生动物通常只有一个细胞核,少数种类也有两个或两个以上细胞核,其形态多种多样,通过在细胞内产生的各种分化,形成了能够执行各项生命活动和生理功能的胞器。运动胞器有伪足、鞭毛和纤毛;消化与营养胞器有胞口、胞咽等;排泄胞器有伸缩泡。个别原生动物有专门的感觉器官眼点。它们种类繁多,分布广泛且数量大,因而在生态系统特别是水域生态系统中担任极为重要的角色。1.2养呼吸的营养原生动物包含了生物界的全部营养类型。大部分原生动物营异养型生活,以吞噬细菌、真菌、藻类等有机体为食,或以死亡的有机体、腐烂物、有机颗粒为食,少数含有光合色素,能像植物一样自养生活。大多数进行好养呼吸,也有一部分可以在无养条件下生活。按营养类型分动物性营养以吞噬细菌、真菌、藻类为主,大部分原生动物采取这种营养方式;腐生性营养以死的机体或无生命的可溶性有机物质为生;寄生性营养以其他生物的机体(即寄主)作为生存的场所,并获得营养和能量;植物性营养是指在有阳光的条件下,可以利用二氧化碳和水合成碳水化合物,只有少数的原生动物采取这种营养方式,如植物性鞭毛虫。1.3肉足纲的主要分类原生动物有30000余种,在水质净化生物处理系统中常见的原生动物有:肉足纲、鞭毛纲和纤毛纲。(1)肉足纲。肉足纲在自然界中分布很广,土壤和水体中都有,多数种类适宜生活在中污带水体中,在污水和污水生物处理构筑物中也有发现。大多数没有固定的形状,少数种类为球形。细胞表面形成一层薄膜,可伸缩变动而形成伪足,作为运动和摄食的胞器。绝大部分肉足纲都营动物性营养。肉足纲以细菌、藻类,有机颗粒和比它本身小的原生动物为食物。(2)鞭毛纲。鞭毛纲原生动物具有一根或一根以上的鞭毛,鞭毛长度大致与基体长相等或更长些,是运动器官。鞭毛虫可分为植物性鞭毛虫和动物性鞭毛虫,多数植物性鞭毛虫含有叶绿体,是仅有的植物性营养原生动物,最普通的是绿眼虫。动物性鞭毛虫体内无叶绿体,也没有表膜、副淀粉粒等植物性鞭毛虫所特有的物质,常见的有梨波豆虫和跳侧滴虫。(3)纤毛纲。纤毛纲原生动物或纤毛虫的特点是周身表面或部分表面具有纤毛,作为运动或摄食的工具。纤毛虫是原生动物中构造最复杂的种类,不仅有较明显的胞口,还有口周、口前庭和胞咽等起吞食和消化作用的器官。在水质处理中常见的游泳型纤毛虫有草履虫、肾形虫、豆形虫、漫游虫、裂口虫、楯纤虫等。常见的固着型纤毛虫主要是钟虫类。1.4原生动物的结构与污染细菌数量多,分解有机物能力强,并且繁殖迅速,是水质净化中处理污染物的主要承担者。要想了解水质净化的进程,掌握水质净化的各个过程最好研究分析细菌的生长状况。但是在现有的技术条件下对细菌的分类和鉴定时间较长,不能及时指示处理过程,而且细菌个体较小,不易观察。研究发现原生动物在水质净化中的数量也比较大,常占微型动物的95%以上。此外,由于原生动物微小的个体、赤裸的细胞膜和全球广泛分布性,用原生动物作为环境检测的指示生物,较其他多细胞动物更具有优势,其对周围环境变化的反应较其他后生动物更为敏感,所得的结果也更具有地区可比性。原生动物个体大易于观察,对环境变化比细菌敏感。通过认识原生动物的群落特征及演变规律,掌握原生动物与细菌的关系,可以间接的评价水质净化过程和净化效果。2工虫的出现在水质净化初期,水体中可见大量各种形态的异养游离细菌,紧接着出现以有机颗粒为食的鞭毛虫纲的杆囊虫和肉足虫纲的太阳虫等,还能看到一定数量的变形虫。随着细菌的增殖,开始出现以细菌为食的纤毛虫。首先是小型的游泳型纤毛虫如豆形虫、肾形虫等大量出现,继而出现掠食性特强的纤毛虫,如漫游虫、游泳钟虫等,它们不仅掠食细菌,而且还能掠食小型的纤毛虫等原生动物。游泳型纤毛虫类大量出现之后,便出现了吸管虫,大量游动的纤毛虫为固着生长的吸管虫提供了食料。随着菌胶团的增加,游泳纤毛虫因食料受到限制,而无法维持正常的生命活动,就逐步让位给固着型纤毛虫。它们以尾柄固着在其他物体上生活。在较大的成熟絮体表面和周围存在大量的原、后生动物,附着生长着大量钟虫,如等枝虫、盖纤虫等。这些等枝虫凭借其长柄,伸展到凝絮体周围的空间,并不停地吞食细菌和固体食物颗粒。随着活性污泥的成熟,水处理效果越来越高,便出现了少量轮虫。少量轮虫的出现反映着水质较好,有机质含量较低。3生态净化处理。环境变化的基原生动物是体积微小、结构简单的低等单细胞动物。由于不同种类的原生动物对环境条件的要求不同,对环境变化的敏感程度也不同,所以可以利用原生动物种群的生长状况,反应水质净化处理过程中的净化效果。利用原生动物的这一特性可以准确指示活性污泥中各个阶段的污泥性质、水质净化的操作环境、预测出水水质及强化净化效果。3.1接枝菌在生物中的群落结构及与原生动物的关系根据活性污泥中各种群原生动物的种类和数量的变化,可以有效指示处理过程中各个阶段的污泥状态。李晓伟等研究发现活性污泥恶化时絮凝体较小,往往在100μm以下。此时系统中出现的原生动物主要有鞭毛虫纲,而非活性污泥型生物一般会出现肾形虫属、豆星虫、波虫属、草履虫属、屋滴虫属等较多的快速游动型原生动物。刘娟等发现污泥丝状菌膨胀对原生动物总量及其群落结构影响明显:伴随丝状菌的大量增殖,原生动物总量相应减少,匍匐型纤毛虫及有壳类肉足虫优势明显,其典型的原生动物为斜管虫、小轮毛虫以及匣壳虫。非丝状菌污泥膨胀对原生动物总量及种群结构影响较小,伴随黏性菌胶团的大量出现,各功能类群的比例变化较小,但原生动物总量持续增加,其中菌食性纤毛虫呈线性增加,典型原生动物为钟虫。蔡琳娜研究发现从污泥恶化到恢复正常的过渡期常常有慢速游泳或匍匐行进的生物出现。污泥良好易出现絮体及沉降时出现的原生动物为:钟虫属、累枝虫属、盖虫属、有肋纤虫属、独缩虫属、各种吸管虫等。3.2原生动物的特性(1)优势种群。处理水质较差、无充足曝气的水源时,优势种群是小鞭毛虫;水力停留时间过短时,小的游泳型纤毛虫占优势;非常高的负荷或存在难降解的物质时,出现小的裸变形虫和鞭毛虫;大量出现匍匐性和固着性纤毛虫或有壳变形虫时,表明运行环境良好,处理效果好。DO含量较低时会出现阿托氏菌属、扭头虫属和新态虫属等;而过分曝气则易出现肉足类;有机负荷很低,出现硝化作用时,能观察到游仆虫属、旋口虫属、表壳虫属、鳞壳虫属。当水力负荷为0.5m3/(m2·h)时,系统中出现漫游虫、草履虫、钟虫等原生动物,菌胶团的活性很好,而且丝状菌很少。当水力负荷为1m3/(m2·h)时,系统中含有漫游虫、鞭毛虫、线虫、累枝虫和草履虫等生物。(2)形态变化。对几乎所有的原生动物而言,在一定条件下形成包囊是一种普遍的现象,并且大多数情况下,原生动物形成包囊都与抵御不良环境因素有关。当水体环境发生变化,如食物的缺乏、温度的变化、水体生物密度过高、代谢产物的急剧积累等一些不利条件发生时,大多数种类原生动物便会经历诸如纤毛器的去分化、胞质的缩水、细胞的团缩化、核物质的浓缩、特定蛋白积累水平的减少等结构和生理状态上的改变。当不利的状况在一段时间得不到有效改善时,原生动物会由于无法进行正常的新陈代谢致使虫体变圆,鞭毛、纤毛或伪足等细胞器缩入体内或消失,细胞水分陆续由伸缩泡排出,虫体缩小,最后伸缩泡消失,分泌出胶体的物质于体表凝固后形成胞壳,最终形成“包囊”,以度过不良的环境。笔者也曾发现当曝气池中曝气量较大(DO≥4mg/L)时,系统中钟虫容易出现“头顶气泡”现象。(3)繁殖方式。原生动物的繁殖方式有无性繁殖和有性繁殖。无性繁殖有二分裂繁殖,也有复分裂繁殖。在营养、温度、氧等环境条件较良好的场所,主要进行连续的无性繁殖。当原生动物进行有性生殖时表明生存环境急剧变化,种群已处于衰退状态。当观察到纤毛虫活动能力差,钟虫类口盘缩进,伸缩泡增大,细胞质空气泡化、畸形、出现结合生殖或有大量胞囊形成等现象时,说明水质处理效果较差。3.3原生动物的分类张丹等发现随着水质污染的加重,原生动物种类减少,群落结构功能性减弱。齐嵘等通过研究无机废水硝化过程中原生动物群落结构发现优势原生动物种类数量变化与出水NO3--N、NO2--N浓度存在一定联系,随着NO2--N的大量积累,表壳虫生长繁殖旺盛,密度最高达575ind/mL,成为系统中绝对优势的原生动物。当NO2--N浓度降至10mg/L以下时,几乎很少发现表壳虫,而系统中另一种典型原生动物累枝虫,则伴随着NO3--N浓度的持续增加而逐渐增长。Tyagi认为优质出水的标志性微型生物有钟虫、纤虫、吸管虫、累枝虫、表壳虫、盖虫,变形虫的大量存在通常与出水水质恶化有关。肖作义等发现一般嚗气池中着生纤毛虫的数量与出水BOD5以及COD去除率都存在着线形相关性。当纤毛虫占所有原生动物数量的65%左右时,COD去除率89%~96%,BOD5去除率87%~94%。聂维明等对曝气池中纤毛虫类原生动物丰度和种类数与相应出水BOD5数据分析后,发现两者具有一定的相关性,丰度越低出水BOD5越差,种类越少出水BOD5越差,反之亦然。Curds等人在实验条件下进行实验发现曝气池中有纤毛虫时出水中游离细菌立刻降至1~8百万个/mL,出水很清澈。同时加入纤毛虫后出水的其他指标也有所改善。3.4菌体的利用原生动物属于真核生物,从生物进化角度来说比细菌等原核微生物高级,对细菌、有机颗粒和藻类等具有很强的强化和捕食作用,使水体的COD、浊度等大大降低,另外由于原生动物的捕食作用,老化的菌体能及时排出,强化净化效果。田文华等发现钟虫的尾柄上吸附大量的细菌,即钟虫自身的身体界面可以作为细菌的寄生场所,对提高细菌浓度有很好的帮助作用,也能较好的提高净化效率。4对水质的影响由于原生动物净化水质具有费用低,处理效率高等特点,应用前景广阔。利用原生动物与周围环境的变化可以反映出水质特点。原生动物中一些优势种群与水质指标密切相关,可以间接评价水质环境。一些原生动物能分泌一些促进凝聚的糖类和黏朊,改善污泥沉降环境,今后可以加强原生动物生物捕食作用的污泥减量化的研究。4.1水质表现出抗污染的多样性水体的生态效应可归结为水生生物效应,水生生物群落结构特征的变化与水质的关系密切。许多研究者报道了原生动物种群动态与水质变化的相互关系,认为原生动物的种类和数量能够随着水体的污染程度变化而改变,并且通过研究原生动物群落结构与功能的变化,监测与评价水质,取得令人满意的结果。水域环境条件的突然改变将对环境中生活的原生动物群落结构产生直接的影响,从而影响水体的质量。当水体中出现污染冲击时,无论是重金属还是有机污染,原生动物群落的稳定性就会遭到破坏,直接表现就是种类减少、多样性指数降低。水体中原生动物个体丰度值的高低往往被作为判断水体富营养化程度的重要指标,普遍认为在受有机污染较严重的水体,耐污种类因形成优势种群而具有很高的个体数量。孙志强等研究发现当原生动物优势种群如:草履唇滴虫、啮蚀隐滴虫、尾眼虫,近轴眼虫等,均属于鞭毛虫,这样的物种组成特征可能是由于水体的富营养化而造成的耐受性强的物种大量生长。肉足虫的优势种群是半圆表壳虫和球核甲变形虫等,其种类数和丰度与水中总磷呈正相关。固着类纤毛虫的多样值与水体的氨氮呈负相关,与硝态氮和总氮都呈正相关。4.2原生动物生物食源预制原生动物是活性污泥中重要的捕食者,基于这些微型动物的捕食作用而开发的污泥减量化技术近年来引起了人们的关注,该技术具有能耗低,不产生二次污染等优点,具有较好的应用前景,其基本原理是:利用比细菌更高级的原生动物的全营养特点,将一些细菌有机颗粒和细菌残体作为原生动物营养而得到分解,实现减量化化过程。刘博杰等研究发现向MBR内投加待处理污泥总量126.9g时,污泥累积减少量为100.2g,污泥总减量率为78.96%,