湖泊不同深度微生物量 [富营养化湖泊的微生物强化修复技术]

　　摘要：本文在介绍水体富营养化的概念、危害和影响的基础上阐述了微生物强化修复技术的原理和修复富营养化湖泊的途径，并指出组合生物修复技术是治理富营养化湖泊的主要发展方向。?
　　关键词：富营养化；生物强化；微生物修复?
　　中图分类号：X524 文献标识码：A??
　　
　　1 富营养化水域的概况?
　　
　　富营养化是水体衰老的一种现象，它通常是指由于湖泊、水库以及某些河流水体内的氮、磷营养元素的富集，水体生产能力提高，某些特征性藻类（主要是蓝藻、绿藻）异常增殖， 水体透明度下降，溶解氧降低，造成水质恶化，使整个水体生态平衡发生改变而引起危害的一种污染现象。富营养化问题是当今世界面临的最主要水污染问题之一，我国在经济持续高速增长的同时，所带来的最大负效应就是环境污染日益严重，大江大河及湖库水环境质量日趋恶化。?
　　1.1 富营养化对湖泊水质的危害和影响?
　　湖泊富营养化不仅造成经济损失，而且危害人类健康。其危害主要有以下几个方面：?
　　（1） 影响湖泊水体的生态环境。处于富营养化污染的水体，正常的生态平衡被破坏，导致水生生物的稳定性和多样性降低。大型水生植物群落会随着富营养程度的加剧逐渐灭绝。同时，异常增殖的藻类所分泌的毒物，以及缺氧条件下NO3――N被还原为NO2――N，成为致癌物，不仅威胁水生生物的生存，而且会直接或间接影响人类健康，造成可利用水资源进一步减少。?
　　（2） 影响水体的感观性状。处于富营养化的水体中，蓝、绿藻大量增殖，水体色度增加，水质浑浊，透明度降低，并散发出腥臭味，污染居住环境。?
　　（3） 影响渔业等生物资源利用，水体经济价值降低。严重富营养化的水体会由于藻类释放的毒素和溶解氧的稀缺，直接影响鱼类品质。?
　　1.2 消除湖泊富营养化的关键问题?
　　从污染物控制观点来看，水环境净化主要有：（1）有机物的去除；（2）营养盐类的去除；（3）透光控制；（4）浮游植物的去除等4个基本方法。因此消除湖泊富营养化的关键还在于削减湖泊水体的氮、磷以及底泥有机碳和氮、磷的负荷，消除水体中藻类生产力，达到降低水体中藻类生物量、提高水体透明度的目的。?
　　
　　2 生物修复原理?
　　
　　生物修复是利用微生物的代谢过程，或其产物进行的消除或去除、或富集有毒有害物质的一个受控或自发进行的生物学过程。湖泊生物修复包含微生物修复和水生生物修复两大内容，其中微生物、水生植物和水生动物在水生生态系统中分别充当着分解者、生产者和消费者的角色，它们对污染物的分解、转化、吸收、富集、迁移等作用是水体污染物质输出的主要途径。因此通过人为措施对水体中各生物进行合理配比，并提供生物生存的合适的条件，使各种生物互惠互存，协同共生，营造出一个符合自然演替规律的良性水生生态系统，在充分发挥其污染物削减作用的同时，加速自然水生生态系统的恢复。?
　　
　　3 用于生物修复中的微生物?
　　
　　生物修复中首先要考虑适宜微生物的来源及其应用技术，目前使用较多的是生物强化技术，即通过向自然菌群中投加具有特殊作用的微生物来增强生物量，以强化生物对某一特定环境或特殊污染物的反应，提高废水处理系统的处理能力，从而达到去除某一种或某一类有害物质的目的一种生物技术。生物强化技术中投加的微生物可以是：?
　　（1）土著微生物。水体和土壤中存在着数量巨大的各种微生物，在遭受污染后，经历了一个天然的驯化选择过程，使适合的微生物不断增长繁殖。但土著微生物生长过慢，污染严重时会造成土著微生物数量减少。?
　　（2）外源微生物。污染物高效降解微生物可以使用具有某种特殊功能的菌群如光合细菌、硝化细菌等微生物制剂；也可以从受污染水体和底泥中分离筛选后富集培养，再返回受污染水域；还可以利用基因工程菌，通过将多种降解性质粒接合转移至一个菌珠，使一个菌珠可以同时降解多种污染物质，但使用基因工程菌要特别注意安全性问题。?
　　（3）其它生物。这些生物包括藻类、微型动物、植物等。微型动物通过吞噬过多的藻类和一些病原微生物，间接地对水体起净化作用。植物修复是生物修复技术中不可忽视的重要组成部分，植珠可以通过吸收、固定、挥发污染物来进行生物修复。?
　　
　　4 微生物强化修复技术?
　　
　　在确定使用何种修复技术之前先要进行样品采集，即在受污染水域取表层水及表层沉积物，检测污染物含量与分布、组成特征、来源；检测受污染水体的温度、盐度、PH值等水质指标，从而了解该水域中能降解污染物的土著微生物的种类、数量分布及其变动规律。?
　　4.1 投加特效降解微生物?
　　（1）在受污染水域具有典型特征位置取底泥和表层水进行培养，分离能以受污染水体中典型有机物为主要碳源生长的高效菌珠，然后通过人工培养技术，以污染的水样和沉积物进行富集培养， 或制成液体或干粉活菌制剂，将具有特定降解功能的微生物制成菌液制剂或将其附着在麦麸上制成干粉制剂；然后把他们投入水体，并对其降解性能进行研究、分类、鉴定。?
　　（2）通过对不同采样点的定期观察，确立出污染物降解菌数量、浓度及其繁殖与水域环境中一些主要环境因子（如温度，PH值、N、P等）的关系，确立合适的投加浓度和投加周期。?
　　4.2 投加复合微生物菌剂?
　　复合微生物是由光合细菌、放线菌、乳酸菌等80多种微生物有益微生物复合培养而成的多功能活性微生物群。在水处理中主要利用复合微生物的高浓度高活性以及微生物之间的各类代谢作用降解水中的难降解污染物，投入水体后可引起水体总菌、硝化菌、反硝化菌及磷细菌等数量的增加。?
　　（1）取污染水体底泥，加入复合微生物菌剂以受污染水培养富集，并测定复合微生物对水质因子（COD、NH3-N、P等）的影响，观察复合微生物的时效性。?
　　（2）复合微生物的加入会引起水体中微生物菌群数量的变化，在试验阶段确定引入复合微生物后水体中土著微生物种类及数量变化，并尽量减少投加的外源微生物对原生态环境的破坏性。?
　　4.3 投加生物共代谢基质及辅助营养物质?
　　选择适当的降解环境是提高微生物降解活性的前提条件。由于许多难降解有机污染物的降解是通过共代谢途径实现的，且在常规生物处理系统中能降解这些目标污染物的微生物活性低、数量少，因此要考虑以生物强化的方法提高微生物降解有机物的效率。投加生物共代谢基质及辅助营养物质将有助于降解微生物的生长，改变微生物碳源与能源的底物结构，扩大微生物对碳源和能源的选择范围从而更有效的降解难降解微生物。?
　　（1）投加共代谢初级基质?
　　微生物可以利用初级基质如葡萄糖、尿素、无机离子等为碳源和能源，同时氧化原来不能利用的二级基质，从而改善处理系统的性能。对于一些难降解的有机污染物（二级基质），微生物并不以其为碳源，而以甲烷、丙烷、甲苯、酚、氨和二氯苯氧基乙酸等为原始底物（初级基质），但微生物在利用这些初级基质作为碳源的过程中，能产生一些化学物质等改变了目标污染物的结构，使得原本不能利用的二级基质能被微生物降解。?
　　（2）投加电子受体和辅助营养物质?
　　微生物以其他底物为碳源，形成可以改变目标污染物结构的氧化酶，需要Fe3+或Mg2+来传递电子，在废水中加入这些离子可以促进污染物的降解速率。投加微生物生长所需的微量元素、维生素、有机酸等成分，也有助于提高系统的处理能力。?
　　（3）投加表面活性剂?
　　表面活性剂（生物的或合成的）能够增强憎水性化合物的亲水性和生物可利用性，有助于提高环境中微生物的数量和有机污染物的降解速率，因此成为一种重要的污染水体生物修复的强化手段。?
　　4.4 投加基因工程菌?
　　环境工程菌就是采用生物工程技术将多种微生物的含有降解特定污染物的编码基因从细胞中取出，然后组装到繁殖速度快、适应能力强的受体菌细胞内，使之获得广谱的降解能力[1-2]?。但基因工程菌在与土著微生物菌群发生竞争时，必须有足够的存活时间，基因方能稳定地表达出特定的基因产物――特异的酶[3]?。沈士德[4]?把美国公司提供的三种基因工程菌（消氮菌、沉降菌和加速菌）应用于徐州市黄河故道富营养化水体中，发现COD、氨氮等指标值明显降低， 随着水体中藻类的减少和下沉水体的浊度明显下降，因而水体的景观得到很大的改善。?
　　5 投加方法?
　　
　　5.1 直接投加法?
　　若水体流动性较差，可直接向受污染水域表面均匀泼洒微生物和营养液，并利用其扩展性能在更深更广的水域发生作用；在流动的河道中使用时可在河流上游部分投加微生物，使微生物在随水流往下游移动的过程中有充分的停留时间与污染物发生作用，具体投菌地点要通过污染物降解动力学和水文学等方面的计算来确定。营养液也可用此种方式投加。操作简便是该法的最大优点。?
　　5.2 吸附投菌法?
　　 吸附投菌法是一种在流速较大的水域防止菌体流失的好方法。可使菌体先吸附在各类填料或载体上，再施入待治理的水体或底泥中，可有效降解该区域的污染物质。分子筛、蛭石、沸石等都可以作为吸附材料使用。或直接将菌种投加到受污染区域的水生植物根系附近的水体中通过微生物在水生植物根系的富集作用，使大量外加微生物附着于受污染水域中的水生植物根系上，在提高受污染区域外来微生物浓度的同时，使微生物分解产物被水生植物利用。也可在室内在有水生植物的培养液中投加微生物菌种，使其先在水生植物根系挂膜，成功后再将水生植物移入受污染水体或底泥中。也可用类似的办法投加营养液。该法可充分发挥微生物和植物的共代谢作用，但作用区域偏小。?
　　5.3 固定化投菌法?
　　固定化微生物通过物化方法将游离细胞定位于限定的空间区域，使之成为不悬浮于水但仍保持生物活性、反复利用的方法。该技术具有生物活性和生物密度较高的特点。向受污染水体或底泥中投加固定微生物，可消除微生物流失问题，加快微生物降解速度，提高处理稳定性，但制作稍复杂。固定化微生物的制备有载体结合法、交联法和包埋法等，载体可选择琼脂、海藻酸钠、聚乙烯醇（PVA）凝胶、光硬化树脂等。应用于受污染的水域的固定化球体不宜过小，以防悬浮流失。?
　　5.4 底泥培养返回法?
　　这种方法对营养液作用发挥较有效。取出一定量受污染区域的底泥，要求该底泥基本无毒害物质，将底泥放入培养器皿中，定期往底泥中投放营养液，并提供微生物生长的其它环境条件，使土著微生物在底泥中大量生长，待数量达到一定程度后，再将底泥脱水做成泥球、泥饼或泥块，返还加入受污染水域中。由于微生物在生长时将底泥中的有机质作为基质利用，这时底泥的污染已不严重，泥球或泥饼在水体中逐渐分散，使大量土著微生物被释放入受污染水体和底泥中。该法可大量快速培养土著微生物，但需一些辅助设备。也可使用底泥降解微生物代替营养液。?
　　当然，对于富营养化湖泊，利用组合生物修复法――在修复污染水体的过程中，不单纯采用某一特定的生物处理措施，而是通过多种处理措施的同时使用，较之单一的修复处理技术具有更高的处理率和很强的实用性。例如在用微生物修复技术处理富营养化湖泊时，可同时采用物理法（如直接曝气、疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等）和生态法（如放养控藻型生物、构建人工湿地和水生植被等）。利用组合生物修复法可以更有效的彻底治理湖泊富营养化问题。?
　　
　　参考文献?
　　
　　[1]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）：42－45.?
　　[2]李雪梅，杨中艺，简曙光.有效微生物群控制富营养化湖泊藻的效应[J].中山大学学报，2000，39（1）：81-85.?
　　[3]张锡辉.水环境修复工程原理与应用[M].北京：化学工业出版社，2002.?
　　[4]沈士德.富营养化水体景观的微生物修复研究[J].江苏环境科技，2004，17（4）：14-16.

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