人工湿地微生物群落特征及分布规律研究进展

境中生存，分 种，有的种生产有机酸或转化甾族化合物能力很强
布较广
3 梨头属
Absidia 分布在土壤、 常为生产污染菌，其中有的是人畜的病原菌，对甾族化合
酒 曲 和 粪 便 物有较强的转化能力
中
4 酵母菌 Saccharomyc 分布极广，酒 与人类生活密切相关，是人类生产和生活用菌，也是常见
属
es
3．影响微生物生态分布的因素
3．1 营养物质
营养物质和能量是生物新陈代谢的基础，微生物的营养要素包括无机营养物质和有机营 养物质，而人工湿地中微生物的营养来源完全取决于废水的组成。一般情况下，矿物元素不 至于缺乏，但有些废水氮源相对缺乏，而有时在脱氮过程中碳源又显得不足，有机碳浓度低 会降低反硝化速率[23-24]。Lloyd 等[25]对人工湿地微生物还原硫酸盐的研究表明，向废水中加 入蔗糖和NH4Cl 后，微生物能去除90%以上矿排水中的硫酸盐，并生成硫化物，但在对照试 验中( 没有加蔗糖或NH4Cl) 硫酸盐没有被还原；溶解性氮浓度决定了硫酸盐还原的速率和 程度，是反应的限速因子；固氮菌是硫酸盐还原系统微生物群落的重要组成之一。对人工湿 地中微生物胞外酶的研究表明, 其产量和活性受碳源数量和质量的调控，一些酶被诱导，而 另一些酶被抑制。Shackle 等[26]研究发现，加入不同浓度的纤维素和葡萄糖对磷酸酶活性的 影响不明显，对硫酸酯酶活性有抑制作用，而葡萄糖苷酶活性逐渐增加。
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表1 主要真菌类群[4-9]
序 中文名
学名
生存环境
作用
号
1 根霉属
Rhizopus 在 自 然 界 分 分解淀粉能力很强，是酿酒的重要菌种。根霉还可以用来
布很广
生产有机酸，转化甾族化合物等
2 毛霉属
Mucor
能 在 淡 水 环 分解淀粉、蛋白质能力均强，是制作腐乳、豆豉的重要菌
肉食性,以其它原生动物、轮 虫等为食 吃藻类和藻类碎片，喜在污染 的池塘、小沟底部生活。 处理废水
污水处理
镊食细菌、藻类 镊食细菌、藻类
丁浩等人[18]在上海梦清园芦苇人工湿地中对系统内植物根际的微生物特征进行了深入 的研究，研究表明结果表明芦苇根际的微生物数量、酶的活性高于非根际的土壤。根际细菌、 真菌和放线菌的数量均比非根际多，R /S平均值分别为7013、915、219。相对于硝酸细菌而 言亚硝酸细菌的根际效应较为明显，无论根际还是非根际的亚硝酸细菌数量均高于硝酸细菌 的数量。根际细菌和硝化细菌数量随着水力停留时间增加而增加，而根际反硝化细菌数量则
湿地中附着生长的微生物种类繁多，好氧、厌氧、兼氧型均可在其中很好的存活，并且 栽种不同植物的湿地中微生物数量并不相同。各种微生物在湿地滤料的承载层中以不同的方 式存在于填料或植物根系；不同微环境中的微生物对有机物的降解方式也不相同，其中包括： 同化作用、异化作用、氨化作用、硝化和反硝化作用[3]。微生物是对污染物进行吸附和降解 的主要生物群体和承担者，微生物在湿地基质中与其他动物和植物共生体的相互关系往往起 着核心作用。
1. 引言
人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统，最早是由澳大利亚的Mackney于1904年提出 的，指人工建造和监督控制的、工程化的沼泽地，利用自然生态系统中的物理、化学和生物 三重协同作用来实现对污水的净化作用[1-2]。目前已被用于处理各种类型的废水, 如居民生 活污水、养殖废水、酸性矿排水、暴雨径流、面源污染控制以及恢复和重建河流、湖泊湿地。
Pelom yxa
在淡水环境中生活
Vahlkam pfia Acantham oeba
Filam oeba Diplophrys Lembadion Litonotus
在有机污染的水体中常见 在淡水、土壤中均有分布 生活于厌氧环境 喜欢有水草的水体 在水体中自由漂浮 在腐烂有机质较多的水体
作用 营动物性或腐生性营养
3．5 pH
湿地环境的pH 也影响着微生物的代谢。以氮循环为例，当pH 值在6.5～8.5 时有利于 好氧和厌氧微生物对含氮有机物的氨化作用的发生； pH 值>8.0，氨氮主要以氨的形式挥发 去除；pH<6.0 时硝化细菌的活性显著下降；pH<5.0 时硝化作用基本可以忽略。反硝化产生 的气体是湿地处理所关注的一个问题[33]。反硝化产生的N2O 和NO 是温室气体，通常在酸 性条件下产生，当pH<6.0~6.5 时产生的N2O 明显增多，占到气体产物的50%。Verhoeven 等 [34]建议，湿地系统的pH 应保持在6.0 以上，这样反硝化产生的气体就以N2 为主而不是N2O 或NO。
曲，花果中 的污染菌
5 曲霉菌 Aspergillus 广 泛 分 布 在 在环境中对有机物分解起重要作用，它们是制酱、酿酒、
谷物、空气、 酿醋的主要菌种。
土壤中
6 青霉属 Alternaria 是 工 业 材 料 有的种是栽培植物的寄生菌，有的用于生产蛋白酶，有的
上 常 见 的 腐 用于甾族化合物的转化
微生物的数目和种类与污水净化效果也有一定的关系。经相关性分析发现[21-22]，湿地植 物根区的细菌总数与BOD5去除率之间存在显著相关性；根区微生物数量(细菌、真菌和放线 菌) 与TP 去除率之间相关性不明显；氨氮的去除率与根际硝化细菌和反硝化细菌数量的相 关性极显著；而在植物根区微生物数量( 细菌、真菌和放线菌) 与COD去除率之间的相关性 方面, 研究的结果还存在矛盾。

人工湿地微生物群落特征及分布规律研究进展
龙丽珠，黄晨
河海大学科学与环境学院，南京（210098）E-mΒιβλιοθήκη il：longlizhu831211@
摘 要：微生物群落是人工湿地的重要组成部分，它的存在特征和分布情况对湿地系统的污 染物去除效果有很大的影响。近几年来关于微生物的研究引起了国内外广泛的关注也取得了 很多成果。本文总结了国内外研究人员在微生物特征和分布规律上取得的优秀成果，并给出 在此方面未来研究的展望。 关键词：微生物，群落特征，分布规律 中图分类号：X172
生菌
7 镰孢霉
Fusalum 是 环 境 中 常 包括许多植物病原菌,植物激素(如赤霉素)产生菌及工农
属
见的菌种
业生产上有用的菌种。镰刀酶对氰化物的分解能力可用于
处理含氰废水
8 木霉属 Trichoderma 分 布 很 广 , 常 木霉分解纤维素和木质素的能力较强，霉的利用范围也很
见菌种
广，能生产纤维素酶，合成核黄素，产生抗生素，有的能
转化甾体化合物
序号
1
2
3
4 5 6 7 8 9
中文名 六前鞭虫属
单尾滴虫属
多核变形虫属
简变虫属 棘变形虫属 丝变形虫属
双孔虫属 舟形虫属 漫游虫属
表2 主要原生动物类群[10-15]
学名
生存环境
Hexam ita
生活在污水、盐水或停滞水
体中
Monocercom onas 寄生在无脊椎和脊椎动物
体的肠道中
3．2 温度
温度变化不仅影响湿地系统中微生物的代谢速率，而且还影响到其它重要的环境因子， 如营养循环和初级生产等，这些因子往往会影响到微生物群落的结构和功能。硝化/反硝化 作用受温度影响随季节的改变而变化，当温度<5℃或>40℃时，硝化菌活性降低；在夏季几 乎能达到完全反硝化，当季节温度<15℃时，反硝化作用明显受到限制。大量研究显示，湿 地系统中微生物的种类和数量随季节的改变而变化[27-28]，一般情况下，夏秋季数量最高，冬 季最少。Chong等[29]对处理乙二醇类的人工湿地中的微生物研究表明，湿地中好氧性细菌、
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真菌和放线菌的数量要显著高于厌氧性的数量；好氧性微生物数量在春、夏季最高，冬季最 少。
3．3 溶解氧
由于湿地系统中溶解氧( DO) 状况的不同，可分别为好氧、微好氧、兼性厌氧和厌氧微 生物提供相应的生境。人工湿地系统中通常为厌氧环境，溶解氧浓度随水力波动会有些变化。 在根区附近存在好氧环境，但根区提供的氧还不足以创造高氧化条件。在潜流式系统中，好 氧过程主要发生在近根部和根表面，厌氧过程如反硝化、硫酸盐还原和产甲烷主要发生在缺 氧区。在垂直流系统中，由于供氧充分，氮主要以硝态氮为主，而在潜流式系统中氧化态氮 会被立即还原，阻碍了亚硝酸盐和硝酸盐的积累[30]。当水中DO<1~2mg/L 时硝化作用减小， DO>0.2mg/L 反硝化作用受到抑制。而且，在好氧条件下可以提高微生物对磷的吸收。
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减少。菌剂和酶制剂的加入使得非根际泥样异养细菌真菌、放线菌和亚硝酸细菌比对照组稍 高，硝酸细菌和反硝化细菌则较少，而根际泥样中加菌剂和酶制剂组微生物数量比空白组高 出1～2个数量级，在投加菌和酶制剂后酶活性无论在根际还是非根际都得到提高，高于对照 组约5～6个酶活单位。说明了微生物在湿地土壤中的确是有分布规律可寻，适当的对这些分 布特征加以认为调控对湿地系统的去除效果有良好的帮助。同样赵先丽等人[19]在盘锦芦苇 湿地生态系统野外观测站对芦苇湿地土壤微生物不同层次上的比率变化进行检测和分析。结 果表明：在0-10cm，10-20 cm和20 -30 cm 的3个层次上及微生物总数中土壤的细菌所占比率 最大，而且在3个层次上的比率自上至下逐渐增大；其次是放线菌，且在3个层次上的比率逐 渐减少最少的是真菌，在3个层次上相差不大接近为零，在整个微生物中所占比率为最少的。 这是于盘锦芦苇湿地的土壤偏盐碱性，有利于细菌和放线菌繁殖，抑制了真菌的繁殖；而且 季节性水导致通气状况不良也抑制了真菌的生存。在盘锦芦苇湿地土壤微生物垂直梯度的比 率中，菌垂直梯度变化比较明显，基本上是下面2个层次所占比率比表层大一些;放线菌垂直 梯度变明显，一般表层比率最大，下面2层比率较小；真菌垂直梯度上所占的比率没有明显 变化，接近为零。Donnelly等[20]对海草根区细菌数量的调查表明，有植物系统中植物根区( 土 壤层1~3 cm) 细菌数最多，相反无植物系统从水～土界面随土层的加深细菌数递减。
2. 微生物在人工湿地中的分布特征
人工湿地中的微生物及其丰富，不同的类群具有不同的功能，受到各种因素的影响，微 生物的数量和种类在人工湿地的不同区域分布不相同，表1-2列出了湿地系统中部分微生物 的种类，生存环境和作用。有植物系统的微生物数量显著高于无植物系统。植物根区与非根 区的微生物种类和数量存在较大差异，湿地基质表面和植物根区的功能性微生物种类和数量 相对较多[11]。植物根区是微生物最活跃的区域，根、根茎及根须提供了结构不同的表，并 形成了根分泌物和气体( N2、O2、CO2) 浓度梯度，刺激了好氧和厌氧的矿化过程，因此组 成了多样化的微生物群落。靖元孝等[16]研究的风车草人工湿地系统中，氨化细菌、硝化和 反硝化细菌数量明显比对照系统高；由于风车草茎和根的输氧作用，增加了硝化菌数量和硝 化强度，而在远离风车草根部的区域形成缺氧、厌氧环境，导致较多的反硝化菌数量和较强 的反硝化强度。微生物数量和种类在人工湿地的垂直分布上也呈现一定的规律，即随着基质 层的加深逐渐减少。吴振斌等[17]的研究结果表明，好氧和厌氧微生物的空间分布存在差别， 垂直流人工湿地0~10cm 的基质层中好氧微生物数量高出30~55cm 的层面1~2 个数量级；而 兼性厌氧菌如反硝化细菌几乎存在于基质各层中, 达到107个/g 干土以上。
3．4 氧化还原电位
湿地系统中介质的氧化还原性质是影响碳氮磷生物地质循环的重要因素。通常用氧化还 原电位(ORP)来表征土壤等介质的氧化还原性质。Kadlect 和Knight 把人工湿地根据断面分 为3个区，即表层的弱还原区、中层的中等还原区和底层的强还原区。Koottatep等的研究显 示[31]，在表面流系统中，水层溶解氧浓度为1.5~2.5mg/L 被认为是弱还原区，介质层溶解氧 浓度逐渐降低，0~20cm 和20~50cm 的介质层分别为中等还原区和强还原区。由于相对较高 的溶解氧和氧化还原电位，湿地水层微生物的氨化、硝化-反硝化作用显著，是氮去除最活 跃的区域；介质层由于溶解氧和氧化还原电位较低， 氮的去除效率相对较低。Wiebner[32] 等 对人工湿地长期运行的结果得出，随着氧化还原电位升高，氨氮浓度降低。由于存在不同的 氧化还原电位，人工湿地是一个能够产生多种代谢途径的生态系统，对于难降解有机污染物， 如高氯代有机化合物，微生物能够通过还原脱卤作用，将其降解为低氯代化合物，在好氧条 件下低氯代产物可以被进一步生物降解。