人工湿地中影响微生物空间分布因素的探讨

收稿日期:2008-09-18　作者简介:王青璐(1983-),女,在读硕士研究生,就读于云南大学生态学与地植物学研究所。

人工湿地中影响微生物空间分布因素的探讨王青璐,彭明春,赵安娜,黄　丽,刘　韬,梁国军,刘路明(云南大学生态学与地植物学研究所,云南　昆明　650091)摘　要:自20世纪70年代以来,人工湿地在污水处理中得到了广泛应用。

人工湿地去除污染物主要是微生物的作用,就影响人工湿地中微生物空间分布的因素进行讨论。

归结起来,主要包括植物、污水的营养水平、基质、温度等因素。

关键词:人工湿地;微生物;空间分布;影响因素中图分类号:X172 文献标识码:A 文章编号:1673-9655(2009)02-0001-03 人工湿地是一种人为地将石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质按一定比例构成的基质,并有选择地植入植物的污水处理生态系统[1],它是经过人工设计、构建和管理的特殊生态系统[2]。

1953年德国Max Planck 研究所首先采用人工湿地净化污水[3],1972年Seidel 与Kichkuth 提出了根区理论[4],该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用的“热潮”,这标志着人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术正式进入环保领域[5]。

人工湿地系统具有建造及运行费用低,维护简单,出水水质好,对负荷变化适应能力强及高生态环境效益等优点,比较适合于技术管理水平不很高、规模较小的城镇或乡村的污水处理[7～9]。

自从1974年西德首先建造人工湿地以来,该工艺已在欧洲得到推广应用,在美国和加拿大等国也得以迅速发展[6]。

人工湿地是一个具有独特的基质、植物和微生物的生态系统,微生物的代谢作用是污水中有机污染物降解以及脱氮除磷的主要机理。

异养细菌能够分解有机物,为更高级的消费者提供能源,作为食物链的最低一级的微生物推动着整个系统的有机流[10]。

人工湿地中的污染物经微生物的作用,降解成终极产物释放到大气中或固定于土壤,或成为水生植物及微生物可以吸收的营养物质,或转化为对水环境无毒或弱毒的物质[11]。

因此,了解微生物在湿地基质中的分布规律及影响其分布的因素,对理解人工湿地去除污染物机理,进一步完善人工湿地的结构等方面具有重要意义。

1　影响微生物空间分布的因素111　植物人工湿地上层的微生物数量多于下层,即随着深度的增加而减小[11,14]。

梁威等的研究表明,上中层之间微生物的数量最多相差达近3个数量等级,中下层之间则相差不到1个数量级[14]。

硝化细菌以及纤维素分解菌在0～5cm 层面的细菌数量要高于20～25c m 的数量[1,5],李智也认为,20c m以下微生物的丰度显著下降,而湿地植物根系主要集中在0～20c m 的地基质区域[13],即人工湿地中有机污染物的降解主要发生在近表层的基质区域,也因此得出,近表层的基质区域是人工湿地污水处理系统最有效的净化空间[12,13]。

湿地植物体内特殊的通气组织,在压力差的作用下,能将植物光合作用产生的氧气从地上部分输送至根部[16]。

李智等的研究表明,黑麦草的根几乎全部分布在0～20c m ,而美人蕉的根虽然能够生长到基质的下层,但其根茎和根绝大部分生长在基质上部[13]。

挖掘湿地发现,植物的根系大部分在距表面15c m 左右,而在15cm 以下的石头的颜色逐渐变黑,到25c m 的时候石头完全变成黑色,这也说明根系可以传递氧分[17]。

根据德国学者Kick 2uth R 提出的根区法理论[18],植物的供氧作用,在植物根际形成一个好氧区域,好氧微生物对氧的利用使离根系较远的区域呈现出缺氧状态,而离根系更远的区域则呈现出完全的厌氧状态,为根区的好氧、缺氧和厌氧微生物提供了微环境。

因此,水生植物的存在有利于微生物在人工湿地纵深的扩展。

因而随着植物根系在基质中的向下扩展,微生物种群也向下延伸[11]。

人工湿地中,多种植物系统比单一植物系统对—1—环境科学导刊　2009,28(2):1-3 CN53-1205/X I SS N1673-9655有机物降解和营养物去除方面具有优势,而湿地系统对有机物的降解主要依靠微生物,因为根际微生物多样性也受到地上部生物多样性的影响[19,21]。

系统中微生物数量与净化效果呈显著正相关性[20],因为植物能够刺激一些特殊菌种生长,使植物根区能够富集更多的微生物。

种植多种植物,植物根部分泌物能够刺激细菌和真菌在植物根区增长,植物根部分泌物和根区的不同会影响根区微生物结构和功能多样性[19,21]。

蒋玲燕等的研究表明,菖蒲、水葱与芦苇根系不同,其根区富集生长的微生物也存在差异。

变性梯度凝胶电泳(DGGE )图谱也显示,3种不同类型的潜流人工湿地在微生物种群结构上有很大差异。

多种植物系统中微生物种类更丰富,因此表现出湿地系统对有机物降解率更高[19]。

植物不同,微生物数量不同,这主要是植物的根际效应在起作用。

根分泌物种类繁多,数量各异,不仅有糖、有机酸、氨基酸等初生代谢产物,还有酮酚和胺等次生代谢产物以及一些不知名的代谢物。

作用于周围环境形成根际(一般指根—土界面不足1mm 到几mm 的范围的微区土壤),产生根际效应。

根分泌物直接影响根际微生物的种类和数量分布,不同植物或在不同土壤种植的植物或同一植物不同发育阶段根分泌物的种类和数量不同,从而有选择性地影响着根际微生物。

根际微生物是聚居在根际土壤,以根际分泌物为主要营养的一群微生物,根分泌物为土壤微生物提供大量的营养和能源物质,根际微生物不仅种类和数量远高于非根际土壤,而且其代谢活性也比非根际微生物高。

植物的存在使人工湿地系统中的微生物如硝化细菌、反硝化细菌,磷细菌、纤维素分解菌的数量显著增加[22]。

周炜等的研究表明,平均根须硝酸细菌总数和亚硝酸细菌总数比基质高1个数量级,且不同的植物配置导致湿地根际区硝化菌群数量也有一定差异,其中茭草根际区硝化菌群数量最多,其次为水葱,再为鸢尾[23]。

112　污水的营养水平进水中污染物负荷高即营养物水平高有利于生物膜量的积累,因为在污水营养水平较高的情况下,微生物数量多,粘附事件发生的频率高,生物膜生长速度快,厚度大,膜量也大。

李今等的研究表明,相同条件下对东湖湿地进水(劣五类)和莲花湖湿地进水(四类以上)进行基质生物膜培养,前者在40d 内生物膜快速增长,基本形成稳定生物膜,而后者则需要50～60d,并且60d 的生物膜量,前者是后者的1159倍[24]。

众所周知,生物膜主要由微生物组成,因此得出,微生物数量与营养物质和有机物含量呈正相关[25]。

下行池微生物的数量多于上行池,这种现象的出现与湿地的布水方式有关[24]。

污水首先经过下行池,其中的有机物质、氮、磷等被微生物分解和吸收利用,在到达上行池时,其含量已有相当程度的降低。

付融冰的研究认为芦苇、菖蒲湿地和无植物湿地系统中的微生物沿水流方向,细菌、亚硝酸菌的数量呈总体递减趋势,即前部多于中后部[14],其主要原因在于沿水流方向,水体中污染物的含量逐渐降低。

另外,沿水流方向微生物的Shannon 指数均呈现先增大后减小的趋势。

因为在湿地前段有机物负荷相对较高,水中多为难降解大分子有机物和悬浮有机物,主要靠填料的过滤作用而去除,Shannon 指数较低;湿地中段,污染物被分解为易降解物质,随着易降解有机物的增加,异养微生物也随之增多,Shannon 指数升高;湿地后段,由于污染物基本耗尽,供微生物生长的营养物缺乏,致使此处微生物数量减少,Shannon 指数明显下降[19]。

113　基质项学敏等的研究表明,人工湿地中,两种不同的土壤中相对应微生物数量有差别,且同一植物种植在不同土壤中,相应微生物的R /S 值也不同,这表明土壤类型对植物的根际效应有明显影响[22]。

蒋玲燕等也认为多种填料系统在有机物与营养元素去除方面比单一填料系统有优势[19],这在某种程度上表明了多种填料系统微生物的数量比单一填料多,因为微生物是湿地系统中污染物去除的主要原因。

以上两项研究均说明了人工湿地中不同的微生物群落依赖于不同的填料而存在。

114　温度由于湿地的净化作用主要是湿地微生物来完成的,而温度对微生物的生长繁殖以及活性都有显著影响[26]。

另外,不同季节植物的生长状况和代谢活动不相同,其输氧能力、分泌物也不同,这些也均影响微生物的生长繁殖。

自然水体温度低于4℃时,很难获得生物膜,随着水体温度的增加,膜上生物量越来越多[27]。

杨昌凤等发现气温22～32℃时,池杉系统对凯氏氮的去除率随着温度的升高而增大[28]。

不过也有研究发现短期的温度变化对氮磷的去除率影响不大,因为短期温度变化并不能使湿地中微生物的种群发生改变,而长期的温度变化—2—环境科学导刊　第28卷　第2期　2009年4月将会导致人工湿地中的微生物群落数目和种类的改变,从而影响人工湿地对污水中营养物质的去除效果。

115　其它因素光照:在水库淡水系统中,光照条件下(120h),生物膜厚度从52μm增加到128μm,而无光照条件下,生物膜厚度为17～30μm[27]。

水力停留时间:根际异养细菌和硝化细菌数量随着水力停留时间的增加而增加[29]。

2　结论与讨论微生物在人工湿地的污水处理过程中发挥着巨大的作用。

而人工湿地中的微生物主要分布在上层,并且随着植物根系向下扩展,由于植物的根际效应使得根际周围的微生物数量、多样性及活性均高于基质微生物,因此虽然有研究认为植物吸收在人工湿地污水处理中作用不显著,但作为微生物的附着面,仍是人工湿地中不可缺少的重要组分之一。

了解了人工湿地中微生物分布受植物的影响,因此可以根据植物根系的长度来设计人工湿地的深度,确定污水处理的最佳空间位于湿地上层。

污水中的有机物、氮、磷等是微生物的食物与能量的主要来源,因此培养水体中污染物的含量对生物膜的发育程度有重要影响。

人工湿地,特别在建成初期,在一定范围内,提高进水中的污染负荷可促进湿地基质微生物的良好发育,从而促进湿地本身的成熟,提高系统处理效力。

设计人工湿地时,在经济允许的范围内,应该考虑运用多基质的人工湿地。

另外,温度也是影响微生物分布的重要因素,所以应该更加关注人工湿地夏秋季的运行管理,尽量提高污水的处理效率。

总之,随着影响人工湿地微生物空间分布、多样性及活性研究的进一步深入,这些研究结果将进一步完善人工湿地的设计,提高净化效率等,从而使其在污水处理系统中应用更加广泛。

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