闕天洋 王娟娟

摘 要：水體富營養(yǎng)化是國內(nèi)普遍存在的問題，引起富營養(yǎng)化的磷分為內(nèi)源磷和外源磷，外源磷通過控制排污即可解決，而內(nèi)源磷的殘留卻是個難題。目前，最有效的水體富營養(yǎng)化治理方法是以種植沉水植物為主的生物修復(fù)。苦草根系發(fā)達(dá)，適應(yīng)力強(qiáng)，是環(huán)境修復(fù)的先鋒物種，對磷的去除效果極佳。但在苦草衰亡期，沉積物中的磷失去控制又會釋放出來，水體磷含量重新升高。而鐵細(xì)菌的加入或可彌補(bǔ)其不足，在苦草衰亡期將磷元素用微生物氧化鐵吸附固定。

關(guān)鍵詞：水體富營養(yǎng)化;苦草;鐵細(xì)菌;生物修復(fù)

中圖分類號 X524;X173 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）19-0133-03

改革開放以來，我國工業(yè)化水平不斷提升，導(dǎo)致國內(nèi)水體中氮磷等營養(yǎng)鹽含量急劇增加。水體富營養(yǎng)化最主要的原因是氮素和磷素濃度超標(biāo)，一般情況下，當(dāng)水中總磷濃度達(dá)到 0.02mg/L、無機(jī)氮濃度達(dá)到0.3mg/L時，表明水體已經(jīng)富營養(yǎng)化[1]。氮元素來源較為豐富，遷移轉(zhuǎn)化的機(jī)制也更為復(fù)雜，控制較為困難，因此磷也被當(dāng)作水體富營養(yǎng)化的主要限制性營養(yǎng)因子[2]。

淡水湖泊中的磷按來源可分為內(nèi)源磷和外源磷2種，所謂的控制污水排放就是針對外源磷的解決方法。但是研究發(fā)現(xiàn)，在減少了外源磷的排放后，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象不會立刻改善，并且在較長時間內(nèi)磷含量依舊處于很高水平，這就是內(nèi)源磷的影響。淡水湖泊的沉積物中含有濃度不低的磷素，會在底泥與湖水之間擴(kuò)散與積累，形成穩(wěn)定內(nèi)循環(huán)，這個循環(huán)過程在淡水湖泊磷代謝過程中具有重要作用。因此，在較為有效地控制了外源磷之后，想要改善湖泊的富營養(yǎng)化水平，就需要將研究重點轉(zhuǎn)移到對內(nèi)源磷的控制上。湖底沉積物對磷的滯留成為了控制水體富營養(yǎng)化以及生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵[3，4]。

1 內(nèi)源磷控制研究現(xiàn)狀

當(dāng)前控制內(nèi)源磷的方法大致分為物理、化學(xué)、生物3類。物理方法是阻斷湖泊中磷元素的釋放或者直接將其移除，常采用的方法是補(bǔ)水換水、疏浚底泥等，工程量大，成本高，對環(huán)境改變大。化學(xué)方法是利用鐵、鋁等元素調(diào)控湖泊中磷元素的形態(tài)，干預(yù)磷的吸附和釋放過程，如向湖水中施用鐵鹽、鋁鹽原位鈍化、硝酸鹽原位添加等[5]，或利用鐵氧化物的沉淀絮凝作用控制水體中磷的含量[6]，見效較快，且對富營養(yǎng)化嚴(yán)重的水域同樣適用，但投放的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入底泥容易造成二次污染。生物修復(fù)則是利用水生植物直接吸收過量磷元素，并通過水生植物對周邊環(huán)境的影響來協(xié)同清除水體富營養(yǎng)化帶來的危害。與運用鐵鹽來調(diào)控磷元素相比，植物修復(fù)具有效果顯著、成本低、對環(huán)境影響小等優(yōu)點。劉敏等[7]研究發(fā)現(xiàn)，部分水生植物組合后的除磷效果要優(yōu)于單一品種，將風(fēng)車草、狐尾藻和黑三棱組合種植，可顯著去除富營養(yǎng)化水體中的磷。陳照方等[8]通過對4種水生植物的研究發(fā)現(xiàn)，苦草可去除富營養(yǎng)化水體中75%的總磷。

2 苦草—鐵細(xì)菌—沉積物體系控制湖泊磷的可行性

湖泊中的優(yōu)勢物種是沉水植物和浮游植物。沉水植物占據(jù)沉積物中豐富的營養(yǎng)鹽，浮游植物享有充沛的陽光，兩者各有優(yōu)勢。但隨著湖水中營養(yǎng)鹽的增加，浮游植物數(shù)量激增，限制沉水植物的生長，這一過程又會導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化程度加劇。治理湖泊富營養(yǎng)就要逆轉(zhuǎn)這個趨勢，將湖泊生態(tài)系統(tǒng)從浮游植物主導(dǎo)的渾濁態(tài)轉(zhuǎn)為沉水植物主導(dǎo)的清澈態(tài)。生物修復(fù)就是通過引入新的物種或為原生沉水植物創(chuàng)造良好的生存條件，人為干預(yù)，清除過多的營養(yǎng)鹽。相對于其他技術(shù)，生物修復(fù)成本低，治理效果好，對環(huán)境影響較小，同時還可賦予湖泊觀賞價值，是現(xiàn)階段最被看好的治理湖泊富營養(yǎng)化的方法。但目前常見的生物修復(fù)是種植一種有效的沉水植物或?qū)追N可以配合的沉水植物組合種植，極少涉及到微生物參與。而微生物在沉水植物的生長過程中具有非常關(guān)鍵的作用，不僅能夠促進(jìn)植物生長，而且特定種類的微生物還可在植物衰亡期控制磷的釋放。

2.1 沉水植物苦草對磷轉(zhuǎn)化的影響 富營養(yǎng)化的湖泊中植物種群單一，自凈能力極弱，生物修復(fù)的重點就是重新構(gòu)筑其生態(tài)系統(tǒng)，使湖泊重新恢復(fù)活力?？嗖莞地S富，葉片繁茂，通氣組織發(fā)達(dá)，在高中低濃度的磷環(huán)境中都有良好表現(xiàn)，通常作為水體修復(fù)的先鋒物種[9]。苦草影響磷的途徑主要有直接吸收、物理吸附以及間接影響。

2.1.1 直接吸收 苦草耐受能力強(qiáng)，惡劣環(huán)境下亦能生存，適應(yīng)溫度范圍廣，10℃即可發(fā)芽，除了冬季，其他時期都可生長[10]?？嗖莞嫡伎偵锪康慕^大部分，根冠比較高，偏向從根系吸收養(yǎng)分。林超等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在高濃度條件下生長50d，刺苦草的最大株高可增加205%。陳德元等[12]在高濃度磷條件下將5株苦草幼苗種植84d，最后測得苦草中的總磷增加量達(dá)48.25mg。但是，直接吸收并不是植物去除磷的主要途徑，陳照方等[8]研究發(fā)現(xiàn)苦草通過直接吸收去除水體系統(tǒng)中的磷只占總?cè)コ康?.38%。

2.1.2 物理吸附 苦草的根系極其豐富，接觸面積大，更容易吸附水體中的不溶性膠體、礦物及微生物，將其固定在湖泊底泥中。湖水中的葉片可以減緩底泥表面湖水流速，為底層懸浮物的沉降創(chuàng)造條件;此外，較快的流速不利于磷素在苦草葉片中累積，降低流速可使苦草吸收和儲藏更多的磷。底泥間隙水的磷含量一般高于湖水，減少擾動可以減少沉積物懸浮造成的磷釋放，還能為湖泊中的微生物提供棲息空間[13]。微生物會在苦草表面形成凝膜吸附雜質(zhì)，改善湖水的澄清度，并增加透光率，促進(jìn)苦草生長。

2.1.3 間接影響 苦草能通過光合作用產(chǎn)生氧氣，提高周邊水體溶解氧含量，同時其發(fā)達(dá)的通氣組織可將氧氣輸送到根系，使根際轉(zhuǎn)變?yōu)榫植坑醒醐h(huán)境[14]，有利于微生物的生命活動，并提高根系底泥的氧化還原電位。研究表明[15]，在厭氧還原性較強(qiáng)的條件下，底泥中會積累較多的Fe2+與磷酸根。湖泊底層環(huán)境本身是處于厭氧狀態(tài)，會積累大量鐵與磷元素，當(dāng)氧化還原電位升高時，大量磷會被吸附。苦草生長過程中會向周邊環(huán)境分泌有機(jī)酸，改變環(huán)境pH，而較低的pH可以減緩內(nèi)源磷的釋放。部分有機(jī)酸具有抑制藻類生長的功能，這類物質(zhì)被稱之為化感物質(zhì)，可有效緩解藻類過量繁殖現(xiàn)象。張之浩等[16]通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)，苦草分泌的化感物質(zhì)對綠藻和硅藻的抑制率可達(dá)33.13%。植物修復(fù)湖泊沉積物中磷的主要方式是通過植物本身直接吸收以及植物根際微生物分解代謝，從而減少沉積物中磷含量或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為難溶形態(tài)。

2.2 鐵細(xì)菌對沉積物磷的控制 苦草對湖泊富營養(yǎng)化有極佳的改善效果，然而并非一年四季都可生長，當(dāng)溫度低于適宜溫度就會進(jìn)入衰亡期無法繼續(xù)生長。俞振飛等[17]研究發(fā)現(xiàn)在苦草衰亡期，水體磷濃度比空白對照略低但并無顯著差異，說明苦草進(jìn)入衰亡期后基本失去了治理能力，若沒有其他控制方法，水體磷濃度又會上升。最快速的控磷方法是用鐵調(diào)控，不過鐵鹽容易產(chǎn)生污染，大規(guī)模施用成本高昂。特定種類的微生物可以在對環(huán)境影響不大的前提下達(dá)到類似效果。且微生物只要有菌種，就可用較為低廉的原材料進(jìn)行生產(chǎn)，只要幾個周期就可大量培養(yǎng)，施入湖中自行遷移，也不會產(chǎn)生二次污染。

鐵氧化菌是一類能加速鐵氧化過程的細(xì)菌，廣泛存在于江河湖海以及土壤等環(huán)境中，生存條件較為寬泛。鐵氧化菌產(chǎn)生的分泌物可促進(jìn)植物生長，吸收更多的磷。且鐵氧化菌可以生成氧化鐵，在植物修復(fù)的基礎(chǔ)上，吸附和轉(zhuǎn)化磷，并在植物衰亡期利用湖泊鐵循環(huán)控制內(nèi)源磷的釋放。將植物修復(fù)與鐵的調(diào)控相結(jié)合，可以提高磷的去除效率。

2.2.1 鐵對磷固定、釋放的影響 鐵在氧化條件下會被氧化成Fe（OH）3等氧化鐵，這些氧化鐵有著極為特殊的化學(xué)性質(zhì)，對磷酸鹽的吸附效果極好。當(dāng)氧化還原電位較高時，磷酸鹽會與Fe3+結(jié)合形成不溶的磷酸鐵，可溶性磷也會被Fe（OH）3從水體中吸附[18]。在湖泊淺層底泥中，磷會被氧化鐵吸附，而在更深的泥層氧化條件就轉(zhuǎn)變成還原條件，鐵磷結(jié)合物又被分解，將吸附的磷元素釋放出來。在淺水湖泊中，沉積物與水的交界面是一個非常特殊的地方，這里是氧氣徘徊的邊界，植物將氧氣傳遞到這里，氧化還原反應(yīng)發(fā)生很頻繁，湖水中的磷和鐵在這個位置上反復(fù)地沉積與溶解[19]。據(jù)已有的關(guān)于沉積物中鐵與磷的積累及釋放過程的研究，可推斷底泥中磷的釋放在很大程度上取決于鐵的氧化還原過程。

2.2.2 微生物在鐵轉(zhuǎn)化中的作用 鐵氧化菌是一類特殊的微生物，通過將鐵氧化獲取能量，在鐵的氧化過程中具有關(guān)鍵作用，而鐵的氧化過程對淺水湖泊中磷的內(nèi)循環(huán)又具有重大影響。鐵氧化菌常生存于氧化—還原交界帶，初次被發(fā)現(xiàn)是在淺水湖泊中，隨著研究的深入，在江河湖海等領(lǐng)域也都有發(fā)現(xiàn)，存在范圍極為廣泛[13]。目前發(fā)現(xiàn)的鐵氧化菌主要是硝化螺菌門（Nitrospira）、堅壁菌門（Firmicute）、綠細(xì)菌門（Chlorobi）和變形桿菌門（Proteobacteria）[20]。

國內(nèi)大部分淺水湖泊pH處于中性或近中性。以往學(xué)者認(rèn)為，在pH偏中性且氧氣較充足條件下，鐵氧化很快，微生物的作用較為有限。但近些年有學(xué)者對25種植物調(diào)查發(fā)現(xiàn)，92%的被調(diào)查植株的根際存在鐵細(xì)菌[21]，50%～90%的鐵氧化物是由微生物活動形成的[22]。鐵氧化菌種類繁多，根據(jù)原料亞鐵的不同形態(tài)，生成的氧化鐵結(jié)構(gòu)、功能也大不相同[23]，但對磷酸鹽都表現(xiàn)出良好的吸附特性。因此，微生物在調(diào)控環(huán)境鐵氧化物形成方面具有不可忽視的作用。

3 結(jié)語

改善湖泊富營養(yǎng)狀態(tài)，須多管齊下，不僅要看當(dāng)下的治理結(jié)果，還要看長遠(yuǎn)的效果，富營養(yǎng)狀況是否會復(fù)發(fā)等。植物原位修復(fù)還要考慮成熟水草的收割問題，否則吸收的磷又會回到湖泊系統(tǒng)，水草衰亡后也要考慮進(jìn)一步的控磷方案。湖泊系統(tǒng)非常復(fù)雜，僅僅是磷的內(nèi)循環(huán)就涉及到植物、微生物、底泥、水體等。

在苦草—鐵細(xì)菌—微生物體系中，首先苦草的生長會自然吸收一小部分磷元素。其次，苦草會在生長過程中通過光合作用從根系分泌出氧氣改變根際環(huán)境，將根附近的鐵氧化。氧化態(tài)的鐵可以與磷酸根結(jié)合或?qū)⑵湮阶?，減少磷的再釋放?？嗖萆L期會源源不斷地釋放出氧氣，維持鐵磷結(jié)合物的穩(wěn)定，底泥中的鐵氧化菌也會生成鐵氧化物將更多的磷固定?？嗖葸M(jìn)入衰亡期之后，鐵氧化菌由于從其他途徑獲得的能量有限，通過不斷將鐵氧化來維持生物量，從而控制磷的釋放。

參考文獻(xiàn)

[1]邢麗貞，王立鵬，張志斌，等.湖泊內(nèi)源磷的釋放與富營養(yǎng)化的植物修復(fù)[J].四川環(huán)境，2010，29（3）：71-76.

[2]吳強(qiáng)亮.沉水植物苦草對水環(huán)境中磷的影響[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[3]張雷燕，李柯，劉正文.太湖不同污染程度底泥對磷滯留能力的比較[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，29（3）：546-550.

[4]Kleeberg A，Herzog C，Hupfer M.Redox sensitivity of iron in phosphorus binding does not impede lake restoration[J].Water Research，2013，47：1491-1502.

[5]李國新.污染沉積物原位和異位修復(fù)方法概述[J].安徽農(nóng)學(xué)通報，2019，25（19）：114-116.

[6]李大鵬，黃勇，李祥.底泥加入鐵鹽對水體磷的吸收和固定[J].環(huán)境化學(xué)，2013，32（5）：797-802.

[7]劉敏，吳鐵明，劉菡，等.3種水生植物的不同組合對富營養(yǎng)水體的凈化效果研究[J/OL].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報：1-6[2019-07-10].https：//doi.org/10.13304/j.nykjdb.2019.0161.

[8]陳照方，陳凱，楊司嘉.水生植物對淡水生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)效果分析[J/OL].分子植物育種：1-7[2019-07-10].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/46.1068.S.20181015.1058.007.html.

[9]張亞朋.典型沉水植物對沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)及磷形態(tài)的影響[D].南京：南京師范大學(xué)，2015.

[10]蔡景波.環(huán)境因子與沉水植物對底泥磷釋放的影響研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[11]林超，韓翠敏，游文華，等.不同水體營養(yǎng)條件對刺苦草和密刺苦草生長的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2016，35（8）：2117-2121.

[12]陳德元，謝貽發(fā)，劉正文.生長不同根冠比沉水植物的實驗水體對磷輸入的響應(yīng)比較研究[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2016，22（5）：747-751.

[13]劉新，王秀，趙珍，等.風(fēng)浪擾動對底泥內(nèi)源磷鈍化效果的影響[J].中國環(huán)境科學(xué)，2017，37（8）：3064-3071.

[14]張悅.水生植物及根際微生物對富營養(yǎng)化水體中氮磷的凈化作用研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2019.

[15]駱少勇，周躍飛，劉星.滇池內(nèi)源磷釋放潛力的區(qū)域差異：來自沉積物磷形態(tài)的證據(jù)[J].礦物學(xué)報，2019，39（1）：15-22.

[16]張之浩，李威，吳曉芙.6種沉水植物對富營養(yǎng)化水體化感抑藻效果研究[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2017，39（2）：55-60.

[17]俞振飛，徐東坡，王國祥，等.苦草（Vallisneria natans）衰亡對水-沉積物之間磷遷移的影響[J].湖泊科學(xué)，2016，28（1）：94-104.

[18]Armstrong W，Cousins D，Armstrong J，et al.Oxygen distribution in wetland plant roots and permeability barriers to gas-exchange with the rhizosphere：a microelectrode and modelling study with phragmites australis[J].Annals of Botany，2000，86（3）：687-703.

[19]賈國東，鐘佐桑.鐵的環(huán)境地球化學(xué)綜述[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1999，7（5）：74-84

[20]張萌，鄭平，季軍遠(yuǎn).厭氧鐵氧化菌研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2013，24（8）：2377-2382.

[21]Weiss JV，Emerson D，Backer SM，et al.Enumeration of Fe（II）-oxidizing and Fe（III）-reducing bacteria in the root zone of wetland plants：Implications for a rhizosphere iron cycle[J].Biogeochemistry，2003，64：77-96.

[22]Hu，M.;Li，F(xiàn).;Lei，J.;et al.Pyrosequencing revealed highly microbial phylogenetic diversity in ferromanganese nodules from farmland[J].Environmental Science-Processes & Impacts，2015，17（1）：213-224.

[23]馬智慧，王亞娥，李杰.鐵氧化菌特性及其在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2011，36（11）：67-71.

（責(zé)編：徐世紅）