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微生态修复湖泊富营养化——天意EM菌

微生态修复湖泊富营养化——天意EM菌

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发布时间:
2018/06/08 15:33
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近年来, 随着我国经济的迅速发展,排污量日益增加,加上长期以来人们对湖泊资源的不合理开发,大量含有氮、磷元素营养物质的污染物不断排入湖(库), 使水体的营养物质负荷量不断增加,造成水体富营养化。水体富营养化不仅对水体水质有严重影响,而且影响到周边水环境和人文景观 。根据近几年的数据显示,我国湖泊富营养化非常严重且呈恶化趋势。2007中国环境状况报显示,28 个国控重点湖泊中,满足Ⅱ类水质的2个,占7.1%;Ⅲ类的6个,占21.4% ;Ⅳ类的4个,占 ;Ⅴ类的5个,占17.9%;劣Ⅴ类的11个,占39.3%。主要污染指标为总氮和总磷。在监测的26个湖泊中, 重度富营养的2个, 占7.7%;中度富营养的3个, 占11.5%; 轻度富营养的9个, 占34.6%。因此, 预防和治理湖泊的富营养化势在必行。仅仅依靠建立污水处理厂和制定严格的排放标准来减少排入水体的有毒有害物质是远远不够的,也是很被动的一种预防措施。随着水生态修复理论的不断完善和深入,近年来水生态修复技术发展较快。水生态修复技术是根据水生生态学及恢复生态学基本原理,对受损的水生态系统的结构进行修复,促进良胜的生态演替,达到恢复受损生态系统生态完整性的一种技术措施 。

  1 水体富营养化的成因与危害

  1. 1水体富营养化的成因

  富营养化是一种氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。在自然条件下,随着河流夹带冲击物和水生生物残骸在湖底的不断沉降淤积, 湖泊会从贫营养湖过渡为富营养湖, 进而演变为沼泽和陆地, 这是极为缓慢的过程。但由于人类的活动, 将大量工业废水和生活污水以及农田径流中的植物营养物质排入湖泊、水库、河口、海湾等缓流水体后, 水生生物尤其是藻类将大量繁殖, 使生物量的种群种类数量发生改变, 破坏了水体的生态平衡。大量死亡的水生生物沉积到湖底, 被微生物分解, 消耗大量的溶解氧, 使水体溶解氧含量急剧降低, 水质恶化, 以致影响到鱼类的生存, 大大加速了水体的富营养化过程。目前判断湖泊富营养化一般采用的指标是:总氮含量大于0.300 mg/L,总磷含量大于0.025mg/L, 透明度小于25m, 叶绿素a含量大于0.010 mg/L。水体富营养化的形成主要受营养物质、溶解氧、气温、光照、水动力和底泥等因素的影响。

  1.1.1 营养物质。水体富营养化的根本原因是营养物质的增加。淡水水域藻类大量增殖的限制因子主要是磷,其次是氮,可能还有碳、微量元素或维生素。在适宜的光照、温度、pH值和具备充分营养物质的条件下, 天然水中藻类进行光合作用, 合成本身的原生质。有学者提出了藻类的经验分子式C106H263O110N16 P1。这就是说,氮磷比按元素计为16:1;按重量计为7.2:1. 0。当氮、磷比小于该比值时,氮将限制藻类的增长;当大于该比值时,则可认为磷是藻类增长的限制因素。但在一般情况下,水体中藻类能通过生物固氮作用从大气中获得所需要的氮元素,可利用的氮远比可利用的磷多同时, Leibig最小因子定律( Leibig law of them-inmi um)指出:植物生长取决于外界提供给它的所需养料中数量最少的一种。由此可以认为, 磷是控制湖泊藻类生长的主要因素 。

  1. 1. 2 溶解氧。根据湖水中光合作用产氧和污染物氧化降解的耗氧过程可知,水体溶解氧下降有利于蓝藻的生长,而对其他藻类生长不利。当水体中氮磷过量富集,水中营养物质增多,促使自养型生物生长旺盛,特别是蓝藻和红藻的个体数量迅速增加,而其他藻类的种类则逐渐减少。鱼类等对藻类的消费能力赶不上藻类的繁殖速度,水中藻类越长越多,藻类生物集中在水层表面,光合作用释放出的氧溶解在水体表层,表层水面形成氧饱和溶液,从而阻止了大气向水体进行复氧。与此同时,大量死亡的海藻在分解时也要消耗水中的溶解氧,这样水中的溶解氧就会急剧减少,甚至可降至零,从而导致水中的鱼类等动物大量窒息死亡,水体生态平衡被破坏,水质恶化。

  1. 1. 3 温度和光照。温度和光照是影响藻类生长的最重要的物理因子。在一定范围内, 藻类数量随光强及温度的增加而增加,并且温度的影响大于光强, 在20~ 30℃的条件下,当光强从1 000 lx增加到4 000 lx时,藻类数量增加较快,4 000 lx以后渐趋平衡, 在5 000 lx基本上达到最大值。如果光照和温度都较适宜,则藻类过量生长,水体可能产生富营养化。

  1. 1. 4 水动力。水体富营养化需要有合适的场所和缓慢的水流流态,一般多在湖泊、水库、河口、海湾、内海等水体内发生。缓流水体一方面不利于营养物质的扩散,加剧了营养物质特别是氮、磷的积累,为藻类的繁殖、生长提供了营养基础;另一方面,缓流的水体为一些较适应缓流水体的藻类如蓝藻、绿藻的生存提供了适宜的水力条件。 我国大部分地区都属于大陆性季风气候,风力对水体的流动有很大的影响。在风力较适中的季节, 由于受风力的作用,水流将从水体下部向上流动。在水体流动的过程中,底泥中的营养盐被水流搅起随水流进入水体,从而使水体中营养盐含量增加。在其他条件都适宜的条件下, 藻类会大量生长, 同样也会导致水体富营养化的产生。

  1.1. 5 底泥。对许多湖泊的调查资料表明,在湖泊环境发生变化时, 如入湖营养盐负荷量减少或完全截污后,湖泊仍然可以发生富营养化,甚至出现水华,这一现象在浅水湖泊中表现得尤为突出。究其原因,主要受湖泊沉积物的影响,在一定条件下, 沉积物中的营养盐可能成为湖泊富营养化的主导因子。营养元素在水体及其底部沉积物间存在溶解、沉积动态平衡,外源性营养物进入水体后,通过物理、化学和生物学作用沉积到底泥中,而当水体营养物含量降到一定限度时, 底泥中的营养物将重新释放到水体中。

  1. 2 水体富营养化的危害

  1. 2. 1 对渔业生产的影响。水体富营养化危害水产养殖业。富营养化造成水体透明度降低,阳光难以穿透水层,从而影响水中植物的光合作用和氧气的释放;同时,浮游生物的大量繁殖,消耗了水中大量的氧,使水中溶解氧严重不足,造成鱼类缺氧窒息死亡。有些藻类的分泌液或死亡分解后产生的黏液,可以附着在鱼虾贝类的鳃上,使它们窒息死亡。鱼虾贝类吃了含有毒素的藻类后, 也会发生中毒死亡。

  1. 2. 2 对水生生态的影响。处于富营养化的水体,水体的正常生态平衡被破坏,原有的水生生物类群被打破,水生生物种类减少,多样性受到破坏。湖泊自身各种功能特别是生态系统严重退化,最后可能会使某些湖泊老化, 成为生命力丧失的死水,甚至干枯死亡。

  1. 2. 3对人体健康的危害。水体富营养化导致水体的水质下降,对人体健康产生很大的威胁。水质下降有时只表现为感官性状的变化,使水体变得腥臭难闻,如束丝藻属和鱼腥藻属呈现猪粪味,腔球藻属呈现烂草味,空球藻呈现鱼腥味;有时却可能含有致病毒素,如蓝藻门的不定腔球藻、铜绿微囊藻分泌的带毒性的物质可引起人畜消化道疾病。另外, 富营养化水体中含有过量的亚硝酸盐和硝酸盐,人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水或食用这种水中生长的鱼、植物则会导致中毒、致病。

  2 水体富营养化的生物修复定义及目标

  2.1 水体富营养化的生物修复定义

  生态修复本质是恢复系统的必要功能并使系统达到自我维持的状态。修复的目的是要再现一个自然的,能自我调节的湖泊生态系统,使其与所在的生态景观形成一个完整的统一体。针对具体受损的生态系统,找出目前环境条件的限制性因子,根据生态工程学原理,对系统实施种群组建或重建,恢复湖泊其原有的生物多样性,使其达到具备自我维持与自我调节的能力。该类技术的特点是修复措施与退化水生态系统紧密融合,对于我国浅水型湖泊的富营养化防治是一项应用潜力很大的技术。通过生物操纵或沉水植物重建,减轻营养负荷的再悬浮程度,促使藻型富营养化水体向草型富营养化水体演替,抑制蓝藻暴发,达到提高水质安全性的目的。

  2.2 水体富营养化的生物修复目标

  湖泊富营养化治理一般应该遵循的路线是控源、生态修复和流域管理。控源包括流域上各种外源负荷以及沉积物释放所产生的内源负荷, 这对浅水湖泊富营养化控制非常必要。在控源的基础上,进行以水生植物恢复为核心的生态修复工作 。湖泊生态修复的目的, 一方面是为了控制底泥内源污染,这在浅水湖泊中特别需要;另一方面是控制蓝藻水华。从技术上说, 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

  体中藻类疯长的基础,达到降低水体中藻类生物量、提高水体透明度的目的。以地表水和湖泊水水质国家标准为修复目标。环境管理部门要求控制3项基本指标:氨氮、全磷、透明度。通常把氨氮定在地表水Ⅱ类标准:0. 500 mg/L;总磷定在湖泊水Ⅲ类标准:0. 025 mg /L(地表水Ⅲ类标准可放宽到0. 100mg /L);透明度定在湖泊水Ⅳ类标准:1. 5 m( 地表水透明度无标准;富营养化湖泊水体透明度一般仅0. 2~ 0. 3 m)

  3 微生物修复技术

  微生物作为生态系统中的分解者,对污染物的去除和养分的循环起着很重要的作用。尤其当水生态系统中接纳大量的无机营养物质时,该作用尤其突出。通过对氮的氨化、硝化、反硝化作用, 微生物驱动着水体中氮的生物地球化学循环;微生物还参与着有机磷的分解作用, 可以促进水生植物的吸收利用。当氮磷浓度不断增加时, 碳有可能成为新的限制因子, 因此,高浓度的有机物也可能引起蓝藻暴发,依靠接种有益微生物菌株来加速碳、氮和磷在水体环境中的生物地球化学循环,并强化对这些营养物质的去除, 可以作为生物修复中的一项重要手段。接种的微生物既可单独使用, 也可作为植物修复的配套技术使用。 目前在生物修复工程中大多应用土著微生物,一方面是土著微生物具有生物降解的巨大潜力;另一方面是,接种的微生物在环境中难以保持较高的活性。此外, 考虑到安全性等因素, 工程菌的应用也受到较严格的限制,引进外来微生物和工程菌时必须注意这些微生物对当地土著微生物的影响。在生物修复中被广泛应用的微生物还有高效降解菌,其大多系多种微生物混合而成的复合菌群,其中不少已被制成商业化产品。如光合细菌( PSB, Photosyn thetio Bacteria), 这是一类在厌氧光照下进行不产氧光合作用的原核生物的总称, 它在厌氧光照及好氧黑暗条下都能以有机物为基质进行代谢和生长, 因此对有机物有很强的降解转化能力,同时对硫、氮元素的转化也起了很大的作用。对比传统的处理工艺, 利用基因工程菌对水体生物进行修复具有处理费用低、操作简便、二次污染小、生态综合效益明显、处理效果显著等特点。沈士德将基因工程菌用于治理徐州市黄河故道的富营养化水体, 从试验可以看出, 在消氮细菌和沉降细菌作用下,水中的COD、氨氮等指标值明显降低, 随着水中藻类的减少和下沉,水体的浊度明显下降, 从而改善了水体的景观 。经研究认为, 该方法经济可行, 这对处理生活污水和小型湖库的富营养化起到了借鉴作用。

  4 结语

  水体富营养化破坏了水体原有生态系统的平衡,给环境带来很多危害。对受污染的江河、湖泊、水库水体进行修复,是经济社会发展以及生态环境建设的迫切需要。生物修复技术投资少、运行方便、能耗低, 是一条合理的水体污染治理 路线。此外, 应将湖泊作为一个有机的整体来对待, 治理湖泊富营养化时, 应避免采用单一的修复方法。水生植物修复、微生物修复及水生动物修复并不是相互孤立的,水体中任何生物种类的变化均会影响其他生物种群和数量的改变。因此,多种生物修复技术可以同时采用, 或与其他修复技术结合使用,使其取得更好的处理效果。在运用生物修复技术对富营养化水体进行治理的过程中, 也应考虑到物种间的相互影响和生态安全。

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