人工湿地中微生物群落特征及其净化机理

冯冲凌，李科林，李 芸

（中南林业科技大学 环境科学与工程研究中心，湖南 长沙 410004）

人工湿地中微生物群落特征及其净化机理

冯冲凌，李科林，李 芸

（中南林业科技大学 环境科学与工程研究中心，湖南 长沙 410004）

人工湿地系统中微生物群落特征与湿地结构、布水方式及植物种类密切相关。总体上，人工湿地系统中微生物的种类多样性和数量沿水流方向呈递减趋势，植物对湿地微生物群落的影响主要在基质表层的根际效应区间，采取控氧措施可促进微生物群落向纵深发展。人工湿地系统中的氮代谢微生物主要是硝化细菌和反硝化细菌，有新的研究表明，厌氧氨氧化细菌不仅具有较强的去氮能力，还能显著提高废水COD的去除率。不同种类的磷细菌在湿地系统中磷的溶解、沉淀和转化利用中发挥着重要的作用，生物制剂的应用可提高磷的去除率。人工湿地系统中还存在一系列具有特殊功能的微生物种类，包括可降低镉等重金属污染毒性、降解石油类化合物、多环芳烃以及酚类的微生物菌种等。研究人工湿地微生物群落季相变化演替规律及其净化机理、考察分析微生物与植物及基质之间的综合效应和筛选驯化功能菌种，是发展人工湿地技术的重点领域。

人工湿地； 污水处理； 微生物群落； 净化机理

人工湿地是一类人工建造、模仿自然湿地的综合性生态体系；通过对自然湿地的模拟，利用人造生态系统中的物理、化学和生物的协同作用来实现对污水的净化[1-2]。由于其投资少，效率高，处理效果稳定，运行费用低，维护方便且具有良好的景观生态效应等优势，近年来在污水处理中越来越受到欢迎[3-5]。一般认为，人工湿地的净化功能是利用植物一土壤一微生物的综合作用而实现的，其中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[6]，在湿地中与其他动、植物共生体的相互关系中往往起着核心作用，它们通过参与湿地系统中各种反应（如矿化作用、同化作用、氧化反应、还原反应等）对污染物进行利用[7]，从而实现系统的净化。因此了解微生物在湿地基质中的状况，对了解人工湿地去除污染物机理具有重要意义。

湿地中的微生物种类及其丰富，存在大量的好氧、厌氧和兼性厌氧微生物菌群，广泛分布于湿地系统的土壤基质以及植物根系表面。随着对湿地生态系统认识的不断深入，越来越多的结果证明在该系统中，微生物种群的多样性、稳定性对维护湿地生态系统的平衡具有关键作用，因此，近年来，关于湿地生态系统中微生物群落结构及分布、微生物降解机制等方面的研究日益受到国内外研究者的重视[6,8-9]。本文概述了国内外对湿地生态系统中微生物种群特性以及污染物降解机制等方面的研究进展，并对未来湿地生态系统中微生物种群研究的发展进行了探讨和展望，以期为该领域的研究和应用提供理论支撑和技术支持。

1 人工湿地中微生物群落结构及分布

由于人工湿地具有明显的分层结构以及其系统内植物种类的差异，因此微生物群落结构与分布也有着显著的差异。Zhou[10]等人在研究复合垂直流人工湿地时发现，系统表层的细菌与真菌的数量显著高于其下层的数量，随着系统的垂直高度不断加深，真菌的数量逐渐减少；同时PLFA的实验结果还表明，对系统垂直取样时发现，微生物群落形成了两个好氧层和一个厌氧层，且厌氧层夹在两个好氧层中间，表现出明显的分层效应。Kirsten[11]等人指出在相同的垂直潜流湿地体系中，种植不同的植物也会对湿地微生物群落有影响，但它们仅对系统表层0～10 cm处有显著影响，更深层出的微生物群落则基本相似，这可能是由于微生物的根际效应所导致的。张政[12]等人采用潜流水平湿地系统进行研究时发现，沿水流方向细菌、亚硝酸菌总数的总体趋势是递减的，即前部多于中后部；在垂直方向上，上层的微生物数量多于下层。陶敏[13]等人指出对复合垂直流人工湿地实施氧调控时，系统中微生物群落向基质纵深发展，表征微生物活性的PLFAs总不饱和度水平明显增加，曝气系统下行池表层各类微生物的生物量为不曝气系统的2～6倍，革兰氏阴性菌成为曝气系统下复合垂直流人工湿地基质中微生物的优势菌群，此时的微生物群落具有更高的活性和专一性，可以有效提高污染物的去除效果。

2 人工湿地功能微生物及其净化机理

2.1 氮代谢微生物

人工湿地在污水处理过程中对氮有很强的去除能力，这是由于在人工湿地中污水表面的复氧作用和植物向根系的输氧作用下可在处理系统中形成无数个有氧-缺氧-厌氧的微环境，使得硝化细菌和反硝化细菌可在人工湿地中同时作用，因而具有高效的脱氮能力[14]。系统的脱氮过程主要是由体系中微生物的硝化-反硝化作用来完成的；其中硝化作用是由自养型细菌在好氧的环境下分阶段完成的，首先，硝化细菌中的氨氧化菌（AOB）将污水中的转化为，其次亚硝酸盐氧化菌(NOB)则可将污水中的NO2-N进一步转化为NO3-N；从而完成硝化作用；而反硝化作用则是反硝化细菌（厌氧氨氧化菌）在缺氧的条件下，还原硝酸盐，并最终释放分子态N2或N2O，但是这种常规的脱氮过程中更容易产生N2O由此容易导致环境的二次污染。新的研究结果表明，人工湿地中厌氧氨氧化菌可以将的电子直接转化为，并最终将污水中氮转化为N2或N2O，而采用这种方法最显著的特点就是在脱氮过程中分子态N2是其主要产物，而产生的N2O极少，由此减少了对环境的二次污染。Faulwetter[15]等人在厌氧氨氧化反实验中发现，大约有85%的氨氮可以被转化为N2，15%被转化为，而仅有0.1%的氨氮被转化为N2O；此外这种方法不需要外加碳源，同时具有低需氧、低能耗且无二次污染的特性，因此这种脱氮方式越来越受到研究者的追捧[16-18]。由于异养型细菌是氧气的消耗者，因此这些微生物在生长的同时，其周边可以产生缺氧或厌氧的微环境环境，与硝化细菌相比，厌氧氨氧化细菌更易于与异养型细菌共生，这使得氮代谢微生物之间营养源的竞争相对减弱[15]；Zhu[19]等人报道人工湿地中可能有33%的N2是通过厌氧氨氧化过程转化得到的，其余的则归结反硝化作用；同时还指出向人工湿地中补充活性污泥可以增强体系中厌氧氨氧化菌的丰度和生物的多样性，从而可以提高厌氧氨氧化过程的稳定性。Dong[20]等人对垂直流人工湿地进行研究时发现，采用部分消化-厌氧氨氧化工艺不仅对氮的去除能力明显比传统的硝化-反硝化工艺要高；同时还能显著提高废水中COD的去除率。

2.2 硫细菌

由于硫大量存在于各种污水中，特别是矿区的酸性废水中，因此，在湿地处理中，硫循环是一个非常重要的过程。尽管有研究表明在人工湿地中硫的转化并不完全依赖于微生物的活性，但是比较一致的共识认为微生物群落在此过程中起到非常重要的作用，特别是硫还原细菌(SRB)。Nicomrat[21]等人在利用人工湿地处理矿区酸性废水的研究中发现，主要的微生物是嗜酸细菌，其中嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)是最主要的功能微生物，RFLP检测中其样品片含量将近40%。氧化亚铁硫杆菌在废水的酸性环境中可以将Fe2+氧化为Fe3+从而降低废水的酸性。

Janice[22]等人研究发现人工湿地中的硫细菌可以将废水中的Cr(VI)转化为Cr2S3沉淀，由此可以降低镉污染废水的毒性。

2.3 磷细菌

人工湿地通过水生植物、基质和微生物的共同作用来完成对磷的去除[23]。人工湿地中的有机磷经过磷细菌的代谢活动而转变成磷酸盐，溶解性较差的无机磷酸盐则经过磷细菌的代谢活动增加溶解度，从而除去污水中的磷。微生物对磷的作用包括正常吸收和过量积累。正常吸收是指所有微生物对磷都有同化作用，光合微生物的同化作用需要较高的水温和充足的阳光；异养微生物则需要适量的有机碳源；但当体系N∶p＜10∶1时，磷的同化作用会终止[24]。另外，人工湿地中常常存在某些除磷能力明显的细菌，如不动杆菌Acin etobaccer，气单胞菌属Aeromonas，假单胞菌属Pseudomonas，放线菌属Actinomycetales和诺卡氏菌属Nocardia)等，由于它们可以超量摄取污水中的磷，因此也被称为高效除磷菌。张鸿[25]等人在研究人工湿地中磷净化率与细菌分布关系时发现，由于水芹湿地和凤眼莲湿地中含有大量磷细菌，水芹和凤眼莲湿地对磷的净化率比空白对照组分别高出16.0%和8.1%。Wang[16]等人指出微生物死亡后其体内吸附的磷几乎全部迅速分解释放回到水体当中，所以一般认为微生物的活动与总磷的去除效率之间并无显著相关关系，但是有机磷酶促水解无机化，却是人工湿地系统中磷被基质吸附沉淀和植物吸收利用的关键步骤。凌云[26]等人在人工芦苇湿地添加微生物制剂发现，生物制剂可以使系统总磷平均去除率达到20.9%，高出空白18.3%，此外微生物的增加能有效促进浮泥层中磷的转移，减缓浮泥层中磷的积累，这对促进磷向基质转移有重要意义。

2.4 其他微生物

目前，湿地越来越多地应用于处理含重金属的废水中，因此人工湿地中重金属与微生物之间的关系研究也越来越受到重视。靳振江[27]等人指当系统浓度长期普遍较高时，微生物群落被少数耐受性较高的种群所主导，并且处于相对稳定状态；而当系统浓度发生变化时，重金属胁迫导致少数耐受性较低的微生物种群消失或减少，迅速被重金属耐受性较高的微生物代替。在湿地系统中，微生物去除重金属机理主要包括2个方面[28]：(1)由于生长繁殖的需要，微生物会从外界吸收或吸附所需的重金属到细胞体内；有些细菌在生长过程中可以释放出某些蛋白质，能使溶液中的可溶性重金属转化为沉淀；(2)根区好氧微生物可以加强湿地植物对重金属的吸附和富集作用。

随着我国对石油的需求日益增加，采油废水的生产量以及污染强度也在不断增加，对环境的危害也越来越大。人工湿地不仅可以有效降解废水中的石油烃，同时还对环境有美化作用，因此，人工湿地处理技术也受到关注。湿地中对有机物的去除主要是靠微生物的作用，有研究者推测，在合适的条件，微生物几乎可以降解所用的石油烃；在石油类化合物中饱和烃最容易被微生物降解，低分子量芳香烃较容易被利用，而树脂和沥青则很难被微生物利用。张海[29]等人利用潜流人工湿地去除大庆地区湖泊水体中石油类化合物的研究中发现，在体系中添加从微生物（微生物来自污水处理厂污泥，污水厂的进水含有石油类化合物）可以提高石油类化合物污染物的去除效果，这主要是由于湿地系统中烃降解菌的数量显著增加。

此外，随着人工湿地在处理多环芳烃以及酚类污水领域的应用，其相关的功能微生物的的研究也逐渐开始受到研究者的关注。Kurzbaum[30]等人在人工湿地中分离出一株可以有效降解苯酚的细菌(planktonic Pseudomonas pseudoalcaligenes)，其降解能力远高于湿地体系中根系微生物和基质表面所形成的生物膜。

3 展 望

微生物是人工湿地运行过程中有机质的主要降解者，在污染物去除过程中发挥着关键作用；有时候，一种污染物的降解或转化往往是由众多微生物协同作用而完成的，因此其净化机理也复杂多样。然而目前人工湿地的研究重点依然集中于污染物的去除效率、基质效率、运行参数、植物选取等方面，对于微生物方面的研究则仍停留在种群的筛选和鉴别阶段，而对于其功能特性以及影响因素方面的研究的报道不是很多。因此，根据目前人工湿地微生物的研究现状和发展趋势，笔者认为以后可以在以下几个方面加强研究：

(1)人工湿地中，微生物群落会随着季节的变化而变化，考察不同时期体系中群落演替的规律及其净化机理；

(2)筛选、驯化人工湿地功能微生物，特别是针对重金属污水、油田废水、养殖废水等特殊污水中功能微生物的开发与利用以强化体系的净化能力；

(3)人工湿地是土壤-植物-微生物协同作用的综合体系，但是目前关于它们三者之间的交互影响研究报道较少，数学模型等综合分析手段在很多领域都得到了广泛的应用，而在人工湿地系统的应用却鲜有报道，尤其是针对体系微生物与土壤及植物之间的相互关系则显得更加迫切；

（4）植物根系的输氧作用使得其周围的微生物菌群无论从种类还是从数量上都优于系统其它方面，加强对根际微生物群落代谢特性的研究将有利于湿地建设中高效植物的筛选、菌种的投加等都有着重要的指导意义。

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Characteristics of microbial communities in constructed wetlands and their purif i cation mechanisms

FENG Chong-ling, LI Ke-lin, LI Yun
(Research Center of Environment Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

The characteristics of microbial community are closely related with wetland structure，water distribution mode and plant species in constructed wetlands. In general, both the level of bio-diversity and the number of microorganisms in the system displays a decreasing trend towards the inf l uent fl ow direction; the rhizosphere in the upper layer of the fi lter bed is the area where the plants have signif i cant inf l uences on microbial activities; aeration control can enhance the growth of microbial community in deeper areas. Nitrifying and denitrifying bacteria are the main nitrogen metabolism microorganisms in constructed wetlands. Later researches revealed that the anammox bacteria can not only accelerate the nitrogen removal rate, but also improve the COD removal eff i ciency. Different phosphatesolubilizing bacteria participate in the processes of phosphorus dissolution, precipitation and transformation and thus they play important roles in phosphorus removal in the constructed wetland. Application of bio-reagents can raise the phosphorus removal rate. There are also other special types of microorganisms in constructed wetlands, including those with abilities to reduce the toxicity of cadmium or other heavy metal pollutants, and those with functions to degrade petroleum compounds, polycyclic aromatic hydrocarbons and phenols. To update our knowledge, the most relevant open topics for future research will be the effect of seasonal changes on microbial community succession and related purif i cation mechanisms, the interactions among microbial communities, plants and substrates, and the screening and domestication of functional bacteria.

constructed wetland; waste water treatment; microbial community; purif i cation mechanism

S719

A

1673-923X(2012)12-0042-04

2012-06-13

国家林业科技推广项目[2010-43]；国家十二五科技支撑项目(2012BAC09B03-4)；湖南省环境科学与工程重点学科与重点实验室基金

冯冲凌（1982-），女，陕西绥德人，博士，研究方向：环境微生物技术

[本文编校：吴 彬]