人工湿地污水处理系统中的微生物特性研究进展

王小国

（三门峡职业技术学院食品园林学院，河南 三门峡 472000）

湿地被誉为“地球之肾”，是地球在水陆作用下形成的独特生态景观，具有较高生产力和丰富的物种多样性，在涵养水源、改善气候、控制污染方面有重要的作用［1］。人工湿地是模拟自然湿地系统的组成和功能特点，以污水处理为主要目的，人为地在适宜的低洼地带用土壤和填料（如砾石等）混合组成床体，并在床体表面种植与当地气候条件适应的水生植物（如芦苇、菖蒲等），兼具污水净化和景观价值的一种人工生态系统。世界上第一个用于处理污水的人工湿地建于1903年（位于英国的约克郡艾尔柏，该湿地系统一直运行到1992年）［2］。20世纪70年代以后，人工湿地污水处理工艺开始受到人们的重视，并得到快速发展。

人工湿地对污水的净化是通过“植物-土壤基质-微生物”的综合作用实现的，有关人工湿地的研究多集中在湿地植被和填料方面，但许多研究表明，微生物在人工湿地污水净化过程中发挥着重要作用［3-5］。

1 人工湿地中微生物的分布特性及影响因素

人工湿地是“植物-填料-微生物”的综合体，湿地植物的功能、特点和无机填料的理化特性及湿地系统外部的环境因素对基质微生物的生态分布特性均能产生巨大影响。大量研究表明人工湿地中的微生物呈现一定的空间分布规律，同时其分布特征会受到季节变化的影响［6-8］。

梁威等［9］对不同植被湿地系统的植物根区微生物季节性分布状况的研究显示，不同植被的湿地系统根区微生物数量不同，且秋季细菌的总数量比夏季高，但夏季的真菌和放线菌数量明显高于秋季，同时运用相关性分析发现湿地植物根区的细菌总数与BOD5的去除率之间存在显著相关性，而根区微生物数量与TP、CODcr和凯氏氮（KN）的去除率间不存在显著相关。高波［10］在亚热带地区人工湿地植物根际微生物的功能群及与植物之间关系的研究中指出，人工湿地基质所含亚硝酸细菌和反硝化细菌数量、基质的硝化作用和反硝化作用均呈现一定的季节性变化规律。

靖元孝等［11］研究表明，风车草人工湿地对TN的去除率明显高于无植物人工湿地系统，除氨化细菌数量无明显差异，风车草人工湿地的硝化细菌和反硝化细菌均高出于无植物系1个数量级。项学敏等［12］研究了湿地植物芦苇和香蒲根际微生物特性，指出芦苇和香蒲具有明显的根际效应，根际微生物数量和活性高于非根际的微生物，芦苇根际比香蒲更适合亚硝酸细菌的生长。

吴振斌等［13］对复合垂直流构建湿地中试系统基质剖面微生物活性的研究发现，上行流和下行流池0-10cm的基质层中好氧微生物数量高出30-55cm的层1-2个数量级，反硝化细菌除下行流池0-10cm的层面外其他基质层数量都达到107个/g干土以上；0-20cm的基质层中脲酶活性明显高于30-55cm的层面，而0-10cm的层面中脱氢酶活性明显高出10-55cm的层面2-5倍；硝化、反硝化作用广泛存在于基质中，且硝化作用表现出一定的明显的空间规律，而反硝化作用的空间差别很小。梁威等［14］研究指出，复合垂直流构建湿地的基质微生物的数目、酶活性具有一定的时间和空间分布规律，下行流池中的微生物类群数目、脲酶、磷酸酶活性较上行流池高。付融冰等［15］研究发现，不同植物湿地基质中微生物的数量差异不显著，有植物和无植物湿地的差别也不明显，基质微生物数量呈现一定的空间分布；在相对稳定的运行条件下，基质中微生物群落的数量和活性会趋于稳定。

2 人工湿地中微生物代谢特性

人工湿地中微生物对污水的净化作用，同基质中各类微生物的代谢特点有直接关系，尤其在有机物的降解、氮化合物的脱氮作用和磷化合物的转化方面，基质微生物更是发挥着至关重要的作用。

李小鹏等［16］对污水生物处理中氨氧化菌的氨单加氧酶（AMO）等酶的性质和氨氧化途径的综合分析指出，氨氧化菌具有多种代谢途径，与其他菌种间存在广泛的协作和竞争关系，具有在不同环境条件下利用不同基质的能力。邓欢欢等［17-19］对垂直流人工湿地基质的上层微生物群落碳源代谢能力小于下层，对不同碳源的利用特性存在较大差异（糖类＞胺类、氨基酸、羧酸和聚合物＞酚类），湿地微生物群落的结构和代谢特性易受到不同环境和植被的影响，而呈现不同的代谢特点；水平潜流人工湿地的基质微生物群落的碳源代谢能力，总体上呈现床体上层高于床体下层，前部高于后部的规律变化，但不同部位的基质微生物具有不同的群落结构和代谢特征，对不同碳源的利用能力也存在显著差异（对糖类利用能力较强，且前部上层微生物对氨基酸和羧酸利用能力明显高于其他部位微生物，但对聚合物利用能力低于其他部位）。

王晓娟等［20］对表面流和潜流人工湿地中不同填料层的微生物硝化和反硝化强度的对比分析结果显示，人工湿地系统可同时进行硝化和反硝化作用；表面流湿地硝化强度高于潜流湿地，硝化强度在两个系统中均有明显的分层现象，且上层硝化强度高于下层，沿程硝化强度呈递减趋势；潜流湿地上层土壤填料的反硝化强度最高，砾石填料反硝化强度最低，表面流湿地反硝化强度居中，两个系统的反硝化强度分层不明显，沿程基本保持不变。

湿地微生物对含磷化合物的净化机理有待深入研究。Wang等人［21］的研究表明，被微生物吸收利用的磷处在被不断吸收和释放的动态过程中，在微生物死亡后会被迅速分解并全部释放进入系统，致使微生物的活动与总磷的去除效率间并无明显相关，但是微生物的生化作用将有机磷酶促水解无机化，是人工湿地系统中磷被土壤吸附沉淀和植物吸收利用的关键。Richardson［22］指出，聚磷菌可将过量摄取的P合成为ATP、DNA和RNA等有机成分，但由于湿地系统中聚磷菌更新速率缓慢，导致了聚磷菌在污水磷去除方面贡献较小。

梁威等［23］对所构建湿地去除酞酸酯的基质微生物和酶机制的研究表明，复合垂直流构建湿地对酞酸酯污染具有较好的净化效果，对酞酸酯的净化主要发生在氧气含量相对较多的下行流池，上行流池的净化作用相对较差，且构建湿地的净化作用主要集中在湿地上层基质中。周巧红等［24］通过酞酸酯对复合垂直流湿地基质微生物活性的研究得出了与成水平［25］、陈博谦［26］等人相似的结论，即下行流池微生物活性明显高于上行流池，酞酸酯对微生物的生长未表现出明显抑制作用，却可促进真菌类微生物的生长，同时还发现长、短链酞酸酯对实验系统微生物数量的影响不显著。

3 分子生物学方法在湿地微生物研究中的应用

人们对湿地微生物的研究多采用传统微生物和生化方法（如测定微生物数量、基质酶活性等），近年来，国内外学者用各类分子生物学方法，对人工湿地的微生物群落结构、多样性特点进行了初步分析，并获得一些成果。

J.McHenyr等［27］的报道指出，对湿地中植物选择和作用的检测可以通过原位杂交监测其中微生物的途径来实施。L.calvó等［28］运用PCR-DGGE技术对包括湿地处理系统在内的不同环境样品中的氨氧化细菌研究表明，扩增引物的选择会对环境样品中微生物群落结构研究的准确性和全面性会产生影响。

蒋玲燕等［29］运用PCR-DGGE技术，结合多样性和聚类分析方法，研究了3种潜流人工湿地微生物种群的结构特征，表明PCR-DGGE技术可以真实地记录人工湿地微生物种群的结构及分布特点，同时还发现，不同类型湿地植被与填料对微生物群落结构可以产生较大影响。Vacca等［30］采用PCR-SSCP方法研究了人工湿地中植物以及填料对微生物去除的影响，得出了与蒋玲燕相似的研究结果。

黄德锋等31］采用PCR-DGGE技术分析了复合垂直流湿地系统中微生物群落结构垂直分布及组成的多样性，发现湿地系统中环境条件和营养水平的变化，使湿地系统不同位置的微生物种群存在共同种属和各自的特异种属，从下行池到上行池，微生物群落的多样性逐渐降低，群落结构间的相似性逐渐增大，此外，湿地植物的供氧状况、残体累积以及根际效应有助于提高湿地表层微生物的多样性水平。董亮［32］采用ERIC-PCR、PCR-DGGE和PCR-SSCP技术，结合传统微生物研究方法，对芦苇人工湿地中的微生物群落结构、多样性水平等的分析指出，芦苇湿地微生物DNA多样性呈现季节性和地带性变化，各采样点微生物在不同采样季节有较大差异，可能是芦苇人工湿地中微生物在生长繁殖时期易受到外界影响所致。

综上所述，分子生物学方法应用于人工湿地微生物群落的研究尚处于初始阶段，所取得的研究成果却充分显示了这类方法的巨大优势和潜能。

4 结语

总之，在人工湿地对各类污水的净化过程中，微生物发挥了非常重要的作用。就目前人工湿地微生物研究现状看，多数研究侧重于各类人工湿地中微生物群落的空间分布特征及其影响因素方面，而忽视了湿地微生物对各类污染物的净化机制的深入的研究，且使用的方法较为传统。因此，今后湿地微生物相关研究的应考虑以下方面：湿地微生物对各类污染物的净化机制的深入研究；运用先进的技术手段，在分子水平上对湿地微生物的群落特征、代谢特点等进行深入研究。

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