应用于农村污染河流水体的生物修复技术研究

彭杰帅，罗 超，唐 祚

（湖南南方水利水电勘测设计院有限公司，湖南 长沙 410007）

引 言

随着我国农村地区的经济发展，不断推进的社会主义新农村建设，农民生活水平得到了极大提高，但是也暴露出不少问题。农村地区饮用水绝大数超标，饮用水安全问题形势严峻。农村地表水、地下水均受到不同程度污染[1]。由于缺乏专门的农村水污染防治法[2]，公共政策执行偏差[3]和农民环保意识淡薄，造成了水污染问题的不断恶化[4]。另外，流域开发的加剧，使许多地区出现水体富营养化、水生态系统被破坏以及水质不断恶化等环境问题，造成重大的经济损失，甚至危害人类健康。因此河道水的治理势在必行，刻不容缓。农村河流生态破坏演变过程如图1 所示。

图1 农村河流生态破坏演变示意图

农村水污染通常分为内源性污染和外源性污染。内源性污染一般指的是农村当地居民生产和生活产生的污水污染；外源性污染则是从农村外部转移过来的污染，如河流上游排放的城镇生活污水或工业废水所导致的农村污染。2011 年前后，政府开始完善农村水污染防治政策，相关技术也开始不断优化创新[5]。刘福兴等[6]的研究表明，生态浮床技术是一种行之有效的水体原位生态修复技术，具有投资少、见效快、管理便捷等优点，值得注意的是，采用经济作物作为浮床植物时，不仅有效改善了水质，而且收回了部分投资成本。因此，水生系植被恢复技术除了能增强水体净化能力，恢复生态系统结构完整性和功能性外，最重要的是可以实现水体污染物浓度的显著降低。

为了促使水生态系统稳定良好的发展，我国农村河道的治理方向主要为以土壤生物工程为核心的生态护坡技术。生态护坡技术不仅能够恢复河岸植被群落，还能有效控制坡岸土壤侵蚀和农业面源污染。同时也利用了水生动植物对有机和无机物质的吸收和转化来净化水质。Songsangjinda 等研究了牡蛎对水体中氮元素的去除效果。Gifford 等研究了牡蛎对水体中有机物和重金属的降解效果。微生物修复技术实验显示能有效改善水体污染情况[7]。模拟湖塘水体COD、NH3-H、TP 去除率较高，并得到一系列相关性线性方程。水指标明显好转、水环境质量标准得到提升，水体的部分功能得到恢复。

近年来又有很多新型水处理修复技术问世[8～11]，对于水生态前景有一定利好。不断革新与完善的水处理与修复技术必将使青山绿水在广大农村再次出现。

1 农村河道水污染现状分析

过去，在以经济为导向的大环境下，人们过于追求经济利益而忽视了河流的生态保护。尤其是农村地区，水资源保护意识淡薄，地方管理者对生态治理的认识不够充分，建设内容和治理措施不能有效实施和落地，影响了水体治理效果。

目前农村河道水体污染来源多、污染物复杂、污染范围广，富营养化事件常有报道，居民生产生活用水受到影响，总体居住质量大打折扣。

1）工业废水污染大。由于城市环保意识不断提高，不少重污染、污染排放不达标企业逐渐转移至农村地区，加剧了水污染的程度。

2）农业生产污水增加。乡村振兴对农业生产环境产生巨大影响，主要表现在高肥力土地急剧缩减，从而导致对化肥和农药的依赖性增加，其中部分化学原料渗透到地下水中造成地下水体污染。

农村养殖业的规模化、集中化、区域化以及落后的管理和简单粗暴的排放，加剧了区域水体的污染程度。

3）生活污水急剧增加。居民生活废水的乱排导致大量未经处理的生活污水直接排入河道，破坏了地表水环境。居民生活垃圾随意丢弃，使得河道周边垃圾堆积严重，影响了水系的正常连通和水体自净能力。农村河道肩负着广大农村地区的灌溉、供水、防洪和泄洪等重任，是人民生产生活赖以生存的一部分。因此实施农村河道污染水体修复具有重要意义。

2 生物修复技术

生物修复技术一般是指根据各种生物（微生物、动植物）的特点，吸收、转化、降解环境中的污染物质，使污染物浓度降低，环境改善。其通俗意义上指的是微生物修复技术、植物修复技术和动物修复技术。利用其特性，在自然或人工调节的情况下达到恢复水系生态的目的，如图2 所示。

图2 农村河流生态修复示意图

2.1 植物修复

植物修复技术主要针对有毒重金属和有机污染物，其原理就是利用绿色植物清除环境中的污染物。大量研究都说明了一种观点[12]，即许多真菌类、藻类和植物都能从周围环境富集重金属。相比较而言，植物修复是一种成本低、技术要求低的修复方法。另一方面，植物修复技术要求植物具有较高的生物量和耐受性，且其清除污染物耗时较长。此外，转基因技术的大规模应用可能会导致不确定的环境污染和基因风险隐患。

植物在治理水环境污染方面的应用大致可分为三类：

1）无机污染物如氮、磷等的去除。已有大量科学研究表明水生植物对于去除氮、磷等无机元素引发的水体富营养化具有显著作用。种植水稻等经济作物除了可以去除氮、磷外，同时具有很高的经济价值。另一方面，由水芹、大椿草、水荣草、麦草等制成的浮床对去除水体中的氮、磷和抑制藻类滋生等也有显而易见的有利影响。这些植物的发达根系以及与根系共同生存的微生物往往共同作用并净化着水体。

2）有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃等的降解

通过利用某些植物对污染物毒性降低的特点来修复受污染的水体。例如，龙葵证实可以有效降解PCBS；藻类对杀虫剂的降解有明显作用；长春花可用于修复受TNT 炸药污染过的水体；浮萍可显著降低地表水中异丙甲草胺含量等等。

3）重金属污染。目前的研究热点为植物通过根部吸收、蓄积和沉淀有毒有害重金属，其中所说的植物大部分是水面漂浮和沉水植物。例如，绿藻对镉、汞、铜、铅的去除率可达80%～90%，黑麦草不仅对含黄金的废水有极强的水体净化效果，同时也有很强的富集性，具体表现为其根系部分含金量最高可达到784 g/t。此外，研究表明植物幼苗相较于植物根对水中重金属的去除作用更显著，这一方法被称为种苗过滤，为治理含重金属废水的研究新方向。

植物主要通过植物固定、降解等方式处理有机污染物。现有研究成果表明，银合欢可以吸收和分解三氯乙烯、二溴甲烷等；相较于无耕种的地区，TPH 含量在黑麦与大豆轮作的耕地上显著降低；转基因胡萝卜根须中聚集的苯酚含量最高可达1 000 mmol/L，氯酚含量可达50 mmol/L，实测在120 h 内可降解水体内90%以上的苯酚类化合物，其根须中的过氧化酶可以促进苯酚类化合物的分解。除此之外，植物还能有效降解土地中的除草剂和杀虫剂等农药品。

2.2 动物修复

与植物修复不同的是，水生动物由于细胞内缺少细胞壁，因此主要通过细胞膜的屏障作用吸收和转移污染物质。

1）运输方式。动物细胞膜对污染物主要有两种运输方式，即被动运输和特殊转运。一种是简单的物理作用，即过滤、筛选和扩散，另一种则是通过蛋白质的识别作用携带污染物进入细胞，体现了细胞膜在生物意义上结构和功能的有机结合。

2）吸收作用。①经呼吸系统吸收。水生动物的呼吸系统主要包括呼吸道、气管和肺部，这三者都可吸收部分污染物。除此之外，鱼类首先通过鱼鳃过滤污染物。②经消化系统吸收。能够吸收污染物的消化系统主要包括肠道粘膜和消化道等。肠道粘膜因其特殊的微绒毛结构能够吸收更多的污染物，此外，污染物化学结构的不同造成了吸收效果的不同。③经皮肤及其它途径吸收。皮肤是水生动物最早接触污染物的器官，甚至可能是防御效果最好的器官。皮肤对污染物的吸收作用主要体现在以扩散的方式经过与外界接触的表皮层和真皮层。

2.3 微生物修复

微生物除了是大自然中杰出的分解者外，同时也是污染水体中生物修复的主力军。一方面，它能在好氧环境下将有机污染物彻底氧化分解成无机物。另一方面，在厌氧条件下也能将有机物降解并转化成CO2、H2和小分子有机酸等。尽管如此，微生物也难以降解重金属，但是可以降低重金属的毒性，并将其固定在真菌体内。

微生物在汞的去甲基化及还原方面发挥了重要作用。例如，假单胞菌K62 可以让无机汞和有机汞发生反应并形成元素汞。变形杆菌和蓝绿色假单胞菌可以让汞离子转化成元素汞，经过10 h 的挥发作用后，汞含量可低至25%。

现有研究已阐明微生物对重金属的累积和固定与细胞内金属硫蛋白MT 有关，MT 与汞、锌、铜和银等重金属具有良好的亲和性，从而抑制重金属的毒性。

3 应用案例

水生植物的生态功能主要体现在对氮磷的吸收、对微生物的降解及物理吸附上面。科学设置配比可以起到良好的水体修复的效果。

在A 村某小流域内，通过对于该区域的地理环境、水流条件的分析，选定栽植茭草、菱角为水体修复植被。经过两个月的水质连续监测，可发现：总磷含量由0.23 mg/L 降低至0.16 mg/L，氨氮含量由2.3 mg/L 降低至1.7 mg/L，此外，修复后河道各断面的氨氮含量相差并不大。

李秀艳等通过对比实验研究泥鳅在生态系统中发挥的作用，结果表明泥鳅可以促进水体在填料和根系空间的流动和交换，并以此加速老化生物膜的脱落。同时，泥鳅肠道与外界的吞氧交互过程也可以直接将氧气运输到水底和填料密集的区域，以此增进表层水面空气与中下层水体的交换。

投放微生物修复剂即添加有效微生物群EM，不仅可以加快富营养化水体中的有机物和污染物质降解速度，而且可以显著提高水体中微生物的种群密度，利用大规模微生物群的代谢作用可在短期内加快污染物的降解速度，从而达到修复水质的目的。在我国农村多地水体中投入有效微生物群EM 期间，TN、TP 的含量均明显下降，较之前肉眼可见变的更清澈。在停止投放修复剂1 个月之后，水体中TN、TP 的含量呈下降趋势并到达最低点，大约下降了60%。

4 总 结

生态修复任重道远，永远是中点而不是终点。对于生态环境要时刻保持警惕，在农村普及河流环保意识，加大宣传力度，施以适度奖惩措施，让农村河流生态长期稳定发展。

1）生态修复作为农村水体污染治理的关键一环，同时也是农村水体污染控制的最后一道防线。在水质整治流程中，虽然采取了源头治理和生态措施阻截，但是依旧会有部分污染物会进入水体。与此同时，由于农田化肥滥用、工业聚集、生活污水排放等影响，其水体污染形势已十分严峻，生态功能严重受损。因此，实施水环境生态修复治理，意义不光是为了改善水质、提高水体净化能力、恢复农村水生态系统结构和功能的正常运转等，更是建立农村水体污染控制体系的迫切需求。

2）生态修复要注重权衡各项技术工艺的利弊，择优组合应用。并且要提前编制维护管理方案，评估可靠性与可行性。

3）生态修复技术要在应用中不断完善，并充分考虑当地实际情况，结合当地发展政策优化选择具体技术。