从营养平衡角度分析富营养化水体生态修复方法

王 铮，张 艾，林旭萌，何月玲，臧学轲，薛 罡

(1.东华大学 环境科学与工程学院, 上海;2.上海亚新城市建设有限公司, 上海;3.自然资源部大都市区国土空间生态修复工程技术创新中心, 上海)

水体富营养化是指水体中氮磷等营养盐含量过多引起水质污染的现象[1]。水体富营养化会导致藻类过度生长从而形成大规模水华[2]。水华覆盖于水体表面以及藻类死亡均会降低水体溶解氧(DO);同时藻类释放的藻毒素会破坏水生生态系统[3],可能引发饮用水安全问题。

目前富营养化水体的修复措施主要是通过控源截污、内源治理、疏浚活水、生态修复来削减进入水体的氮磷营养盐[4]。然而,当水体中的氮磷降至富营养化的限值(氮低于0.20 mg/L,磷低于0.02 mg/L)时,仍然可能发生水体富营养化[5]。这是因为水体中普遍存在微生物与藻类对氮磷营养盐的竞争[6]。当水体中有机物含量较低,且有机物与氮磷的配比不满足水体微生物生长的条件时,表现为藻类对氮磷营养盐的优先摄取,水体呈现富营养化、藻类大量繁殖;当水体中有机物含量较高且超过同化需求量时,多余的有机物会消耗水体溶解氧,存在因水体缺氧或厌氧而形成黑臭水体的风险[7];当水体中有机物与氮磷的配比适合微生物生长时,微生物在利用有机物合成自身的同时摄取一定百分比的氮磷,使其在与藻类竞争氮磷时处于优势地位,可消除水体富营养化现象。简言之：控制水体富营养化不仅要削减水体中氮磷的质量浓度,还要使水体中有机物、氮、磷的质量浓度配比有利于微生物的生长,即保持有机物、氮、磷的营养平衡。水体是有生命力的生态系统,要想水体保持健康或是水体自净功能保持正常,也需要上述营养平衡。

目前关于水体富营养化的研究主要集中在通过工程措施削减水体中氮磷的质量浓度方面,从碳、氮、磷营养平衡的角度控制水体富营养化的研究和论述较为薄弱。本文着重从营养平衡促进水生态平衡的角度总结、分析水体富营养化的控制措施,并提出适用性工程方法,以期为水体富营养化工程修复提供新的视角和观点。

1 基于营养平衡调控的水体生态修复机理

虽然削减水体中的氮磷是控制富营养化的重要措施,但是,只有维持水体中碳、氮、磷的生态平衡,才能从根本上消除富营养化。基于营养平衡调控的水体生态修复主要从微生物、水生植物和水生动物三方面着手。

1.1 基于微生物的水体营养平衡调控

基于微生物的水体营养平衡调控通过微生物与藻类对氮、磷营养盐的竞争来实现,即在适宜的微生物繁殖条件下向水体中投加微生物菌剂,或是激活水体中存在的土著微生物,使微生物与有害藻类相互竞争。上述竞争作用有助于调控水体中微生物群落的功能、组成和数量[8],而微生物群落与水生生态系统的营养状态有着重要关系,其组成会显著影响水体的生物地球化学环境[9]。研究表明,水体中的一些细菌有助于有机和无机化合物的分解,可促进养分循环,起到调节水体营养平衡的作用[10]。调查水体中微生物群落的丰度并进行功能基因分析,可提高对水体潜在风险的认识,同时对于了解生态修复机制和评估生态修复的效果也有重要价值[11]。优化微生物群落分布可以有效控制水体富营养化问题。

变形菌门(Proteobacteria)是不同营养状态水体中最优势的菌群,可适应不同的有毒环境,并参与水体中有机物的降解和代谢过程[12]。此外,变形菌门还可与其他细菌[如厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和放线菌门(Actinobacteria)]相互作用,这对维持水体内部稳定而言至关重要[13]。芽孢杆菌属(Bacillus)和假单胞菌属(Pseudomonas)是磷循环的指示指标,若这两个菌属在轻中度富营养化水体中的含量较高,则水体富营养化的主要因素可能是磷而不是氮[14]。若水体中氮的质量浓度增加,则硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、绿弯菌门、β-变形菌纲(Betaproteobacteriales)和鞘脂杆菌目(Sphingobacteriales)之间的相互作用会增强[15]。

生物和非生物因素之间的复杂作用会影响微生物群落的组成,如浮游植物渗出的有机碳被细菌吸收等[16]。细菌捕食群落特征即使发生非常微小的变化,也会通过原生捕食者群落营养水平的显著变化,迅速反映到食物链[17]。此外,异养细菌能够产生促进生长的化合物(如维生素),并改善浮游植物的营养供应[18]。因此,基于微生物水平的营养平衡调控可优化群落结构、改善水体生态环境,是治理和预防水体富营养化的长效措施。

1.2 基于水生植物的水体营养平衡调控

水生植物是水体生态系统主要的初级生产者,是水体生态系统物质和能量流动的主要传输者,直接影响水体生态系统的结构和功能,对于富营养化水体的碳、氮、磷平衡具有多重作用。

协同作用。在实际处理过程中,水生植物还协同微生物促进水体中营养物质的循环,加速氮、磷的去除[24],从而对富营养化水体起到净化作用。研究发现：一方面,水生植物可为微生物提供定居的表面及附着的基质[25],同时水生植物代谢产生的有机物和氧气可为微生物的生长提供适宜的微环境,间接促进富营养化水体中碳、氮、磷的循环[26];另一方面,微生物促进底栖动物与水生植物的相互作用,并加速水生植物尤其是沉水植物根系周围沉积物的氧化和分解,从而增强水生植物的沉淀、吸附、凝结和过滤功能,显著抑制沉积物的再悬浮。

抑制作用。水生植物对藻类的抑制作用主要体现在水生植物和藻类对生长空间、营养物质的竞争,以及化感效应。水生植物尤其是漂浮植物个体较大,会与藻类竞争光照,降低藻类的光合作用,从而抑制藻类的正常生长;同时,水生植物吸收和存储营养盐的能力较强,当水生植物群落处于优势时,藻类对营养物质的吸收量相应减少,使得水体由藻型向草型演变,这有利于水体恢复营养平衡[[27];此外,水生植物产生化感效应抑制藻类的生长[28],并且化感效应的抑制作用随水生植物覆盖度的增加而增大[29],但是水生植物只有达到一定的生物量才会对藻类产生抑制作用。

1.3 基于水生动物的水体营养平衡调控

当植食性浮游动物在水体中占优势地位时,其对有害藻类的摄食作用较强,这将使藻类的生物量得到有效控制,出现“清水期”现象。水生动物修复技术对富营养化水体的生态营养平衡调控具有重要作用。

20世纪末,研究者提出“非经典生物操纵理论”,即通过鲢、鱅等滤食性鱼类直接摄食浮游植物从而控制藻华的方法[32]。滤食性鱼类会影响清水和浑水之间的平衡,其在移动中参与底栖和中上层食物网,从而将底栖和中上层生态环境联系起来[33]。考虑到不同生物群体在水生系统中的作用不同,研究者通过将水生植物与鲢、鱅等滤食性鱼类混养,从而调控水体营养平衡,如将黑藻(Hydrilla verticillata)和竹叶眼子菜(Potamogeton malaianus)与滤食性水生动物结合修复富营养化湖泊[34]。此外,底栖动物对恢复水体生态系统的作用不容小觑。研究发现：将三角帆蚌、铜锈环棱螺等与鲢鱅混养可显著影响微生物的群落结构[35],其中三角帆蚌与鲢鳙以30/70的比例混养时对有机物、氮和磷的去除效果最佳[36];混养条件下水生系统各营养物质循环促进,逐渐恢复平衡状态。

值得注意的是,水生动物对水生植物的恢复具有重要作用。底栖动物通过吸收和排泄促进水体中营养物质的循环,其以沉水植物生物膜上附着的藻类和有机质为食物,对沉水植物表面附着藻类有较强的牧食性,因此通过放牧使得底栖动物进行牧食,限制沉水植物附着藻类的繁殖,从而促进大型水生植物的生长[37]。在植被恢复过程中,沉水植物的生物量与浮游动物的密度均不断增大,且大型浮游动物逐渐成为优势种群[38]。大型浮游动物对浮游植物的捕食加速了沉水植被恢复,对促进富营养化水体维持营养平衡状态具有重要作用。

2 基于营养平衡调控的工程修复技术

营养平衡调控是控制富营养化水体碳、氮、磷营养负荷及恢复水体生态系统的重要手段。近年来,研究者基于微生物、水生植物、水生动物对水体营养平衡的调控作用,综合开发出生态浮岛、沉水植物、人工湿地和微生物修复等多种工程修复技术。

2.1 生态浮岛修复技术

生态浮岛主要通过系统中的浮岛植物和微生物的协同作用去除水体中的氮磷营养物质,因其成本低、不占用额外土地,且适应性良好而广受好评[39]。近年来,这种将微生物与水生植物结合起来调控水体营养平衡的方法得到研究者的重视,并在应用过程中展现出优异的氮、磷营养盐类处理效果。Yu等[40]采用6种水生植物构建了不同类型的生态浮岛,发现在2周内,水体中40%～90%的氮和50%～90%的磷被去除。

2.2 沉水植物修复技术

沉水植物是一种以固定方式完全生长在水面以下的大型水生植物[48],其在维持水生生态系统的结构和功能,促进水体碳氮磷营养盐循环方面发挥着重要作用。沉水植物不仅为浮游动物和其他水生动物提供了丰富的食物和栖息地,还通过化感作用和营养竞争抑制藻类的生长[49],系统构建了一套符合水体营养平衡的多级生态系统(见图1)。因此,恢复以沉水植物为主的水生植物群落是修复富营养化水体受损的生态系统结构,实现水生态系统整体协调、自我维护、自我更新的一项重要措施。

图1 沉水植物恢复水体生态平衡示意图[50]Fig.1 Schematic diagram of submerged plants restoring the ecological balance of water bodies[50]

然而,沉水植物修复方法易受温度、光照、沉积物等因素的影响,增加了沉水植物应用的难度。研究者们通过与水生动物或微生物等相结合来优化沉水植物的修复效果。Amorim等[53]通过沉水植物和浮游动物的联合作用控制藻类的繁殖,结果显示,第10 d时蓝藻的生物量减少了84.8%。刘淑娇[54]利用沉水植物与特定菌群(如固定化氮循环菌、固定化聚磷菌等)的联合作用修复富营养化水体,该联合作用对于恢复富营养化水体的营养平衡效果显著,并且提高了体系对环境的适应度。

平衡收割沉水植物逐渐成为维持水体生态系统健康的一种具有成本效益的科学管理方法[55]。其被定义为优化水生植物群落结构,维持生态系统物质循环和能量流动的正常功能,增强系统稳定性和韧性的水生植物收割技术。在沉水植物的收割与不收割对比试验[56]中发现：在芦荟收割区,40 cm以上底泥中的有机物、TN和TP的含量均低于未收割区,这是因为收割后的沉水植物发出新芽,在生长过程中吸收底泥中氮、磷及有机物等;此外,收割沉水植物还改善了湿地的光照条件,促进了氮磷养分的分解转化。平衡收割能有效控制水体内源营养物质的积累和释放,减少藻类的生长,对恢复富营养化水体的营养平衡具有重要的现实意义。

2.3 人工湿地修复技术

人工湿地是模拟天然湿地的综合生态系统[57]。人工湿地中的水生植物(如香蒲、美人蕉等)及水生动物和微生物种群在流动过程中协同促进富营养化水体中碳、氮、磷等营养物质的良性循环[58],系统地构建了一套多级水生态平衡系统。人工湿地中大型植物为微生物的生长提供了巨大的表面积,这有助于稳定有机物;同时,微生物的强盛生长可促进大型植物的生长,两者协同作用对维持人工湿地的长期稳定具有重要意义。

2.4 微生物修复技术

2.4.1 微生物菌剂法

2.4.2 微生物营养平衡法

提供适量有机物既可促进微生物同化氮磷,又可促进微生物与藻类竞争从而达到控藻目的,对水体恢复营养平衡具有重要意义。基于此,生物絮凝技术得到不断发展,其是一种通过向水体中添加额外碳源或提高饲料含碳量来提高水质的技术[76]。在生物絮凝技术系统中,碳、氮、磷处于平衡状态,可促进异养菌的生长并同化水体中的氨氮,且异养菌的同化作用显著快于硝化细菌的硝化作用。Deng等[77]研究发现,在生物絮凝技术系统中,有机物质降解菌、丝状菌和氮素转化细菌的丰度得到提高,形成具有活性的生物絮凝物,这种絮团在同化富营养化水体中氮磷的同时控制藻类的生长,还可作为水产养殖对象的饵料,降低水产动物的致病率。

Wu等[78]通过碳源强化脱氮微生物学机制,以及菌-藻竞争和协同作用,基于水体生态系统稳定性以及恢复后水生态系统的自净功能,提出一种通过微生物群落的特异性调节来提高污染水体生态系统自净能力的就地恢复策略—生态系统激活系统(EAS),如图2所示。EAS利用聚羟基烷酸(PHA)促进污染水体原生微生物群落的结构。其中,优先以PHA为碳源促进生长的微生物被称为特异性微生物,而那些对PHA和原水溶解有机质没有特殊选择性的微生物则被称为非特异性微生物,后者可在EAS操作中逐步淘汰。由此,微生物群落可被调节为特定的结构,从而对富营养化水体的营养平衡进行调控。

图2 生态系统激活系统示意图[78]Fig.2 Schematic diagram of ecosystem activation system [78]

3 结语与展望

目前国内采用的控源截污、内源治理、生态修复等综合措施难以彻底消除水体富营养化现象。从碳、氮、磷营养平衡角度认识水体富营养化问题,并提出适用性工程方法及措施,是实现富营养化长效、持久控制的根本途径。富营养化水体生态修复过程中的营养平衡调控主要涉及微生物、水生植物和水生动物等3方面。微生物、水生植物和水生动物在水体营养平衡调控中起着同化/摄取/分解有机化合物的作用,可促进碳、氮、磷循环,保持水生态平衡,最终从根本上抑制藻华等富营养化现象的发生。对比分析发现,生态浮岛技术易受水生植物的根茎长度及系统碳源的限制,沉水植物修复方法易受外界环境影响,人工湿地存在碳氧水平和基质碳源不足的问题,而微生物修复受限因素相对较少。具体在工程应用中,可将上述技术组合使用,以达到良好的营养平衡调控及富营养化控制效果。