濾食性底棲動物—菌藻復合生態系統對富營養水體凈化的特性

摘要：為研究濾食性底棲動物-菌藻復合生態系統對富營養化水體的凈化特性，選取濾食性底棲動物田螺（Cipangopaludina chinensis）、河蚌（Corbicula fluminea ）和泥鰍（Misgurnus anguillicaudatus），以重污染河水為處理介質構建6種復合生態系統，分別研究其對水體中污染物的凈化特性、污染物降解動力學及共生菌藻的微生物特性。結果表明，6種復合生態系統對化學需氧量（COD）、總磷、總氮、氨氮均有較好的去除效果，去除率分別為69.9%～84.9%、75.9%～87.3%、84.9%～90.5%、91.9%～96.6%。由動力學分析可知，在分別由田螺和田螺+泥鰍所構成的2種復合生態系統中COD和總磷質量濃度變化符合一級動力學模型，總氮和氨氮質量濃度變化符合零級動力學模型。隨時間延續，各生態系統中的濾食性底棲動物表面及懸浮態菌膠團上聚集了多種藻類、菌類及微型后生動物，促進了水中污染物的降解。在濾食性底棲動物-菌藻復合生態系統中，藻類是主要的初級生產者，濾食性底棲動物是主要消費者，菌、藻類微生物是主要分解者，三者組成了復合生態系統的主要生物群落和營養結構，所形成的這種基于共生關系的生態系統對富營養化水中的污染物質的去除主要依靠相互間的依存關系完成，以協同作用維持水生生態系統的平衡。本研究可為富營養化水體的生態修復提供理論依據和工藝設計參考。

關鍵詞：富營養化水體；濾食性底棲動物；復合生態系統；微型后生動物

中圖分類號：X171.4 文獻標志碼：A 文章編號：0439-8114（2013）20-4926-06

Purification Characteristics of Eutrophic Water in Filter-Feeding Zoobenthos-Bacteria and Algae Complex Ecosystem

ZHANG Wen-yi1，ZHANG Cai-qin1，ZHAN Ming-fei1，LI Xiao-xia2，HE Ye-jun2

（1. School of Environmental Safety Engineering， Changzhou University， Changzhou 213164，Jiangsu， China；

2. Ma’anshan Huanghe River Water Treatment Project Co Ltd， Ma’anshan 243000，Anhui，China）

Abstract： To reveal purification characteristics of eutrophic water in the complex ecosystems based on the filter-feeding zoobenthos-bacteria and algae， six complex ecosystems were constructed with adopting snail （Cipangopaludina chinensis）， mussel （Corbicula fluminea）and loach（Misgurnus anguillicaudatus）， using heavy pollution river water as a carrier. The results showed that pollutants could be efficiently removed in all of six complex ecosystems. The pollutant removal rates of the chemical oxygen demand， total phosphorus， total nitrogen and ammonia nitrogen removal were 69.9%～84.9%， 75.9%～87.3%，84.9%～90.5% and 91.9%～96.6%， respectively. Pollutant kinetic analysis showed that the concentration changes of COD and TP were fitted with the first order kinetic model and that the concentration changes of TN and NH3-N conformed zeroorder kinetic model in the ecosystem based on snail and snail loach systems. As the reaction time increased， variety of algae and micro-metazoan grew in the surface biofilm of filter-feeding zoobenthos in six complex ecosystems， promoting the degradation of pollutants in water. In the complex ecosystems based on the filter-feeding zoobenthos， bacteria and algae were the main primary producers， filter-feeding zoobenthos being the main consumers， and microorganisms such as bacteria-algae being decomposers. These three parts composed the major biomes and trophic structure of the complex ecosystem. The formed ecosystem based on the symbiotic relationshipis is relied mainly on inter-dependencies to remove eutrophic water pollutants. The study provided theoretical basis and process design parameters for utilizing filter-feeding zoobenthos to ecologically restore the water environment.

Key words： eutrophic water； filter-feeding zoobenthos； complex ecosystems； miniature metazoan

生態修復技術已成為我國富營養化水體修復的首選工藝，水濕生植物、動物凈化富營養化水體得到廣泛應用并取得良好效果[1-3]。但有關這些技術的研究主要集中在以下兩個方面：一是挺水、浮水及沉水等水生植物的凈污機理、凈污能力及其在生活污水、工業廢水及富營養化水體等污水處理中的應用研究[4-11]；二是底棲軟體動物對水體中重金屬的富集及富集機理和其在水環境檢測中的應用研究，而對底棲軟體動物的凈污能力研究主要集中在增加底棲動物投放量、補充底棲動物資源方面[12-17]，鮮有試驗研究底棲軟體動物耐污及凈污性能。

本研究選取常用于污水修復的濾食性底棲動物田螺（Cipangopaludina chinensis）、河蚌（Corbicula fluminea）和泥鰍（Misgurnus anguillicaudatu），以富營養化河水為處理介質構建6種濾食性底棲動物-菌藻復合生態系統，分別研究其對富營養化水體的凈化特性、污染物降解動力學及共生系統的微生物特性，并闡明了復合生態系統的污染物凈化機理，以期為富營養化水體的生態修復提供理論依據和工藝設計參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究選用蘇南地區常見的底棲動物：田螺、河蚌和泥鰍。選取個體大小相近的底棲動物，記錄樣本指標，之后將其放入在經過曝曬的自來水中預養3 d，備用。市購容積為12 L紅色水桶6只，并依次編號Ⅰ-Ⅵ，備用。

試驗用水取自常州鳴凰河河水，并投加少量生活污水以模擬水質波動，主要水質指標見表1。

1.2 方法

在標記Ⅰ～Ⅵ水桶中分別加入10 L試驗用水并做水位標記，每天定時向水桶中添加蒸餾水至標記水位以補充蒸發損失的水分。各生態系統底棲動物放養情況如表2所示。試驗結束時，刮取適量田螺、河蚌表面的生物膜制成切片，在倒置顯微鏡（型號：XDS-200PH）下進行生物相鏡檢；泥鰍是活動的微生物載體，將泥鰍放入盛有適量蒸餾水的小燒杯中1 d，取小燒杯中的水樣進行鏡檢，以觀測附著在泥鰍表面的微小生物。

水質分析方法采用《水和廢水監測分析方法》（第四版）[18]，其中化學需氧量（Chemical Oxygend Demand，COD）檢測采用重鉻酸鉀法，總磷檢測采用過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法，總氮檢測采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，氨氮采用水楊酸-次氯酸鹽光度法。微生物相識別參照文獻[19、20]完成。

2 結果與分析

2.1 污染物去除特性分析

2.1.1 COD去除特性分析 底棲動物主要通過濾食作用直接吸收營養鹽類、有機碎屑和浮游藻類等，提高水體透明度，凈化水質。圖1為由田螺、河蚌、泥鰍構成的單種底棲動物生態系統Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中COD降解曲線及Ⅰ中COD降解動力學曲線。由圖1可以看出，1～8 d COD降解速度較快，COD去除率達到50%左右；底棲動物大量攝食水中的懸浮物、浮游植物及游離細菌，而底棲動物的排泄物能夠促進水中懸浮物的絮凝沉淀，凈化水質。至試驗結束，單種底棲動物生態系統對COD去除效果差異明顯，其中田螺對COD去除效果較好，泥鰍次之，河蚌較差，COD去除率分別為79.9%、73.3%、69.9%。圖2為由田螺、河蚌、泥鰍構成的兩種底棲動物組合生態系統Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ中COD降解曲線及Ⅴ中COD降解動力學曲線。由圖2可以看出，1～12 d COD降解速度較快，之后COD降解速度變緩；至試驗結束，兩種底棲動物組合生態系統對COD去除效果出現差異，田螺+泥鰍組合系統對COD去除效果較好，河蚌+泥鰍組合系統次之，田螺+河蚌組合系統效果較差，COD去除率分別為84.9%、79.6%、75.7%。對比兩種處理系統對COD的去除效果，發現兩種底棲動物組合生態系統對COD去除效果優于單種底棲動物生態系統。

選取對COD處理效果較好的田螺系統、田螺+泥鰍組合系統進行COD降解動力學分析可知，COD質量濃度變化符合一級動力學模型，即COD降解速率與COD濃度呈正相關，COD濃度越高，降解速率越大。

2.1.2 總磷去除效果分析 磷是生物生長所必需的營養元素之一，但當水中的磷含量超過0.2 mg/L時，可造成藻類過度繁殖，引起水體的富營養化，使水質變壞[8]。磷主要通過微生物降解轉化作用去除，而底棲動物的攝食作用可吸收水中的磷并將其同化為自身細胞組織的一部分；或經自身的新陳代謝作用將磷排到底泥中。圖3為由田螺、河蚌、泥鰍構成的單種底棲動物生態系統Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ總磷降解曲線及Ⅰ中總磷降解動力學曲線。由圖3可以看出，1～10 d各系統總磷去除效果穩定，之后總磷質量濃度出現不同程度的波動；至試驗結束，各單種底棲動物生態系統對總磷去除效果差異較明顯，其中田螺較好，河蚌次之，泥鰍較差，其去除率分別為87.3%、79.8%、77.9%。圖4為由田螺、河蚌、泥鰍構成的兩種底棲動物組合生態系統Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ總磷降解曲線及Ⅴ中總磷降解動力學曲線。由圖4可以看出，1～6 d各組合系統內總磷去除穩定，之后各組合系統總磷質量濃度出現不同程度的波動，其中河蚌+泥鰍組合系統總磷波動程度最大；至試驗結束，各組合系統對總磷去除效果差異明顯，其中田螺+泥鰍組合系統處理效果較好，田螺+河蚌組合系統次之，河蚌+泥鰍組合系統較差，總磷去除率分別為86.3%、81.4%、75.9%。由田螺系統、田螺+泥鰍組合系統總磷降解動力學分析知，總磷質量濃度變化符合一級動力學模型。

2.1.3 總氮去除效果分析 氮是動植物生長所必需的營養元素之一，當氮含量過多時，將促進藻類等浮游生物的大量繁殖引起水體富營養化，導致水體惡臭。田螺、河蚌及泥鰍等底棲動物能通過食物鏈攝食不同水層的藻類、有機碎屑等，間接降低水中氮含量，凈化水質[21]。圖5為由田螺、河蚌、泥鰍構成的單種底棲動物生態系統Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ總氮降解曲線及Ⅰ中總氮降解動力學曲線。由圖5可以看出，隨著反應時間的增加，各生態系統中的總氮含量整體呈下降趨勢并伴有不同程度的波動，這可能與底棲動物的新陳代謝有關。底棲動物排泄物主要為氨氮、氨基酸、尿酸等含氮物質[16]，可導致總氮回升，但這并未影響各生態系統總氮降解的整體趨勢。至試驗結束，單種底棲動物生態系統中，田螺對總氮去除效果較好，河蚌次之，泥鰍較差，去除率分別為88.7%、87.1%、84.9%。圖6為由田螺、河蚌、泥鰍構成的兩種底棲動物組合生態系統Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ總氮降解曲線及Ⅴ中總氮降解動力學曲線。由圖6可以看出，兩種底棲動物組合生態系統對總氮去除穩定，去除率由高到低依次為田螺+泥鰍組合系統、河蚌+泥鰍組合系統、田螺+河蚌組合系統，去除率分別為90.5%、87.4%和85.8%。由以上分析知，兩種底棲動物組合生態系統對總氮去除效果優于單種底棲動物生態系統，且總氮波動小，去除效果穩定。

由田螺系統、田螺+泥鰍組合系統總氮降解動力學分析可知，總氮的降解符合零級動力學模型，即系統中總氮質量濃度按恒量衰減。田螺系統和田螺+泥鰍組合系統總氮降解速率為0.70 mg/（L·d）和0.79 mg/（L·d），即日總氮去除量占系統總氮含量的3%左右。

2.1.4 氨氮去除效果分析 氨氮是水體主要好氧污染物，可消耗水中溶解氧而使水體缺氧，引起底棲動物的死亡。此外，氨氮也是水體的營養素，可以為藻類提供營養源，導致水體富營養化。水中氨氮的去除主要通過微生物降解、水生植物吸收等途徑實現。圖7為由田螺、河蚌、泥鰍構成的單種底棲動物生態系統Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ氨氮降解曲線及Ⅰ中氨氮降解動力學曲線。由圖7可以看出，各單種底棲動物生態系統中氨氮去除效果比較穩定，氨氮去除效果差異不明顯，去除率依次為95.3%、96.2%和94.9%。圖8為由田螺、河蚌、泥鰍構成的兩種底棲動物組合生態系統Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ氨氮降解曲線及Ⅴ中氨氮降解動力學曲線。由圖8可以看出，河蚌+泥鰍組合系統中氨氮質量濃度波動較大，其他組合系統中氨氮質量濃度波動較小；至試驗結束，兩種底棲動物組合生態系統對氨氮處理效果具有一定差異，其中田螺+泥鰍組合系統對氨氮去除效果最好，去除率達到96.7%，田螺+河蚌組合系統和河蚌+泥鰍組合系統對氨氮去除效果差異不明顯，去除率分別為92.1%、91.9%。由以上分析可知，單種底棲動物生態系統對氨氮去除率高于兩種底棲動物組合生態系統對氨氮的去除率，且去除效果更穩定。

由田螺系統、田螺+泥鰍組合系統氨氮降解動力學分析可知，氨氮降解符合零級動力學模型。田螺和田螺泥鰍系統氨氮降解速率為0.28 mg/（L·d）和0.31 mg/（L·d）。

2.2 復合生態系統生物相分析

2.2.1 藻類生物相分析 藻類在富營養化水體中能夠快速繁殖，吸收水中的氮磷，通過光合作用合成自身營養物質釋放氧氣，是水生生態系統的初級生產者。一般情況下，藻類適量生長可以為水生生物提供充足的餌料和適量溶解氧，而且能夠凈化水質促進水生生態系統的正常運行；但藻類過度繁殖及死亡致使水質惡化，嚴重影響水生生物的生存，破壞水生生態系統。田螺、河蚌及泥鰍等底棲動物能夠攝食水中的藻類，抑制藻類生長，提高水體透明度。試驗過程中發現各生態系統中水體透明度較高，未見藻類大量繁殖，鏡檢發現各生態系統水中藻類含量較少，但田螺及河蚌表面生物膜及泥鰍表面均附著生長多種藻類。表3為田螺、河蚌及泥鰍表面附著生長的藻類。

在放養濾食性底棲動物的水生生態系統中，不僅能夠形成以控制藻類生長為中心的生態關系[22]，還可增加生態系統的物種種類和數量，完善生態系統的營養結構和功能，提高生態系統的自身調節能力，增加水生生態系統的穩定性[23-25]。

2.2.2 微型后生動物分析 細菌、真菌、放線菌及原生動物等微生物可將復雜有機物分解為簡單有機物或無機物釋放到周圍環境中，維持生態系統的平衡，是水生生態系統的主要分解者。濾食性底棲動物外表面積較大，是原生動物、輪蟲、線蟲等微型后生動物附著生長的活動載體。鏡檢發現田螺、河蚌及泥鰍表面附著生長了多種類的微型后生動物，其中田螺表面生物膜上附著生長輪蟲、線蟲、腹毛蟲等微型動物，河蚌表面生物膜附著生長變形蟲屬、圓殼蟲屬、砂殼蟲屬等原生動物，泥鰍表面附著生長了變形蟲屬、三足蟲屬、砂殼蟲屬、匣殼蟲屬、斜口蟲屬等原生動物和輪蟲（見圖9）。

微型后生動物在污水處理中起著非常重要的作用，它不但可以促進菌膠團絮凝，而且能大量吞噬游離細菌、浮游藻類或微小的有機顆粒和碎片，還能直接分解代謝污水中的部分可溶性有機物[19]。此外，原生動物和輪蟲對環境條件變化反應靈敏，常作為評價污水水質好壞的指示生物。

3 結論

1）所構建的6個復合生態系統對COD、總磷、總氮、氨氮均有較好的去除效果，去除率分別達到69.9%～84.9%、75.9%～87.3%、84.9%～90.5%、91.9%～96.6%。兩種濾食性底棲動物組合生態系統對污染物的去除效果優于單種濾食性底棲動物生態系統。單種濾食性底棲動物處理方式中，由田螺構成的復合生態系統對污染物去除效果較好，COD、總磷、總氮、氨氮去除率分別為79.9%、87.3%、88.7%、96.2%；兩種濾食性底棲動物處理方式中，由田螺和泥鰍構成的復合生態系統對污染物去除效果較好，COD、總磷、總氮、氨氮去除率分別為84.9%、86.3%、90.5%、96.6%。由動力學分析知，在分別由田螺和田螺+泥鰍所構成的2種復合生態系統中COD和總磷質量濃度變化符合一級動力學模型，總氮和氨氮質量濃度變化符合零級動力學模型。

2）各復合生態系統中的濾食性底棲動物表面及懸浮態菌膠團上附著生長了藍藻、硅藻、綠藻等多種藻類和原生動物、輪蟲、線蟲等多種微型后生動物，促進了水體中污染物的降解。在濾食性底棲動物-菌藻復合生態系統中，藻類是主要的初級生產者，濾食性底棲動物是主要消費者，菌、藻類微生物是主要分解者，三者組成了復合生態系統的主要生物群落和營養結構，所形成的這種基于共生關系的生態系統對富營養化水中的污染物質的去除主要依靠相互間的依存關系完成，以協同作用維持水生生態系統的平衡。本研究可為富營養化水體的生態修復提供理論依據和工藝設計參考。

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