人工濕地污水處理系統(tǒng)中的微生物特性研究進展

王小國

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品園林學(xué)院，河南 三門峽 472000）

濕地被譽為“地球之腎”，是地球在水陸作用下形成的獨特生態(tài)景觀，具有較高生產(chǎn)力和豐富的物種多樣性，在涵養(yǎng)水源、改善氣候、控制污染方面有重要的作用［1］。人工濕地是模擬自然濕地系統(tǒng)的組成和功能特點，以污水處理為主要目的，人為地在適宜的低洼地帶用土壤和填料（如礫石等）混合組成床體，并在床體表面種植與當(dāng)?shù)貧夂驐l件適應(yīng)的水生植物（如蘆葦、菖蒲等），兼具污水凈化和景觀價值的一種人工生態(tài)系統(tǒng)。世界上第一個用于處理污水的人工濕地建于1903年（位于英國的約克郡艾爾柏，該濕地系統(tǒng)一直運行到1992年）［2］。20世紀(jì)70年代以后，人工濕地污水處理工藝開始受到人們的重視，并得到快速發(fā)展。

人工濕地對污水的凈化是通過“植物-土壤基質(zhì)-微生物”的綜合作用實現(xiàn)的，有關(guān)人工濕地的研究多集中在濕地植被和填料方面，但許多研究表明，微生物在人工濕地污水凈化過程中發(fā)揮著重要作用［3-5］。

1 人工濕地中微生物的分布特性及影響因素

人工濕地是“植物-填料-微生物”的綜合體，濕地植物的功能、特點和無機填料的理化特性及濕地系統(tǒng)外部的環(huán)境因素對基質(zhì)微生物的生態(tài)分布特性均能產(chǎn)生巨大影響。大量研究表明人工濕地中的微生物呈現(xiàn)一定的空間分布規(guī)律，同時其分布特征會受到季節(jié)變化的影響［6-8］。

梁威等［9］對不同植被濕地系統(tǒng)的植物根區(qū)微生物季節(jié)性分布狀況的研究顯示，不同植被的濕地系統(tǒng)根區(qū)微生物數(shù)量不同，且秋季細(xì)菌的總數(shù)量比夏季高，但夏季的真菌和放線菌數(shù)量明顯高于秋季，同時運用相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)濕地植物根區(qū)的細(xì)菌總數(shù)與BOD5的去除率之間存在顯著相關(guān)性，而根區(qū)微生物數(shù)量與TP、CODcr和凱氏氮（KN）的去除率間不存在顯著相關(guān)。高波［10］在亞熱帶地區(qū)人工濕地植物根際微生物的功能群及與植物之間關(guān)系的研究中指出，人工濕地基質(zhì)所含亞硝酸細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量、基質(zhì)的硝化作用和反硝化作用均呈現(xiàn)一定的季節(jié)性變化規(guī)律。

靖元孝等［11］研究表明，風(fēng)車草人工濕地對TN的去除率明顯高于無植物人工濕地系統(tǒng)，除氨化細(xì)菌數(shù)量無明顯差異，風(fēng)車草人工濕地的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌均高出于無植物系1個數(shù)量級。項學(xué)敏等［12］研究了濕地植物蘆葦和香蒲根際微生物特性，指出蘆葦和香蒲具有明顯的根際效應(yīng)，根際微生物數(shù)量和活性高于非根際的微生物，蘆葦根際比香蒲更適合亞硝酸細(xì)菌的生長。

吳振斌等［13］對復(fù)合垂直流構(gòu)建濕地中試系統(tǒng)基質(zhì)剖面微生物活性的研究發(fā)現(xiàn)，上行流和下行流池0-10cm的基質(zhì)層中好氧微生物數(shù)量高出30-55cm的層1-2個數(shù)量級，反硝化細(xì)菌除下行流池0-10cm的層面外其他基質(zhì)層數(shù)量都達到107個/g干土以上；0-20cm的基質(zhì)層中脲酶活性明顯高于30-55cm的層面，而0-10cm的層面中脫氫酶活性明顯高出10-55cm的層面2-5倍；硝化、反硝化作用廣泛存在于基質(zhì)中，且硝化作用表現(xiàn)出一定的明顯的空間規(guī)律，而反硝化作用的空間差別很小。梁威等［14］研究指出，復(fù)合垂直流構(gòu)建濕地的基質(zhì)微生物的數(shù)目、酶活性具有一定的時間和空間分布規(guī)律，下行流池中的微生物類群數(shù)目、脲酶、磷酸酶活性較上行流池高。付融冰等［15］研究發(fā)現(xiàn)，不同植物濕地基質(zhì)中微生物的數(shù)量差異不顯著，有植物和無植物濕地的差別也不明顯，基質(zhì)微生物數(shù)量呈現(xiàn)一定的空間分布；在相對穩(wěn)定的運行條件下，基質(zhì)中微生物群落的數(shù)量和活性會趨于穩(wěn)定。

2 人工濕地中微生物代謝特性

人工濕地中微生物對污水的凈化作用，同基質(zhì)中各類微生物的代謝特點有直接關(guān)系，尤其在有機物的降解、氮化合物的脫氮作用和磷化合物的轉(zhuǎn)化方面，基質(zhì)微生物更是發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

李小鵬等［16］對污水生物處理中氨氧化菌的氨單加氧酶（AMO）等酶的性質(zhì)和氨氧化途徑的綜合分析指出，氨氧化菌具有多種代謝途徑，與其他菌種間存在廣泛的協(xié)作和競爭關(guān)系，具有在不同環(huán)境條件下利用不同基質(zhì)的能力。鄧歡歡等［17-19］對垂直流人工濕地基質(zhì)的上層微生物群落碳源代謝能力小于下層，對不同碳源的利用特性存在較大差異（糖類＞胺類、氨基酸、羧酸和聚合物＞酚類），濕地微生物群落的結(jié)構(gòu)和代謝特性易受到不同環(huán)境和植被的影響，而呈現(xiàn)不同的代謝特點；水平潛流人工濕地的基質(zhì)微生物群落的碳源代謝能力，總體上呈現(xiàn)床體上層高于床體下層，前部高于后部的規(guī)律變化，但不同部位的基質(zhì)微生物具有不同的群落結(jié)構(gòu)和代謝特征，對不同碳源的利用能力也存在顯著差異（對糖類利用能力較強，且前部上層微生物對氨基酸和羧酸利用能力明顯高于其他部位微生物，但對聚合物利用能力低于其他部位）。

王曉娟等［20］對表面流和潛流人工濕地中不同填料層的微生物硝化和反硝化強度的對比分析結(jié)果顯示，人工濕地系統(tǒng)可同時進行硝化和反硝化作用；表面流濕地硝化強度高于潛流濕地，硝化強度在兩個系統(tǒng)中均有明顯的分層現(xiàn)象，且上層硝化強度高于下層，沿程硝化強度呈遞減趨勢；潛流濕地上層土壤填料的反硝化強度最高，礫石填料反硝化強度最低，表面流濕地反硝化強度居中，兩個系統(tǒng)的反硝化強度分層不明顯，沿程基本保持不變。

濕地微生物對含磷化合物的凈化機理有待深入研究。Wang等人［21］的研究表明，被微生物吸收利用的磷處在被不斷吸收和釋放的動態(tài)過程中，在微生物死亡后會被迅速分解并全部釋放進入系統(tǒng)，致使微生物的活動與總磷的去除效率間并無明顯相關(guān)，但是微生物的生化作用將有機磷酶促水解無機化，是人工濕地系統(tǒng)中磷被土壤吸附沉淀和植物吸收利用的關(guān)鍵。Richardson［22］指出，聚磷菌可將過量攝取的P合成為ATP、DNA和RNA等有機成分，但由于濕地系統(tǒng)中聚磷菌更新速率緩慢，導(dǎo)致了聚磷菌在污水磷去除方面貢獻較小。

梁威等［23］對所構(gòu)建濕地去除酞酸酯的基質(zhì)微生物和酶機制的研究表明，復(fù)合垂直流構(gòu)建濕地對酞酸酯污染具有較好的凈化效果，對酞酸酯的凈化主要發(fā)生在氧氣含量相對較多的下行流池，上行流池的凈化作用相對較差，且構(gòu)建濕地的凈化作用主要集中在濕地上層基質(zhì)中。周巧紅等［24］通過酞酸酯對復(fù)合垂直流濕地基質(zhì)微生物活性的研究得出了與成水平［25］、陳博謙［26］等人相似的結(jié)論，即下行流池微生物活性明顯高于上行流池，酞酸酯對微生物的生長未表現(xiàn)出明顯抑制作用，卻可促進真菌類微生物的生長，同時還發(fā)現(xiàn)長、短鏈酞酸酯對實驗系統(tǒng)微生物數(shù)量的影響不顯著。

3 分子生物學(xué)方法在濕地微生物研究中的應(yīng)用

人們對濕地微生物的研究多采用傳統(tǒng)微生物和生化方法（如測定微生物數(shù)量、基質(zhì)酶活性等），近年來，國內(nèi)外學(xué)者用各類分子生物學(xué)方法，對人工濕地的微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性特點進行了初步分析，并獲得一些成果。

J.McHenyr等［27］的報道指出，對濕地中植物選擇和作用的檢測可以通過原位雜交監(jiān)測其中微生物的途徑來實施。L.calvó等［28］運用PCR-DGGE技術(shù)對包括濕地處理系統(tǒng)在內(nèi)的不同環(huán)境樣品中的氨氧化細(xì)菌研究表明，擴增引物的選擇會對環(huán)境樣品中微生物群落結(jié)構(gòu)研究的準(zhǔn)確性和全面性會產(chǎn)生影響。

蔣玲燕等［29］運用PCR-DGGE技術(shù)，結(jié)合多樣性和聚類分析方法，研究了3種潛流人工濕地微生物種群的結(jié)構(gòu)特征，表明PCR-DGGE技術(shù)可以真實地記錄人工濕地微生物種群的結(jié)構(gòu)及分布特點，同時還發(fā)現(xiàn)，不同類型濕地植被與填料對微生物群落結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生較大影響。Vacca等［30］采用PCR-SSCP方法研究了人工濕地中植物以及填料對微生物去除的影響，得出了與蔣玲燕相似的研究結(jié)果。

黃德鋒等31］采用PCR-DGGE技術(shù)分析了復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)垂直分布及組成的多樣性，發(fā)現(xiàn)濕地系統(tǒng)中環(huán)境條件和營養(yǎng)水平的變化，使?jié)竦叵到y(tǒng)不同位置的微生物種群存在共同種屬和各自的特異種屬，從下行池到上行池，微生物群落的多樣性逐漸降低，群落結(jié)構(gòu)間的相似性逐漸增大，此外，濕地植物的供氧狀況、殘體累積以及根際效應(yīng)有助于提高濕地表層微生物的多樣性水平。董亮［32］采用ERIC-PCR、PCR-DGGE和PCR-SSCP技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)微生物研究方法，對蘆葦人工濕地中的微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性水平等的分析指出，蘆葦濕地微生物DNA多樣性呈現(xiàn)季節(jié)性和地帶性變化，各采樣點微生物在不同采樣季節(jié)有較大差異，可能是蘆葦人工濕地中微生物在生長繁殖時期易受到外界影響所致。

綜上所述，分子生物學(xué)方法應(yīng)用于人工濕地微生物群落的研究尚處于初始階段，所取得的研究成果卻充分顯示了這類方法的巨大優(yōu)勢和潛能。

4 結(jié)語

總之，在人工濕地對各類污水的凈化過程中，微生物發(fā)揮了非常重要的作用。就目前人工濕地微生物研究現(xiàn)狀看，多數(shù)研究側(cè)重于各類人工濕地中微生物群落的空間分布特征及其影響因素方面，而忽視了濕地微生物對各類污染物的凈化機制的深入的研究，且使用的方法較為傳統(tǒng)。因此，今后濕地微生物相關(guān)研究的應(yīng)考慮以下方面：濕地微生物對各類污染物的凈化機制的深入研究；運用先進的技術(shù)手段，在分子水平上對濕地微生物的群落特征、代謝特點等進行深入研究。

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