【分　 类】 化工与理学
【关 键 词】 人工湿地；生态系统；基质微生物；酶活性 
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正文：

2.4人工湿地基质微生物的代谢特征和功能
　  人工湿地对污染物的净化主要通过植物、填料和微生物之间的物理、化学和生物作用实现，而微生物群体是维持湿地生态系统和实现生态净化功能及其物质和能量转化的重要组成部分，大量的有机物和氮素均通过微生物作用去除[42]。
邓欢欢等[43]采用Biolog方法研究了2 套处理农村富营养化水体的垂直流人工湿地中微生物群落的代谢特性。垂直流人工湿地下层基质微生物群落碳源代谢能力要高于上层基质微生物群落，同一深度上风车草湿地微生物碳源代谢能力要高于香蒲湿地。对胺类、糖类、聚合物、氨基酸和羧酸类碳源，微生物群落的利用程度较高，最后的光密度值较高（平均> 1.4），而对酚类的利用程度较低（平均< 0.8）。不同植物和不同深度的基质微生物群落具有不同的群落结构和代谢特性。基质下层微生物群落与上层微生物群落相比，丰度指数区别较小，而多样性和均匀度指数底层要高于上层，风车草湿地微生物群落要高于香蒲湿地。  
黄德锋等[44]采用复合垂直流人工湿地净化富营养化景观水,考察了湿地系统中ρ(CODCr) ,ρ(TN) ,ρ((NH4+-N) ,ρ(TP) 和ρ(DO) 以及pH的沿程变化。从下行池到上行池,ρ(CODCr) ,ρ(TN) ,ρ((NH4+-N) ,ρ(TP) ,ρ(DO) 和pH沿水流方向逐渐下降，上行池末端出水ρ(DO) 略有回升，污染物的去除主要发生在下行池。在湿地系统中，垂直方向环境条件的变化对微生物群落多样性和相似性影响较大，由于ρ(TN), ρ(TP), ρ(CODCr), ρ(NH4+-N) 和ρ(DO) 变化梯度较大，下行池微生物种群具有较高的多样性,但相似性较差。而上行池由于环境条件变化较小，平均相似系数高于下行池，但多样性较低。林静等[45]研究了添加复合微生物制剂及酶制剂对芦苇人工湿地系统去除苏州河水污染物的影响。复合微生物制剂和酶制剂的投加可以增加系统的微生物数量和酶活，提高污染物的去除率，其中氨氮去除率与硝化细菌数量之间存在明显的相关性；加菌剂组的相关性显著高于对照组，复合微生物制剂及酶制剂的投加强化了芦苇人工湿地氨氮的转化。而微生物数量与出水COD 的变化关系相关性程度较低，说明微生物并非唯一的有机物降解转化因素。徐德福等[46]采用土壤培养和污水模拟试验相结合, 选择4 种基质研究其微生物活性变化及其对氮去除的影响。砂子/土壤/泥炭的混合物, 土壤/砂子的混合物, 土壤和砂子的微生物活性( 微生物生物量碳、微生物生物量氮、基础呼吸和酶活性) 存在很大的差异, 微生物活性的大小顺序是：砂子/土壤/泥炭混合物>土壤>土壤/砂子混合物> 砂子。基质微生物活性受其碳含量影响并与碳含量呈正相关。氮去除量与基质微生物活性有关, 并与基质微生物生物量碳、氮和基础呼吸呈显著正相关(P<0.05)。微生物活性可以作为反映人工湿地净化能力的有效指标。Kang等[47]提出酶能将有机物水解形成无机营养, 且对湿地中污染物质的转化具有重要作用。Hammer[48]认为湿地基质、湿地植物以及微生物的相互作用是人工湿地的主要去除机理, 湿地中有机磷的分解、氮的硝化与反硝化以及有机物的去除都与微生物的活性密不可分。邓欢欢等[43]利用Biolog 微平板技术研究了水平潜流人工湿地基质微生物群落代谢特性,结果表明，供试人工湿地基质微生物群落的碳源代谢能力，床体上层高于床体下层,前部高于后部。在实验期内，前部上层样点平均色度变化(AWCD)值增长速率较前部下层、后部上层及后部下层分别高出83.3%、15.8%和57.1%。主成分分析(PCA)结果表明，不同部位的基质微生物群落具有不同的群落结构和代谢特征，其对不同碳源的利用能力也存在显著性差异(P< 0.05)，前部上层基质微生物利用率较高的碳源为糖类和氨基酸，而前部下层对聚合物和羧酸的代谢程度最高。付融冰等[49]利用混菌法和稀释法，测定了不同植物以及无植物潜流水平湿地基质中微生物的数量。结果表明：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不明显；湿地基质中不同空间位置的微生物数量各不相同，一般上层多于下层；在湿地运行条件相对稳定的情况下，湿地基质中会逐渐形成数量和活性比较稳定的生物群落。分析了人工湿地基质中微生物数量与污水净化效果的关系。结果表明：微生物数量与BOD5 及TN 的去除有显著的相关性，说明微生物的作用是去除它们的重要途径；基质微生物数量与TP 的去除率相关性不明显。测定了湿地基质硝化速率，其硝化能力与亚硝化细菌的数量呈显著相关。夏宏生等[50]认为随着人工湿地深度的增加，人工湿地对有机物降解的效果逐步下降，最上层处理能力最强；细菌总数与有机物的降解没有明显的相关关系。人工湿地对TN 、氨氮具有良好的降解效果，且以微生物降解起主要作用；细菌总数与总氮降解转化有明显的相关关系；氨化细菌是水中有机氮的主要降解微生物，硝化细菌则是氨氮降解的微生物。其中氨化细菌是除氮的优势菌群，随着人工湿地的运行，其数量逐渐增加；随着人工湿地的连续运行硝化细菌的数量有所下降。有研究者认为,硝化和反硝化作用是人工湿地脱氮的主要途径[51,52]。但是人工湿地脱氮效果往往受到气候、植物种类、负荷以及立地条件等因素的影响[53]。文献报道中的湿地脱氮效率差别也较大，这给湿地脱氮设计带来很大的不确定性，主要原因是湿地系统脱氮是一个多因素综合控制过程，关键影响因素难以量化和控制[54]，从而使得湿地出水氮浓度难以控制。王晓娟等[55]通过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进行对比研究，探讨了人工湿地脱氮过程中硝化反硝化作用的变化，从微生物角度分析了人工湿地脱氮效果的差别。人工湿地系统可以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，2个系统中的硝化强度具有较明显的分层现象，上层硝化强度高于下层。2个系统中沿程硝化强度呈递减趋势，硝化强度反映氨氮去除率的大小，表面流湿地氨氮的去除率高于芦苇潜流湿地30%～40%。硝化作用主要在系统的前端进行，沿程逐渐降低，符合微生物脱氮反应的基本过程。反硝化强度沿程变化不明显，沿程均能够保持较高的反硝化强度，在保证碳源供给的情况下，系统沿程均能充分发挥反硝化脱氮的作用，适合于硝氮的去除。针对冬季低温条件下细菌活性低、除N性能低的问题，有学者提出将耐寒细菌用于人工湿地，以提高脱N性能。邢奕等[1]用3种培养基培养出耐冷细菌、耐冷放线菌和耐冷霉菌。在实验室阶段研究了这3 种实验菌的生长因子，并将其用于石家庄机械化步兵学院人工湿地工程。研究表明，当3种实验菌液投放量为5%(质量分数) 、温度为6 ℃的条件下，对NH4+-N的去除率分别为57.7 %、59.0 %、58.7 %，为冬季低温条件下人工湿地的有效运行提供了一种解决途径。    
 
3 结语
微生物在人工湿地生态系统中对污染物的去除发挥重要作用，但是其重点仍主要放在系统的净化效率上，投加菌剂可以提高人工湿地微生物的数量和酶活，促进污染物的降解转化。关于基质微生物的研究，目前仍停留在阐述种群和功能的基础上，主要原因是因为人工湿地是一个复杂的系统，环境的影响、使用目的的不同以及自身构造的不同使得生物相也大不相同。为了能够更好的发挥微生物的作用，需要在更好的阐述机理的同时，能够针对不同的需求利用好微生物。湿地环境中的微生物多样性是整个系统正常运行的关键, 而目前对湿地系统中不同微生物群落结构的功能组成方面所做的研究工作还相当少。因此，深入研究人工湿地中微生物群落特征, 明确群落组成对湿地系统出水水质的影响, 筛选耐低温微生物，针对目标污染物研发高效微生物制剂，对于指导人工湿地的设计、运行、管理和提高人工湿地净化效果有着十分重要的意义。     

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