微生物對(duì)中國水生態(tài)的污染與其監(jiān)測治理修復(fù)水生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用

第一章?中國水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

水生態(tài)（hydroecology）是指環(huán)境水因子對(duì)生物的影響和生物對(duì)各種水分條件的適應(yīng)。

1.1?治理困境

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展，我國生態(tài)用水短缺、水環(huán)境污染嚴(yán)重等問題未得到根本解決，水生態(tài)環(huán)境面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我國水生態(tài)環(huán)境治理面臨治理主體不協(xié)調(diào)、區(qū)域治理能力弱化、治理制度功效有限、流域水生態(tài)環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)基礎(chǔ)薄弱、水生態(tài)環(huán)境治理監(jiān)管力度不足等困境。[1]

1.2?生活用水狀況

隨著我國生態(tài)環(huán)境的改善，生態(tài)用水量顯著增加，自2007年以來，全國生態(tài)用水量年均保持在100億立方米以上，且呈現(xiàn)持續(xù)遞增態(tài)勢。2020年，全國生態(tài)用水量達(dá)到307億立方米，是2010年的2.56倍，遠(yuǎn)高于同期總用水量增長率。[1]

1.3?水質(zhì)狀況

2020年，按照監(jiān)測斷面數(shù)量統(tǒng)計(jì)，在902個(gè)地級(jí)及以上城市在用集中式生活飲用水水源監(jiān)測斷面中，有852個(gè)全年均達(dá)標(biāo)。其中，地表水水源監(jiān)測斷面共598個(gè)，其中584個(gè)全年均達(dá)標(biāo)，主要超標(biāo)指標(biāo)包括硫酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)和總磷；地下水水源監(jiān)測點(diǎn)位共304個(gè)，其中268個(gè)全年均達(dá)標(biāo)，主要超標(biāo)指標(biāo)為錳、鐵和氨氮。城市密集區(qū)水網(wǎng)污染比較嚴(yán)重，水系連通性降低，一些城市江段存在岸邊污染帶。江河源頭水環(huán)境質(zhì)量不佳，水源地達(dá)不到全年水質(zhì)合格標(biāo)準(zhǔn)。部分湖泊和水庫水體富營養(yǎng)化，濕地功能退化，水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)隱患加大。[1]

2020年，我國地表水優(yōu)良水質(zhì)斷面占比繼續(xù)提升，在全國地表水監(jiān)測的1937個(gè)水質(zhì)斷面中，Ⅰ～Ⅲ類占比達(dá)到83.4%，比2015年上升18.9%；劣Ⅴ類占比為0.6%，比2015年下降8.2個(gè)百分點(diǎn)，水質(zhì)穩(wěn)步改善。[1]

全國水污染防治的總體形勢嚴(yán)峻，許多地區(qū)在氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)控制、流域水生態(tài)保護(hù)等方面仍存在突出問題。

第二章?水體中的微生物

水體是微生物棲息的第二個(gè)天然場所，在江、河、湖、海。地下水中都有微生物的存在。習(xí)慣上把水體中的微生物分為淡水微生物和海洋微生物兩大類型。

2.1?淡水微生物

淡水微生物按照水體中的有機(jī)質(zhì)含量多少與微生物的關(guān)系可分為清水型水生微生物和腐生型水生微生物。淡水微生物在水中的分布受到水的類型、有機(jī)質(zhì)的含量等因素的影響。如在含有石油的地下水中，有大量能分解碳?xì)浠衔锏募?xì)菌；含鐵的泉水中含有鐵細(xì)菌：在溫泉中澤有耐熱菌的存在。

2.1.1?清水型水生微生物

在潔凈的湖泊和水庫蓄水中，因有機(jī)物含量低，故微生物數(shù)量很少（10-103個(gè)/ml）。典型的清水型微生物以化能自養(yǎng)微生物和光能自養(yǎng)微生物為主，含有部分腐生性細(xì)菌。

以河道為例，河道內(nèi)微生物主要類群有pirellula（小梨形菌屬）、thermogutta（熱單胞桿菌屬）、litorlinera（好氧山茱萸菌屬）、gemmobobacter（花蕾桿菌屬）、pseudoxanthomonas（假單胞菌屬），絕大多數(shù)為常見的專性好氧菌，以同化有機(jī)物為碳源進(jìn)行細(xì)胞體內(nèi)新陳代謝。一些常見的能夠進(jìn)行硝化作用和脫氮微生物如rhizobius（根瘤菌）、hyphomicrobium（生絲微菌）、thermomonas（熱單胞菌屬）、thodobacter（紅桿菌）、thiobacillus（產(chǎn)硫酸桿菌）等菌屬少量存在，專性聚磷菌則幾乎沒有被發(fā)現(xiàn)。[2]

二.1.2?腐生性水生微生物

上述清水型的微生物可認(rèn)為是水體環(huán)境中“土生土長”的土居微生物或土著種（native?species）。流經(jīng)城市的河水、港口附近的海水、滯留的池水以及下水道的溝水中，由于流入了大量的人畜排泄物、生物污物和工業(yè)廢水等，因此有機(jī)物的含量大增，同時(shí)也夾入了大量外來的腐生細(xì)菌，使腐敗型水生微生物尤其是細(xì)菌和原生動(dòng)物大量繁殖，使微生物含量達(dá)107-108個(gè)/ml。其中數(shù)量最多的事無芽孢革蘭氏陰性菌。這些微生物在污水環(huán)境中大量繁殖，將水中的無機(jī)物逐漸分解成有機(jī)物，同時(shí)它們的數(shù)量也隨之減少，污水也就逐漸凈化變清。

2.2?海洋微生物

由于海洋環(huán)境具有鹽度高，有機(jī)質(zhì)含量少，海洋環(huán)境具有鹽度高，有機(jī)質(zhì)含量少，溫度低及深海壓力大等特點(diǎn)，所以海洋微生物絕大多數(shù)是需鹽、嗜冷和耐高滲透壓的微生物。

2.2.1?海洋細(xì)菌

海洋細(xì)菌是生活在海洋中的、不含葉綠素和藻藍(lán)素的原核單細(xì)胞生物。它們是海洋微生物中分布最廣、數(shù)量最大的一類生物，個(gè)體直徑常在1微米以下，呈球狀、桿狀、螺旋狀和分枝絲狀的微生物，截止2017年5月，對(duì)我國分離鑒定的577種海洋細(xì)菌進(jìn)行多樣性分析發(fā)現(xiàn)，在門分類水平上，已鑒定最多的微生物分布在變形菌門（proteobacteria，占比51.0％），該類群也是海洋環(huán)境中數(shù)量最多的類群，其次是擬桿菌門（bacteroiaetes）、放線菌門（actinobacteria）和厚壁菌門（firmicutes）。[3]

2.2.2?海洋真菌

海洋真菌，是生活在海洋中的能形成孢子且有真核結(jié)構(gòu)的微生物。大多數(shù)棲于某種基物而生活，少數(shù)自由生活，因此，真菌在海洋中的分布主要取決于寄主的分布。海洋真菌和海洋細(xì)菌都參加海洋有機(jī)物的分解和無機(jī)營養(yǎng)物的再生過程，不斷為海洋植物提供有效營養(yǎng)。

深海中蘊(yùn)藏了多樣性極為豐富的真核微生物，有些甚至可能代表著新的高級(jí)階元。并且真核微生物主要類群在深海碳循環(huán)和沉積物的構(gòu)造過程中具有重要作用，同時(shí)其在深海生態(tài)系統(tǒng)中也是連接有機(jī)碎屑和大型生物的重要橋梁。[4]

2.2.3?海洋原生動(dòng)物

海洋原生動(dòng)物是指體型微小的單細(xì)胞（包括由單細(xì)胞聚集成的群體）海洋動(dòng)物。原生動(dòng)物是動(dòng)物界最原始、最低等的動(dòng)物。其個(gè)體最小的約1微米，最大的為數(shù)厘米。原生動(dòng)物種數(shù)繁多，數(shù)量巨大。已知有65000多種，現(xiàn)生種約占一半，其中多數(shù)為海洋種類。在近岸海域已發(fā)現(xiàn)自由生活的原生動(dòng)物約3000種, 其中鞭毛蟲20余科40余屬300余種、有孔蟲120余科400余屬約1500種、放射蟲近60科240屬500余種、纖毛蟲近百科200余屬700余種。

在海洋生態(tài)系統(tǒng)中, 水體和底質(zhì)中自由生活的原生動(dòng)物具有十分重要的生態(tài)功能; 它們通過直接或間接作用, 調(diào)節(jié)水體中微型生物的群落結(jié)構(gòu)和新陳代謝。例如: 異養(yǎng)和兼性自養(yǎng)的浮游原生動(dòng)物, 其群落結(jié)構(gòu)的時(shí)空演替在很大程度上影響著海洋生物圈中碳的動(dòng)態(tài)平衡。[5]

2.2.4?海洋病毒

海洋病毒是海洋生態(tài)系統(tǒng)中豐度最高的生命形式，其是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要參與者和海洋生物地球化學(xué)循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)力。作為海洋浮游細(xì)菌主要的致死因子之一，病毒通過裂解宿主釋放出大量的有機(jī)物和營養(yǎng)鹽，調(diào)控宿主群落的代謝行為，進(jìn)而影響生物地球化學(xué)循環(huán)。[6]

海洋病毒除了影響浮游細(xì)菌外還會(huì)影響真核生物，是海洋食物網(wǎng)的主要組成部分。海洋病毒和宿主之間的許多相互作用非常復(fù)雜，最近的一系列研究表明，病毒有能力以非凡的方式操縱宿主的生活史甚至進(jìn)化。[7]

2.3?水體的自凈作用

在自然水體，尤其是快速流動(dòng)的水體中，存在著對(duì)有機(jī)和無機(jī)污染物的自凈作用。其原因是多方面的。

水體自凈是一個(gè)融合物理、化學(xué)、生物的綜合作用過程，包括物理性的稀釋作用和化學(xué)性的氧化作用，但更重要的是各種生物學(xué)和生物化學(xué)作用，一般認(rèn)為物理和化學(xué)作用改變了污染物的形態(tài)及其在水與沉積物之間的濃度分布，不能真正減少污染物，微生物的降解作用則使污染物轉(zhuǎn)化成無害鹽類。1893年，Naylor提出細(xì)菌是硝化作用的主要原因。生物凈化作為水體凈化機(jī)制的中心受到廣泛關(guān)注。水中微生物對(duì)水體自凈影響很大，例如好氧菌對(duì)有機(jī)物的分解作用，原生動(dòng)物對(duì)細(xì)菌等的吞噬作用，噬菌體對(duì)宿主的裂解作用，以及微生物產(chǎn)生的凝膠物質(zhì)對(duì)污染物的吸附、沉降作用等，這就是“流水不腐”的重要原因。[8]

第三章?水體微生物污染

水體中存在種類繁多的微生物，其中大部分是無害、且是對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮正常功能必不可少的，但也存在可引發(fā)腹瀉、腸胃炎、肺炎、傷寒等多種疾病的致病微生物，中國不同流域的河流、湖泊均受到微生物污染，可能給大范圍的人群健康帶來威脅。[9]

3.1 病原微生物概況

截至目前，已發(fā)現(xiàn)的水體病原微生物高達(dá)1400多種，包括細(xì)菌、病毒、原生動(dòng)物和真菌等，這些病原微生物可經(jīng)飲食、呼吸、皮膚接觸等途徑感染人類，導(dǎo)致腸道、呼吸道疾病，甚至發(fā)生傳染病。

3.1.1?病毒污染

病毒的大小僅為0.01~0.1μm，水體中的致病病毒包括DNA病毒（如腺病毒）和RNA病毒（如腸病毒、諾瓦克病毒、肝炎病毒、輪狀病毒和星狀病毒等），可引發(fā)人類發(fā)熱、心臟病、肝炎、腦膜炎和呼吸道感染等疾病。水環(huán)境中的病毒普遍存在于各類地表水體中。此外，水環(huán)境中的病毒還具有存活時(shí)間久、感染風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)。[10]

3.1.2?細(xì)菌污染

水體中致病細(xì)菌引發(fā)疾病傳播的事件最為常見，常見的致病細(xì)菌包括沙門氏菌、志賀氏菌、彎曲菌屬、大腸桿菌、軍團(tuán)菌屬、螺旋桿菌和弧菌等，可引發(fā)腹瀉、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、出血性結(jié)腸炎、呼吸道疾病等的發(fā)生。除了少部分細(xì)菌能夠產(chǎn)生孢子外，大部分細(xì)菌在水體中存活的時(shí)間不長。[10]

3.1.3?真菌污染

污水的高氮源和有害化學(xué)元素能抑制或改變?cè)姓Ｋ婢鷧^(qū)系的均衡發(fā)育，使某區(qū)系成分(甚至非原有水生真菌成分)激增，形成絲狀物團(tuán)塊，有的在江河上飄浮，有的堵塞濾板和排水管道。

水環(huán)境中的病原真菌的研究相對(duì)較少，截至目前，在水體中發(fā)現(xiàn)的真菌的數(shù)目超過400多種，僅發(fā)現(xiàn)其中46種真菌生物安全等級(jí)為2級(jí)（對(duì)個(gè)體有中低危險(xiǎn)，對(duì)群體的危險(xiǎn)度低）[11]，致病性真菌通常引發(fā)人類的皮膚問題。

3.1.4?原生動(dòng)物污染

水體中常見的致病原生動(dòng)物包括隱孢子蟲，賈第蟲等，可引發(fā)腹瀉等疾病，由于原生動(dòng)物能夠通過產(chǎn)生卵囊增加其在環(huán)境中的存活率。此外，福氏納格里阿米巴原蟲由于較高的致死率也受到重視。[10]

3.2?影響水環(huán)境微生物污染的因素

地表水體的微生物污染受多種因素影響，如生活污水、污水處理廠排水、畜禽養(yǎng)殖和城市暴雨徑流等。

3.2.1?生活污水

隨著中國城鎮(zhèn)化水平的提高，城鎮(zhèn)污水量逐漸增加，污水處理廠的處理量不足及城市雨污分流不完善的現(xiàn)象仍有發(fā)生，未經(jīng)處理的生活污水排入河道是導(dǎo)致水體微生物污染的重要原因之一。[10]?部分貧困地區(qū)的糞便污然和其導(dǎo)致的病原微生物污染十分嚴(yán)重。

3.2.2?污水處理廠排水

隨著“水十條”和新環(huán)保法的頒布，各地城鎮(zhèn)污水處理廠主動(dòng)提高排放標(biāo)準(zhǔn)，近年來因河流自然補(bǔ)給過程弱化，污水處理廠的出水成為越來越多河流的常態(tài)補(bǔ)給，若污水處理廠正常運(yùn)行，再生水滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，污水處理廠排水對(duì)一定區(qū)域下的水體不僅不會(huì)產(chǎn)生不利影響，還能改善水體，還能提供農(nóng)業(yè)用水，代替地下水。[12]

Cai等研究污水處理廠出水微生物組成發(fā)現(xiàn)，污水處理廠出水的潛在病原微生物最高可達(dá)75個(gè)屬。不符合排放標(biāo)準(zhǔn)的污水含有大量病原微生物，其水體排放到地表水體給人類健康帶來巨大威脅。[10]

3.2.3?畜禽糞便污染

畜禽養(yǎng)殖導(dǎo)致的糞便污染是地表水體微生物污染的重要因素之一。畜禽養(yǎng)殖造成的水體污染主要與畜禽糞污和清洗養(yǎng)殖場的污水排放有關(guān)。目前，中國許多畜禽養(yǎng)殖場建立在靠近河流或農(nóng)田的郊外，許多養(yǎng)殖戶缺乏環(huán)保意識(shí)將污水隨意排放到周邊的河流，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，造成水體污染。而被污染的水體會(huì)不斷滲透，從而對(duì)地下水造成污染，影響畜禽和人類的飲水健康。和其它畜禽相比，水禽糞便一般直接排放在水體中，難以回收，并且一旦發(fā)生禽病，極易造成水體中病菌病毒的傳播。[13]

第四章?微生物監(jiān)測與修復(fù)水生態(tài)中的應(yīng)用

微生物具有適應(yīng)性強(qiáng)，生長繁殖能力好、敏感性高等特點(diǎn)，可在短時(shí)間內(nèi)對(duì)其生活環(huán)境的變化產(chǎn)生快速響應(yīng)。同樣微生物豐度在一定程度上也可反映水中營養(yǎng)鹽的狀況，從而指示河流與湖泊受污染狀況季節(jié)和水期對(duì)微生物的豐度、分布和優(yōu)勢種均有顯著影響，氮含量和鹽度分別是淡水和海水環(huán)境中影響最大的水質(zhì)要素。故微生物可以在水生態(tài)修復(fù)中得到充分的應(yīng)用。[14]

4.1?微生物對(duì)水體污染的監(jiān)測

隨著現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的不斷進(jìn)步,人類在水體污染防治方面的探索越來越深入,由于微生物細(xì)胞和水體環(huán)境之間的相互接觸具有極高的直接性和敏感度，因此微生物已經(jīng)逐漸發(fā)展成為水體污染防治監(jiān)測中一類非常重要的指示生物。

4.1.1?水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)

水質(zhì)判斷是有依據(jù)的，水質(zhì)監(jiān)測的指標(biāo)除了一般指標(biāo)和水質(zhì)污染度指標(biāo)外，還有水質(zhì)污染成分指標(biāo)和生物指標(biāo)。水質(zhì)的生物指標(biāo)包括大腸桿菌、細(xì)菌總數(shù)等。這些具體指標(biāo)與水質(zhì)密切相關(guān)，任何指標(biāo)超過一定的范圍都會(huì)對(duì)水質(zhì)造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致水污染。

4.1.2?細(xì)菌總數(shù)和糞便污染指示菌監(jiān)測水質(zhì)

細(xì)菌總數(shù)是指ml水樣在營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基中，于37攝氏度經(jīng)24h培養(yǎng)后，所生長的細(xì)菌菌落的總數(shù)。進(jìn)行微生物監(jiān)測時(shí)，把微生物群落放置在被監(jiān)測的水環(huán)境之中，根據(jù)微生物的生活習(xí)性與種群數(shù)量對(duì)水體受污染的程度進(jìn)行量化，以了解所測水體的受程度。

糞便污染指示細(xì)菌是指示水體已被糞便污染的指示劑。通常使用大腸桿菌作為指示劑，作為腸道中最常見也是最豐富的細(xì)菌種類之一，大腸菌群具有十分強(qiáng)的抗逆性，并且其在水中的數(shù)量與腸道中致病菌的數(shù)量呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。[15]

4.1.3?發(fā)光細(xì)菌檢測水體中毒物

發(fā)光細(xì)菌作為一類非致病的革蘭氏陰性兼性厭氧細(xì)菌，發(fā)光細(xì)菌內(nèi)部含有熒光素和熒光酶等發(fā)光物質(zhì)。在合適的條件下，選定的發(fā)光細(xì)菌菌株會(huì)發(fā)出恒定量的光作為代謝副產(chǎn)物，而接觸了有毒的物質(zhì)后，光的強(qiáng)度會(huì)迅速降低，降低的程度與有毒物質(zhì)的濃度成正比。該方法可以在2~5 h內(nèi)獲得數(shù)據(jù)，與96 h急性魚毒性測試相比，細(xì)菌測試在靈敏度方面比其他測試優(yōu)越，同時(shí)執(zhí)行更簡單、更快捷。[15]

4.2?微生物在水生態(tài)治理修復(fù)中的應(yīng)用

微生物法在治理有機(jī)污染物，天然水體中存在著大量依靠有機(jī)物生活的微生物，而這些微生物具有氧化分解有機(jī)物的能力。通過人工措施來創(chuàng)造更有利于微生物生長和繁殖的環(huán)境，可以有效提高對(duì)污染水體有機(jī)物的氧化降解效率。微生物對(duì)有機(jī)污染物的作用方式可分兩大類，一類是微生物直接作用于有機(jī)污染物。另一類是通過微生物的活動(dòng)改變化學(xué)和物理環(huán)境而間接作用于有機(jī)物染物。以下列舉幾列。

4.2.1?城市河道等淡水污染治理

在城市河道污染治理工程中，需要將微生物處理技術(shù)作為重要手段來改善河道水體。在這一過程中，需要對(duì)好氧微生物和厭氧微生物進(jìn)行處理，將能夠治理污染物的微生物投放進(jìn)水中，通過對(duì)微生物進(jìn)行控制來達(dá)到有效凈化水環(huán)境的目的。在應(yīng)用微生物處理技術(shù)的過程中，對(duì)菌落類型、數(shù)量都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)微生物生存環(huán)境不能治理污染物時(shí)，它會(huì)通過吸水中多余的營養(yǎng)物質(zhì)，例如氨（NH3）等，以達(dá)到自行解決水體污染問題的目的。同時(shí)，微生物處理技術(shù)還包括植物修復(fù)技術(shù)和動(dòng)物修復(fù)技術(shù)，它們作為生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的因素，對(duì)于城市河道水體凈化有著十分重要的作用。[17]

4.2.2?有機(jī)污染地下水的修復(fù)

有機(jī)污染地下水原位微生物修復(fù)技術(shù)主要是利用石油烴、鹵代烴和多環(huán)芳烴類污染物的微生物可降解性，通過向含水層中注入菌劑、投加電子受體/電子，供體等藥劑或復(fù)合生物藥劑及材料負(fù)載等形式來啟動(dòng)和強(qiáng)化微生物降解效應(yīng)，提高外源微生物或土著微生物對(duì)地下水中有機(jī)污染物的降解能力，削減或消除地下水中的有機(jī)污染物，縮短有機(jī)污染地下水修復(fù)周期。[18]

總結(jié)

近年來隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展，我國生態(tài)用水短缺、水環(huán)境污染嚴(yán)重等問題未得到根本解決，水生態(tài)環(huán)境面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，微生物水體是微生物棲息的第二個(gè)天然場所，在江、河、湖、海。地下水中都有微生物的存在，其作為水環(huán)境中的重要組成部分，在生態(tài)系統(tǒng)起重要作用，?近年來我國微生物對(duì)水體的污染嚴(yán)重，給人來帶來巨大的潛在危害，微生物與水環(huán)境相互依賴，相互影響，水體微生物可對(duì)水環(huán)境的變化產(chǎn)生快速響應(yīng)，因此可以將微生物應(yīng)用于水環(huán)境的監(jiān)測。而土著微生物和其它微生物的生物降解作用可用于進(jìn)行環(huán)境的生物修復(fù)。

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