微生物对中国水生态的污染与其监测治理修复水生态环境的应用

第一章 中国水生态环境现状

水生态（hydroecology）是指环境水因子对生物的影响和生物对各种水分条件的适应。

1.1 治理困境

随着城镇化和工业化的快速发展，我国生态用水短缺、水环境污染严重等问题未得到根本解决，水生态环境面临严峻挑战，我国水生态环境治理面临治理主体不协调、区域治理能力弱化、治理制度功效有限、流域水生态环境预警系统基础薄弱、水生态环境治理监管力度不足等困境。[1]

1.2 生活用水状况

随着我国生态环境的改善，生态用水量显著增加，自2007年以来，全国生态用水量年均保持在100亿立方米以上，且呈现持续递增态势。2020年，全国生态用水量达到307亿立方米，是2010年的2.56倍，远高于同期总用水量增长率。[1]

1.3 水质状况

2020年，按照监测断面数量统计，在902个地级及以上城市在用集中式生活饮用水水源监测断面中，有852个全年均达标。其中，地表水水源监测断面共598个，其中584个全年均达标，主要超标指标包括硫酸盐、高锰酸盐指数和总磷；地下水水源监测点位共304个，其中268个全年均达标，主要超标指标为锰、铁和氨氮。城市密集区水网污染比较严重，水系连通性降低，一些城市江段存在岸边污染带。江河源头水环境质量不佳，水源地达不到全年水质合格标准。部分湖泊和水库水体富营养化，湿地功能退化，水环境污染风险隐患加大。[1]

2020年，我国地表水优良水质断面占比继续提升，在全国地表水监测的1937个水质断面中，Ⅰ～Ⅲ类占比达到83.4%，比2015年上升18.9%；劣Ⅴ类占比为0.6%，比2015年下降8.2个百分点，水质稳步改善。[1]

全国水污染防治的总体形势严峻，许多地区在氮磷等营养物质控制、流域水生态保护等方面仍存在突出问题。

第二章 水体中的微生物

水体是微生物栖息的第二个天然场所，在江、河、湖、海。地下水中都有微生物的存在。习惯上把水体中的微生物分为淡水微生物和海洋微生物两大类型。

2.1 淡水微生物

淡水微生物按照水体中的有机质含量多少与微生物的关系可分为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类型、有机质的含量等因素的影响。如在含有石油的地下水中，有大量能分解碳氢化合物的细菌；含铁的泉水中含有铁细菌：在温泉中泽有耐热菌的存在。

2.1.1 清水型水生微生物

在洁净的湖泊和水库蓄水中，因有机物含量低，故微生物数量很少（10-103个/ml）。典型的清水型微生物以化能自养微生物和光能自养微生物为主，含有部分腐生性细菌。

以河道为例，河道内微生物主要类群有pirellula（小梨形菌属）、thermogutta（热单胞杆菌属）、litorlinera（好氧山茱萸菌属）、gemmobobacter（花蕾杆菌属）、pseudoxanthomonas（假单胞菌属），绝大多数为常见的专性好氧菌，以同化有机物为碳源进行细胞体内新陈代谢。一些常见的能够进行硝化作用和脱氮微生物如rhizobius（根瘤菌）、hyphomicrobium（生丝微菌）、thermomonas（热单胞菌属）、thodobacter（红杆菌）、thiobacillus（产硫酸杆菌）等菌属少量存在，专性聚磷菌则几乎没有被发现。[2]

二.1.2 腐生性水生微生物

上述清水型的微生物可认为是水体环境中“土生土长”的土居微生物或土著种（native species）。流经城市的河水、港口附近的海水、滞留的池水以及下水道的沟水中，由于流入了大量的人畜排泄物、生物污物和工业废水等，因此有机物的含量大增，同时也夹入了大量外来的腐生细菌，使腐败型水生微生物尤其是细菌和原生动物大量繁殖，使微生物含量达107-108个/ml。其中数量最多的事无芽孢革兰氏阴性菌。这些微生物在污水环境中大量繁殖，将水中的无机物逐渐分解成有机物，同时它们的数量也随之减少，污水也就逐渐净化变清。

2.2 海洋微生物

由于海洋环境具有盐度高，有机质含量少，海洋环境具有盐度高，有机质含量少，温度低及深海压力大等特点，所以海洋微生物绝大多数是需盐、嗜冷和耐高渗透压的微生物。

2.2.1 海洋细菌

海洋细菌是生活在海洋中的、不含叶绿素和藻蓝素的原核单细胞生物。它们是海洋微生物中分布最广、数量最大的一类生物，个体直径常在1微米以下，呈球状、杆状、螺旋状和分枝丝状的微生物，截止2017年5月，对我国分离鉴定的577种海洋细菌进行多样性分析发现，在门分类水平上，已鉴定最多的微生物分布在变形菌门（proteobacteria，占比51.0％），该类群也是海洋环境中数量最多的类群，其次是拟杆菌门（bacteroiaetes）、放线菌门（actinobacteria）和厚壁菌门（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结构的微生物。大多数栖于某种基物而生活，少数自由生活，因此，真菌在海洋中的分布主要取决于寄主的分布。海洋真菌和海洋细菌都参加海洋有机物的分解和无机营养物的再生过程，不断为海洋植物提供有效营养。

深海中蕴藏了多样性极为丰富的真核微生物，有些甚至可能代表着新的高级阶元。并且真核微生物主要类群在深海碳循环和沉积物的构造过程中具有重要作用，同时其在深海生态系统中也是连接有机碎屑和大型生物的重要桥梁。[4]

2.2.3 海洋原生动物

海洋原生动物是指体型微小的单细胞（包括由单细胞聚集成的群体）海洋动物。原生动物是动物界最原始、最低等的动物。其个体最小的约1微米，最大的为数厘米。原生动物种数繁多，数量巨大。已知有65000多种，现生种约占一半，其中多数为海洋种类。在近岸海域已发现自由生活的原生动物约3000种, 其中鞭毛虫20余科40余属300余种、有孔虫120余科400余属约1500种、放射虫近60科240属500余种、纤毛虫近百科200余属700余种。

在海洋生态系统中, 水体和底质中自由生活的原生动物具有十分重要的生态功能; 它们通过直接或间接作用, 调节水体中微型生物的群落结构和新陈代谢。例如: 异养和兼性自养的浮游原生动物, 其群落结构的时空演替在很大程度上影响着海洋生物圈中碳的动态平衡。[5]

2.2.4 海洋病毒

海洋病毒是海洋生态系统中丰度最高的生命形式，其是海洋生态系统的重要参与者和海洋生物地球化学循环的重要驱动力。作为海洋浮游细菌主要的致死因子之一，病毒通过裂解宿主释放出大量的有机物和营养盐，调控宿主群落的代谢行为，进而影响生物地球化学循环。[6]

海洋病毒除了影响浮游细菌外还会影响真核生物，是海洋食物网的主要组成部分。海洋病毒和宿主之间的许多相互作用非常复杂，最近的一系列研究表明，病毒有能力以非凡的方式操纵宿主的生活史甚至进化。[7]

2.3 水体的自净作用

在自然水体，尤其是快速流动的水体中，存在着对有机和无机污染物的自净作用。其原因是多方面的。

水体自净是一个融合物理、化学、生物的综合作用过程，包括物理性的稀释作用和化学性的氧化作用，但更重要的是各种生物学和生物化学作用，一般认为物理和化学作用改变了污染物的形态及其在水与沉积物之间的浓度分布，不能真正减少污染物，微生物的降解作用则使污染物转化成无害盐类。1893年，Naylor提出细菌是硝化作用的主要原因。生物净化作为水体净化机制的中心受到广泛关注。水中微生物对水体自净影响很大，例如好氧菌对有机物的分解作用，原生动物对细菌等的吞噬作用，噬菌体对宿主的裂解作用，以及微生物产生的凝胶物质对污染物的吸附、沉降作用等，这就是“流水不腐”的重要原因。[8]

第三章 水体微生物污染

水体中存在种类繁多的微生物，其中大部分是无害、且是对水生态系统发挥正常功能必不可少的，但也存在可引发腹泻、肠胃炎、肺炎、伤寒等多种疾病的致病微生物，中国不同流域的河流、湖泊均受到微生物污染，可能给大范围的人群健康带来威胁。[9]

3.1 病原微生物概况

截至目前，已发现的水体病原微生物高达1400多种，包括细菌、病毒、原生动物和真菌等，这些病原微生物可经饮食、呼吸、皮肤接触等途径感染人类，导致肠道、呼吸道疾病，甚至发生传染病。

3.1.1 病毒污染

病毒的大小仅为0.01~0.1μm，水体中的致病病毒包括DNA病毒（如腺病毒）和RNA病毒（如肠病毒、诺瓦克病毒、肝炎病毒、轮状病毒和星状病毒等），可引发人类发热、心脏病、肝炎、脑膜炎和呼吸道感染等疾病。水环境中的病毒普遍存在于各类地表水体中。此外，水环境中的病毒还具有存活时间久、感染风险大等特点。[10]

3.1.2 细菌污染

水体中致病细菌引发疾病传播的事件最为常见，常见的致病细菌包括沙门氏菌、志贺氏菌、弯曲菌属、大肠杆菌、军团菌属、螺旋杆菌和弧菌等，可引发腹泻、神经系统疾病、出血性结肠炎、呼吸道疾病等的发生。除了少部分细菌能够产生孢子外，大部分细菌在水体中存活的时间不长。[10]

3.1.3 真菌污染

污水的高氮源和有害化学元素能抑制或改变原有正常水生真菌区系的均衡发育，使某区系成分(甚至非原有水生真菌成分)激增，形成丝状物团块，有的在江河上飘浮，有的堵塞滤板和排水管道。

水环境中的病原真菌的研究相对较少，截至目前，在水体中发现的真菌的数目超过400多种，仅发现其中46种真菌生物安全等级为2级（对个体有中低危险，对群体的危险度低）[11]，致病性真菌通常引发人类的皮肤问题。

3.1.4 原生动物污染

水体中常见的致病原生动物包括隐孢子虫，贾第虫等，可引发腹泻等疾病，由于原生动物能够通过产生卵囊增加其在环境中的存活率。此外，福氏纳格里阿米巴原虫由于较高的致死率也受到重视。[10]

3.2 影响水环境微生物污染的因素

地表水体的微生物污染受多种因素影响，如生活污水、污水处理厂排水、畜禽养殖和城市暴雨径流等。

3.2.1 生活污水

随着中国城镇化水平的提高，城镇污水量逐渐增加，污水处理厂的处理量不足及城市雨污分流不完善的现象仍有发生，未经处理的生活污水排入河道是导致水体微生物污染的重要原因之一。[10] 部分贫困地区的粪便污然和其导致的病原微生物污染十分严重。

3.2.2 污水处理厂排水

随着“水十条”和新环保法的颁布，各地城镇污水处理厂主动提高排放标准，近年来因河流自然补给过程弱化，污水处理厂的出水成为越来越多河流的常态补给，若污水处理厂正常运行，再生水满足水质标准的情况下，污水处理厂排水对一定区域下的水体不仅不会产生不利影响，还能改善水体，还能提供农业用水，代替地下水。[12]

Cai等研究污水处理厂出水微生物组成发现，污水处理厂出水的潜在病原微生物最高可达75个属。不符合排放标准的污水含有大量病原微生物，其水体排放到地表水体给人类健康带来巨大威胁。[10]

3.2.3 畜禽粪便污染

畜禽养殖导致的粪便污染是地表水体微生物污染的重要因素之一。畜禽养殖造成的水体污染主要与畜禽粪污和清洗养殖场的污水排放有关。目前，中国许多畜禽养殖场建立在靠近河流或农田的郊外，许多养殖户缺乏环保意识将污水随意排放到周边的河流，导致水质恶化，造成水体污染。而被污染的水体会不断渗透，从而对地下水造成污染，影响畜禽和人类的饮水健康。和其它畜禽相比，水禽粪便一般直接排放在水体中，难以回收，并且一旦发生禽病，极易造成水体中病菌病毒的传播。[13]

第四章 微生物监测与修复水生态中的应用

微生物具有适应性强，生长繁殖能力好、敏感性高等特点，可在短时间内对其生活环境的变化产生快速响应。同样微生物丰度在一定程度上也可反映水中营养盐的状况，从而指示河流与湖泊受污染状况季节和水期对微生物的丰度、分布和优势种均有显著影响，氮含量和盐度分别是淡水和海水环境中影响最大的水质要素。故微生物可以在水生态修复中得到充分的应用。[14]

4.1 微生物对水体污染的监测

随着现代科学和技术的不断进步,人类在水体污染防治方面的探索越来越深入,由于微生物细胞和水体环境之间的相互接触具有极高的直接性和敏感度，因此微生物已经逐渐发展成为水体污染防治监测中一类非常重要的指示生物。

4.1.1 水质监测指标

水质判断是有依据的，水质监测的指标除了一般指标和水质污染度指标外，还有水质污染成分指标和生物指标。水质的生物指标包括大肠杆菌、细菌总数等。这些具体指标与水质密切相关，任何指标超过一定的范围都会对水质造成严重影响，导致水污染。

4.1.2 细菌总数和粪便污染指示菌监测水质

细菌总数是指ml水样在营养琼脂培养基中，于37摄氏度经24h培养后，所生长的细菌菌落的总数。进行微生物监测时，把微生物群落放置在被监测的水环境之中，根据微生物的生活习性与种群数量对水体受污染的程度进行量化，以了解所测水体的受程度。

粪便污染指示细菌是指示水体已被粪便污染的指示剂。通常使用大肠杆菌作为指示剂，作为肠道中最常见也是最丰富的细菌种类之一，大肠菌群具有十分强的抗逆性，并且其在水中的数量与肠道中致病菌的数量呈现一定的相关性。[15]

4.1.3 发光细菌检测水体中毒物

发光细菌作为一类非致病的革兰氏阴性兼性厌氧细菌，发光细菌内部含有荧光素和荧光酶等发光物质。在合适的条件下，选定的发光细菌菌株会发出恒定量的光作为代谢副产物，而接触了有毒的物质后，光的强度会迅速降低，降低的程度与有毒物质的浓度成正比。该方法可以在2~5 h内获得数据，与96 h急性鱼毒性测试相比，细菌测试在灵敏度方面比其他测试优越，同时执行更简单、更快捷。[15]

4.2 微生物在水生态治理修复中的应用

微生物法在治理有机污染物，天然水体中存在着大量依靠有机物生活的微生物，而这些微生物具有氧化分解有机物的能力。通过人工措施来创造更有利于微生物生长和繁殖的环境，可以有效提高对污染水体有机物的氧化降解效率。微生物对有机污染物的作用方式可分两大类，一类是微生物直接作用于有机污染物。另一类是通过微生物的活动改变化学和物理环境而间接作用于有机物染物。以下列举几列。

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，需要将微生物处理技术作为重要手段来改善河道水体。在这一过程中，需要对好氧微生物和厌氧微生物进行处理，将能够治理污染物的微生物投放进水中，通过对微生物进行控制来达到有效净化水环境的目的。在应用微生物处理技术的过程中，对菌落类型、数量都有严格的标准当微生物生存环境不能治理污染物时，它会通过吸水中多余的营养物质，例如氨（NH3）等，以达到自行解决水体污染问题的目的。同时，微生物处理技术还包括植物修复技术和动物修复技术，它们作为生态系统不可或缺的因素，对于城市河道水体净化有着十分重要的作用。[17]

4.2.2 有机污染地下水的修复

有机污染地下水原位微生物修复技术主要是利用石油烃、卤代烃和多环芳烃类污染物的微生物可降解性，通过向含水层中注入菌剂、投加电子受体/电子，供体等药剂或复合生物药剂及材料负载等形式来启动和强化微生物降解效应，提高外源微生物或土著微生物对地下水中有机污染物的降解能力，削减或消除地下水中的有机污染物，缩短有机污染地下水修复周期。[18]

总结

近年来随着城镇化和工业化的快速发展，我国生态用水短缺、水环境污染严重等问题未得到根本解决，水生态环境面临严峻挑战，微生物水体是微生物栖息的第二个天然场所，在江、河、湖、海。地下水中都有微生物的存在，其作为水环境中的重要组成部分，在生态系统起重要作用， 近年来我国微生物对水体的污染严重，给人来带来巨大的潜在危害，微生物与水环境相互依赖，相互影响，水体微生物可对水环境的变化产生快速响应，因此可以将微生物应用于水环境的监测。而土著微生物和其它微生物的生物降解作用可用于进行环境的生物修复。

 

参考文献

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[8] 马一鸣,郝子垚,黄泽涵,王斓琪,于鲁冀.微生物在水体自净中的作用：以清潩河为例[J].环境工程,2022,40(02):20-26

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