湖泊富营养化2.ppt

4.水生植物修复机理,净化机理：1 吸收作用2 降解作用3 吸附、过滤、沉淀作用4 对藻类的抑制作用：水生植物和浮游藻类在营养物质和光能的利用上是竞争者，前者个体大、生命周期长，吸收和储存营养盐的能力强，能很好地抑制浮游藻类的生长。某些水生植物根系还能分泌克藻物质，达到抑制藻类生长的作用。另外水生植物根圈还会栖生某些小型动物，如水蜗牛,能以藻类为食。5 其它作用：挺水植物可通过对水流的阻尼或减少风浪扰动，使悬浮物质沉降等。,4.水生植物修复机理,除磷：无机磷化合物的溶解性改变，有机磷化合物的分解矿化，无机磷的氧化和还原都需要磷细菌等微生物的生物化学反应及酶的催化来实施。在好氧和厌氧条件下，磷细菌能将有机磷化合物转化成简单的磷化合物。微生物在降解有机磷的同时，也吸收可利用态的磷维持生长和繁殖，达到去除水体中磷的目的。,4.水生植物修复机理,除氮：在所有水生植物除氮系统中，根际微生物起着最为关键的作用，硝化和反硝化作用是植物除氮主要机制(约占全部去除率的40%92%)，被认为是氮素释放的重要机制之一。水生植物一般根系较为发达，在水面下有表面积很大的根茎网络，为微生物附着、栖生、繁殖提供了场所和条件；同时植物根系可分泌含有大量生物活性物质的分泌物，对根际微生物的生长、繁殖和生理活动起到一定的促进作用，构成了一个能起着多种生化作用的复杂的植物-微生物生态系统。,4.水生植物修复机理,湖泊生态系统中氮循环细菌的分布：水生高等植物覆盖区内的氨化和反硝化细菌密度明显高于无植物覆盖的敞水区；附着于水生植物根际的氨化细菌可将水中的有机氮转化为无机氮(其中大部分转化为气态的氨气直接进入大气)；同时，反硝化细菌将无机氮盐(NO-3-N及NO-2-N)还原为气态的N2O及N2，并释放到大气中，从而削减了水体中的氮负荷，这对于富营养化水体的净化具有积极意义。,4.水生植物修复机理,另外，水生高等植物也为水体氮循环细菌提供了适宜的生存和繁殖环境。反硝化、硝化、亚硝化及氨化细菌是水体中常见的菌群，其生长和繁殖不仅受底物类型及浓度影响，而且受环境条件影响。特别是反硝化与硝化及亚硝化细菌，前者往往分布在厌氧还原环境中，而后两者则通常分布于富氧氧化环境中。在湖泊的敞水区，由于湖水的均质性，这些菌群很难同时形成优势并发挥作用。,植物根际,根际的概念及根际内植物与微生物的相互作用 根际是受植物根系影响的根-水(土)界面的一个微区，也是植物水(土壤)微生物与其环境条件相互作用的场所。由于根系的存在，增加了微生物的活动和生物量。植物根系、微生物以及根际范围的其他一切组成了最重要的根际生态系统。在根际系统中，根际的生命活动有利于微生物的活动，而微生物活动的增强又反过来促进植物根际的生长活动。,4.水生植物修复机理,水生高等植物根际存在氧化还原微环境，空气中的氧气通过其根茎叶通气组织到达根部，并扩散到根表面，环绕根形成一薄的氧化层(即根际氧化带)；在这个薄薄的有氧根际层以外的水体，由于水生高等植物的覆盖及其呼吸代谢作用，往往处于缺氧状态。正是由于在水生高等植物根区存在这样一个富氧-缺氧的氧化还原微环境，反硝化、硝化、亚硝化及氨化细菌才能够同时出现并发挥其作用。,5.水生植物修复研究进展,植物和其根际微生物的互作效应研究：较少，在90年代初期,首次把水生植物凤眼莲和根际微生物联系起来，组建了凤眼莲-根际微生物松散的、非特异性的协同降酚的共生系统。研究发现，系统的降酚效率大于细菌和凤眼莲的降酚效率之和。植物根系分泌物对根际微生物的种类、数量和生理活动具有重要作用。根系分泌物可刺激根际环境中微生物的繁殖和生长；而同时，根际微生物对植物的生长和生理代谢同样具有刺激效应，它能影响植物的生长量，刺激植物根对离子的吸收，改变根的通透性，调节植物的生理代谢等。由此可见，水生植物和根际微生物系统对水体中物质代谢影响是非常复杂的。,5.水生植物修复研究进展,水生植物修复强化技术研究：在实际的应用中发现，虽然由于水生植物的存在部分消除了水体的均质性，但对大多数富营养化水体来讲其空间异质性仍较差，从而限制了富营养化水体中氮的控制。为了增加水体的异质性，增大不同性质氮循环细菌的共存机会和数量，人们尝试了多种方法。如采用向富营养化水域中投加固定化反硝化细菌，以增加反硝化细菌数量，增大水体内反硝化脱氮的效率；另外，人们还研究了不同生态类型水生高等植物的净化能力及其微生境特点，设计建造了由漂浮、浮叶、沉水植物及其根际微生物等组成的人工复合生态系统(artificial complex ecosystem;ACE)，通过合理设计镶嵌组合水生植物群落的种类组成及空间分布，增大水体的异质性。.,水体水花生-菱-水鳖-凤眼莲的植物群落，通过植物根系附近的微生物代谢作用，消耗水中的溶解氧，使之呈现厌氧状态，有利于反硝化过程，从而能最大限度的除去水中的NO3-。在进水口的水花生群丛紧密的交织在一起，构成坚强的防护带，能将水华拦在群落之外，群落自身保持旺盛生长，其下水中的反硝化和氨化细菌的数目较大，但水中的溶解氧很低。菱对藻类及水中的悬浮物有良好过滤作用。由于水花生和菱的作用，使群落系统内部的水体透明度得到明显提高，从而有利于沉水植物和浮叶植物的生长。这一方面可以抑制藻类的生长，另一方面可以不断吸收、分解水中的营养盐和污染物，使整个系统处于良性循环状态。菱和凤眼莲等净化性较强的夏季喜温植物以及伊尔藻和菹草等耐寒性沉水植物，组成常绿型水生植被，可形成具有长期和净化功能的季节性交替互补系统，对富营养化水体的净化作用十分显著。,富营养化的生物操纵修复,一、生物操纵的基本概念：就是用调整生物群落结构的方法控制水质。原理：调整鱼群结构，保护和发展大型牧食性浮游动物，从而控制藻类的过量生长。方法：在湖泊中投放、发展某些鱼种，使整个食物网适合于浮游动物或鱼类自身对藻类的牧食和消耗，从而改善湖泊环境质量。,富营养化的生物操纵修复,水生食物链模式，即肉食性鱼吃小型滤食性鱼、小鱼吃鱼虫；另外，底层鱼类促进营养物质的再循环，促进藻类的发展。即：肉食性鱼类 浮游生物食性鱼类 浮游动物 藻类 营养物质 再循环 底食性鱼类 利用浮游生物直接牧食藻类，或利用草食性鱼类直接牧食水草，是生物操纵的重要途径之一。,经典的生物操作法，就是通过改变捕食者(鱼类)的种类组成或多少来操纵植食性的浮游动物群落的结构，促进滤食效率高的植食性大型浮游动物，特别是枝角类种群的发展，进而降低藻类生物量，可提高水的透明度，改善水质。,具体方法为：（1）投放鱼食性鱼类间接控藻，通常是通过放养食鱼性鱼类来控制浮游动物食性鱼类，通过改变浮游动物食性鱼类的种类组成来操纵藻食性的浮游动物群落的结构，借此发展壮大滤食效率高的藻食性大型浮游动物(特别是枝角类)的种群，通过浮游动物种群的壮大来遏制浮游植物的发展，从而降低藻类生物量，提高水的透明度，最后达到改善水质的目的。另外底层鱼类的活动有促进底泥中氮，磷向水体释放的作用，因此对其也应限制。,（2）人工去除浮游动物食性鱼类以间接控藻。这种类型的生物操纵技术是先用网具捕捞、化学方法(如鱼藤酮毒杀)去除、电捕、放干水体清除等方法将水体中的鱼类全部去除掉，然后再重新投放以鱼食性为主的鱼类。以此来促进大型浮游动物和底栖无脊椎动物(可摄食底栖、附生和浮游藻类)的发展，从而降低水体藻类的生物量。这种生物操纵的结果是重构了水体生态系统和生物组成，使之朝着人们所期望的生态系统自净功能强化的方向发展。,经典的生物操纵方法主要运用于小型的、封闭的、且浮游植物群落不是由水华蓝藻而是由绿球藻、小型硅藻和包括隐藻在内的鞭毛藻等组成的浅水水体。在捷克的Rimov水库中，研究者通过控制鲤科鱼类的成功产卵，提高食鱼性鱼类的数量来去除浮游生物食性鱼类，从而使得浮游动物的数量增多，体型增大，控制藻类的过度生长；在丹麦，对233个湖泊进行围隔试验，研究发现经典的生物操纵在浅水中比在深水中更有效。,非经典性的生物操纵，就是利用食浮游植物的鱼类和软体动物来直接控制藻类，治理湖泊富营养化。超富营养化湖泊武汉东湖利用滤食性鱼类的生物操纵 颗粒捕食鱼类可以靠视觉选择食物个体（主要是大型浮游动物）；而滤食性鱼类则是用滤食性器官过滤湖水来收集食物，以浮游植物、漂浮的碎屑和一些来不及躲避鱼类扑食的浮游动物为食。这种新型的生物操纵技术在我国许多大的湖泊得以实践。,具体方法为：(1)利用浮游植物食性鱼类(如鲢、鳙)来控制富营养化和藻类水华现象。首先应控制水体中的捕食鲢、鳙鱼种的凶猛性鱼类，以确保鲢、鳙的放养成活率。其次，鲢、鳙所摄食消化利用的浮游植物生物量需高于浮游植物的增殖速率。每个水体都需寻找一个合适的能有效控制藻类水华的鲢、鳙生物量的临界阀值，鲢、鳙对藻类的摄食利用率与藻类的种类组成和生理状况、其他可利用食物(如浮游动物)的相对丰度、水温等有密切关系，而藻类的增殖速率与光照、水温及水体的营养水平等有密切关系。,(2)利用大型软体动物滤食作用控制藻类和其他悬浮物。螺、蚌、贝类能起很好的生物净化作用，有试验表明河流中的螺类对藻类有明显的抑制作用，一个壳长10cm的河蚌，在20时，每天可过滤60L水，过滤并吞食的浮游植物和悬浮物经过吸收代谢作用，分解为无害物，并使水澄清。牡蛎能够抑制藻类的生长，促进海草的生长，并使海水中氮通过反硝化作用减少，而使海水变清。,富营养化的生物操纵修复,发现浮游动物的庇护机制对于生物操纵有重要作用。庇护机制是指浮游动物赖以逃避鱼类捕食的行为机制或环境条件。可能的庇护机制包括：1.低光照庇护；2.低温庇护；3.厌氧庇护；4.对肉食性鱼类的回避行为，这种行为可使浮游生物食性鱼类的活动范围受到限制；5.大型水生植物庇护。,富营养化的生物操纵修复,二、生物操纵途径（一）人为去除鱼类（二）投放肉食性鱼类（三）水生植被管理：利用草鱼，关键是放养量。（四）投放微型浮游动物：主要内容包括食藻微型动物的大规模培养条件、捕食的速率、投放数量和方法。（五）投放细菌微生物（六）投放植物病原体和昆虫,富营养化的生物操纵修复,三、生物操纵修复的展望 目前生物操纵正在向两个方面扩大研究：1.研究水质和渔业生态学之间的关系。需要研究渔业生态学和湖沼学之间的相互作用，研究在保护水域环境质量的前提下如何适度发展渔业。2.研究沿岸带生态学和敞水区食物网之间的关系。生物操纵和水生植物管理都可引起大型植物与藻类优势状况之间的突然改变。需要进一步了解水生植物、渔业和浮游植物管理与湖泊恢复之间的作用。,植物修复作用,1.植物修复概念及优缺点 植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门环境污染治理技术。广义的植物修复技术包括利用植物修复重金属污染的土壤，利用植物净化空气、利用植物清除放射性核素和利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中有机污染物四个方面。植物降解高分子有毒化合物的基础是根际环境及根际微生物，与无植物土壤不同。,三、植物修复作用,植物修复亦有很多缺点：用于污染土壤生物修复的植物通常矮小、生物量低、生长缓慢、生长周期长；对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉系统等自然和人为条件有一定的要求。研究表明：植物修复的效率很大程度上由与根接触的土量决定。,三、植物修复作用,2.根际的概念及根际内植物与微生物的相互作用 根际是受植物根系影响的根-土界面的一个微区，也是植物土壤微生物与其环境条件相互作用的场所。由于根系的存在，增加了微生物的活动和生物量。植物根系、微生物以及根际范围的其他一切组成了最重要的根际生态系统。在根际系统中，根际的生命活动有利于微生物的活动，而微生物活动的增强又反过来促进植物根际的生长活动。根际微生物的群落组成依赖于植物根的类型(直根、丛根等）、植物种类、年龄、土壤类型以及植物根系接触有毒物的时间。,三、植物修复作用,根际区的二氧化碳浓度、氧浓度、渗透压和氧化还原势以及土壤湿度与植物种和根系的性质有关。植物和微生物的相互作用是复杂的，互惠的。植物根表皮细胞脱落及分泌粘液，为根际的微生物提供营养和能源。另外，植物根系巨大的表面积也是微生物的寄宿之处。高根茎比对土壤及土壤微生物的影响较大。当然，根系在土壤中的分枝和伸展模式不同对生物修复作用的影响也有所不同。,三、植物修复作用,污染物植物微生物相互作用的调节系统：污染物-对植物毒性-促进植物根系分泌更多酶-促进微生物生长-对污染物降解-毒性降低=构成一反馈系统。,三、植物修复作用,3.植物修复的方式有3种，（1）植物提取（phytoextraction），植物吸收、积累污染物，待收获后才进行处理。收获后可以进行热处理、微生物处理和化学处理。（2）根滤作用（rhizofitration)借助植物根系生命活动从污染环境中吸收、富集、沉淀金属及有机物。（3）植物降解(phytodegradation),植物及其相关微生物区系将污染物转化为无毒物质。（4）植物稳定化(phytostabilization)，在植物作用下，将污染物固定，隔绝、阻止其进入环境或食物链，以减少其对生物与环境的危害。,三、植物修复作用,根系分泌物种类和组成 根系分泌物是植物根系在生命活动中向外界环境分泌的各种有机物的总称。广义的根系分泌物分4种：1）渗出物，即细胞中主动扩散出来的一类低分子量的化合物；2）分泌物，细胞在代谢过程中被动释放出来的物质；3）粘胶质，包括根冠细胞、表皮细胞和根毛分泌的粘胶质物质；4）裂解细胞，成熟根段表皮细胞的分解产物、脱落的根冠细胞、根毛和细胞碎片等。狭义的根系分泌物仅包括通过溢泌作用进入环境的可溶性有机物。一般有200种以上，有低分子和高分子,三、植物修复作用,根系分泌物在植物修复中的生态效应1.通过改变土壤的理化性质来实现：如团聚体的大小、PH值、离子交换量及吸附性。2.通过影响土壤微生物的数量和活性来实现影响根系分泌物分泌的因素1.植物种类；2.营养胁迫：各种矿物质缺乏；3.金属胁迫；4.根际环境的理化性质：环境透气性、湿度、PH、土壤颗粒大小和土壤松紧度；5.土壤微生物；6.其它环境因子：光照和湿度,根系分泌物在植物修复中的作用1.根系分泌物与重金属污染的修复分泌物可调节根际PH值,2.根系分泌物对清除有机污染物的作用酶系统的直接降解和通过增加微生物的数量提高其活性的间接降解。,5.植物修复作用进一步研究的重点,(1)植物种的特殊性例如植物根的形态、植物生理、微生物群落与植物根相结合的生态、生理学的特性,根系分泌物在选择微生物群落中的作用。(2)根际其他因子的动态,如菌根和根瘤的存在和土壤的养分条件、土壤通气性、以及土壤中许多化学过程也同样重要。根系从土壤溶液中对有机化合物的吸收很大程度上依赖于化合物的物理化学性质、环境条件和植物的特性。对植物根系和它们与根际微生物群落相互作用的机理有了深入了解,才能对污染土壤的生物修复中植被管理和植物种的成功选择有更大的把握。,5.植物修复作用进一步研究的重点,(3)土壤基质中有害物质通过代谢从土壤中转移到植物组织,这种转移是否为有毒害物质的累积过程。植物残留物分析,在植物修复促进技术方面,目前主要侧重在如下两个方面的研究应用。综合促进技术的采用：采用土壤改良剂及其它农业措施。如通过降低 p H值,添加螯合剂,适用合适的化肥,改变土壤离子的组成来增加生物有效性,促进植物吸收。基因工程技术的应用：通过育种和基因工程改良植物性状。如改进植物根结构的特性,增加植物降解酶数量,提高超积累植物的生长速度和生物量等。上述研究目前多处在实验室阶段,实际应用尚不多见。,菌根根际的概念,菌根根际既包括菌根的根真菌菌丝表面,也包括从菌根发出侵染周围土壤的外延菌丝的菌丝表面。后者主要与土壤中营养的固定、吸收、转移和植物传递有关,植物以积累的光合产物作为交换。,2.菌根根际微生物效应,不同的菌根真菌和不同的植物形成的菌根所产生的菌根根际效应是不一样的。如某些菌根可刺激根区土壤中放线菌的生长,而同样菌与其它植物形成的菌根则没有刺激作用。可见菌根真菌-宿主植物-菌根根际微生物三者的结合均有其特异性,各个组合须分开来研究才能了解其特点和效果。,3.菌根根际作用机理,3.1植物的作用 光合产物：营养、引起根际分泌物数量和种类的变化。氧气输送,3.菌根根际作用机理,3.2真菌的作用 在土壤中形成网状结构,吸收矿质营养和水分;另外,根外菌丝能在土壤中迅速扩展,能直接帮助细菌在土壤中的传播,并不需要挖掘或混合土壤以使细菌扩散。3.3细菌的作用 一些与真菌共生的细菌能促进菌丝的生长和菌根真菌对植物的侵染率,并因此促进了植物的生长;此外,细菌能修饰和降解土壤中的污染物,而这利于菌根根际在污染土壤中的存活和扩展。,4.菌根根际降解污染物的理论依据,菌根根际假说：该假说认为，菌根根际分泌物可作为细菌的共代谢底物，使菌际微生物密度变大，代谢活性增强，提高了细菌降解有机物的效率。我们认为，菌根根际降解依据远不止这一点。首先，菌际微生物是一个复杂的群体，不止细菌一个群，它包括放线菌、固氮菌和真菌，这些菌亦有一定的降解能力。其次，除了菌际分泌物，菌际提供的微生态位可能比菌际分泌物起的作用更大。菌际微生态位可以使菌际维持高的微生物种群密度和生理活性，使菌际微生物群更稳定。,5.对菌际微生物的调控,5.1引入外源固氮菌的设想 在油污染土壤中,/偏高，这使固氮菌占选择优势。/是影响微生物活性的一个重要指标。可在菌根根际引入外源固氮菌,使其在菌根根际微生物中占有一定比例,从而促进这一共存体系的降解能力。5.2引入外源细菌 如能在土壤中将外源细菌的质粒通过细胞接触转移给土著菌,这将极大地提高土著菌的降解能力。一旦土壤中有了转化结合子,它就能自行繁殖。,6.菌际降解的优缺点,6.1优点(1)在菌株难以生存的贫瘠的土壤中和干旱的气候下,该技术的使用不受限制;(2)该技术处理的污染物浓度比其它菌处理的浓度高,这是因为植物对污染物的耐受程度比细菌、放线菌、酵母等土壤微生物高;(3)具备生物降解的许多优点,技术含量高,应用方法简便,经济实用,二次污染小。(4)不必采取维持目标降解微生物存活的一些措施,如提供碳水化合物、营养元素或其他共代谢能源物质。,5.菌际降解的优缺点,6.2 缺点：不同的经纬度、气候、土壤需要不同的植物-菌根-根际微生物-外源细菌组合,难以大规模推广应用菌剂。,作业,1、阐述微生物修复富营养化的机理及优缺点。2、富营养化湖泊水生植物修复的原则是什么。3、阐述富营养化的生物操纵修复的生态学依据及意义。4、什么是根际，阐述研究其微环境内各因素之间的相互作用对进一步了解植物修复机理的意义。,