愛爾斯微課堂|草型湖泊水生植物殘體的生物降解研究進展

水生植物群落是一個良性湖泊生態系統的重要組成部分，正常情況下，其在湖泊中的生長有利于提高湖泊生態系統的生物多樣性和結構穩定性，從而使湖泊對外來污染具有更強的抗逆性。而在部分湖泊受到富營養化刺激轉變成的草型湖泊中，水生高等植物受到湖體內高營養刺激而大量生長，雖短時間內降低了湖體營養鹽，提高了透明度，但當其進入衰亡期，其殘體會對水體產生嚴重的負面影響，如加速沼澤化進程，對水體造成二次污染等。本文將詳細介紹水生植物殘體在湖泊中的分解機制，探究底棲動物和微生物在植物殘體降解中的應用，并提出建議與展望，以期為植物殘體降解修復研究奠定基礎。

水生植物殘體的分解機制

針對水生植物殘體的修復技術可以分為物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術。在修復過程中，又可以分為腐解前修復和腐解后修復。 

在水生植物腐解前，各種修復方法的目的旨在降低水生植物在湖體中的生物量。如傳統的物理方法通過機械或者人工將水體內生長的水生植物進行收割，來達到控制植物生物量的目的。還有研究者們發現通過調節水位，破壞水生植物適宜的生長水位環境也可以達到抑制水生植物生長的目的?；瘜W修復方法則主要通過投放除草劑來達到抑制水生植物過度生長的目的，但除草劑中含有多種化學物質，容易對環境造成破壞。生物修復方法則是通過投放食草類魚類等生物，來達到消耗水草生物量的目的。 

在水生植物腐解后，挺水植物殘體在經歷一段‘立枯’過程后會沉入湖底，沉水植物則在水中懸浮一段時間后沉入湖底，殘體與底泥混為一體。因此大部分修復技術并沒有單獨針對植物殘體進行降解，而是針對水體沉積物進行修復來達到抑制沉積物營養釋放的目的。物理修復技術主要是通過底泥覆蓋、外源引水和人工曝氣等手段來緩解和降低沉積物向水體營養物質的釋放水平?；瘜W修復技術則通過投加各種化學制劑來增強沉積物對營養物質的吸附能力，以降低沉積物向水體中營養物質的釋放。但物理修復技術和化學修復技術均存在著投入資金與人力成本大，對環境造成污染和不能持續起效等缺點，而生物修復技術因較好的避免了以上缺點，受到了廣大研究者的喜愛，以下將詳細介紹不同生物對與植物殘體的降解作用，以期為生物修復技術的發展提供參考。

底棲動物對水生植物殘體降解的研究現狀 

1、螺類

螺類屬于大型底棲動物中軟體動物腹足類，常常是水體底棲生物當中的優勢物種，是水體生態食物鏈中的重要組成部分。有研究人員表示，螺類的食性廣泛，能夠攝食水生高等植物，細菌，藻類和腐殖質等。還有報道稱，螺類能夠加快腐殖質分解的速度，調節水體底質和水體的物質交換，促進水體凈化。一般認為螺類的攝食方式主要為刮食，但也有一部分研究表明螺類也可以通過濾食方式來獲取食物。Montiel等人研究表明覆螺屬中的Crepidula fecunda在幼生期的攝食方式為利用齒舌刮食，但隨著其腮的發育完全，其攝食方式會轉變為濾食。屈明志等人也通過大量的數據分析推測銅銹環棱螺除了刮食也可以濾食。也有報道稱銅銹環棱螺能夠根據環境的不同來切換刮食或濾食方式。螺類通過刮食可以攝食部分植物殘體，并將植物殘體切碎成小顆粒，有助于細菌分解；通過濾食可以攝取水體中的懸浮顆粒物以及藻類，可以顯著改善水體富營養化情況。

國外針對螺類降解植物殘體的研究較多，Tanaka等人通過在某湖泊運用分解袋法進行為期10周的定植實驗，最終發現定植動物中有約90%為螺類，推測出螺類可以促進植物葉片的分解。Jörg Schaller探究了Si對螺類降解蘆葦殘體的影響，結果表明不同濃度Si元素對螺類降解植物無顯著差異，但放入螺類能夠增加蘆葦殘體和纖維素的降解率。Jörn Panteleit在對水稻的分解實驗中表明，經過21天的分解實驗，與對照組相比，螺類和微生物對水稻的降解能力分別提高了19%和21%。 

中國針對螺類對于水質的改善能力進行研究，如魏陽春等人通過在太湖的五里湖地區進行室內外試驗來探究銅銹環棱螺對水體的修復能力，發現銅銹環棱螺能大幅度提高水體的透明度，從0.5m左右提高到了1.3m，并且使水體中TP和NH3-N含量大幅度降低。隨著研究的深入，也有人將螺和沉水植物組合起來探究它們對水體的影響。Mo等人則在室內試驗中用苦草和銅銹環棱螺同樣分為3個處理組進行對水質凈化的實驗，實驗結果表明，苦草和銅銹環棱螺均可以對水質進行凈化，但兩者聯用效果最佳。Zhou等人運用同位素追蹤法通過沉積物-環棱螺-苦草配置來研究氮素的環境歸趨，研究發現，苦草對于氮素有很強的固定能力，環棱螺固定氮素能力較弱，但能夠加強泥-水界面的硝化和反硝化作用，加速氮素的去除?？傮w來說，雖然只有少量研究表明螺類可以加速植物殘體分解速度，但大多研究表明螺類能夠降低水中的營養鹽濃度，因此螺類在對植物殘體營養釋放的過程中可能也會起到一定的抑制效果，在植物殘體的修復與污染控制中，具有一定的應用潛力。 

2、水絲蚓

水絲蚓屬于顫蚓科水絲蚓屬，是一種常見的底棲動物，廣泛分布于淡水湖泊、水庫、河流等地。水絲蚓的生活環境是水體底部的表層底泥，能夠攝食有機物顆粒、微生物等，并且會在水底擾動，對湖泊沉積物中有機物質的分解與營養物質的循環具有重要作用。研究表明，沉積物中有機質含量和水絲蚓生物量呈正相關，當沉積物中有機質含量增加時，水絲蚓的生物量也會相應升高，來加強對有機質的分解作用。盧東琪等人通過網袋法研究溪流中植物殘體分解情況，發現在分解袋中定植大量霍普水絲蚓，推測植物殘體是水絲蚓主要食物來源之一。董雪等人在阿什河運用分解袋法調查不同河流段的底棲動物分布情況，發現在森林和農田段蘊含大量植物殘體的區域中水絲蚓生物量相較植物殘體貧瘠地區更多。Gingerich等人研究了不同底棲動物在水生植物殘體在濕地中的分解作用，研究發現寡毛綱底棲動物對分解具有顯著的促進作用。此外，也有研究表明水絲蚓能夠降低或抑制水體沉積物中N、P等營養物質的釋放進程。張雷等人探究了水絲蚓對磷在湖泊沉積物-水界面遷移的影響，結果發現水絲蚓顯著降低了大浦口間隙水的P濃度，并抑制了沉積物中P向上覆水釋放。Kang等人則發現在人工濕地中加入水絲蚓能夠增強水體中N、P的去除效果。

微生物對水生植物殘體降解的研究現狀

微生物參與了水生植物腐解的第二階段和第三階段，既能加速植物殘體的分解，又能調控水質，并且將篩選后的微生物投入到富營養化水體中發現其能夠在水體中迅速增長，這有利于對水體環境的修復，在當前的水體修復工程中得到廣泛應用。微生物通過分泌的纖維素酶等來加速植物殘體難降解部分的分解，進一步加速植物殘體的分解，降低沼澤化與富營養化風險。 

對于細菌在植物殘體的降解過程研究，仍然處于初級階段，許多研究者通過室內培育篩選的方式來探究具有高產酶特征且適合降解纖維素的菌種。史玉英等人通過濾紙平板法結合搖床培養篩選出2種對于纖維素分解能力較強的混合菌種M1（木霉F1和芽孢桿菌Ba組成）和M2（木霉F2和芽孢桿菌Ba），水稻秸稈的分解率分別可達36.21%和38.82%，對膨化稻草的分解率分別為68.83%和60.02%。黨佳佳等人則在遼河河口一蘆葦濕地中篩選并分離出一種高產酶的耐鹽纖維素分解菌，經過鑒定屬于貪噬菌屬，在20‰-35‰的鹽度條件下仍能保持最大產酶量的50%以上，具有很強的適應性。目前公認的對纖維素降解能力較強的菌種為白腐真菌，研究表明絕大多數白腐真菌可以產生多種纖維素降解酶對纖維素進行徹底的降解，如木質素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶等。杭怡瓊等人的研究表明白腐菌對水稻中木質纖維素的平均降解效率達到37.76%。陳誼等人用白腐真菌對水稻秸稈進行處理，結果發現，木質纖維素的降解率最高可達到約30%。 

此外，研究者們發現微生物對于富營養化水體中的營養鹽含量也有很強的調控能力，應用的凈水微生物主要種類有硝化細菌、反硝化細菌、芽孢桿菌、光合細菌、乳酸菌、絲狀真菌、酵母菌和基因工程菌等。杜聰等人運用由乳酸菌、酵母菌、絲狀菌復合而成的微生物制劑對洛陽某富營養化水體進行修復，結果表明，水體中的COD含量下降了87.37%，TN和NH3-N去除率達到90%以上，極大的提高了生態系統的凈化能力。龐金刊等人運用天津科技大學制作的混合微生物制劑在某動物園水體中進行效果驗證，結果表明，投加菌劑可以有效的降低水體有機物和藻類，提高水體透明度，并降低水體營養鹽濃度?，F階段微生物固定技術也十分流行，可將微生物固定于某處，而不會因水流等原因遷移。常用的固定技術有包埋法、吸附法、包絡法、共價結合法和交聯法，研究表明，運用包絡法和吸附法將微生物固定于植物浮床上，可以達到極好的修復效果。因此，合理運用微生物可以加速植物殘體的分解并控制植物分解所產生的二次污染，具有極高的使用價值。