全 文 ：中国环境科学 2012,32(3)：510~516 China Environmental Science

伊乐藻-固定化氮循环菌技术入湖河道修复研究
王易超,李正魁*,周 莉,范念文,冯露露 (南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南
京 210046)

摘要：从太湖金墅湾水体筛选出包括土著氨化、亚硝化、硝化和反硝化细菌的氮循环菌,固定于多孔性载体内,对伊乐藻-固定化氮循环菌
联用技术在秋冬季太湖金墅湾水源地入湖河道水体生态修复效果进行了研究.经室内生态修复模拟与原位围隔实验表明,伊乐藻-固定化
氮循环菌联用对水质改善效果要优于单独使用伊乐藻或固定化氮循环菌,该技术对原位入湖河道有效去除率为:总氮 5.9%~61.2%,氨氮
12.4~70.3%,硝氮 6.1%~68.0%,COD 4.2%~78.5%;通过氮循环菌释放可明显提高水体氮循环菌数量,MPN 值比对照水体高出 3~4 个数量级;
相关性分析表明,差异性显著(P<0.01).经 5 个月原位围隔试验表明,伊乐藻-氮循环菌联用技术可有效降低秋冬季入湖河道营养盐负荷,有助
于控制湖泊水源地富营养化.
关键词：富营养化；入湖河道；伊乐藻-固定化氮循环菌联用；生态修复；MPN
中图分类号：X703.5 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2012)03-0516-07

Study of Elodea nuttallii-immobilized nitrogen cycling bacteria restoration in an inflow river channel of water
source, Taihu Lake. WANG Yi-chao, LI Zheng-kui*, ZHOU Li, FAN Nian-wen, FENG Lu-lu (State Key Laboratory of
Pollutant Control and Resources Reuse, School of Environment, Nanjing University, Nanjing 210046, China). China
Environmental Science, 2012,32(3)：510~516
Abstract：Nitrogen cycling bacteria, including ammonifying bacteria, nitrobacteria, nitrosobacteria and denitrifying
bacteria were screened and immobilized to the porous carries from nature water of Jinshu Bay, Taihu Lake. The
restoration effect of Elodea nuttallii-Immobilized Nitrogen Cycling Bacteria (INCB) assemblage technology applied in
one of the inflow river channels of Jinshu bay water source, Taihu Lake was studied in autumn and winter. Lab ecological
restoration simulation and in situ enclosure experiment demonstrated that Elodea nuttallii-INCB assemblage technology
has better water quality improvement ability than either use INCB or Elodea nuttallii separately. We applied this
technology in the inflow river channel water restoration and TN concentration reduced 5.9%~61.2%, NO3- concentration
reduced 6.1%~68.0% and COD concentration reduced 4.2%~78.5% during the experiment process. The result also
showed nitrogen bacteria quantities increased significantly after releasing INCB, and the MPN values of denitrifying
bacteria in the enclosure was 3~4 order of magnitudes higher than the comparison water. There is significant difference
between them (P<0.01). In situ enclosure experiment lasted for five months showed Elodea nuttallii-INCB assemblage
technique can efficiently decrease inflow river nutrient loading and is helpful in water source eutrophication control in
autumn and winter.
Key words：eutrophication；inflow river；Elodea nuttallii-INCB assemblage；restoration；MPN

太湖金墅湾水源地位于太湖东北部贡湖地
区,是苏州市与高新区自来水供应最重要的水源
地之一.近年来,由于流域内人类活动的影响及不
合理开发利用,贡湖水生态系统遭到破坏,氮磷引
起的水体富营养化程度加剧,蓝藻频发,直接威胁
到水源地饮水安全,严重制约流域经济建设和社
会发展.
金墅湾水源地周边河网密布,主要入湖河道
有位于取水口北侧的金墅港、田鸡港,以及位于
南侧的龙塘港等.水源地入湖河道流域污染源主
要包括外部河道来水污染、保护区大气干湿沉降,
保护区内工农业污染、居民生活污水排放、畜
收稿日期：2011-07-04
基金项目：江苏省自然科学基金资助项目(BK2010056);国家水体污
染控制与治理科技重大专项(2008ZX07101-012,2008 ZX07101-004)
* 责任作者, 教授, zhkuili@nju.edu.cn
3 期 王易超等：伊乐藻-固定化氮循环菌技术入湖河道修复研究 511

禽及水产养殖废水等[1].因此,控制金墅湾水源地
入湖河道污染,改善河道水体水质,对于水源地水
质保护具有重要意义.
各国学者对利用沉水植物吸收水体氮磷,
控制水体富营养化进行了广泛的研究[2-3],目前
对于湖泊生态修复的研究热点主要集中在水生
植物对营养盐控制方面[4-5].另外,单独利用固定
化氮循环菌技术(INCB)进行土著脱氮微生物分
离、筛选及去除湖泊过量氮素的应用研究已有
相关报道 [6-7],单独使用沉水植物改善富营养化
水体水质也已有较多研究[8-11],而利用两者联合
作用控制入湖河道富营养化的研究尚不多见.
常规水生植物净化水质方法对秋冬季水质净化
效果往往表现不佳,本研究针对太湖金墅湾水
源地主要入湖河道在秋冬季节氮磷污染较严
重、河道水体风浪小、一般水生植物逐渐死亡
的特点 ,选择秋冬季生长良好的伊乐藻种
(Elodea nuttallii),采用伊乐藻-固定化氮循环菌
联用技术,在室内生态修复模拟实验的基础上,
搭建河道原位围隔,进行入湖河道水体生态修
复应用研究,通过释放土著氮循环细菌提高水
体氮素转化效率,结合伊乐藻吸收水体营养盐,
控制入湖河道水体富营养化.同时分析了伊乐
藻-固定化氮循环菌联用与河道水体水质改善
之间的关系,初步探讨了各因素对水体脱氮的
影响机理,以期为水源地入湖河道水体富营养
化治理提供有效方案.
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
研究区域位于太湖东北部金墅湾水源地主
要入湖河道田鸡港与金墅港之间的支流南泾河
内(图1),河流污染主要来自沿岸居民生活用水排
放、农业及水产养殖废水排放等,受污染水体最
终流入贡湖,给区域内水源地水质保护造成较大
威胁.2009 年 11 月~2010 年 3 月监测资料显示,
南泾河 TN 1.24~8.13mg/L、NO3- 0.19~5.49mg/L、
NH4+ 0.043~1.76mg/L、NO2- 0.016~0.13mg/L、
TP 0.081~0.38mg/L、PO43-0.022~0.27mg/L、COD
4.49~51.21mg/L,水体透明度 0.6~1.3m.南泾河秋
冬季水质变化较大,并受气象、人类活动等因素
综合影响,富营养化趋势明显.
N
太 湖
贡湖湾
0 1km
龙塘港
金墅港
田鸡港
南泾河
浒光运河
京杭大运河 金墅湾水源地
河道围隔
试验地点

图 1 太湖金墅湾水源地入湖河道试验地点
Fig.1 Location of inflow river experiment site in Jinshu
bay, Taihu Lake
1.2 脱氮菌种采集、分离与筛选
采集太湖金墅湾水源地水样、沉水植物及底
泥中微生物样品,接种至选择性培养基上,富集筛
选出纯化的太湖金墅湾土著氨化、硝化、亚硝化
以及反硝化细菌.
1.3 载体制备及氮循环菌固定化
将亲水性玻璃态单体甲基丙烯酸-β-羟乙
酯(HEMA)、丙烯酸羟乙酯(HEA)与蒸馏水按特
定体积比均匀混合,并用氮气饱和,采用 60Co-γ
射线(辐射剂量 1×104Gy),在-78℃温度条件下辐
照制备形成生物相容性固定化聚合物载体[6].将
辐射聚合后载体切成 5mm 立方小块,用蒸馏水
浸泡至充分膨胀,然后加入 4 种氮循环菌培养基
培养.培养基充分进入膨胀后载体内部之后,投
加经活化后进入对数生长期的氨化、硝化、亚
硝化和反硝化细菌各 200mL,利用曝气设备在
28℃下按照 16h曝气搅动,8h静置的模式连续培
养,使氮循环菌在有氧和厌氧的交替条件下吸
附于固定化载体表面,并通过增殖进入多孔载
体内部实现固定化.
1.4 室内-原位实验设计
1.4.1 室内实验 共设 4 组试验柱,进行模拟生
态修复对比:A 柱为裸泥对照样,B 柱为固定化氮
循环菌,C 柱为伊乐藻,D 柱为伊乐藻-固定化氮
循环菌联用.
2009 年 8 月中旬在南泾河用有机玻璃柱状
512 中 国 环 境 科 学 32 卷

采样器(内径 9cm,长 60cm)采集 4 根未扰动柱样,
柱样泥深 15cm 左右,柱内保留部分上覆水,两端
用橡皮塞密封后,尽量保证垂直无扰动,同步采集
50L 上覆水及一定量伊乐藻,一起运回实验室,小
心将泥柱分别移入相同尺寸的有机玻璃生态修
复模拟柱内. 对 4 根柱样分别进行不同处理:A
柱作为对照样不做任何处理,B 柱利用柔性网孔
材料包覆的方法添加固定化氮循环菌,C 柱采用
扦插法种植 5 株 10cm 长的长势茁壮的伊乐藻,D
柱采用相同方法同时添加固定化氮循环菌及种
植伊乐藻.处理完之后,采用虹吸法将采集的原位
河道水注满各试验柱,进行预培养,试验柱内氮循
环菌载体与水每周更换 1 次.14d 以后试验柱生
态系统趋于稳定,再次更换载体,并用新采集的河
道上覆水替换柱内水,稳定 24h 后,测定水体各理
化指标,分别考察固定化氮循环菌、伊乐藻、伊
乐藻-固定化氮循环菌联用对水源地入湖河道水
质改善效果.
1.4.2 原位河道实验 采用围隔,围隔主体采用
防水布料,尺寸为 3m×2m.顶部用高强度泡沫材
料制成浮体,底部采用沙袋作为配重物,各结合处
用扁铁、螺丝、加强带连接.
原位围隔在南泾河道进行安装.通过桩绳
牵引固定确保围隔隔离效果,减少外来水流风
浪等因素对围隔内部实验效果的影响.搭建完
成后,在围隔内种植伊乐藻,同时利用网兜包覆
固定化载体的方式投加氮循环菌,新鲜固定化
载体湿重为(50±1)g/包,每周更换 1次.对河道围
隔内外水质参数进行监测,考察伊乐藻-固定化
氮循环菌联用技术对水源地入湖河道水质净
化效果.
1.5 反硝化菌数量
围隔内外水体中反硝化菌数量测定采用
MPN 法[12-13],采用 Giltay 培养基培养.调节培养
基 pH 值为 7.0~7.2,灭菌处理后加入试管中,采用
三管法进行反硝化菌计数.以无菌操作法,对每个
水样做 10 倍系列稀释,每支试管中接种水样 1
mL.在 25℃恒温培养箱内培养 14d 后,培养基变
蓝的试管视作阳性管[14],对照 MPN 表读数[15].
1.6 水质测定仪器设备
日本岛津 UV-2450 紫外可见分光光度计,
便携式 YSI pH 计 pH100,便携式 YSI 溶氧仪
550A,温度计.
1.7 水质指标及测定方法
正磷酸盐:钼锑抗分光光度法;氨氮:纳氏试
剂分光光度法;硝态氮:麝香-草酚分光光度法;亚
硝酸盐氮:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;总氮:
过硫酸钾氧化、紫外分光光度法;pH:便携式 pH
计;DO:便携式溶氧仪;CODcr :重铬酸钾法.
1.8 数据分析
本研究中数据归纳和图表分析采用Excel或
Origin7.5 进行,数据统计分析采用 SPSS13.0.
2 结果与讨论
2.1 室内试验柱模拟生态修复效果对比
2.1.1 氮素营养盐水平变化 室内试验在 2009
年 9 月进行 ,试验容器采用生态修复模拟
柱,7:00~17:00 每隔 2h 取试验柱水样,分别测定 4
个试验柱内总氮、氨氮、硝氮、亚硝氮、DO、
ORP 及 pH 值等参数(图 2~图 7).结果表明,与其
他试验柱相比,当伊乐藻-固定化氮循环菌联用
时,水体总氮和硝氮的去除率分别达到最高的
65.2%与78.3%,说明伊乐藻-INCB联用对水体氮
素的脱除效果最好 ,硝氮变化规律与总氮一致
(r=0.991, P<0.01).而氨氮去除率为 5.3%,添加氮
循环菌的 B 柱与 D 柱中,氨氮浓度呈先增后减之
趋势,未添加氮循环菌的试验柱则未见该现象
(图 6),这可能是由于投放氮循环菌后,水体氨氮
浓度先由氨化细菌的矿化作用而增高,随后又经
硝化细菌转化而降低造成的.从图 5 看到,投放固
定化氮循环菌的柱体内亚硝氮浓度明显高于未
投放的柱体(ANOVA,P<0.001),说明作为水体微
生物脱氮过程的中间体之一,亚硝氮浓度由于氮
循环菌作用呈暂时性累积.
2.1.2 pH值与DO变化 从图 6可见看出,试验
过程中 4 个试验柱水体的 pH 值均有不同程度升
高,添加伊乐藻的 C、D 两柱的 pH 值分别高达
9.26 和 9.92,而未添加植物的柱体 pH 值均在 8.5
以下.有研究指出沉水植物会分泌有机酸而导致
水体 pH 值下降[16],但另一方面,沉水植物在昼间
3 期 王易超等：伊乐藻-固定化氮循环菌技术入湖河道修复研究 513

光照条件下,会因其强烈的光合作用消耗水中的
CO2,导致水体 pH 值的增加.结果表明,本试验伊
乐藻提高水体 pH 值的作用占据主导.添加伊乐
藻的 C、D 试验柱 DO 均达到 11mg/L 以上,证实
水体在沉水植物的强烈光合作用下,溶解氧往往
呈明显过饱和现象,与 Cheng 等[17]的研究结果相
同;裸泥柱样 DO 无明显变化,而仅投放 INCB 的
试验柱由于氮循环菌生命代谢耗氧,10h 内水体
DO 从初始值 8.86mg/L 缓慢减至 8.21mg/L.通过
Pearson相关性分析发现,含伊乐藻的试验柱内总
氮浓度与 DO 呈负相关(P<0.01, r=-0.897).随着
水体 DO 的升高,水体硝化速率可能会进一步增
大,从而有更多来自上覆水中的硝氮进入底泥中
反硝化区,促进非耦合反硝化作用.

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总
氮
浓
度
(m
g/
L)

时间(h)
裸泥
裸泥+INCB
泥+伊乐藻
泥+伊乐藻+INCB

图 2 试验柱总氮变化趋势
Fig.2 Variation of TN concentration in the experiment tubes

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硝
态
氮
浓
度
(m
g/
L)

时间(h)
裸泥
泥+INCB
泥+伊乐藻
泥+伊乐藻+INCB

图 3 试验柱硝态氮变化趋势
Fig.3 Variation of NO3
- concentration in the experiment tubs

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0.000
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0.015
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0.030
0.035
0.040
0.045
0.050
0.055
亚
硝
氮
浓
度
(m
g/
L)

时间(h)
裸泥
泥+INCB
泥+伊乐藻
泥+伊乐藻+INCB

图 4 试验柱亚硝氮变化趋势
Fig.4 Variation of NO2
- concentration in the experiment
tubes

0 2 4 6 8 10
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
氨
氮
浓
度
(m
g/
L)

时间(h)
裸泥
泥+INCB
泥+伊乐藻
泥+伊乐藻+INCB

图 5 试验柱氨氮变化趋势
Fig.5 Variation of NH4+ concentration in the experiment
tubes

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7.0
7.5
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8.5
9.0
9.5
10.0
10.5
试
验
柱
水
体
pH
值

时间(h)
裸泥
泥+INCB
泥+伊乐藻
泥+伊乐藻+INCB

图 6 试验柱 pH 值变化趋势
Fig.6 Variation of pH in the experiment tubes
514 中 国 环 境 科 学 32 卷


0 2 4 6 8 10
8.0
8.5
9.0
9.5
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10.5
11.0
11.5
12.0
12.5
13.0
13.5
溶
解
氧
浓
度
(m
g/
L)

时间(h)
裸泥
泥+INCB
泥+伊乐藻
泥+伊乐藻+INCB

图 7 试验柱溶解氧变化趋势
Fig.7 Variation of DO in the experiment tubes
2.2 入湖河道原位围隔实验
2.2.1 围隔内外水质生态修复效果对比 在室
内实验基础上,原位实验于 2009 年 11 月~2010
年 3月连续进行,分别监测围隔内伊乐藻-固定化
氮循环菌联用与围隔外河道水体的氮、磷、反硝
化菌数量、COD 等数据.结果表明,围隔内伊乐
藻、固定化氮循环菌联用时,对总氮有效去除率
为 5.9%~61.2% 、硝态氮 6.1%~68.0%, 氨氮
12.4%~70.3%,总磷 9.3%~71.1%, COD 4.2%~
78.5% (图 8~图 12).实验期间硝态氮变化趋势与
总氮基本一致(r=0.671, P<0.01),河道水体硝态
氮含量占总氮含量为 40.2%~92.7%,平均值为
61.8%.由于总氮主要以硝酸盐氮形式存在,因此
水体硝氮去除率的高低直接关系到水体营养盐
净化总体效果,本实验利用固定化载体负载氮循
环细菌,一方面由于载体具有良好的微孔结构,为
氮循环菌提供了好氧-厌氧的微生态环境[18],有
利于发生耦合硝化-反硝化脱氮作用,提高水体
总氮去除能力;另一方面负载的反硝化细菌扩散
至水体与伊乐藻根部,参与反硝化过程,减少硝酸
盐氮积累;再一方面伊乐藻除了为底泥中微生物
提供有机质外,还可通过匍匐茎向底泥释氧,在植
物根区土壤形成好氧-厌氧环境,扩大氮循环菌
分布空间,促进底泥脱氮细菌反硝化作用[19-20].
与室内实验相比,围隔实验水质净化效果有
所降低,而且随着时间变化,围隔水质与去除率波
动剧烈,这主要是由于实验室与原位实验条件存
在较大差异所造成的,入湖河道流域流量变化、
风浪作用、污染物排放以及沉水植物和微生物活
性随气温的变化等因素都会给围隔试验的稳定
性带来不同程度的影响.

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总
氮
浓
度
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g/
L)

日期
围隔外
围隔内

图 8 河道围隔内外总氮对比
Fig.8 Variation of TN concentration in the enclosure and
surrounding river water

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硝
态
氮
浓
度
(m
g/
L)

日期
围隔外
围隔内

图 9 河道围隔内外硝态氮对比
Fig.9 Variation of NO3
-concentration in the enclosure and
surrounding river water
2.2.2 围隔内外反硝化细菌数量 固定化氮循
环细菌技术采用的多孔性载体具有良好生物相
容性,载体内部富集的四种菌可对氮素进行形态
转化,同时可向围隔水体释放,维持较高微生物数
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量,强化水体氮素营养盐的脱除能力.

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氮
浓
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L)

日期
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图 10 河道围隔内外氨氮对比
Fig.10 Variation of NH4+concentration in the enclosure
and surrounding river water

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总
磷
浓
度
(m
g/
L)

日期
围隔外
围隔内

图 11 河道围隔内外总磷对比
Fig.11 Variation of TP concentration in the enclosure and
surrounding river water
围隔实验开始后 1周,采用MPN法对水体中
的反硝化菌数量进行定期检测,取样期间水温变
化范围 2.9~10.6 .℃ 结果表明,围隔内投放载体后,
水体中反硝化细菌迅速增加,其数量在第 2 周达
到最大值 1.1×107cells/L.整个试验过程中,围隔内
伊乐藻-氮循环菌联用时,水体反硝化菌数量比
围隔外部对照水体提高 3~4 个数量级(ANOVA
P<0.01).由于季节原因,试验后期围隔内反硝化
菌数量呈减少趋势,但仍高于对照水体.在温度较
低的环境中,微生物活性受到一定抑制,反硝化速
率减缓,客观上对水体脱氮效果不利,而沉水植物
的存在又为微生物提供了适宜的生存环境,从而
使围隔内微生物量维持在相对高的水平.围隔内
外水体硝态氮的去除率和对应的反硝化菌数量
并不显著相关(P>0.05),说明除固定化氮循环菌
之外,还有沉水植物吸收、温度、水量水质变化
等其他因素制约着水体氮素营养盐的脱除.

20
09
-1
1-
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45
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55
C
O
D
(m
g/
L)

时间(d)
围隔外
围隔内

图 12 河道围隔内外 COD 对比
Fig.12 Variation of COD concentration in the enclosure
and surrounding river water
表 1 围隔内外反硝化菌释放效果对比
Table 1 The comparison of denitrifying bacteria
quantities in enclosure and surrounding river
water during INCB releasing experiment
日期 项目
11-13 11-20 11-27 12-18 12-24
水温( )℃ 5.5 10.6 3.6 2.9 8.6
A(cell/L) 2.6×103 4.9×103 5.4×102 2.7×102 3.3×102
B(cell/L) 1.7×106 1.1×107 4.6×105 1.4×105 1.4×105
注:A、B分别为围隔内外水体反硝化菌MPN值水温为取样日均值
结果表明,采用固定化氮循环细菌技术在围
隔内能较好释放反硝化细菌,并在实验周期内保
持较高微生物数量,有助于提高河道水体反硝化
516 中 国 环 境 科 学 32 卷

能力.另外,由于秋冬季一般沉水植物水质净化能
力有限,本实验结合固定化氮循环菌和秋冬季生
长的伊乐藻共同作用,着重发挥植物-脱氮微生
物互利共生优势,有助于改善秋冬季富营养化入
湖河道水质.
3 结论
3.1 长达 5 个月的贡湖金墅湾水源地入湖河道
围隔实验表明,河道营养盐水平随季节变化较大,
平均水体硝态氮含量占到总氮含量的 61.8%,而
秋冬季采用伊乐藻-固定化氮循环菌联用技术可
有效净化水源地入湖河道水质,控制水体富营养
化,该技术对原位入湖河道总氮去除率为 5.9%~
61.2%,氨氮去除率 12.4%~70.3%,硝氮去除率
6.1%~68.0%, COD去除率4.2%~78.5%.由于河道
原位环境条件变化的影响,河道围隔实验水质改
善效果低于室内生态修复模拟实验.
3.2 本研究采用固定化氮循环菌(INCB)技术,
在河道围隔内人工释放氮循环菌,使围隔内水体
反硝化菌数量比围隔外河道水体高出 3~4 个数
量级,在秋冬季 2.9~10.6℃温度条件下仍然能维
持较高微生物量,强化水体反硝化脱氮能力.
3.3 室内模拟、原位河道生态修复实验表明,伊
乐藻-固定化氮循环菌联用对水体氮素去除能力
要优于单独使用沉水植物或微生物的手段,为控
制水源地水体富营养化和水域生态修复提供了
一种有效方法.
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作者简介：王易超(1982-),男,江苏无锡人,南京大学环境学院硕士
研究生,主要从事水污染控制研究.