原生動物在水質(zhì)凈化中的應(yīng)用與發(fā)展

原生動物在水質(zhì)凈化中的應(yīng)用與發(fā)展

生物法是對污染水體的凈化。其基本原則是：將由凈化系統(tǒng)中的細菌、真菌、原生動物和小型水生動物組成的生態(tài)系統(tǒng)凈化。而為了深入研究和提高生物凈化效果,可以不用監(jiān)測水質(zhì)僅觀測生物特性而掌握污水處理系統(tǒng)的運行狀況?，F(xiàn)在污水處理或生態(tài)修復(fù)過程中,為了解水質(zhì)凈化效果,往往需要進行水質(zhì)檢測或進行細菌數(shù)量、活性的測量,但是細菌個體微小,用普通顯微鏡無法觀測?？筛鶕?jù)細菌與個體較大的原生動物之間的生態(tài)關(guān)系,以及原生動物對環(huán)境變化較為敏感的特點,通過研究原生動物種群的動態(tài)變化掌握水質(zhì)凈化系統(tǒng)運行狀況和控制水質(zhì)凈化過程。省時省費用,容易對系統(tǒng)進行管理和維護。原生動物是一類形態(tài)各異,分類極廣,適應(yīng)性強,在各種自然環(huán)境水域中極為常見的一種水處理微生物,其細胞膜與周圍環(huán)境直接接觸,對水環(huán)境的變化非常敏感。近年來關(guān)于原生動物在凈化水質(zhì)方面的應(yīng)用已成為水處理領(lǐng)域的重要研究方向,取得了一系列突破性進展。原生動物與水體中的其他生物相互作用,通過生物間的互生、共生和捕食關(guān)系達到對污染水體凈化的目的。原生動物水處理技術(shù)的研究對改善目前水質(zhì)凈化中遇到的問題具有重要的意義,為水質(zhì)凈化和污水處理運行管理提供有益參考。1原生動物的基本特征1.1原生動物的生物學(xué)特性原生動物是動物界中最低等最簡單、最原始的單細胞動物,門屬真核原生生物界,具有單細胞結(jié)構(gòu)的微型動物,個體微小,長度一般在100~300μm之間,少數(shù)種類的長度可達幾毫米,而個別的種類長度則只有幾微米。原生動物具有和多細胞動物相同的生理特性,包括新陳代謝、運動、繁殖、對外界刺激的感應(yīng)性及對環(huán)境的適應(yīng)性。原生動物都具有細胞膜,多數(shù)種屬的細胞膜結(jié)實且富有彈性,從而使原生動物的本體保持一定的形態(tài)。但也有一些種屬,如變形蟲,只有一層極薄的原生質(zhì)膜不能保證固定的體形。原生動物通常只有一個細胞核,少數(shù)種類也有兩個或兩個以上細胞核,其形態(tài)多種多樣,通過在細胞內(nèi)產(chǎn)生的各種分化,形成了能夠執(zhí)行各項生命活動和生理功能的胞器。運動胞器有偽足、鞭毛和纖毛;消化與營養(yǎng)胞器有胞口、胞咽等;排泄胞器有伸縮泡。個別原生動物有專門的感覺器官眼點。它們種類繁多,分布廣泛且數(shù)量大,因而在生態(tài)系統(tǒng)特別是水域生態(tài)系統(tǒng)中擔(dān)任極為重要的角色。1.2養(yǎng)呼吸的營養(yǎng)原生動物包含了生物界的全部營養(yǎng)類型。大部分原生動物營異養(yǎng)型生活,以吞噬細菌、真菌、藻類等有機體為食,或以死亡的有機體、腐爛物、有機顆粒為食,少數(shù)含有光合色素,能像植物一樣自養(yǎng)生活。大多數(shù)進行好養(yǎng)呼吸,也有一部分可以在無養(yǎng)條件下生活。按營養(yǎng)類型分動物性營養(yǎng)以吞噬細菌、真菌、藻類為主,大部分原生動物采取這種營養(yǎng)方式;腐生性營養(yǎng)以死的機體或無生命的可溶性有機物質(zhì)為生;寄生性營養(yǎng)以其他生物的機體(即寄主)作為生存的場所,并獲得營養(yǎng)和能量;植物性營養(yǎng)是指在有陽光的條件下,可以利用二氧化碳和水合成碳水化合物,只有少數(shù)的原生動物采取這種營養(yǎng)方式,如植物性鞭毛蟲。1.3肉足綱的主要分類原生動物有30000余種,在水質(zhì)凈化生物處理系統(tǒng)中常見的原生動物有:肉足綱、鞭毛綱和纖毛綱。(1)肉足綱。肉足綱在自然界中分布很廣,土壤和水體中都有,多數(shù)種類適宜生活在中污帶水體中,在污水和污水生物處理構(gòu)筑物中也有發(fā)現(xiàn)。大多數(shù)沒有固定的形狀,少數(shù)種類為球形。細胞表面形成一層薄膜,可伸縮變動而形成偽足,作為運動和攝食的胞器。絕大部分肉足綱都營動物性營養(yǎng)。肉足綱以細菌、藻類,有機顆粒和比它本身小的原生動物為食物。(2)鞭毛綱。鞭毛綱原生動物具有一根或一根以上的鞭毛,鞭毛長度大致與基體長相等或更長些,是運動器官。鞭毛蟲可分為植物性鞭毛蟲和動物性鞭毛蟲,多數(shù)植物性鞭毛蟲含有葉綠體,是僅有的植物性營養(yǎng)原生動物,最普通的是綠眼蟲。動物性鞭毛蟲體內(nèi)無葉綠體,也沒有表膜、副淀粉粒等植物性鞭毛蟲所特有的物質(zhì),常見的有梨波豆蟲和跳側(cè)滴蟲。(3)纖毛綱。纖毛綱原生動物或纖毛蟲的特點是周身表面或部分表面具有纖毛,作為運動或攝食的工具。纖毛蟲是原生動物中構(gòu)造最復(fù)雜的種類,不僅有較明顯的胞口,還有口周、口前庭和胞咽等起吞食和消化作用的器官。在水質(zhì)處理中常見的游泳型纖毛蟲有草履蟲、腎形蟲、豆形蟲、漫游蟲、裂口蟲、楯纖蟲等。常見的固著型纖毛蟲主要是鐘蟲類。1.4原生動物的結(jié)構(gòu)與污染細菌數(shù)量多,分解有機物能力強,并且繁殖迅速,是水質(zhì)凈化中處理污染物的主要承擔(dān)者。要想了解水質(zhì)凈化的進程,掌握水質(zhì)凈化的各個過程最好研究分析細菌的生長狀況。但是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下對細菌的分類和鑒定時間較長,不能及時指示處理過程,而且細菌個體較小,不易觀察。研究發(fā)現(xiàn)原生動物在水質(zhì)凈化中的數(shù)量也比較大,常占微型動物的95%以上。此外,由于原生動物微小的個體、赤裸的細胞膜和全球廣泛分布性,用原生動物作為環(huán)境檢測的指示生物,較其他多細胞動物更具有優(yōu)勢,其對周圍環(huán)境變化的反應(yīng)較其他后生動物更為敏感,所得的結(jié)果也更具有地區(qū)可比性。原生動物個體大易于觀察,對環(huán)境變化比細菌敏感。通過認(rèn)識原生動物的群落特征及演變規(guī)律,掌握原生動物與細菌的關(guān)系,可以間接的評價水質(zhì)凈化過程和凈化效果。2工蟲的出現(xiàn)在水質(zhì)凈化初期,水體中可見大量各種形態(tài)的異養(yǎng)游離細菌,緊接著出現(xiàn)以有機顆粒為食的鞭毛蟲綱的桿囊蟲和肉足蟲綱的太陽蟲等,還能看到一定數(shù)量的變形蟲。隨著細菌的增殖,開始出現(xiàn)以細菌為食的纖毛蟲。首先是小型的游泳型纖毛蟲如豆形蟲、腎形蟲等大量出現(xiàn),繼而出現(xiàn)掠食性特強的纖毛蟲,如漫游蟲、游泳鐘蟲等,它們不僅掠食細菌,而且還能掠食小型的纖毛蟲等原生動物。游泳型纖毛蟲類大量出現(xiàn)之后,便出現(xiàn)了吸管蟲,大量游動的纖毛蟲為固著生長的吸管蟲提供了食料。隨著菌膠團的增加,游泳纖毛蟲因食料受到限制,而無法維持正常的生命活動,就逐步讓位給固著型纖毛蟲。它們以尾柄固著在其他物體上生活。在較大的成熟絮體表面和周圍存在大量的原、后生動物,附著生長著大量鐘蟲,如等枝蟲、蓋纖蟲等。這些等枝蟲憑借其長柄,伸展到凝絮體周圍的空間,并不停地吞食細菌和固體食物顆粒。隨著活性污泥的成熟,水處理效果越來越高,便出現(xiàn)了少量輪蟲。少量輪蟲的出現(xiàn)反映著水質(zhì)較好,有機質(zhì)含量較低。3生態(tài)凈化處理。環(huán)境變化的基原生動物是體積微小、結(jié)構(gòu)簡單的低等單細胞動物。由于不同種類的原生動物對環(huán)境條件的要求不同,對環(huán)境變化的敏感程度也不同,所以可以利用原生動物種群的生長狀況,反應(yīng)水質(zhì)凈化處理過程中的凈化效果。利用原生動物的這一特性可以準(zhǔn)確指示活性污泥中各個階段的污泥性質(zhì)、水質(zhì)凈化的操作環(huán)境、預(yù)測出水水質(zhì)及強化凈化效果。3.1接枝菌在生物中的群落結(jié)構(gòu)及與原生動物的關(guān)系根據(jù)活性污泥中各種群原生動物的種類和數(shù)量的變化,可以有效指示處理過程中各個階段的污泥狀態(tài)。李曉偉等研究發(fā)現(xiàn)活性污泥惡化時絮凝體較小,往往在100μm以下。此時系統(tǒng)中出現(xiàn)的原生動物主要有鞭毛蟲綱,而非活性污泥型生物一般會出現(xiàn)腎形蟲屬、豆星蟲、波蟲屬、草履蟲屬、屋滴蟲屬等較多的快速游動型原生動物。劉娟等發(fā)現(xiàn)污泥絲狀菌膨脹對原生動物總量及其群落結(jié)構(gòu)影響明顯:伴隨絲狀菌的大量增殖,原生動物總量相應(yīng)減少,匍匐型纖毛蟲及有殼類肉足蟲優(yōu)勢明顯,其典型的原生動物為斜管蟲、小輪毛蟲以及匣殼蟲。非絲狀菌污泥膨脹對原生動物總量及種群結(jié)構(gòu)影響較小,伴隨黏性菌膠團的大量出現(xiàn),各功能類群的比例變化較小,但原生動物總量持續(xù)增加,其中菌食性纖毛蟲呈線性增加,典型原生動物為鐘蟲。蔡琳娜研究發(fā)現(xiàn)從污泥惡化到恢復(fù)正常的過渡期常常有慢速游泳或匍匐行進的生物出現(xiàn)。污泥良好易出現(xiàn)絮體及沉降時出現(xiàn)的原生動物為:鐘蟲屬、累枝蟲屬、蓋蟲屬、有肋纖蟲屬、獨縮蟲屬、各種吸管蟲等。3.2原生動物的特性(1)優(yōu)勢種群。處理水質(zhì)較差、無充足曝氣的水源時,優(yōu)勢種群是小鞭毛蟲;水力停留時間過短時,小的游泳型纖毛蟲占優(yōu)勢;非常高的負荷或存在難降解的物質(zhì)時,出現(xiàn)小的裸變形蟲和鞭毛蟲;大量出現(xiàn)匍匐性和固著性纖毛蟲或有殼變形蟲時,表明運行環(huán)境良好,處理效果好。DO含量較低時會出現(xiàn)阿托氏菌屬、扭頭蟲屬和新態(tài)蟲屬等;而過分曝氣則易出現(xiàn)肉足類;有機負荷很低,出現(xiàn)硝化作用時,能觀察到游仆蟲屬、旋口蟲屬、表殼蟲屬、鱗殼蟲屬。當(dāng)水力負荷為0.5m3/(m2·h)時,系統(tǒng)中出現(xiàn)漫游蟲、草履蟲、鐘蟲等原生動物,菌膠團的活性很好,而且絲狀菌很少。當(dāng)水力負荷為1m3/(m2·h)時,系統(tǒng)中含有漫游蟲、鞭毛蟲、線蟲、累枝蟲和草履蟲等生物。(2)形態(tài)變化。對幾乎所有的原生動物而言,在一定條件下形成包囊是一種普遍的現(xiàn)象,并且大多數(shù)情況下,原生動物形成包囊都與抵御不良環(huán)境因素有關(guān)。當(dāng)水體環(huán)境發(fā)生變化,如食物的缺乏、溫度的變化、水體生物密度過高、代謝產(chǎn)物的急劇積累等一些不利條件發(fā)生時,大多數(shù)種類原生動物便會經(jīng)歷諸如纖毛器的去分化、胞質(zhì)的縮水、細胞的團縮化、核物質(zhì)的濃縮、特定蛋白積累水平的減少等結(jié)構(gòu)和生理狀態(tài)上的改變。當(dāng)不利的狀況在一段時間得不到有效改善時,原生動物會由于無法進行正常的新陳代謝致使蟲體變圓,鞭毛、纖毛或偽足等細胞器縮入體內(nèi)或消失,細胞水分陸續(xù)由伸縮泡排出,蟲體縮小,最后伸縮泡消失,分泌出膠體的物質(zhì)于體表凝固后形成胞殼,最終形成“包囊”,以度過不良的環(huán)境。筆者也曾發(fā)現(xiàn)當(dāng)曝氣池中曝氣量較大(DO≥4mg/L)時,系統(tǒng)中鐘蟲容易出現(xiàn)“頭頂氣泡”現(xiàn)象。(3)繁殖方式。原生動物的繁殖方式有無性繁殖和有性繁殖。無性繁殖有二分裂繁殖,也有復(fù)分裂繁殖。在營養(yǎng)、溫度、氧等環(huán)境條件較良好的場所,主要進行連續(xù)的無性繁殖。當(dāng)原生動物進行有性生殖時表明生存環(huán)境急劇變化,種群已處于衰退狀態(tài)。當(dāng)觀察到纖毛蟲活動能力差,鐘蟲類口盤縮進,伸縮泡增大,細胞質(zhì)空氣泡化、畸形、出現(xiàn)結(jié)合生殖或有大量胞囊形成等現(xiàn)象時,說明水質(zhì)處理效果較差。3.3原生動物的分類張丹等發(fā)現(xiàn)隨著水質(zhì)污染的加重,原生動物種類減少,群落結(jié)構(gòu)功能性減弱。齊嶸等通過研究無機廢水硝化過程中原生動物群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢原生動物種類數(shù)量變化與出水NO3--N、NO2--N濃度存在一定聯(lián)系,隨著NO2--N的大量積累,表殼蟲生長繁殖旺盛,密度最高達575ind/mL,成為系統(tǒng)中絕對優(yōu)勢的原生動物。當(dāng)NO2--N濃度降至10mg/L以下時,幾乎很少發(fā)現(xiàn)表殼蟲,而系統(tǒng)中另一種典型原生動物累枝蟲,則伴隨著NO3--N濃度的持續(xù)增加而逐漸增長。Tyagi認(rèn)為優(yōu)質(zhì)出水的標(biāo)志性微型生物有鐘蟲、纖蟲、吸管蟲、累枝蟲、表殼蟲、蓋蟲,變形蟲的大量存在通常與出水水質(zhì)惡化有關(guān)。肖作義等發(fā)現(xiàn)一般嚗氣池中著生纖毛蟲的數(shù)量與出水BOD5以及COD去除率都存在著線形相關(guān)性。當(dāng)纖毛蟲占所有原生動物數(shù)量的65%左右時,COD去除率89%~96%,BOD5去除率87%~94%。聶維明等對曝氣池中纖毛蟲類原生動物豐度和種類數(shù)與相應(yīng)出水BOD5數(shù)據(jù)分析后,發(fā)現(xiàn)兩者具有一定的相關(guān)性,豐度越低出水BOD5越差,種類越少出水BOD5越差,反之亦然。Curds等人在實驗條件下進行實驗發(fā)現(xiàn)曝氣池中有纖毛蟲時出水中游離細菌立刻降至1~8百萬個/mL,出水很清澈。同時加入纖毛蟲后出水的其他指標(biāo)也有所改善。3.4菌體的利用原生動物屬于真核生物,從生物進化角度來說比細菌等原核微生物高級,對細菌、有機顆粒和藻類等具有很強的強化和捕食作用,使水體的COD、濁度等大大降低,另外由于原生動物的捕食作用,老化的菌體能及時排出,強化凈化效果。田文華等發(fā)現(xiàn)鐘蟲的尾柄上吸附大量的細菌,即鐘蟲自身的身體界面可以作為細菌的寄生場所,對提高細菌濃度有很好的幫助作用,也能較好的提高凈化效率。4對水質(zhì)的影響由于原生動物凈化水質(zhì)具有費用低,處理效率高等特點,應(yīng)用前景廣闊。利用原生動物與周圍環(huán)境的變化可以反映出水質(zhì)特點。原生動物中一些優(yōu)勢種群與水質(zhì)指標(biāo)密切相關(guān),可以間接評價水質(zhì)環(huán)境。一些原生動物能分泌一些促進凝聚的糖類和黏朊,改善污泥沉降環(huán)境,今后可以加強原生動物生物捕食作用的污泥減量化的研究。4.1水質(zhì)表現(xiàn)出抗污染的多樣性水體的生態(tài)效應(yīng)可歸結(jié)為水生生物效應(yīng),水生生物群落結(jié)構(gòu)特征的變化與水質(zhì)的關(guān)系密切。許多研究者報道了原生動物種群動態(tài)與水質(zhì)變化的相互關(guān)系,認(rèn)為原生動物的種類和數(shù)量能夠隨著水體的污染程度變化而改變,并且通過研究原生動物群落結(jié)構(gòu)與功能的變化,監(jiān)測與評價水質(zhì),取得令人滿意的結(jié)果。水域環(huán)境條件的突然改變將對環(huán)境中生活的原生動物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接的影響,從而影響水體的質(zhì)量。當(dāng)水體中出現(xiàn)污染沖擊時,無論是重金屬還是有機污染,原生動物群落的穩(wěn)定性就會遭到破壞,直接表現(xiàn)就是種類減少、多樣性指數(shù)降低。水體中原生動物個體豐度值的高低往往被作為判斷水體富營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo),普遍認(rèn)為在受有機污染較嚴(yán)重的水體,耐污種類因形成優(yōu)勢種群而具有很高的個體數(shù)量。孫志強等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)原生動物優(yōu)勢種群如:草履唇滴蟲、嚙蝕隱滴蟲、尾眼蟲,近軸眼蟲等,均屬于鞭毛蟲,這樣的物種組成特征可能是由于水體的富營養(yǎng)化而造成的耐受性強的物種大量生長。肉足蟲的優(yōu)勢種群是半圓表殼蟲和球核甲變形蟲等,其種類數(shù)和豐度與水中總磷呈正相關(guān)。固著類纖毛蟲的多樣值與水體的氨氮呈負相關(guān),與硝態(tài)氮和總氮都呈正相關(guān)。4.2原生動物生物食源預(yù)制原生動物是活性污泥中重要的捕食者,基于這些微型動物的捕食作用而開發(fā)的污泥減量化技術(shù)近年來引起了人們的關(guān)注,該技術(shù)具有能耗低,不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點,具有較好的應(yīng)用前景,其基本原理是:利用比細菌更高級的原生動物的全營養(yǎng)特點,將一些細菌有機顆粒和細菌殘體作為原生動物營養(yǎng)而得到分解,實現(xiàn)減量化化過程。劉博杰等研究發(fā)現(xiàn)向MBR內(nèi)投加待處理污泥總量126.9g時,污泥累積減少量為100.2g,污泥總減量率為78.96%,