張之浩，吳曉芙 ，李 威

（中南林業(yè)科技大學(xué) a.生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，b. 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)最早應(yīng)用于土壤修復(fù)工程中，因其具有低成本、無能耗、少管理、生態(tài)景觀效果好的特點，加之能在污染現(xiàn)場就地治理更大面積的污染，近年來已被廣泛應(yīng)用于湖泊、內(nèi)河、景觀水等地表水面源污染的治理工程[1]。

目前，國內(nèi)外常見的原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)中通常是將不同的沉水植物和挺水植物搭配使用，這是為了提供水下更豐富的生態(tài)位和更寬泛的環(huán)境溫度適應(yīng)性[2]，從而構(gòu)建更穩(wěn)定、持久、協(xié)調(diào)的水生生態(tài)系統(tǒng)。沉水植物能將水體中的氮、磷等作為營養(yǎng)物質(zhì)直接吸收[3]、能通過光合作用提高水體中的溶解氧、能增加水下生態(tài)位從而抑制懸浮物[4]等特點使其在原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)中不可或缺。此外沉水植物還可以向水體中釋放化感物質(zhì)從而抑制浮游藻類的生長[5]，從而達(dá)到更佳的凈水效果。而現(xiàn)階段，研究多集中在挺水植物的去污應(yīng)用研究，沉水植物的去污抑藻效率研究卻鮮見報道，僅有的研究也多在實驗室內(nèi)完成，實驗影響因素設(shè)計較為單一[6-14]，很難為日后的實際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。而本研究設(shè)計的中試試驗完全在植物自然生存環(huán)境下開展，以典型富營養(yǎng)化水體為原水，對6種中南地區(qū)常見的沉水植物開展了耐污與去污抑藻能力對比研究。

1 材料與方法

1.1 測試植物

沉水植物分別采用苦草Vallisneria natans、金魚藻Ceratophyllum demersum、輪葉黑藻Hydrilla verticillata、狐尾藻Myriophyllum verticillatum、伊樂藻Elodea canadensis和菹草Potamogeton crispus6種。均為中南地區(qū)常見的水生景觀植物，分別購置于湖北洪湖某育苗基地或采于湖南長沙某人工濕地，后于苗圃開放空間內(nèi)的玻璃缸中進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。

1.2 實驗用水

用于耐污與去污能力比較的實驗所采用的原水取自某大學(xué)校區(qū)生活污水，稀釋到預(yù)設(shè)濃度范圍后加入容器備用。為凸顯低濃度暴露實驗下沉水植物對藍(lán)綠藻生長的抑制效應(yīng)，原水中加入采自于某景觀塘的富營養(yǎng)化水[15-16]，以提供藍(lán)綠藻，其主要污染物濃度如表1所示。

表1 原水主要污染物濃度Table 1 Pollutant concentration of experimental wastewater (mg/L)

1.3 實驗方法

實驗采用玻璃水箱的規(guī)格為60 cm×50 cm×40 cm，植物試樣苦草、金魚藻、輪葉黑藻、狐尾藻、伊樂藻和菹草各設(shè)置3個重復(fù)，生物濃度設(shè)置為10 g/L ?？瞻讓φ战M3個重復(fù)，共7組21個處理。植物先在清水中種植，每天加入等量原水以提供營養(yǎng)，經(jīng)耐污培養(yǎng)，觀察植物生長正常后開始取水樣測定。

實驗在苗圃內(nèi)的開放空間進(jìn)行，實驗周期內(nèi)氣溫保持在14～25 ℃范圍內(nèi)。實驗開始一周左右測定其耐性生理酶指標(biāo)：脯氨酸、丙二醛，完成一個試驗周期后，測定植物生物量、株高、根系長度與數(shù)量。實驗過程中，每隔7天（7、14、21、28 d）取樣一次，測定指標(biāo)包括：TN、TP、COD、SS、NH3-N和葉綠素a（mg/L）值、氣溫、pH值、DO等數(shù)據(jù)。為消除水分蒸發(fā)對試驗效果的影響，實驗各階段采樣后均以純水補(bǔ)充，以保證各組水箱水位相同。

1.4 數(shù)據(jù)測定與分析

沉水植物生長適應(yīng)性指標(biāo)（株高、根系數(shù)和根系長度）將采用3株植物的平均值計算；耐性生理特性指標(biāo)：脯氨酸用電位滴定法測定、MDA用TBA法測定。常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)：pH值和DO用便攜檢測儀現(xiàn)場測定， COD、TN、TP、NH3-N 、SS和葉綠素a均采用國標(biāo)法在實驗室檢測。實驗數(shù)據(jù)采用了Microsoft Excel 2007軟件統(tǒng)計及計算，單因素方差分析采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件計算，繪制圖表采用Sigma Plot12.5軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉水植物的耐污能力

脯氨酸和丙二醛（MDA）含量是植物抗性生理研究中的常用指標(biāo)，可以作為沉水植物耐污能力比較的重要指標(biāo)[17]。從脯氨酸的含量來看（見圖1），初始濃度較高的是金魚藻，黑藻、狐尾藻和伊樂藻，苦草和菹草脯氨酸的初始濃度較低；試驗后期，金魚藻脯氨酸的含量降幅最大，其次是苦草、狐尾藻和黑藻，而菹草的脯氨酸含量較初始濃度有較大增幅。從丙二醛的含量來看，狐尾藻、苦草、金魚藻和黑藻均保持較高水平，后期降幅較大的是狐尾藻、黑藻和苦草。綜合來看，實驗初期金魚藻和黑藻對水體富營養(yǎng)脅迫有較高的耐性（即抗逆性），苦草和狐尾藻次之；而到了實驗?zāi)┢?，狐尾藻、苦草、金魚藻和黑藻的脯氨酸和MDA含量均出現(xiàn)大幅下降，表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。而菹草的脯氨酸和丙二醛指標(biāo)含量均呈上升趨勢，表現(xiàn)為對污水環(huán)境的不適應(yīng)性。

植物生長情況（見圖2）也是衡量植物對污水適宜性的一個重要指標(biāo)。從沉水植物的整體生物量增加來看，狐尾藻、輪葉黑藻、苦草增加量最大：狐尾藻為414.1 g，輪葉黑藻為359.8 g，苦草為353.7 g。從植物株高變化來看，金魚藻、菹草和黑藻增加量最大，金魚藻為1.67倍、菹草為1.62倍，黑藻為1.58倍。從根系長度來看，金魚藻、黑藻和狐尾藻的根系長度凈增量最明顯，分別是6.4、5.8和4.6 cm。從根系數(shù)量來看，根系較多的植物是苦草和菹草，但菹草對污水的適應(yīng)性較差，完成1個試驗周期后根系數(shù)量增加量很少，而苦草、黑藻和伊樂藻的根系數(shù)增量最大，分別是11根、9根和8根。

圖1 6種沉水植物的脯氨酸和丙二醛含量Fig.1 The praline and MDA content of 6 species of aquatic plants

圖2 6種水生植物的生長適應(yīng)性比較Fig.2 Comparison of growth adaptability of six species of aquatic plants

2.2 沉水植物的去污效應(yīng)

由圖3可知，6種沉水植物對種植水體中COD的去除效果均比較明顯，且在實驗后期與對照組形成顯著差異。而6種沉水植物之間COD的去除效果差異不大，其中金魚藻、黑藻和狐尾藻對COD的去除果較好，分別為67.11%、66.85%和66.44%。

由圖4可知，6種沉水植物對種植水體中NH3-N的去除率均明顯高于對照組，且去除過程較為一致。由圖可以看出，在實驗開始階段（0～7 d）6種沉水植物對NH3-N的去效率更為明顯，之后（7～28 d）由于原水中NH3-N濃度的降低使得對其的去除效率也漸放緩，其中去除率最高的3種沉水植物分別是黑藻81.31%、苦草81.20%和金魚藻80.58%。

由圖5可以看出，TN的濃度隨時間的變化與NH3-N的曲線相似，實驗初期（0～7 d）即開始急劇下降，在后期（21～28 d）到達(dá)相對穩(wěn)定的階段。實驗組對TN的去除效率遠(yuǎn)高于對照組，其中去除效果較好的3種沉水植物分別是黑藻80.16%、苦草75.81%和金魚藻75.55%。

圖3 各處理對COD的凈化效果Fig.3 The puri fi cation ef fi ciency of COD under each treatment

圖4 各處理對NH3-N的凈化效果Fig.4 The puri fi cation ef fi ciency of NH3-N under each treatment

圖5 各處理對TN的凈化效果Fig.5 The puri fi cation ef fi ciency of TN under each treatment

圖6是不同處理下原水中TP濃度的去除曲線。由圖可以看出，前半階段（0～14 d）實驗組與對照組均表現(xiàn)出對TP相似的去除效果，到實驗后期實驗組的去除效果顯著優(yōu)于對照組，但實驗組組間的差異不大。去除效果表現(xiàn)較好的3種沉水植物分別是苦草88.13%、黑藻86.98%和伊樂藻85.96%。

圖6 各處理對TP的凈化效果Fig.6 The puri fi cation ef fi ciency of TP under each treatment

圖7是不同處理下原水中懸浮顆粒物濃度（SS）的去除曲線。由圖可以看出，實驗前半段（0～14 d）由于實驗組和對照組中的SS濃度都比較高，故隨時間變化的趨勢均較為明顯。后期（14～28 d），由于沉水植物能提供更多的生態(tài)位，實驗組對SS的去除效率明顯優(yōu)于對照組，但實驗組組間差異不明顯。去除效果表現(xiàn)較好的3種沉水植物分別是狐尾藻89.89%、菹草89.41%和黑藻89.07%。

圖7 各處理對SS的凈化效果Fig.7 The puri fi cation ef fi ciency of SS under each treatment

圖8圖9分別反映了不同處理下原水pH值和DO的變化情況。由圖可知，完成一個試驗周期后，處理組的pH值和DO均高于對照組。其中狐尾藻的pH值達(dá)到了8.36，而種植水中溶解氧（DO）濃度增幅最大的3種沉水植物分別是狐尾藻44.63%、苦草25.11%和黑藻24.31%。

2.3 沉水植物的抑藻效應(yīng)

圖9 各處理下的DOFig.9 The DO under each treatment

葉綠素a是一種衡量富營養(yǎng)化水體中藻類光合作用潛力的指標(biāo)，可反映水體中藻類生物量的變化[18]。圖10顯示，實驗測得不同階段狐尾藻、苦草、黑藻和金魚藻種植水中的葉綠素a濃度均呈下降趨勢，其中苦草和黑藻下降趨勢最為顯著。菹草種植水中的葉綠素a濃度下降不明顯，而伊樂藻則與對照組相似，葉綠素a濃度逐步升高。

圖10 各處理中浮游藻類的葉綠素a濃度Fig.10 The chlorophyll a content of phytoplankton under each treatment

浮游藻類的相對生長速率（RGR）可直觀反映藻類單位時間內(nèi)的增加量。圖11顯示，相較于空白組，5組試樣中的浮游藻類RGR曲線均呈不同幅度的下降態(tài)勢，其中狐尾藻和黑藻均是先小幅上升然后開始大幅下降；而苦草、金魚藻和菹草則是先明顯下降，在處理周期的中段有一個相對穩(wěn)定的周期，然后再出現(xiàn)明顯下降的趨勢；伊樂藻的曲線則是從一開始便高于對照并一路上升，最后在處理周期的末端有所下降，但其種植水中浮游藻類的相對生長速率仍高于對照組。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

6組試樣生長適應(yīng)性及耐污能力排序為：黑藻＞苦草＞狐尾藻＞金魚藻＞伊樂藻＞菹草。6組試樣去污能力能力排序為：黑藻＞苦草＞金魚藻＞狐尾藻＞伊樂藻＞菹草。6組試樣抑藻效率排序為：苦草＞黑藻＞狐尾藻＞金魚藻＞菹草＞伊樂藻；6組試樣抑藻效果的穩(wěn)定性排序為：狐尾藻＞黑藻＞苦草＞金魚藻＞菹草＞伊樂藻。

圖11 各處理中浮游藻類的相對生長速率曲線Fig.11 The RGR curve of phytoplankton under each treatment

綜合以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)：苦草、黑藻、狐尾藻和金魚藻耐污與去污能力較強(qiáng)，對水體中浮游藻類的抑制效應(yīng)也最為明顯且穩(wěn)定，在污水原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)中具有良好的應(yīng)用前景。

3.2 討 論

目前，利用組合水生植物進(jìn)行污水原位修復(fù)的技術(shù)受到普遍重視，而沉水植物的去污抑藻效應(yīng)的應(yīng)用研究卻相對薄弱。因此本研究設(shè)計了自然條件下的低濃度暴露實驗，重點關(guān)注沉水植物本身的耐污能力和生長狀況外，還對NH3-N等主要水質(zhì)污染指標(biāo)的去除效率和藻類抑制功能進(jìn)行了對比研究，具有較高的工程應(yīng)用價值。

實驗初期，各沉水植物被迫調(diào)節(jié)自身的脯氨酸和丙二醛含量以適應(yīng)原水中較高濃度的污染物環(huán)境，因此在實驗初期，6種沉水植物的脯氨酸和丙二醛含量均保持了較高的水平，表現(xiàn)出適應(yīng)性抗逆反應(yīng)。經(jīng)過一個試驗周期的適應(yīng)，加之原水中污染物濃度在逐漸降低，狐尾藻、輪葉黑藻、金魚藻、苦草和伊樂藻這5種植物的脯氨酸、丙二醛含量均有所下降，這表明試驗后期上述5種植物已適應(yīng)污水生長環(huán)境。

結(jié)合6種植物在富營養(yǎng)化條件下的生長情況表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)：在一個試驗周期內(nèi)，狐尾藻和苦草生長狀態(tài)良好，其脯氨酸和丙二醛的含量水平較之其他沉水植物相對較低且后期降幅較大，這說明狐尾藻和苦草耐污能力較強(qiáng)，適宜在污染較重、營養(yǎng)物質(zhì)含量多的水環(huán)境中生長；黑藻和金魚藻也表現(xiàn)出良好的生長狀態(tài)，其脯氨酸和丙二醛的含量水平較之其他沉水植物較高且后期也出現(xiàn)大幅降低，這說明黑藻和金魚藻能在污水環(huán)境下產(chǎn)生適應(yīng)性抗逆反應(yīng)并逐漸適應(yīng)，表現(xiàn)出較好的生長狀態(tài)；而伊樂藻和菹草生長幾乎停滯，尤其是菹草，其脯氨酸、丙二醛含量在實驗?zāi)┢谶€保持升高態(tài)勢，充分說明這兩種沉水植物耐污染適應(yīng)性能力弱，不適宜在污染較重的水環(huán)境中生長。

通過在相同濃度污水里沉水植物對水質(zhì)凈化能力的對比研究發(fā)現(xiàn)：在一個實驗觀測周期內(nèi)，實驗水體的溶解氧（DO）含量得到明顯的增加，pH值維持在7.0～8.5之間。污水中COD、NH3-N、TN、TP、SS等常規(guī)污染指標(biāo)均明顯下降，且植物對各污染物去除效率較高的階段均出現(xiàn)在實驗初期，后期去除效率逐步放緩。這一趨勢應(yīng)該是由沉水植物生長狀況造成的：初期，植物不適應(yīng)富營養(yǎng)化水體環(huán)境，生長狀態(tài)不佳，故對COD、NH3-N、TN、TP等的去除率不高；經(jīng)過一定的適應(yīng)期后，植物生理代謝活動正常，能直接從水體中吸收營養(yǎng)物質(zhì)，或依靠根系的微環(huán)境中微生物的代謝使水體中的COD、NH3-N、TN和TP逐步降低，直至平衡。根據(jù)相同濃度生活污水條件下的綜合比較發(fā)現(xiàn)：綜合凈化能力較好的沉水植物分別是黑藻、苦草、金魚藻和狐尾藻，這與李澤等人[19]的實驗結(jié)果相吻合。

在自然生長環(huán)境下，苦草、黑藻、狐尾藻和金魚藻4種沉水植物種植水中的葉綠素a濃度逐步降低并顯著低于對照組，說明供試沉水植物通過營養(yǎng)和光的競爭，加之釋放的化感物質(zhì)，有效抑制了周邊浮游藻類的生長。從種植水中浮游藻類的RGR動態(tài)變化來看，除金魚藻的實時速率變化波動較大外，狐尾藻、黑藻和苦草曲線表明隨著種植時間的延長，植物向水中釋放的化感物質(zhì)濃度越高，抑藻效果越好。由于“低促高抑”現(xiàn)象的存在，菹草和伊樂藻向周圍水體分泌的化感物質(zhì)較少，致使其試樣水體中浮游藻類的相對生長速率在某一時期出現(xiàn)上升。因此，在實際工程應(yīng)用中，合理配置水生植物在水體中的密度或頻度是保障良好抑藻效應(yīng)的關(guān)鍵。至于同一種化感物質(zhì)針對不同藻類是否起作用，亦或是每種藻類是否均有專一的化感物質(zhì)，植物之間是否也存在強(qiáng)烈的化感效應(yīng)，則有待通過氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)[20-22]鑒定具體的化感物質(zhì)和開展植物組合實驗來進(jìn)行深入研究。

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