吳曉梅， 葉美鋒， 吳飛龍， 徐慶賢， 林代炎

(1.福建省農業(yè)科學院農業(yè)工程技術研究所， 福州 350003; 2.福建農林大學 材料工程學院， 福州 350002)

根據2019年中國統(tǒng)計年鑒數據分析，近五年我國城鎮(zhèn)人均肉類年消費量持續(xù)增長[1]。由于社會需求驅動，我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，規(guī)模化集約化水平顯著提高。然而在養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展的同時，畜禽糞污對于環(huán)境造成的壓力也急劇增長。在我國污染水體中受農業(yè)面源污染超過了30%，近50%的地下水受其危害。以畜禽養(yǎng)殖廢水為代表的農業(yè)面源污染源成為水體污染的主要來源之一[2-3]。據2020年《第二次全國污染源普查公報》結果顯示，我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的化學需氧量(COD)達到1000.53萬噸，占農業(yè)源水污染排放量的93.74%，總氮(TN)59.63萬噸、總磷(TP)11.97萬噸排放量分別占農業(yè)源水污染排放量的42.14%和56.46%[4]。當前各養(yǎng)殖場特別是規(guī)?；B(yǎng)殖場，處理畜禽糞污應用最廣最有效的技術仍舊是沼氣發(fā)酵。該技術將畜禽糞污進行厭氧消化，既可降解畜禽污染，降低后續(xù)處理負荷，又能產生清潔能源沼氣，促進糞污的高值化利用。然而，沼氣發(fā)酵會產生大量的沼液，數據統(tǒng)計預計2020年沼液產生量可達11.2億噸[5]，雖然沼液中含有豐富的氮、磷鉀等營養(yǎng)物質但也含有重金屬，抗生素，高濃度有機物，COD，氨氮等污染物。大量沼液無法消納，若未能對沼液進行無害化處理或資源化利用，則會嚴重地污染環(huán)境甚至影響人類健康[6]，在畜禽廢水排放量的持續(xù)增加形勢下及國家對畜禽糞污提高資源化利用率的政策引導下，沼液的無害化處理及資源化利用已是迫在眉睫。

沉水植物作為水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的主要初級生產者之一，可利用自身組織(根、莖、葉)，通過物理、化學、生物等作用，吸收水體中的營養(yǎng)物質，達到凈化水體目的，當前已成為一種高效低成本的水體污染生物修復技術[7-10]。童昌華[11]等利用水生植物凈化富營養(yǎng)化水體，試驗表明金魚藻、狐尾藻對水體中總氮、總磷都具有較好的去除效果；胡凱泉[12]等人利用8種水生植物凈化富營養(yǎng)水體，狐尾藻對水體中總氮、總磷和氨氮的去除率大于90%，對CODCr去除率可達58.66%。目前，關于不同沉水植物凈水能力研究較多，但主要是針對富營養(yǎng)化水體或者模擬廢水[13-14]，對于沼液廢水的凈化效果研究還是較少，特別是對沼液廢水中多種污染物質的同步凈化效果研究。本文選用分布廣、適應性強、生長快，凈化效果好的多年生沉水植物金魚藻(Ceratophyllumdemersum)和狐尾藻(Myriophyllumspicatum)[15-16]，考察其對沼液COD，氮磷，重金屬，抗生素等各項污染物去除能力，篩選適合沼液處理優(yōu)勢植物，以期促進養(yǎng)殖廢水生態(tài)處理中的梯級利用效率，為推動農業(yè)水循環(huán)利用提供理論依據與技術基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

(1)沉水植物：狐尾藻與金魚藻，取自福清市某人工濕地，成分分析如表1和表2所示：

表1 金魚藻和狐尾藻成分分析

表2 植株重金屬含量 (mg·kg-1)

將采集的沉水植物放置在基地統(tǒng)一馴化培養(yǎng)一周，選取生長良好、長度一致的植株(平均株長10 cm)，移栽到培養(yǎng)箱中。

沼液廢水濃度較高，試驗利用稀釋5倍的沼液進行試驗，即20%濃度沼液。其中重金屬As，Cd，Cu，Zn，Ni，Cr，Pb濃度分別為：0.12 mg·L-1，0.02 mg·L-1，4.62 mg·L-1，6.34 mg·L-1，0.02 mg·L-1，0.17 mg·L-1，0.014 mg·L-1。

1.2 試驗方法

培養(yǎng)箱選用尺寸為直徑36 cm，高40 cm的塑料圓桶。選取福清市某人工濕地長勢良好的狐尾藻和金魚藻植株，截取頂枝(外形基本一致)，清洗干凈放入水桶中。將狐尾藻和金魚藻置于20%濃度沼液培養(yǎng)水箱培養(yǎng)，待狐尾藻、金魚藻長芽時開始觀察植株生長狀況。培養(yǎng)水箱含有20%沼液40 L，為了保證水生植物的營養(yǎng)，水生植物初始鮮重為30 g，所有培養(yǎng)箱置于室外遮雨棚處。具體試驗設置：狐尾藻組：H1，H2，H3；金魚藻組：J1，J2，J3，2種沉水植物各設3個重復，另外設3個不種植沉水植物的空白對照，共計12個試驗水桶，試驗周期為35 d。試驗于10月下旬至11月中上旬開展，期間室外最高氣溫平均為26.47度、最低氣溫平均為22.12度，屬于沉水植物比較適應的生長溫度。

試驗開始后每7 d進行水質取樣，水質取樣后冷藏于4 ℃冰柜內兩天完成水質指標測定，用預留原水補充檢測所消耗水量，用蒸餾水補給因蒸發(fā)所損耗水分，以保持水位不變。觀察記錄植株生長狀況，實驗結束后收獲整株植物，用蒸餾水進行清洗，利用吸水棉充分吸收附著水分后用電子天平進行植株鮮重測定。將植物在105 ℃下殺青30 min，再在70℃下烘干至恒重，將烘干后的植物樣品用碾磨機粉碎，過0.25 mm篩后裝袋用于植物干重測量，及植株氮磷鉀等成分分析。

1.3 各項生理指標的測定方法

(1)沉水植物生物量用鮮重表示，采用稱重法測定；葉綠素含量：利用分光光度法測定[17]。

(2)受試液檢測水體相關參數(包括CODCr，pH值，DO，氨氮，TP，TN及硝基態(tài)氮)。CODCr采用重鉻酸鉀滴定法(GB11914-89)測定；硝基態(tài)氮用紫外分光光度法測量；氨態(tài)氮用納氏試劑光度法測定；用DO用便攜式溶氧儀測定、pH值及水溫現(xiàn)場測定；TN利用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636-2012 )；TP利用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)[18]。

(3)植株全氮用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；全磷用鉬酸銨分光光度法測定；全鉀采用火焰光度法測定[19]。

(4)重金屬測定：將烘干植物樣品在研缽中研碎，經HNO3-HClO4法消煮，用原子吸收分光光度計測定植株Cu，Zn，Mn，F(xiàn)e，As，Hg的含量。

(5)磺胺類抗生素測定：水中抗生素的測定采用超高效液相色譜/串聯(lián)質譜法(HPLC-MS)。

1.4 數據處理與統(tǒng)計分析

(1)植株全氮、全磷、全鉀增長率計算公式如式(1)：

(1)

式中：ω1為代表試驗結束植株體內全氮、全磷、全鉀含量， %；ω0為代表試驗前植株體內全氮、全磷、全鉀含量， %；η為代表植株試驗前后體內全氮、全磷、全鉀增長率，%。

(2)污染物的去除率計算公式如式(2)：

X=(C1-C0)/C0×100%

(2)

式中：X為污染去除率，%；C0為初始污染物濃度，mg·L-1；C1為試驗后污染物濃度，mg·L-1。

所有指標均取3次平均值，采用Origin7.5和SPSS22.0軟件進行數據分析。

2 結果與討論

2.1 沼液廢水對不同沉水植物生長發(fā)育的影響

沼液中不僅含CODCr、氨氮、總磷、重金屬等污染物質，也含有多種氨基酸、無機碳等營養(yǎng)物質。經過稀釋后的沼液作為沉水植物的培養(yǎng)基質，沉水植物可吸收利用沼液中的營養(yǎng)物質，促進自身的生長。從圖1中可以看出，在試驗開始階段，植株的生物量增長速率偏慢，主要是植株對沼液中有一個適應過程，隨著植物生物量的增加，需要大量營養(yǎng)物質，再沒有外源補給情況，沼液中營養(yǎng)源將逐漸減少，進而引起植株生物量的下降。試驗過程中兩種沉水植物生物量相比初始狀態(tài)都有所增加，其中狐尾藻生物量大于金魚藻，在收割時狐尾藻生物量達到213 g，增加了6倍；而金魚藻的生物量從30 g增加到109 g,僅增加了2.63倍；同樣的試驗條件下，在試驗周期內，狐尾藻的長勢也明顯優(yōu)于金魚藻。另從圖2對比狐尾藻與金魚藻葉綠素含量變化可知，試驗各階段狐尾藻植株葉綠素含量始終高于金魚藻，試驗結束狐尾藻葉綠素的減少率為62.7%低于金魚藻葉綠素的75.6%，即金魚藻葉綠素含量的變化幅度大于狐尾藻。這可能是受到水體中重金屬、抗生素和pH值的影響，高濃度的Cu，Zn會影響葉片中酶的活性，影響葉綠素的合成；另外，水體一直呈現(xiàn)偏堿性環(huán)境，狐尾藻相比金魚藻具有更強的適應性，對碳酸氫根的碳源利用能力更強，進而光合作用率也更大[20]。

圖1 沉水植物生物量變化

圖2 沉水植物葉綠素變化

2.2 兩種沉水植物養(yǎng)分含量變化

沉水植物對養(yǎng)分的吸收直接影響其生長和發(fā)育，進而影響植株的生物量。沉水植物在試驗前后體內氮磷鉀含量變化如圖3和圖4所示，不同沉水植物試驗終止狀態(tài)植株全氮、全磷和全鉀含量均大于起始狀態(tài)。狐尾藻體內全氮、全磷和全鉀含量分別增加了13.56%，19.39%及18.22%。金魚藻體內全氮增加量不大僅為1.94%，全磷和全鉀分別增加了28.87%和12.04%，金魚藻體內全磷含量的增長率高于狐尾藻，但初始值狐尾藻全磷含量為1.65%高于金魚藻1.42%，結束時狐尾藻體內全磷含量為1.97%依舊高于金魚藻1.83%。在沼液的實際應用中，處理過后的沉水植物可以經過消毒、篩選、磨碎等處理，作為青飼料用于養(yǎng)魚，因而選用氮磷鉀含量高的沉水植物作為凈化載體。

圖3 植株全氮、全磷、全鉀含量變化

圖4 植株全氮、全磷、全鉀增長率變化

2.3 兩種沉水植物對沼液重金屬的富集效果

圖5為狐尾藻與金魚藻對沼液中重金屬的富集量(試驗結束植株重金屬含量-試驗前植株重金屬含量)。同一重金屬不同植物的吸附能力不同，并且同一植物對不同重金屬的吸附也存在差異。狐尾藻對各重金屬吸附能力：Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>As>Cd；金魚藻處理組中，對其他重金屬吸附量大小:Zn>Cu>Cr>Pb>Cd>Ni>As。就Cu，Zn，Cr，Ni而言，狐尾藻高于金魚藻，就As、Cd、Pb而言，狐尾藻與金魚藻之間差異不大。從圖中可知兩種植物對Cu，Zn的吸附量最大，并且狐尾藻相比金魚藻吸附能力更強。狐尾藻對Cu的富集量為17.96 mg·kg-1，對Zn的富集量為382.86 mg·kg-1，金魚藻對Cu的富集量為8.56 mg·kg-1，對Zn的富集量為29.99 mg·kg-1。

圖5 沉水植物對沼液重金屬富集效果

沉水植物對水體重金屬污染去除方式主要有吸收、吸附、積累、轉移等。植物根系會通過分泌有機酸或植物螯合物與根系周圍重金屬離子發(fā)生螯合作用，直接或間接影響重金屬離子的遷移與毒性，以此適應水體中重金屬的逆境脅迫。同時植物根系具有的滯留效應也可以幫助其富集更多的重金屬。此外，沉水植物發(fā)達的根區(qū)及其產氧作用為微生物生長提供了適宜的環(huán)境，也促進了水體中重金屬的氧化和沉降。Keskinkan[21]等的研究表明，狐尾藻和金魚藻能將重金屬鋅、銅和鉛元素從溶液中移出，可用于水體中重金屬去除。金魚藻、狐尾藻等對砷、鎘、銅、鋅、鉛具有較強的吸附能力，在重金屬、CODCr等復合污染水體的生態(tài)修復應用方面具有較大潛力，這與本研究結果類似。沉水植物對銅鋅等重金屬具有較好的吸附能力，可能一是因為沼液各重金屬本底值的差異，銅鋅濃度相比其他重金屬高，在吸附位點競爭方面，銅鋅表現(xiàn)出優(yōu)勢；二是因為沉水植物的表皮細胞沒有角質層和蠟質層，可直接吸收水中的氣體、水分及礦質營養(yǎng)，這些表皮細胞逐漸取代根的機能，根逐漸退化甚至消失[22]。當水體受到重金屬污染后，沉水植物將依賴莖葉更多地吸收環(huán)境中的重金屬元素。至于狐尾藻對相比金魚藻富集能力更強，一是源于狐尾藻生物量，能從水體中吸附重金屬的量更大；二是可能狐尾藻根系更為發(fā)達，水體溶氧含量更高，且水體中pH值偏堿性，也利于狐尾藻生長及其對重金屬的絡合作用。

2.4 兩種沉水植物對沼液的凈化能力

氮、磷參與植物生物過程中各種生理代謝活動，是植株生長的必須營養(yǎng)元素，是植物體內蛋白質、葉綠素等的組成成分。沉水植物吸收沼液中大量的氮磷等營養(yǎng)物質供自身生長繁殖，當植株收割是，被吸收的營養(yǎng)物質也被去除，進而達到水體凈化目的。從圖6可以看出，試驗結束時測量沼液CODCr，總磷，總氮，氨氮和硝態(tài)氮指標，狐尾藻CODCr、總磷、總氮、氨氮和硝態(tài)氮的去除率分別為44.95%，52.05%，51.06%，93.86%，和57.83%，金魚藻CODCr，總磷，總氮，氨氮和硝態(tài)氮的去除率分別為38.80%，47.56%，34.46%，86.17%和60.53%。狐尾藻和金魚藻對水體CODCr去除率高于空白組，就總磷和總氮而言，狐尾藻去除率高于金魚藻和空白組；金魚藻對于總磷、總氮去除率略高于空白組，說明這兩種沉水植物對沼液具有一定凈化能力。兩種沉水植物對總磷的去除效果總體上比總氮好，這可能是由于吸附沉降作用對磷的作用大于氮，這也與方焰星[13]等所得結果相似。狐尾藻對CODCr、總磷、總氮和氨氮的去除率大于金魚藻，由此說明狐尾藻對沼液的凈化能力強于金魚藻，這與童昌華[11]等研究結論相似。狐尾藻相比金魚藻具有更發(fā)達網狀根系，更利于對水中磷的直接吸收，合成自身所需營養(yǎng)物質；另一方面狐尾藻適合偏堿性環(huán)境生長，且其根系有較強的泌養(yǎng)能力，在根際易形成微氧帶促進微生物活動，促進水體有機污染的降解，也能對水體氮磷進一步的釋放與轉化。至于氨氮的去除率，狐尾藻與空白組相近，略高于金魚藻。氨氮的去除主要是在異養(yǎng)硝化菌和亞硝酸氧化酶的催化下，轉化成硝態(tài)氮。因此狐尾藻和金魚藻組硝態(tài)氮去除率差異不明顯，但都低于空白組。從硝態(tài)氮含量的增加，也可進一步推斷水體中的氨氮去除途徑主要是硝化和反硝化作用，形成的硝態(tài)氮可被沉水植物直接吸收利用或被微生物代謝活動去除，也可通過反硝化過程被去除[23]。

圖6 沉水植物對沼液凈化能力

2.5 水體磺胺類抗生素含量變化

磺胺類藥物是養(yǎng)殖廢水中常見的抗生素，主要包括6種典型磺胺類抗生素(SAs)：磺胺醋酰、磺胺嘧啶、磺胺噻唑、磺胺二甲基嘧啶、磺胺間甲氧嘧啶、磺胺氯噠嗪6類。試驗用沼液SAs濃度：5.74 μg·L-1，試驗用水SAs濃度：1.15 μg·L-1。試驗結束后，空白組、金魚藻組合狐尾藻組的SAs濃度分別為：0.98 μg·L-1，0.58 μg·L-1與0.23 μg·L-1，對應去除率分別為：14.78%，49.56%與80.35%。試驗組對SAs的去除率高于空白組，狐尾藻處理組去除率最高，說明沉水植物對SAs具有一定的降解能力，狐尾藻對SAs的去除能力大于金魚藻。

植物直接吸收、積累和轉移污染物是植物修復的重要機制[24]。水體中的抗生素去除主要是通過植物吸收和積累作用，與植物體內的某些組分發(fā)生反應進而影響植物體新陳代謝功能。植物在修復水體抗生素污染時，溶液中抗生素污染物通過根系吸附透過表面細胞壁進入植物體，細胞壁中含羧基、醛基等活性官能團的果膠成份可為污染物提供了大量的交換位點。同時由于根系表皮細胞新陳代謝，死亡后會在微生物的作用下分解產生胡敏酸、富里酸和胡敏素等腐殖質。腐殖質經氧化還原作用將抗生素氧化分解為二氧化碳和水，并產生羥基自由基，所產生的羥基自由基又能進一步氧化抗生素[25]。根系分泌物和腐殖質中也存在羥基、羧基等官能團，這些官能團能與吸附磺胺類抗生素，進一步增強了對抗生素的去除率[26]。

3 結語

(1)試驗表明，兩種沉水植物生物量相比初始狀態(tài)都有所增加，其中狐尾藻生物量大于金魚藻，在收割時狐尾藻生物量達到213 g，增加了6倍；而金魚藻的生物量從30 g增加到109 g,僅增加了2.63倍。

(2)兩種沉水植物對沼液重金屬的吸附能力，就Cu，Zn，Cr，Ni而言，狐尾藻高于金魚藻，就As，Cd，Pb而言，狐尾藻與金魚藻之間差異不大。狐尾藻磺胺類抗生素(SAs)的去除率為80.35%高于金魚藻磺胺類抗生素(SAs)的去除率49.56%。

(3)總體而言，金魚藻和狐尾藻對沼液CODCr,總磷,總氮,氨氮和硝態(tài)氮的去除效果沒有明顯優(yōu)勢，但沉水植物可回收沼液中氮磷等營養(yǎng)物質并能富集沼液中重金屬等其他污染物，能夠促進沼液的無害化及資源化利用，適合應用于沼液末端處理環(huán)節(jié)。

(4)狐尾藻生物量、養(yǎng)分含量高于金魚藻，對沼液COD、氨氮、總氮、重金屬和抗生素等污染物的去除率優(yōu)于金魚藻。因此，選擇本土抗污力強、凈化效果好的沉水植物狐尾藻作為沼液生態(tài)處理的優(yōu)勢物種。以利于下一步沉水植物作用下，微生物群落變化對水體的影響研究。