胡清泉 沙茜 楊仁燦 常雅潔 韓敏 趙智勇

摘要：為構建狐尾藻（Myriophyuum verticitlatumL）處理畜禽養(yǎng)殖污水植物工廠治污工藝，研究了人工氣候環(huán)境下不同光質處理對狐尾藻生長和畜禽養(yǎng)殖污水凈化效果的影響。結果表明，紅藍光3：1處理下狐尾藻生物量、凈化效率顯著高于紅藍光5：1處理、白光處理，與自然光照（CK）之間差異不顯著。紅藍光3：1處理、紅藍光5：1處理葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量與自然光照之間差異不顯著，而與白光處理之間差異顯著。紅藍光3：1處理在生物量、凈化效率和光合色素含量上與自然光照相當，是適宜狐尾藻生長的人工光源。

關鍵詞：狐尾藻（Myriophyllum verticillatum L）;LED;光質;生長;凈化效率

中圖分類號：X171.5

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020） 08-0050-04

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.08.010

光質對植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成、光合作用、物質代謝均有調控作用，通過光質調控，影響植物的形態(tài)建成和生長發(fā)育。研究表明，波長為610-720nm的紅橙光及400-510 nm的藍紫光是植物生長所吸收的主要光譜[1]。LED（Light emitting diodes）光源由于具有光譜具體、光效高、系統發(fā)熱少、質量體積較小、壽命較長、占用空間小等諸優(yōu)勢被廣泛應用于設施農業(yè)植物光照系統組建。近年來，國內外學者已針對生菜、山葵、彩色植物、油菜、百合、韭菜等植物研究了光質對其生長及生化指標的影響[2-7]，表明光對植物的生長發(fā)育和生理特性表現出了顯著促進效應。不同紅藍光比例對植物生物量、光合色素、形態(tài)品質等方面有顯著影響[8]。在人工氣候條件下，植物的光合作用所需的光能完全依靠人工光源提供，因此選擇適宜的人工光源是十分必要的。

狐尾藻（Myriophyllum verticiltatum L.）由于具有超強的氮磷吸收能力，被作為凈水先鋒植物廣泛應用于畜禽養(yǎng)殖污水的治理中，而這種治理模式往往受季節(jié)環(huán)境影響變化較大，處理效果不穩(wěn)定，嚴重影響了畜禽污水處理的可持續(xù)發(fā)展。此外，由于畜禽養(yǎng)殖污水量大以及土地資源十分有限，畜禽養(yǎng)殖污水處理效率受到了很大的限制，為此，將在畜禽養(yǎng)殖污水處理中引入植物工廠的理念，構建植物工廠治污系統技術工藝。而光照是影響整個工藝流程的主要因素，對狐尾藻的研究大多集中在光照強度、周期對狐尾藻生長及生化指標的影響上[9.10]，而有關光質對狐尾藻生長的影響鮮見報道。

本試驗采用云南省畜牧獸醫(yī)科學院自主研發(fā)的狐尾藻處理畜禽養(yǎng)殖污水植物工廠技術工藝，以自然光照作為對照，研究不同光質對狐尾藻生長及畜禽養(yǎng)殖污水凈化的影響，篩選出適合狐尾藻生長及其對畜禽養(yǎng)殖污水最佳降解效率的光質，為狐尾藻處理畜禽養(yǎng)殖污水植物工廠模式構建提供有效的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用狐尾藻、養(yǎng)殖污水（豬場污水）均采于云南省畜牧獸醫(yī)科學院畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制研究所內。選取長勢良好的狐尾藻于20 cm刈割，稱取500 G，筐置于清水培養(yǎng)筐（48 cmx35 cmx20 cm）中預培養(yǎng)，培養(yǎng)7d后待用。

1.2 方法

試驗于2018年3月17日至2018年5月16日在云南省畜牧獸醫(yī)科學院畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制研究所植物工廠內進行，設4組光源處理，紅光藍光比分別為3：I（BR3：1）、5：I（BR5：1）以及白光，以自然光為對照（CK），每個處理3次重復，光源購自深圳市格樂比光電有限公司。將預培養(yǎng)的狐尾藻置于相同濃度的養(yǎng)殖污水中進行光照培養(yǎng)，污水中，化學需氧量（COD）為1 070.58 mg/L，氨氮（NH3一N）為202.49 mg/L，總氮（TN）為458.58 mg/L，總磷（TP）為17.37mg/L。同一處理放置于一個培養(yǎng)架上，培養(yǎng)架為三層不銹鋼結構，光源位于每層頂部，高度可調，培養(yǎng)架間采用遮光板遮擋，防止培養(yǎng)架間光源交叉影響。對照組置于玻璃房中進行試驗，所有環(huán)境與其他處理組相同，通過在玻璃房頂搭建遮陰網來控制光照強度。于試驗0、7、14、21、28、35 d取300 mL污水檢測其生化指標，試驗結束后稱重并計算其相對生長率。植物工廠光照時間為每天14 h，培養(yǎng)溫度為25℃，濕度30%-40%，光強均為200 μmol/（m2.s），污水每4h循環(huán)1次，每次2h。試驗期間用水補充蒸發(fā)培育過程中的水分至標定的刻度線，同時觀察狐尾藻的生長狀況。

1.3 測定指標及方法

取不同處理天數養(yǎng)殖污水500mL檢測其COD、NH3-N、TN、TP等生化指標，CODCr采用重鉻酸鉀法測定，NH3-N采用納氏試劑光度法測定，TN采用過磷酸鉀氧化法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定[11]。試驗結束后整盤移出，控干水分，稱其鮮重，并計算相對生長率。隨機從每個處理中剪切20株苗，將其葉片混勻后，測定葉綠素含量，檢測方法參照張志良等[12]的乙醇和丙酮混合提取法。

相對生長率（R）=（末重一始重）×100/始重xl00%

1.4 數據處理

采用DPS和Excel統計軟件對數據進行整理、統計分析及圖表制作。數據均以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同光質及配比對狐尾藻生物量的影響

生物量是植物長勢狀況的重要指標，不同光質對狐尾藻生物量有不同的影響，其結果見表1。由表1可以看出，不同配比的紅藍光質對狐尾藻生物量影響不同。BR3：1處理與CK相比，生物量差異不顯著，與BR5：1處理、白光處理相比差異顯著。BR5：1處理與白光處理相比，其生物量差異不顯著。

從不同光質下狐尾藻生物產生量來看，CK和BR3：1處理生物量最大，分別為2 555.19、2 531.20g。CK生物量分別比BR5：1處理、白光處理高54%、62%。BR3：1處理生物量分別比BR5：1處理、白光處理高53%、60%。BR3：1處理與CK的生物量相當。對于相對生長率來說，CK和BR3：1處理的生長率最大，分別為411.02%和406.23%，白光處理的生長率最小，為216.22%。表明相同質量的狐尾藻，在光質BR3：1光照下狐尾藻的生物產生量與自然光（CK）光照下狐尾藻的生物產生量相當，達到最大產生量，而白光光照下生物量最小。

2.2 不同光質對狐尾藻葉綠素含量的影響

狐尾藻葉片中葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量在各光質處理間表現趨勢基本一致（圖1）。葉綠素a含量BR3：1、BR5：1處理與CK相比差異不顯著，而與白光處理之間差異顯著，白光處理分別比CK、BR3：1、BR5：1處理低13.77%、10.53%、7.03%。葉綠素b含量各處理組間差異不顯著，但以CK處理含量最高，為0.53mg/g，比白光處理高0.10mg/g。葉綠素總量各處理組間差異與葉綠素a相似，BR3：1、BR5：1處理與CK相比差異不顯著，而BR3：1處理與白光處理差異顯著，白光處理分別比CK、BR3：1、BR5：1低13.76%、12.37%、9.45%?？傮w來說，BR3：1、BR5：1處理葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量與CK自然光下的含量相當，與而白光處理差異存在顯著性，由此說明不同紅藍比光質，能有效提高狐尾藻葉片光合色素的含量，而白光不利于光合色素的合成。

2.3 不同光質對狐尾藻降解畜禽養(yǎng)殖污水效率的影響

狐尾藻的生長狀態(tài)是評價狐尾藻去除畜禽養(yǎng)殖污水效率最為直觀的評判標準，狐尾藻生長越好，其去除效率就越高。狐尾藻在BR3：1和自然光照下生長最好，其對畜禽養(yǎng)殖污水的去除效率也最好（表2）。COD、NH3-N、TN在CK、BR3：1、BR5：1處理間差異性是一致的，均表現為CK與BR3：1處理之間差異不顯著，而二者均與BR5：1處理間差異顯著，BR3：1處理對COD、NH3-N、TN降解效率分別為91.48%、88.12%、91.37%。

在不同光質對狐尾藻COD降解方面，CK和BR3：1處理與BR5：1處理之間差異顯著，分別高9.54%和9.39%，與白光處理之間差異也顯著，分別高14.79%和14.62%，BR5：1與白光處理之間差異顯著。在對氨氮降解方面，CK與BR3：1處理之間差異不顯著，CK和BR3：1處理與BR5：1處理之間差異顯著，分別高9.70%和8.99%，與白光處理之間差異顯著，分別高8.81%和8.11%，BR5：1與白光處理之間差異不顯著。在總氮的降解方面，各處理與對COD降解效果一致。而在對總磷的降解方面，不同光質處理組間差異不顯著。

BR3：1處理和CK對COD、NH3-N.TN、TP的降解效率最高，說明BR3：1光質下狐尾藻具有較好的降解效率。

3 討論

3.1 光質對狐尾藻的生長及降解效率的影響

比較了不同LED光質條件下對狐尾藻生長的影響，結果表明，以自然光照作為對照，狐尾藻在BR3：1處理下其生物量顯著高于白光下生物量，BR5：1處理的生物量也比白光生物量高68.40 9，這說明不同紅光藍光比例，有利于生物量的增長，且在紅光藍光比為3：1時生物量最高。這與周福君等[13]研究一致。紅藍復合光促進了黃秋葵、油菜、巖白菜、辣椒的鮮重和干重的提高[6，14-16]，紅藍組合光可顯著提高農作物生物量。其主要原因是紅光增加植物的光合速率[17]并促進光合產物的形成與積累，有利于植物的碳同化作用。

有研究表明水生植物對污染物特別是氮、磷的凈化能力主要與其根系發(fā)達程度和植株生物量有關，水生植物在其生長水域內構建生態(tài)系統，通過物理、化學和生物過程及協同作用驅動TN、NH3-N和TP的轉化和降解，進而提高富營養(yǎng)化水體的凈化率[18.19]。本研究結果顯示，狐尾藻在BR3：1和自然光下生物量最高，從試驗開始到結束其對畜禽污水COD、NH3-N、TN、TP的降解效果也最高，這與羅固源等[20]、陳麗麗等[21]的研究結果一致?？梢?，水生植物生物量越大、根系越發(fā)達，對TN、NH3-N和TP的去除能力就越強，由此說明污水中TN、TP的去除率與植物凈增生物量呈正相關。

3.2 光質對狐尾藻光合色素的調控

紅光和藍光是驅動光合作用的重要光譜，而光合色素對于植物進行光合作用尤為重要，光合色數的含量和組成與葉片的光合速度密切相關。紅光和藍光可以提高植物葉綠素含量，但不同植物對紅藍光配比光質效應不同[14]。唐大為等[22]研究表明，葉綠素a、葉綠素b及葉綠素（a+b）的含量與紅光/藍光值呈正相關，徐凱等[23]研究表明，葉綠素a、葉綠素b及葉綠素（a+b）的含量與紅光/藍光值呈正負相關。本研究結果顯示不同紅藍比光質，能有效提高狐尾藻葉片光合色素的含量，而單一的白光不利于光合色素的合成。葉綠素含量與白光處理相比，BR3：1、BR5：1處理與單一白光處理相比差異顯著，說明不同光質配比對狐尾藻葉綠素含量影響顯著，與周福君等[13]的研究結果相似。

4 結論

不同光質條件下，狐尾藻的生物量、葉片光合色素和其對污水的降解效率等指標均有不同的光效應。與白光相比，紅藍光能有效促進狐尾藻的生長，并且顯著提高狐尾藻的生物量和葉綠素含量。而與自然光照相比，BR3：1對狐尾藻的生長、葉片葉綠素含量及對污水的降解效率均與自然光照相當。本研究結果表明，紅藍光比為3：1的組合光可促進狐尾藻生長和提高對污水的凈化效率。本研究結果為今后狐尾藻植物工廠治污的光調控提供了理論依據。后續(xù)研究中還需要選擇更多紅藍光比例光質，進一步探索紅藍光對狐尾藻生長的作用規(guī)律，優(yōu)化篩選出最佳光源。

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基金項目：農業(yè)部農業(yè)生態(tài)環(huán)境保護項目（ 09162110402229）

作者簡介：胡清泉（1981-），女，云南昆明人，助理研究員，碩士，主要從事畜禽養(yǎng)殖廢棄物的處理與資源化利用的T作，（電話）18788184672（電子信箱）swau023@163.com;通信作者，趙智勇，（電子信箱）zhaozhiyong898@163.com。