蔡魯祥，楊 娜，李丹丹，滕麗華①，趙欣園

(1.寧波財經(jīng)學院環(huán)境系，浙江 寧波 315100；2.寧海茶院許家山旅游發(fā)展有限公司，浙江 寧海 315600；3.浙江萬里學院生物與環(huán)境學院，浙江 寧波 315100；4.寧波伊瑪水環(huán)境科技有限公司，浙江 寧波 315100)

我國海水養(yǎng)殖以池塘養(yǎng)殖為主要形式，由于目前尚未頒布海水養(yǎng)殖廢水排放標準，大部分養(yǎng)殖戶為了降低養(yǎng)殖成本，直接將含有大量殘餌、生物殘骸、排泄物、漁用肥料、化學藥劑(包括殺蟲劑、殺菌劑、除藻劑以及消毒水等)的養(yǎng)殖廢水排入附近海域，導致近岸海域環(huán)境受到嚴重污染[1]，其中N、P等富營養(yǎng)元素濃度嚴重超標，導致水域生態(tài)系統(tǒng)功能喪失，赤潮頻發(fā)[2]。浙江省生態(tài)環(huán)境廳2019年6月24日發(fā)布的《2018年浙江省生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，全省近岸海域水體總體呈中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，一、二類海水占39.6%，三類海水占17.6%，四類和劣四類海水占42.8%，主要超標污染物為無機氮和活性磷酸鹽(PO43--P)等[3]。

目前生物修復已成為普遍使用的污染治理技術，大部分研究認為植物和微生物對淡水養(yǎng)殖廢水的修復過程中微生物起主要作用，其中硝化、反硝化作用是廢水中N的主要去除途徑[4]，而植物吸收P的去除作用有限；基質(zhì)和填料的吸附、沉淀作用才是TP去除的主要原因[5-6]。與淡水生境不同，海水養(yǎng)殖廢水具有水量大、鹽度高、污染物種類復雜和治理難等特點，許多修復性能良好的水生植物無法適應且難以發(fā)揮修復作用[1,7]。

堿蓬(Suaedasala)是濱海濕地中的優(yōu)勢植物種群，它喜鹽耐堿，是一種生長于高鹽盆地、沼澤地和濱海濕地的鹽生經(jīng)濟植物，具有優(yōu)良的重金屬耐受能力[8]，對海水養(yǎng)殖尾水有明顯的修復效果[1,7,9]。同時，堿蓬在食品、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)飼料等領域具有較好的藥用價值和經(jīng)濟價值[10-11]。由于鹽生植物和微生物對N、P的去除貢獻與非鹽生植物不同，為了進一步研究鹽生植物及其與土著微生物對海水養(yǎng)殖廢水中氨氮(NH3-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)和PO43--P的去除效果與協(xié)同作用，開展不同污染水平下加入和不加入微生物抑制劑的對比試驗，觀察堿蓬修復前后目標污染物濃度及廢水中相關土著微生物數(shù)量的變化，以期探究鹽生植物堿蓬和微生物修復協(xié)同作用對不同污染水平下海水養(yǎng)殖廢水中N、P的去除途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗用堿蓬采集于寧波市象山縣涂茨鎮(zhèn)灘涂濕地(北緯29°33′36.59″，東經(jīng)121°56′58.15″)，試驗前用去離子水沖去泥土并清洗后備用。供試水樣采自象山縣南美白對蝦養(yǎng)殖廢水，水體鹽度為15‰，以此水樣為母液設定中間濃度水平，用離子水稀釋2倍成低濃度試驗水樣，用海水晶配置高濃度水樣(濃度近似放大2倍)。同時利用分析純氯化鈉調(diào)節(jié)高、低2種濃度廢水的鹽度均為15‰。試驗用儀器主要有I3型紫外分光光度計(濟南海能儀器有限公司)、LS10T型手持式鹽度計(深圳同奧科技有限公司)等。3種不同污染濃度水樣的水質(zhì)污染指標見表1。

表1 不同污染水平處理組的水質(zhì)污染指標

1.2 試驗設計

試驗采取靜態(tài)水培的方式，在人工氣候室內(nèi)進行，溫度為27～30 ℃，[光]照度為15 000～20 000 lx。試驗設2個組，其中一組加入5 mL 質(zhì)量濃度為100 mg·L-1的微生物抑制劑(安卡青霉素鈉)，以消除微生物對污染物的去除作用；另一組作為對照，不加微生物抑制劑。每個處理組均設置3個污染濃度梯度，每個濃度梯度設3組重復。每組取大小一致、長勢相同的堿蓬4株(平均株高為18.35 cm，平均株重為3.50 g)，用高密度泡沫板固定于1 000 mL塑料量杯中，每個量杯中加入800 mL養(yǎng)殖廢水。

1.3 試驗方法及數(shù)據(jù)處理

試驗從2019年5月31日開始，至2019年6月24日結(jié)束，分別在試驗開始和結(jié)束時測定水體中污染物總量和微生物指標。取好水樣后均在當日內(nèi)測完。參照文獻[7,9]，NO3--N、NH3-N、PO43--P和亞硝態(tài)氮(NO2--N)濃度分別采用紫外分光光度法、水楊酸次氯酸鹽比色法、磷鉬藍分光光度法和萘乙二胺分光光度法測定。廢水中硝化細菌、亞硝化細菌和反硝化細菌測定參照文獻[12]，采用最大或然數(shù)(MPN)法檢驗。

污染去除率(η)和亞硝酸鹽增長率(γ)計算公式為

(1)

(2)

式(1)～(2)中，m0和m1、n0和n1分別為試驗初始和結(jié)束時廢水中污染物、亞硝酸鹽總量，mg。

利用SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用Duncan新復極差法進行多組樣本間的差異性分析，并進行相關性分析，利用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除率及相關性分析

除低濃度組外，其他2組濃度處理的NH3-N去除率在加入微生物抑制劑后均無顯著差異。低NH3-N水平時，加入微生物抑制劑僅有堿蓬吸收作用下，其NH3-N最大去除率為94.56%(表2)。

表2 不同污染水平處理組對NH3-N、NO3--N、PO43--P的去除率

同一污染物的2列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同污染水平處理組去除率差異顯著 (P<0.05)。

除低NO3--N水平外，加入微生物抑制劑對NO3--N的去除有顯著影響。加入微生物抑制劑組對NO3--N的去除率為47.71%～59.92%，均低于未加入抑制劑組對NO3--N的去除率(52.42%～91.47%，P<0.05)。

不同處理組對PO43--P均有去除作用。其中，高PO43--P水平下，未加入抑制劑組去除率最大，為68.39%；除高PO43--P水平外，低、中污染濃度組加入抑制劑對PO43--P去除率無顯著影響。這是因為未加入抑制劑組的堿蓬根系與土著微生物之間形成了一個硝化作用與反硝化作用的體系，能有效去除硝酸鹽，而在生物除磷工藝中，硝酸鹽的去除是除磷的先決條件，但當NO3--N濃度逐漸升高時，堿蓬對NO3--N的吸收達到飽和后，多余的NO3--N則由反硝化細菌在厭氧條件下轉(zhuǎn)化為NO2--N，水體中發(fā)生反硝化反應，進入生物除磷系統(tǒng)厭氧區(qū)的NO3--N會降低除磷能力，使聚磷菌在厭氧條件下失去對磷的去除作用。另外，由表2可知，加入抑制劑組和未加入抑制劑組的PO43--P去除率相差不大，也從另一個角度說明在有植物自由生長的情況下，聚磷菌對磷的同化速率較小。在水培條件下，堿蓬的吸收作用仍然是PO43--P去除的主要因素。

如圖1所示，未加入抑制劑組NH3-N去除率隨NH3-N濃度升高而顯著上升(P<0.05)，但加入抑制劑組兩者則無顯著相關性(P>0.05)。

圖1 各處理組NH3-N、NO3--N、PO43--P濃度與去除率的相關性分析Fig.1 Correlation analysis of NH3-N, NO3--N, PO43--P removal rates in different treatment

未加入抑制劑組NO3--N去除率隨著NO3--N濃度的升高而顯著上升(P<0.05)；加入抑制劑組則不具有顯著相關性(P>0.05)。加入抑制劑和未加入抑制劑組PO43--P去除率均隨PO43--P濃度的升高而顯著上升(P<0.05)，其中加入抑制劑組兩者的相關性(R2=0.729)低于未加入抑制劑組(R2=0.860)，這說明PO43--P的去除與根際微生物的協(xié)同作用有關。

2.2 NO3--N濃度、NO2--N積累率及其相關性分析

各處理組的NO2--N積累率見表3。從NO2--N水平來看，未加入抑制劑組的NO2--N積累率顯著高于加入抑制劑組(P<0.05)。由此證明，微生物對水體中NO2--N的積累影響顯著，微生物能將一部分NO3--N轉(zhuǎn)化為NO2--N，而NO2--N就是反硝化細菌的產(chǎn)物。

表3 各處理組的NO2--N積累率

NO3--N濃度與NO2--N積累率的相關性分析結(jié)果見圖2。

圖2 各處理組NO3--N濃度與NO2--N 積累率的相關性分析Fig.2 Analysis of correlation between nitrate concentration and nitrite accumulation rate

未加入抑制劑組NO2--N積累率隨NO3--N濃度的增加而有所增大；加入抑制劑組NO2--N積累率隨NO3--N濃度升高的變化不明顯，且遠低于未加入抑制劑組(P<0.05)，但兩組NO2--N積累率與NO3--N濃度之間無顯著相關性(P>0.05)，推測微生物作用下NO2--N積累率會隨NO3--N濃度上升而上升。

2.3 微生物指標變化

從表4可知，試驗結(jié)束時，未加入抑制劑組反硝化細菌數(shù)量均提高了1～2個數(shù)量級，反硝化細菌產(chǎn)物亞硝酸鹽較加入抑制劑組明顯增加，證明微生物的反硝化與鹽生植物對NO3--N的吸收去除有協(xié)同增效作用。在低、中、高3種污染水平下，硝化細菌數(shù)量變化與NO2--N增長率的變化趨勢接近，這可能是由于反硝化產(chǎn)生的亞硝酸鹽積累促進了硝化細菌數(shù)量的增加，而亞硝酸鹽的積累是由于反硝化不完全造成的。另一組處理因為加入了抑制劑，基本未檢測到微生物指標的變化。

表4 亞硝化、硝化和反硝化細菌數(shù)量的變化

2.4 微生物被抑制時僅有堿蓬吸收作用對N、P的去除效果

在3個污染水平下，加入微生物抑制劑僅有堿蓬吸收作用時NH3-N的去除率分別為94.56%、48.22%、77.97%；硝態(tài)氮的去除率分別為44.98%、59.92%、47.71%；活性磷酸鹽的去除率分別為33.12%、45.41%、54.21%。其中，在低NH3-N濃度時，加入抑制劑組對NH3--N的最大去除率達94.56%，這可能與堿蓬對低濃度NH3--N的飽和吸收有關。有研究證明，當NH3--N濃度較小(μmol·L-1水平)時，NH3-N的高親和力轉(zhuǎn)運系統(tǒng)起主導作用，表現(xiàn)出飽和動力學的特征[13]；當外界濃度較高(約為1 mmol·L-1)時，低親和力轉(zhuǎn)運系統(tǒng)起主導作用，未出現(xiàn)飽和動力學特征[14]。結(jié)合相關性分析，加入抑制劑組NH3--N和NO3--N的去除率與NH3--N、NO3--N濃度上升無相關性，因此堿蓬直接利用養(yǎng)殖廢水，對其中的NH3--N和NO3--N具有一定的修復效果，但是隨著NH3--N和NO3--N濃度的提高，僅依靠堿蓬吸收作用的修復效果有限。而加入抑制劑組對PO43--P的去除率與PO43--P濃度水平提高有顯著相關性，證明堿蓬對PO43--P的去除有較好潛力。BUHMANN等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，相比于其他處理方式，鹽生植物在水培條件下會有更高的磷攝取量，該方法對海水養(yǎng)殖廢水中磷的去除有較好的潛力。

2.5 堿蓬和微生物協(xié)同作用對N、P的去除效果

微生物除氮的主要作用有硝化作用、反硝化作用以及同化作用。從相關性分析結(jié)果可知，未加入抑制劑組NH3--N濃度水平和NH3--N去除率有顯著相關性，且NH3--N去除率隨NH3--N濃度增加而增加，而加入抑制劑組則反之。說明當NH3--N濃度較低時，植物的修復占主要作用，此時加入抑制劑組NH3--N的去除率為94.56%，顯著高于未加入抑制劑組；隨NH3--N水平的提高，加入抑制劑組NH3--N的去除率為48.22%～77.97%，未加入抑制劑組NH3--N去除率為51.06%～77.82%，兩組差異不明顯，證明水體中微生物對NH3--N去除率無顯著影響，堿蓬吸收是廢水中NH3--N去除的主要途徑。由2.3節(jié)可知，亞硝化細菌僅在試驗初期被檢出，數(shù)量極少且顯著低于反硝化細菌。這是由于鹽生植物和微生物以NH3--N為氮源而形成競爭作用[16]，使試驗末期也未檢測出亞硝化細菌，因此推測硝化作用對NH3--N的去除貢獻不大，也間接證明廢水中NH3--N的去除主要是由堿蓬的吸收作用完成的，水體中亞硝化細菌對NH3--N的競爭小于堿蓬植物的作用。

比較NO3--N去除率，加入抑制劑組對NO3--N的去除率僅為44.98%～59.92%，而未加入抑制劑組對NO3--N的去除率高達52.42%～91.47%，高于僅有堿蓬作用(加入抑制劑組)的去除率。由相關性分析可知，反硝化細菌數(shù)量隨NO3--N濃度升高而上升，這說明NO3--N濃度升高促進了反硝化細菌的生長，修復前后反硝化細菌數(shù)量均有上升，證明微生物反硝化是NO3--N去除的重要因素。隨著試驗的進行，堿蓬吸收達到飽和，植物將吸收的NO3--N轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3--N再進一步利用，這一過程需要能量，因此在NO3--N濃度較高時，對水體中NO3--N的去除并不是很快，隨著時間延長，對NO3--N的去除率會持續(xù)提高。在低濃度時，加入抑制劑組和未加入抑制劑組對NO3--N的去除率并無顯著差異，證明NO3--N濃度較低時堿蓬吸收作用是NO3--N去除的主要途徑，而當NO3--N濃度上升時，堿蓬對NO3--N的吸收達到飽和，多余的NO3--N則由反硝化細菌轉(zhuǎn)化為NO2--N，并進一步轉(zhuǎn)化為氮氣脫離水體。

在高PO43--P濃度水平時，未加入抑制劑組PO43--P去除率顯著高于加入抑制劑組，而在低、中PO43--P濃度水平下，加入抑制劑組PO43--P去除率高于未加入抑制劑組。這說明PO43--P在低、中濃度時，堿蓬吸收作用仍然是PO43--P去除的主要因素，這可能是因為微生物對磷的同化速率低于堿蓬，而高PO43--P濃度水平時，未加入抑制劑組去除率顯著高于加入抑制劑組(P<0.05)，這說明較高的PO43--P濃度會促進PO43--P的去除。水體中PO43--P一方面為硝化細菌和反硝化細菌等的生長提供磷源[17]，另一方面堿蓬根系的生長促進了其對水體中磷的吸收，并最終導致水體中磷含量下降。由于堿蓬是水培植物，根系不受土壤及其他基質(zhì)等物理阻礙，可自由生長，并且也不存在附著在基質(zhì)上的微生物對磷源的競爭，因此堿蓬能直接利用廢水中的PO43--P。

3 結(jié)論

(1)在利用鹽生植物水培修復低N、P水平的海水養(yǎng)殖廢水時，主要是堿蓬起修復作用；當海水養(yǎng)殖廢水中N、P水平較高時，堿蓬及根際的土著微生物能通過硝化和反硝化作用促進廢水中NH3-N、NO3--N的轉(zhuǎn)化和去除，并對海水養(yǎng)殖廢水PO43--P的去除起協(xié)同作用，提高N、P的去除效率。

(2)在實際修復過程中，需考慮適當補充碳源并增加曝氣處理，以促進反硝化過程，防止亞硝酸鹽積累，同時可以增強土著微生物的修復作用，并結(jié)合物理、化學方法強化對海水養(yǎng)殖廢水的修復。