底棲藻類—苦草對(duì)豬糞廢水中磷的滯留作用研究

裴國(guó)鳳，何 月，顧新躍，王 青，王 岳

(中南民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢430074)

底棲藻類和沉水植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要初級(jí)生產(chǎn)者，能消耗水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而磷是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中初級(jí)生產(chǎn)力的主要影響因子之一，過(guò)剩的磷會(huì)導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化［1］.

底棲藻類在許多生態(tài)系統(tǒng)中都表現(xiàn)出明顯的磷滯留功能.小型人工系統(tǒng)中，在湖泊圍隔，和淺水湖泊中，底棲藻均能增加從水體到沉積物的凈營(yíng)養(yǎng)流動(dòng)［2］.Confer［3］等開展了容積為200 L 的小型人工構(gòu)建系統(tǒng)試驗(yàn)，該系統(tǒng)包括_浮游藻與底棲藻兩個(gè)群落，發(fā)現(xiàn)浮游藻中較大比例的磷轉(zhuǎn)移到了底棲藻中.Havens等［4］在美國(guó) Okeechobee湖設(shè)置3個(gè)樣點(diǎn)，研究底棲藻與浮游藻對(duì)磷的攝取，發(fā)現(xiàn)對(duì)于濕地樣點(diǎn)，75%的磷保持在底棲藻類中.許多研究證明，沉水植物具有良好的磷去除效果.在富營(yíng)養(yǎng)淺水湖泊武漢東湖中建立大型試驗(yàn)圍隔系統(tǒng)，在圍隔中移栽苦草、狐尾藻、菹草等沉水植物.研究期間，水生植物圍隔總磷水平顯著低于未栽沉水植物的對(duì)照圍隔和大湖水體，且季節(jié)性波動(dòng)遠(yuǎn)低于對(duì)照圍隔和大湖水體［5］.夏季優(yōu)勢(shì)種類金魚藻、狐尾藻和苦草，通過(guò)室內(nèi)人工模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在夏季30 d的試驗(yàn)周期中，苦草使水中總磷降低，對(duì)總磷去除效果優(yōu)于狐尾藻，遜于金魚藻［6］.

本文以在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊原位培養(yǎng)的底棲藻類群落和沉水植物苦草為研究對(duì)象，通過(guò)靜態(tài)模擬試驗(yàn)，采用改良的淡水沉積物磷形態(tài)分離的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量和測(cè)試(SMT)連續(xù)提取方法，研究了底棲藻類-苦草對(duì)不同濃度的豬糞廢水中磷的滯留作用，對(duì)磷分級(jí)提取，探討了不同形態(tài)的磷的含量與比例，對(duì)研究湖泊中的磷循環(huán)具有重要的參考價(jià)值.

1 材料與方法

1.1 材料的采集和制備

以花崗巖(15 cm×8 cm×1 cm)為人工基質(zhì)，清洗干凈并晾干，置于武漢東湖水深20～30 cm沿岸帶進(jìn)行原位培養(yǎng)，20 d后將生長(zhǎng)有底棲藻的人工基質(zhì)收回，同時(shí)采集沿岸帶的苦草，在溫室內(nèi)用取樣點(diǎn)的湖水預(yù)培養(yǎng)1周.在養(yǎng)豬場(chǎng)采集的新鮮豬糞，處理后制備出一定濃度的豬糞廢水.

1.2 試驗(yàn)設(shè)置和培養(yǎng)條件

取五個(gè)缸底鋪約5 cm厚的細(xì)沙的玻璃缸(60 cm×22 cm×24 cm)，將長(zhǎng)有底棲藻類的人工基質(zhì)置于沙上，生長(zhǎng)良好的苦草均勻栽于沙中，所有培養(yǎng)缸分別裝有18 L不同濃度的豬糞廢水(見表1).在21～24℃的溫室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，以日光燈為光源，位于培養(yǎng)缸正上方，表層光照強(qiáng)度約為2500～3500 lx，在每個(gè)玻璃缸里設(shè)置1個(gè)曝氣頭，調(diào)節(jié)至相同曝氣速度，試驗(yàn)周期為30 d.

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和條件Tab.1 Experimental design and conditions

1.3 總磷和磷形態(tài)的測(cè)定

從樣品放入試驗(yàn)缸中時(shí)起，分別于0，10，20，30 d取樣.用刀片從花崗巖基質(zhì)上刮取適量藻墊，同時(shí)剪取適量苦草，分別置于坩堝中，于55℃烘箱烘干至恒重，得到干質(zhì)，分別取藻墊干質(zhì)與苦草干質(zhì)各0.6 g，分別分成 3 份，每份 0.2 g，進(jìn)行藻墊和苦草的總磷含量和磷形態(tài)組成測(cè)定，參照SMT法［7］連續(xù)提取各組分磷含量，主要分析總磷(Total Phosphorus，TP)、無(wú)機(jī)磷(Inorganic Phosphorus，IP)、有機(jī)磷(Organic Phosphorus，OP)、鐵磷(Fe-bound Phosphorus，F(xiàn)e-P)和鈣磷(Ca-bound Phosphorus，Ca-P)，其單位均為μg/g·DW(干重藻墊).

2 結(jié)果

2.1 不同組別底棲藻類和苦草中TP的動(dòng)態(tài)變化

不同組別底棲藻類和苦草中TP的動(dòng)態(tài)變化見圖1.圖1中各組藻墊中 TP含量的初始值均為2995.05 μg/g.A、C、D 組藻墊中 TP 含量均在第10 d 達(dá)到最高，分別為 3164.68，3226.67，3061.90 μg/g，均表現(xiàn)出對(duì)磷的滯留(見圖1a).通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，A、C組中藻墊的TP含量要高于D組，說(shuō)明藻墊對(duì)水中磷的滯留能力與水體營(yíng)養(yǎng)濃度正相關(guān);同時(shí)C組藻墊的TP含量要高于A組，因?yàn)榈讞孱惻c苦草共存，苦草對(duì)其滯磷有促進(jìn)作用.E組藻墊中的TP含量則持續(xù)下降，由于E廢水中磷濃度顯著低于采樣點(diǎn)，藻墊中的磷擴(kuò)散至上覆水.

各組苦草中的TP含量在試驗(yàn)期間變化規(guī)律不同(見圖1b)，B、C組的TP含量均在第20 d達(dá)到最大值，分別為 13801.29，18863.27 μg/g;D 組藻墊中TP 含量在第10 d 達(dá)到最高(14137.04 μg/g)，B、C、D組苦草中TP的最高含量均高于初始值，表現(xiàn)出滯磷作用;而C組苦草中的TP含量要高于B組，表明在高濃度的豬糞廢水中，底棲藻墊與苦草共存，也利于苦草對(duì)磷的滯留.E組苦草中TP含量的波動(dòng)不大，在3675.10～5507.09 μg/g 之間，表明苦草對(duì)低濃度豬糞廢水中磷的滯留作用不明顯.

2.2 不同組別底棲藻墊中各組分磷的動(dòng)態(tài)變化

不同組別底棲藻墊中各組分磷的動(dòng)態(tài)變化結(jié)果見圖2.圖2中A組藻墊的IP含量于第10 d達(dá)到最大 (2646.86 μg/g)(見圖2a);其中 Fe-P 含量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，而 Ca-P含量逐漸下降.藻墊中的OP 含量在248.11～392.55 μg/g之間變化.不同磷形態(tài)占TP的百分含量不同，IP達(dá)到TP濃度的80%～86%，其中Fe-P達(dá)到IP濃度的34%～64%，Ca-P達(dá)到IP濃度的17%～54%;OP占TP濃度僅為8%～17%.

圖1 試驗(yàn)期間底棲藻墊(a)和苦草(b)中TP含量的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 The dynamic changes of TP content in the benthic algal mat(a)and Vallisneria natans(b)

C組藻墊中IP于第10 d達(dá)到最高含量2865.08 μg/g(見圖 2b).Fe-P 與 OP 變化趨勢(shì)相似，均在第20 d達(dá)到最高;Ca-P初始值即為最大值(1402.29 μg/g).C 組中 IP 占TP 達(dá)到67%～89%;而Fe-P占IP的42%～60%，Ca-P占IP的29%～54%;OP占TP的百分比為8%～19%.

D組藻墊中IP與Ca-P變化趨勢(shì)相似，二者均于第10 d 達(dá)到最高含量(IP=2664.03 μg/g，Ca-P=1456.99 μg/g);Fe-P則呈持續(xù)下降趨勢(shì)(見圖2c);同時(shí)IP占TP比例達(dá)47%～87%，F(xiàn)e-P占IP比例達(dá)36%～60%，Ca-P占IP達(dá)33%～54%.OP含量的波動(dòng)范圍不大，占TP百分比較低，為9%～21%.

E組藻墊中各磷形態(tài)含量均持續(xù)下降(見圖2d).由于E組水中磷濃度遠(yuǎn)低于采樣點(diǎn)磷濃度，因此藻墊原本所滯留的磷擴(kuò)散到水中.在釋磷過(guò)程中，F(xiàn)e-P占TP比例由最初的36%逐漸下降到23%，Ca-P占TP比例由最初的47%下降到18%，說(shuō)明Fe-P和Ca-P是不穩(wěn)定的、容易釋放的磷形態(tài).IP是TP的主要形式，占TP的43%～86%，OP維持在較低比例，占TP的9%～18%.

圖2 不同組別底棲藻墊中各組分磷含量Fig.2 The contents of phosphorus forms in the benthic algae mat from different groups

2.3 不同組別苦草中各組分磷的動(dòng)態(tài)變化

不同組別苦草中各組分磷的動(dòng)態(tài)變化結(jié)果見圖3.圖3中B組和C組苦草中四種形態(tài)P含量變化趨勢(shì)基本一致，B組各形態(tài)磷含量均于第10 d或第20 d達(dá)到最高，C組各形態(tài)磷含量均在第20 d達(dá)到最大(見圖3a，3b).兩組別苦草中IP占TP比例分別高達(dá)76%～85%和85%～94%，兩組別IP中均以Ca-P為主，所占比例最高均可達(dá)70%，而OP在TP中的含量均小于9%.

D組苦草中IP含量與Ca-P含量變化趨勢(shì)相似，均在第10 d達(dá)到最高，而Fe-P含量與OP含量的變化趨勢(shì)一致，均在第20 d升至最高(見圖3c).分析比例關(guān)系，IP占TP的75%～90%，其中 Fe-P占IP的21%～58%，Ca-P占IP的38%～75%，OP占TP的4%～9%.

E組苦草中IP有明顯下降趨勢(shì)，IP中的Fe-P含量雖然有所增加，但Ca-P含量的大幅度下降決定了IP含量的不斷減少(見圖3d).OP含量有較小的增長(zhǎng)趨勢(shì).IP在TP中的比例均大于63%，其中Fe-P占IP最高達(dá)91%，Ca-P占IP最高達(dá)75%，OP在TP中的比例為8%～11%.

圖3 不同組別苦草各組分磷含量Fig.3 The contents of phosphorus forms in Vallisneria natans from different groups.

3 討論

3.1 底棲藻類和苦草滯留磷的機(jī)理

底棲藻類對(duì)不同濃度的豬糞廢水中TP的滯留量隨試驗(yàn)時(shí)間先增大后減小，此過(guò)程與其群落發(fā)展有關(guān).單位藻墊生物量所負(fù)荷的磷含量(TP/Chl a)隨建群過(guò)程而增大［8］，說(shuō)明隨著群落發(fā)展，其結(jié)構(gòu)越完善，滯留磷的能力越強(qiáng).在藻墊開始衰亡后，所滯留的磷通過(guò)擴(kuò)散的方式，或因厭氧條件而導(dǎo)致磷復(fù)合物不穩(wěn)定，重新釋放進(jìn)入水體中.同時(shí)底棲藻類和苦草共存，有利于雙方對(duì)高濃度的豬糞廢水中磷的滯留.

底棲藻類對(duì)磷的滯留作用機(jī)理十分復(fù)雜，是物理、化學(xué)、生物因素相互作用的結(jié)果.首先，底棲藻類影響水流動(dòng)力學(xué)，表現(xiàn)為弱化水流，延長(zhǎng)了水力停留時(shí)間，導(dǎo)致短期營(yíng)養(yǎng)滯留.其次，底棲藻通過(guò)改變周圍環(huán)境理化指標(biāo)影響磷的沉積.再者，底棲藻主動(dòng)攝取、同化磷.底棲藻對(duì)磷的攝取率受其生物量、細(xì)胞代謝活性、細(xì)胞對(duì)磷的親和性、傳遞到藻叢的平流磷運(yùn)輸?shù)纫蛩赜绊?

苦草中的磷除了直接來(lái)源于水體外，還可能由根吸收沙中的磷酸鹽再運(yùn)輸?shù)饺~片中.苦草中的磷含量遠(yuǎn)高于底棲藻類，可能與苦草的根和營(yíng)養(yǎng)體都有吸收礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的能力相關(guān)，苦草與水接觸的表面積更大，根也能從自然沉降到底部沙中的沉積物中吸收營(yíng)養(yǎng).此外，苦草也能通過(guò)改變環(huán)境的理化指標(biāo)而影響磷的沉淀.

3.2 底棲藻類和苦草滯留磷的形態(tài)組成

底棲藻類和苦草滯留的磷形態(tài)主要是IP，OP所占比例極低，且變化不大，因?yàn)镺P多為易分解的生物大分子，穩(wěn)定性差，在一定條件下可水解或礦化分解為溶解性的小分子有機(jī)磷或溶解性磷酸根［9，10］.

Fe-P是農(nóng)業(yè)廢水中磷的主要形態(tài)，其沉淀過(guò)程由DO和PH共同影響，主要決定于DO.底棲藻和苦草發(fā)生光合作用釋放的O2使得底棲藻生物膜表面和苦草表面氧化還原電位較高，鐵氧化物中的Fe2+被氧化為Fe3+，F(xiàn)e3+與溶解性磷結(jié)合形成復(fù)合物而沉淀［11］;氧化還原電位低時(shí)，F(xiàn)e3+被還原為 Fe2+，鐵的價(jià)態(tài)的改變使原本結(jié)合于Fe3+氧化物的磷釋放［12］，金屬-磷復(fù)合物解離進(jìn)入上覆水中［13］.Ca-P沉淀主要由PH影響.在硬水湖泊中，無(wú)機(jī)磷與鈣共沉淀，發(fā)生絮凝和沉積，最終進(jìn)入沉積物，這種常見的磷沉積形式在富營(yíng)養(yǎng)化控制中具有重要意義［14］.

A、C組底棲藻墊中Fe-P含量一直較高，并呈上升趨勢(shì)，而Ca-P含量較低.Fe-P被認(rèn)為是藻類可利用的磷形態(tài)［15］，其較高的含量為藻類的大量生長(zhǎng)提供條件，這與觀察到A、C組中底棲藻類一直生長(zhǎng)較好相符合;Ca-P是生物不可利用的磷［15］，最終將流向沉積物中.D、E組底棲藻墊中Fe-P含量呈下降趨勢(shì)，則可能與豬糞廢水的濃度、底棲藻墊的衰亡有關(guān).

4 結(jié)論

底棲藻類與苦草均對(duì)高濃度豬糞廢水中的總磷具有較強(qiáng)的滯留作用.底棲藻類對(duì)磷的滯留能力在一定范圍內(nèi)隨水體磷濃度增大而增大.藻墊與苦草所滯留的總磷均以IP為主要成分，分別占TP的43%～89%和63%～94%，其中Fe-P占IP的34%～64%和20%～91%，Ca-P占IP的17%～58%和7%～75%.

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