人工濕地處理高氨氮廢水中植物的耐受性

龔娟　王宇暉　趙曉祥　宋新山

摘要：選擇人工濕地中常用的挺水植物美人蕉和鳶尾作為受試植物，配制不同氨氮濃度的模擬廢水進行培養(yǎng)，每隔一段停留時間測試植株生理指標，以期得到植株的氨氮耐受性特征。研究脯氨酸、丙二醛、超氧化物歧化酶、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等表征植株耐受性指標的變化。結(jié)果表明，美人蕉葉片中脯氨酸和丙二醛含量均隨氨氮脅迫時間的延長呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，說明植株對氨氮的脅迫具有一定的適應(yīng)性。鳶尾葉片中兩種物質(zhì)的含量均明顯高于美人蕉。氨氮濃度為200 mg/L時，美人蕉SOD活性變化很小，而鳶尾則呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢；隨著氨氮濃度升高，美人蕉和鳶尾葉片的SOD活性都呈先升高后降低的趨勢，但鳶尾葉片SOD活性無法恢復(fù)到初始水平，SOD系統(tǒng)遭到損害。低濃度氨氮對美人蕉凈光合速率具有明顯的促進作用，且蒸騰速率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。表明在低氨氮濃度情況下，美人蕉表現(xiàn)出較強的耐受性。鳶尾凈光合速率和蒸騰速率均有所下降，植物生長受到抑制。研究結(jié)果表明，美人蕉對高氨氮具有更強的耐受性，是人工濕地處理高氨氮廢水時較為理想的濕地植物。

關(guān)鍵詞：人工濕地；氨氮；植物生理指標；濕地植物

中圖分類號：X173；X52 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0534-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.007

The Tolerance of Plants to High Concetration of Ammonia in Wastewater by Constructed Wetland

GONG Juan， WANG Yu-hui， ZHAO Xiao-xiang， SONG Xin-shan

（College of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620，China）

Abstract： Two commonly used emergent plants for constructed wetland including Canna and Iris were used to be stressed by the configuration of simulated wastewater with different concentrations of ammonia. Plant physiological indicators were determined at fixed residence time intervals to obtain ammonia tolerance characteristics of the two plants. The plant tolerance indexes were proline， malondialdehyde， superoxide dismutase， photosynthetic rate， transpiration rate and stomatal conductance. The results showed that the contents of proline and MDA in Canna increased with prolonged stress time of ammonia at first and then decreased， indicating that Canna had a certain flexibility of ammonia nitrogen. The contents of proline and MDA in Iris were significantly higher than that of Canna. SOD activity of Canna changed little when the concentration of ammonia nitrogen was 200 mg/L， while the index of Iris increased at first and then decreased. As the concentration of ammonia nitrogen increased， the SOD activity of Canna and Iris increased at first and then decreased. While the SOD activity of Iris was not able to be restored to original level， indicating that the SOD enzyme system was compromised. The photosynthetic rate of Canna was significantly promoted when the concentration of ammonia nitrogen was low. The transpiration rate increased at first and then decreased， showing that Canna had stronger tolerance than Iris had when the concentration of ammonia nitrogen was low. Canna had a stronger tolerance to high concentration of ammonia nitrogen. It was the ideal wetland plants for constructed wetland to treat high concentration of ammonia nitrogen in wastewater.endprint

Key words： constructed wetland； ammonia nitrogen； physiological index of plant； wetland plant

隨著水體富營養(yǎng)化問題的日益嚴重，廢水中氨氮的排放標準也越發(fā)嚴格，如何有效地去除廢水中的氨氮，是目前亟待解決的問題[1，2]。人工濕地是近年來興起的一種生態(tài)處理方法，具有氮磷去除能力強、基建運行費用低、耐沖擊負荷等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水、石油開采廢水、養(yǎng)殖廢水治理等領(lǐng)域[3，4]。2010年，國家環(huán)保部發(fā)布了《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》，標志著人工濕地技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用受到廣泛的重視和推廣。

濕地挺水植物是人工濕地主要組成部分，是濕地處理系統(tǒng)最明顯的生物特征[5]。人工濕地脫氮是通過濕地植物吸收、微生物硝化-反硝化、基質(zhì)吸附、氨揮發(fā)等，其中主要是硝化-反硝化過程去除[6]。有研究表明，植物吸收、存儲僅占總氮去除量的10%左右[7]。但是，植物根系則具有很強的輸氧作用，能夠為微生物提供充足的氧氣，并且能分泌有機質(zhì)為微生物提供生長條件[8，9]?；|(zhì)內(nèi)部形成好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，滿足硝化和反硝化作用的順利進行[10]。然而，高濃度氨氮對植株具有脅迫作用，氨氮濃度過高，對植物細胞產(chǎn)生滲透脅迫，破壞植物細胞內(nèi)自由基代謝平衡，導(dǎo)致膜脂過氧化，使膜系統(tǒng)受到傷害；同時影響正常光合作用，植株生長受到抑制。因此，研究常見人工濕地植物對氨氮的耐受性，有助于對濕地植物的選擇，有利于人工濕地處理高氨氮廢水的連續(xù)性和有效性。此外，植物根系還能在介質(zhì)中形成許多間隙，減少介質(zhì)封閉性，加強介質(zhì)的水力傳輸能力[11]。

因此，以人工濕地中常見的美人蕉和鳶尾作為受試植物，研究植株在高氨氮脅迫作用下生理指標的變化響應(yīng)，通過對比研究，以期得到植物對高氨氮的耐受性，為人工濕地處理高氨氮廢水植物選擇提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料

美人蕉和鳶尾植株均采自上海市松江區(qū)東華大學(xué)校園，美人蕉選取株高30～35 cm的幼苗，鳶尾選擇分蘗數(shù)為5～6個的幼苗，采集時植物長勢良好。采用長×寬×高為50 cm×35 cm×30 cm的透明塑料箱，基質(zhì)填充平均粒徑為0.3～0.6 cm的石英砂，填充高度16 cm。植株種植密度為：美人蕉（4株/箱）、鳶尾（8株/箱）。采用稀釋10倍的Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)2周，控制液面高度為16 cm，待植物長勢穩(wěn)定。試驗時，通過添加硫酸銨調(diào)節(jié)氨氮濃度。研究中，氨氮濃度梯度分別為0、200、400、600、800 mg/L。植物生長過程中，每周添加相應(yīng)氨氮濃度的營養(yǎng)液，滿足植物對水分的需求。每隔1周對每組植株進行相關(guān)的生理指標測定。

1.2 方法

研究采用脯氨酸、丙二醛、超氧化物歧化酶、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度來表征氨氮對植株的脅迫程度。游離脯氨酸測定采用茚三酮比色法，SOD測定采用氮藍四唑（NBT）光化還原法，丙二醛測定采用硫代巴比妥酸法[12]，光合作用、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度指標測定采用LI-6400 XT型光合作用測定儀測定（美國LI-COR公司）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度氨氮脅迫對植物脯氨酸含量的影響

植物受到逆境脅迫時，細胞會主動形成一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以提高溶質(zhì)濃度，降低水勢，細胞就繼續(xù)從外界吸水，從而保證植物正常生長。脯氨酸（Proline，Pro）是最有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一。圖1結(jié)果表明，脅迫初期，美人蕉和鳶尾葉片中脯氨酸的含量都隨著水中氨氮濃度的升高而逐漸增加，且鳶尾葉片的脯氨酸含量明顯高于美人蕉。脅迫1周氨氮濃度為200 mg/L時，鳶尾葉片脯氨酸含量為73.38 μg/g，美人蕉為48.63 μg/g；脅迫1周氨氮濃度為400 mg/L時，鳶尾葉片脯氨酸含量為120.29 μg/g，而美人蕉則為56.79 μg/g；水中氨氮濃度為600 mg/L時，脅迫1周后測定鳶尾葉片中脯氨酸含量高達149.875 μg/g，是氨氮脅迫前的8.2倍，美人蕉葉片的脯氨酸含量為72.54 μg/g，是氨氮脅迫前的4.5倍。美人蕉和鳶尾葉片的脯氨酸含量都隨脅迫時間呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，二者均在第五周開始趨于穩(wěn)定。

2.2 不同濃度氨氮脅迫對植物丙二醛含量的影響

由圖2可知，受氨氮脅迫前，美人蕉葉片中MDA含量約為0.40 μmol/g，鳶尾葉片的MDA含量約為1.11 μmol/g。受氨氮脅迫初期，美人蕉和鳶尾葉片中MDA的含量都隨著水中氨氮濃度的升高而逐漸增加，這與魯敏等[13]關(guān)于4種濕地植物受污水脅迫的生理生化特性鑒定結(jié)果一致。鳶尾葉片的MDA含量明顯高于美人蕉，但美人蕉MDA含量的增加幅度稍高于鳶尾。水中氨氮濃度為600 mg/g時，脅迫1周后測定鳶尾葉片中MDA含量高達1.60 μmol/g；美人蕉葉片中MDA含量為1.02 μmol/g。美人蕉和鳶尾葉片的MDA含量都隨脅迫時間呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，且美人蕉葉片的MDA含量能夠迅速下降并于第3周趨于穩(wěn)定，而鳶尾葉片的MDA含量下降緩慢，此后趨于穩(wěn)定。在高氨氮脅迫下，植株體內(nèi)膜脂過氧化作用加快，增加植物體內(nèi)活性氧，影響膜功能，破壞膜結(jié)構(gòu)，從而使丙二醛含量增加。MDA的增加在一定程度上可以表征植株細胞膜脂過氧化的程度，細胞受到一定程度的損傷。但總體上，鳶尾更容易受到氨氮的脅迫，植株受損程度相對嚴重。

2.3 不同濃度氨氮脅迫對植物超氧化物歧化酶活性的影響

當(dāng)植物受逆境脅迫時，體內(nèi)會積累大量的活性氧，從而破壞細胞膜結(jié)構(gòu)。植物將利用細胞內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)來清除不斷產(chǎn)生的有害活性氧來保護光合器官、膜及生物功能分子。SOD是一種清除超氧陰離子自由基的酶，通過測定SOD活性，可考察植物對氨氮脅迫的防御能力。圖3結(jié)果顯示，美人蕉和鳶尾體內(nèi)SOD活性因外環(huán)境中氨氮脅迫發(fā)生不同程度的變化。氨氮濃度為200 mg/L時，美人蕉的SOD活性變化很小，隨著氨氮濃度升高，SOD活性變化很明顯。脅迫一周，當(dāng)氨氮濃度分別為400、600 mg/L時，美人蕉SOD活性為276.54、306.17 U/g，且其SOD活性到第7周恢復(fù)到初始水平。鳶尾葉片的SOD活性隨著氨氮濃度的增高呈現(xiàn)先增高后下降的趨勢。當(dāng)氨氮濃度為400、600 mg/L時，SOD活性最高達345.68和390.12 U/g，且其SOD活性無法恢復(fù)到初始水平，說明SOD系統(tǒng)遭到損害。由此可知，美人蕉比鳶尾對高氨氮廢水的耐受性更強。endprint

2.4不同濃度氨氮脅迫對植物凈光合速率的影響

光合作用是植物合成物質(zhì)和蓄積能量的基礎(chǔ)。植物凈光合速率越大，說明植物的同化作用能力越強。通過測定不同濃度氨氮脅迫下植物葉片的凈光合速率，表征植物在該逆境下的耐受性能，為挑選濕地植物提供依據(jù)。由圖4可知，當(dāng)氨氮濃度為200 mg/L脅迫2周時，美人蕉葉片的凈光合速率由脅迫前的10.05 μmolCO2/（m2·s）增加至14.72 μmolCO2/（m2·s），凈光合速率增加幅度很大。當(dāng)氨氮濃度為400 mg/L時，凈光合速率也較不添加氨氮的高，而當(dāng)氨氮濃度增加至600 mg/L時，植株葉片的凈光合速率與不添加氨氮的植株葉片的凈光合速率相差不大，說明低濃度氨氮對美人蕉葉片的凈光合速率有明顯的促進作用。脅迫初期，氨氮對鳶尾葉片的凈光合速率有十分明顯的抑制作用。隨著脅迫時間的延長，氨氮濃度為200 mg/L人工配制廢水中栽種的鳶尾凈光合速率先降后升再降，其凈光合速率于第五周高于種植于不添加氨氮的水環(huán)境的鳶尾，這可能是因為鳶尾經(jīng)過一段時間適應(yīng)了較低濃度的氨氮廢水，而低濃度的氨氮能夠為鳶尾提供生長所需的氮，因而凈光合速率有小幅度升高。但是，當(dāng)氨氮濃度為400、600 mg/L時，鳶尾葉片的凈光合速率隨脅迫時間的延長先降后升再降，但始終低于不添加氨氮的空白對照組，表明美人蕉比鳶尾對氨氮的耐受性更佳。

2.5 不同濃度氨氮脅迫對植物蒸騰速率的影響

植物吸收水分與吸收營養(yǎng)物質(zhì)之間是相互促進的，植物的日蒸騰量可作為人工濕地凈化工程植物選擇的一個重要的指標[14]。由圖5可知，氨氮脅迫前，美人蕉葉片的蒸騰速率遠高于鳶尾葉片，美人蕉的蒸騰速率為2.28 mmol H2O/（m2·s）左右，而鳶尾的蒸騰速率為0.22 mmol H2O·/（m2·s）左右。氨氮濃度為200和400 mg/L時，隨著脅迫時間的延長，美人蕉葉片的蒸騰速率先上升后下降，再后趨于穩(wěn)定，第1周美人蕉葉片蒸騰速率分別為2.67和2.94 mmol H2O/（m2·s）。當(dāng)氨氮濃度升高為600 mg/L時，美人蕉的蒸騰速率下降。鳶尾葉片的蒸騰速率與氨氮濃度之間的關(guān)系與美人蕉不同。鳶尾葉片的蒸騰速率受不同濃度氨氮脅迫影響均呈現(xiàn)下降趨勢。氨氮濃度為200、400、600 mg/L時，1周后鳶尾葉片的蒸騰速率分別為0.12、0.14、0.09 mmol H2O/（m2·s），并于第3周后趨于穩(wěn)定。

2.6 不同濃度氨氮脅迫對植物氣孔導(dǎo)度的影響

由圖6可知，氨氮脅迫前，美人蕉葉片的氣孔導(dǎo)度約為0.11 molH2O/（m2·s），鳶尾葉片的氣孔導(dǎo)度約為0.03 molH2O/（m2·s）。氨氮脅迫開始后，美人蕉葉片的氣孔導(dǎo)度隨著脅迫時間的延長呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，且氨氮濃度為200 mg/L條件下種植的美人蕉葉片的氣孔導(dǎo)度變化最大，在脅迫后第3周達到最大值，約為0.41 molH2O/（m2·s）。氨氮脅迫初期，鳶尾葉片的氣孔導(dǎo)度迅速降低，且氨氮濃度越高，氣孔導(dǎo)度降低幅度越大。氨氮濃度分別為400、600 mg/L時，第2周測定的氣孔導(dǎo)度最低，分別為0.009 molH2O/（m2·s）和0.005 molH2O/（m2·s）。此后，隨著脅迫時間的延長，鳶尾葉片的氣孔導(dǎo)度緩慢上升并逐漸趨于穩(wěn)定。

2.7 不同處理對植物胞間CO2濃度的影響

CO2是光合作用反應(yīng)的底物，是植物光合作用的限制因子之一，對植物光合作用的生理生化過程起決定性作用，因此胞間CO2濃度的高低可以作為判斷光合作用潛在能力的一項指標。圖7結(jié)果表明，隨著氨氮脅迫的開始，美人蕉葉片的胞間CO2濃度呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，且它在氨氮濃度為200 mg/L時最高，在脅迫第3周時為290.91 μmol CO2/mol。美人蕉葉片的胞間CO2濃度隨時間延長降低，當(dāng)氨氮濃度為600 mg/L時，至脅迫第十周葉片胞間CO2濃度最低，為147.18 μmol CO2/mol。鳶尾葉片的胞間CO2濃度則隨著氨氮脅迫時間的延長呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且在第3周達到最低值。此時，氨氮濃度為200、400、600 mg/L下種植的鳶尾葉片的胞間CO2濃度分別為162.13、103.22、67.12 μmolCO2/mol。脅迫6周后，鳶尾葉片的胞間CO2濃度逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論與討論

美人蕉和鳶尾葉片中脯氨酸、丙二醛的含量都隨著水中氨氮濃度的升高而逐漸增加，且鳶尾葉片的含量明顯高于美人蕉。氨氮濃度為200 mg/L時，美人蕉的SOD活性變化很小，隨著氨氮濃度升高，SOD活性變化明顯，且可以恢復(fù)到初始水平。鳶尾葉片的SOD活性隨著氨氮濃度的增高呈現(xiàn)先增高后下降的趨勢。當(dāng)氨氮濃度為400、600 mg/L時，SOD活性無法恢復(fù)到初始水平，說明SOD系統(tǒng)遭到損害。美人蕉的凈光合速率和蒸騰速率遠大于鳶尾。美人蕉在200和400 mg/L時的凈光合速率高于不添加氨氮的水樣下栽培的美人蕉，但在600 mg/L的濃度下則受到抑制。而氨氮對鳶尾葉片的凈光合速率有十分明顯的抑制作用。氨氮脅迫開始后，美人蕉葉片的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度隨著脅迫時間的延長呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，而鳶尾葉片的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度則呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，但始終低于不受氨氮脅迫的植株。通過兩種植物的生理生化特征對比可知，美人蕉對氨氮的耐受性更佳，是人工濕地系統(tǒng)處理高氨氮廢水的理想工程植物。

參考文獻：

[1] 李 娟，張龍莊，段 亮，等. 人工濕地廢水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，42（1）：69-73.

[2] 何 巖，趙由才，周恭明.高濃度氨氮廢水脫氮技術(shù)研究進展[J].工業(yè)水處理，2008，28（1）：1-4.

[3] ONG S A，UCHIYAMA K，INADAMA D， et al. Treatment of azo-dye Acid Orange 7 containing Wastewater using up-flow constructed wetland with and without supplementary aeration.[J] Bioresource Technology，2010，101（23）：9049-9057endprint

[4] ONG S A， UCHIYAMA K， INADAMA D， et al. Simultaneous removal of color， organic compounds and nutrients in azo dye-containing wastewater using up-flow constructed wetland[J]. Journal of Hazardous Materials，2009，165（1）：696-703.

[5] VYMAZAL J. Emergent plants used in free water surface constructed wetlands：A review[J]. Ecological Engineering，2013，61：582-592.

[6] LEE S， MANIQUIZ M C， KIM L H. Characteristics of contaminants in water and sediment of a constructed wetland treating piggery wastewater effluent[J]. Environmental Sciences，2010，22（6）： 940-945.

[7] 付融冰，楊海真，顧國維，等.潛流人工濕地對農(nóng)村生活污水氮去除研究[J].水處理技術(shù)，2006， 32（1）：18-22.

[8] MARCHAND L， MENCH M， JACOB D L， et al. Metal and metalloid removal in constructed wetlands， with emphasis on the importance of plants and standardized measurements： A review[J]. Environmental Pollution，2010，158：3447-3461.

[9] STOTTMEISTER U， WIESSNER A， KUSCHK P， et al. Effects of plants and microorganisms in constructed wetlands for wastewater treatment[J]. Biotechnology Advances 2003，22（1-2）： 93-117.

[10] FENNESSY M S ， CRONK J K ， MITSCH W J . Macrophyte productivity and community development in created fresh water wetlands under experimental hydrological conditions[J]. Ecological Engineering， 1994，3（4）：469-484.

[11] BRIX H. Treatment of wasterwater in the rhizosphere of wetland plants—The root-zone method[J]. Water Science and Technology，1987，19（1-2）：107-118.

[12] 孔祥生，易現(xiàn)峰. 植物生理學(xué)實驗技術(shù)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2008.

[13] 魯 敏，裴翡翡，寧 靜，等. 4種濕地植物受污水脅迫生理生化特性影響的相關(guān)性研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報，2011，26（5）：416-419.

[14] 黃 娟，王世和，鄢 璐，等. 人工濕地污水處理系統(tǒng)脫氮研究進展[J]. 電力環(huán)境保護，2006，22（5）：33-36.endprint