16種觀賞植物對(duì)錦鯉工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖水體污染物的凈化作用研究

賈成霞，辛支明,2，曲疆奇，劉　盼，楊　慕，張清靖

(1北京市水產(chǎn)科學(xué)研究所漁業(yè)生物技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068；2 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，四川 成都 611130)

生態(tài)浮床技術(shù)通過種植在載體上的植物對(duì)水體污染物進(jìn)行吸收、吸附等，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的，具有凈化效率高、運(yùn)行維護(hù)簡單、成本造價(jià)低、環(huán)境友好、景觀效果好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。近年來該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于河道、公園、養(yǎng)殖池塘等各類水體的生態(tài)修復(fù)中[3-6]。浮床植物的篩選是該技術(shù)的核心，也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。由于不同水生植物的生活習(xí)性、生長周期、耐水性等不同，生態(tài)浮床技術(shù)的處理效果在不同水質(zhì)和環(huán)境條件下具有較大差異[7-9]。目前，對(duì)生態(tài)浮床凈水技術(shù)的研究及應(yīng)用報(bào)道主要集中于開闊水域水體的修復(fù)凈化，對(duì)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖水體的報(bào)道較少。

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖(簡稱工廠化養(yǎng)殖)由于養(yǎng)殖密度高、飼料投喂量大、殘飼和糞便產(chǎn)出多、有機(jī)物污染負(fù)荷高，常規(guī)的機(jī)械設(shè)備及物理和生化措施水處理成本較高[10]。生態(tài)浮床凈化技術(shù)不僅可以有效去除水體中污染物，降低整個(gè)工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)的污染負(fù)荷，而且具有很好的景觀效果和環(huán)境友好性，能為養(yǎng)殖動(dòng)物提供良好的生態(tài)環(huán)境，因此具有較好的應(yīng)用前景。

針對(duì)錦鯉工廠化養(yǎng)殖水體，根據(jù)工廠化養(yǎng)殖室內(nèi)光照強(qiáng)度比開闊水域低、景觀效果要求高、養(yǎng)殖環(huán)境溫度高等特點(diǎn)，對(duì)16種常見觀賞植物在工廠化養(yǎng)殖條件下的生長狀況及植物中總氮(TN)、總磷(TP)、銅(Cu)、鋅(Zn)、汞(Hg)和鉛(Pb)含量進(jìn)行了比較，評(píng)價(jià)了16種植物的凈水效果，旨在為錦鯉工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖水體污染物凈化篩選合適的浮床植物，探尋凈化效率高、景觀效果好、適應(yīng)能力強(qiáng)的生態(tài)浮床凈化技術(shù)，為該技術(shù)在水體污染修復(fù)中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

16種常見觀賞植物(表1)來源于河北省廊坊市蓮韻苑水生花卉研究所，試驗(yàn)挑選大小均勻、葉面和根部健康的植株。浮床采用聚乙烯泡沫板，規(guī)格為100.0 cm(長)× 100.0 cm(寬)× 13.8 cm(高)，考慮到植株大小及光需求等，每個(gè)泡沫板上平均分布16個(gè)放置孔，孔徑7.5 cm，孔間距7.2 cm。

表1　所試植物名稱

1.2　試驗(yàn)方法

由于工廠化養(yǎng)殖過程中夏季高溫期養(yǎng)殖密度高、飼料投喂量大、污染負(fù)荷高，因此試驗(yàn)選擇2013年6月13日—10月5日在北京市通州區(qū)鑫淼水產(chǎn)總公司工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖車間內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)車間為封閉式，車間長48.00 m、寬 31.74 m，以磚墻和鋼架為主體，四周為可透光的鋼化玻璃墻體，頂部亦采用可透光材料。試驗(yàn)期間定時(shí)測量車間內(nèi)光照度，室內(nèi)光照度約為室外的56%～72%。

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)由養(yǎng)殖池、豎流沉淀器、全自動(dòng)上流式超高速聚丙烯濾塊過濾器(SDPP高速過濾器)、生物濾池、紫外消毒以及充氧設(shè)備組成(圖1)。養(yǎng)殖池6個(gè)，規(guī)格均為4.4 m(長)×3.4 m(寬)×1.2 m(高)，單池水體有效容量約15 m3；采用雙通道排水排污裝置和豎流沉淀池將部分可沉淀顆粒物分離，然后進(jìn)入SDPP高速過濾器(過濾精度10 μm，水循環(huán)速率為15 m3/h)進(jìn)一步過濾；生物濾池總體積5 m3，內(nèi)置懸浮填料2.5 m3；最后經(jīng)紫外消毒后循環(huán)利用；養(yǎng)殖池和生物濾池中利用充氧設(shè)備微孔曝氣。

圖1　工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工藝流程圖

試驗(yàn)期間，每次投喂飼料前對(duì)養(yǎng)殖池、豎流沉淀器進(jìn)行排污，對(duì)SDPP高速過濾器進(jìn)行反沖洗，排污后補(bǔ)加水。養(yǎng)殖品種為錦鯉(Cyprinuscarpio)，初始投放密度為20 kg/m3，每天9:00、13:00和17:00按體質(zhì)量1%投喂膨化配合飼料。浮床放置于各個(gè)養(yǎng)殖池表面，每塊浮床上種植16株單一品種植物。試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)分別測量植株株高、根長和生物量(濕重)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，清洗植物根部后放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然晾干，105 ℃烘30 min后，80 ℃烘干至恒重，稱量生物量(干重)，根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的方法對(duì)植株中總氮、總磷、汞、鉛、銅、鋅含量進(jìn)行測定。

1.3　植物凈化能力綜合分析與篩選

根據(jù)測定的植物生物量濕重和干重以及總氮、總磷、汞、鉛、銅、鋅含量，分別計(jì)算植物水分含量以及總氮、總磷、汞、鉛、銅、鋅累積量，計(jì)算公式分別為：

Cw= (Ww-Wd)/Ww

(1)

Pi=Ci×Wd

(2)

式中：Cw—植物水分含量，%；Wd—植物生物量(干重)，g；Ww—植物生物量(濕重)，g；Pi—單位面積植物體內(nèi)污染物i累積量，mg/m2;Ci—植物體內(nèi)污染物i含量(mg/g)。

分別采用Tanner評(píng)價(jià)法[12]和SPSS聚類分析[13]對(duì)16種植物的凈化能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1.4　統(tǒng)計(jì)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel進(jìn)行整理，采用SPSS16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著差異性檢驗(yàn)。

2　結(jié)果與分析

2.1　植物生長變化情況

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，16種植物生長正常，植株生長變化情況如表2所示。

表2　植物生長變化情況

16種植物株高分別增加18.4 ～ 129.5 cm，其中花葉蘆竹、水生美人蕉、千屈菜和紫葉美人蕉株高增加最多，達(dá)到100 cm以上；其次是黃菖蒲、馬藺、鴨腳木、彩葉草，株高增加50 cm以上；其余8種植物中紅掌株高增加最小，為(18.4±1.3)cm。16種植物根系生長情況差異較大，鴨腳木、水生美人蕉和黃菖蒲3種植物的根系增長35 cm以上；金鉆蔓綠絨、紅掌、紫葉美人蕉和千屈菜根系增長20 cm以上；其余9種植物根系分別增長6.6 ～18.0 cm，其中，花葉蘆竹、袖珍椰子、金邊吊蘭和彩葉草根系增長量較小，均低于11 cm。16種植物的含水率范圍為67.6% ～ 93.9 %，其中水生美人蕉、金鉆蔓綠絨、金邊吊蘭和紫葉美人蕉的含水率較大，在90%以上；花葉蘆竹、袖珍椰子和馬藺含水率相對(duì)較低。16種植物生物量(干重)均明顯增加，花葉蘆竹增加最大，為(63.3±4.8)g；黃菖蒲、水生美人蕉、貓眼竹芋、千屈菜、紫葉美人蕉、馬藺和金邊吊蘭生物量(干重)增加超過25 g；生物量(干重)增加最少的植物為彩葉草。

2.2　植物中總氮、總磷及重金屬含量

16種植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb含量差異較大(表3)?？偟糠秶鸀?.91% ～2.82 %，含量最高的為蓮花竹，與其他植物差異極顯著(P<0.01)；其次為黃菖蒲、千屈菜、花葉萬年青等；馬藺含量最低，極顯著低于其他植物(P<0.01)?？偭缀糠秶鸀?.15 % ～ 0.41 %，含量最高的為花葉萬年青和紅掌，極顯著高于其他種類植物(P<0.01)；其次為黃菖蒲、水生美人蕉、鴨腳木等；最低的為馬藺和袖珍椰子。Cu含量范圍為3.78 ～ 16.78 mg/kg，含量最高的為花葉萬年青，含量最低的為鴨腳木，與其他種類植物差異極顯著(P<0.01)。Zn含量范圍為1.77 ～ 14.31 mg/kg，含量最高的為千屈菜，極顯著高于其他種類植物(P<0.01)，含量最低的為袖珍椰子。Hg含量范圍為0.015～0.062 mg/kg，含量最高的為彩葉草，與其他種類植物差異極顯著(P<0.01)，含量最低的為金鉆蔓綠絨。Pb含量范圍為0.07 ～ 0.56 mg/kg，含量最高的為花葉蘆竹，含量最低的為花葉萬年青，與其他種類植物差異極顯著(P<0.01)。

表3　植物TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb含量

注：*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)。下同

2.3　植物污染物累積量及其生物量相關(guān)性分析

不同植物單位面積TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累積量見表4。不同植物對(duì)TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb的累積量差異較大。花葉蘆竹和黃菖蒲對(duì)TN、TP的累積量極顯著高于其他植物(P<0.01)，其次為千屈菜和水生美人蕉，彩葉草對(duì)TN和TP的累積量均最小。千屈菜對(duì)Cu、Zn和Hg累積量均最高，花葉蘆竹對(duì)Pb的累積量極顯著高于其他植物(P<0.01)，彩葉草、蓮花竹對(duì)Cu、Zn的累積量最低，花葉萬年青對(duì)Hg和Pb的累積量最低。千屈菜對(duì)Cu、Zn和Pb的累積量與其他植物比較具有極顯著差異(P<0.01)。表5為16種植物TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb累積量與生物量(干重)的一元線性回歸方程，分析發(fā)現(xiàn)16種植物TN、TP及Pb的累積量與生物量(干重)呈現(xiàn)良好相關(guān)性。

表4　單位面積植物TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累積量

表5　植物TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累積量與生物量(干重)相關(guān)性分析

注：x表示生物量(干重)；y表示累積量

2.4　植物凈化能力評(píng)價(jià)

分別采用Tanner評(píng)價(jià)法和SPSS聚類分析對(duì)16種植物的凈化能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。Tanner評(píng)價(jià)分析指標(biāo)包括生物量(干重)以及TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb累積量，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。結(jié)果顯示，黃菖蒲、花葉蘆竹和千屈菜的綜合評(píng)分最高，水生美人蕉、金邊吊蘭和紫葉美人蕉的綜合評(píng)分中等，而花葉萬年青、彩葉草、紅掌和袖珍椰子的綜合評(píng)分較低。采用SPSS聚類分析對(duì)不同植物的凈化能力進(jìn)行了聚類分析，結(jié)果見圖2。以聚類重新標(biāo)定距離10為標(biāo)準(zhǔn)，可將這16種水生植物聚類為3類，凈化能力最強(qiáng)的是千屈菜、黃菖蒲和花葉蘆竹，其次為水生美人蕉，其余種類凈化能力弱。兩種評(píng)價(jià)方法得出的結(jié)果基本一致，黃菖蒲、千屈菜、花葉蘆竹在兩種評(píng)價(jià)方法中均為凈化能力最強(qiáng)的植物，花葉萬年青、彩葉草均為凈化能力最弱的植物，因此黃菖蒲、花葉蘆竹和千屈菜適合作為工廠化養(yǎng)殖水體中的TN、TP以及Cu、Zn、Hg和Pb的潛力凈水植物，而且具有景觀效果好、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，適宜在工廠化養(yǎng)殖水體凈化中推廣應(yīng)用。

表6　植物凈化能力Tanner綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2　植物凈化能力聚類分析

3　討論

3.1　不同植物對(duì)污染物凈化能力差異分析

所試植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb 均被檢出，說明16種植物均能吸收富集這些污染物。但是不同植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb的含量差異較大。蓮花竹中TN含量最高，但TP卻非常低；TP含量較高的花葉萬年青和紅掌其總氮吸收能力卻不高。千屈菜中Cu、Zn、Hg和Pb含量均較高，說明其對(duì)這4種重金屬均具有良好的吸收富集作用，可以作為重金屬去除的潛力凈水植物；花葉萬年青對(duì)Cu具有很好的吸收富集作用，但對(duì)Pb的吸收率較低；彩葉草吸收Cu和Hg的作用較強(qiáng)；金鉆蔓綠絨吸收Cu作用較強(qiáng)，但對(duì)Hg的吸收率較低。對(duì)不同污染物含量之間的相關(guān)性分析也發(fā)現(xiàn)，植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb含量之間無顯著相關(guān)性，這說明16種植物對(duì)TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb的吸收能力不同。因此，在實(shí)際應(yīng)用這些植物進(jìn)行水體修復(fù)時(shí)需要結(jié)合待修復(fù)水體的水質(zhì)條件和凈化目的合理搭配相應(yīng)的植物品種。4種重金屬中Cu含量最高，Zn和Pb次之，Hg含量最低，這可能是由于錦鯉工廠化養(yǎng)殖過程中部分漁藥成分，如硫酸銅等的使用造成的，由于Hg屬于禁用漁藥成分，其主要來源于禁用規(guī)定前的池塘污染以及環(huán)境本底，因此含量較低。重金屬離子毒性大，在環(huán)境中不易被代謝，且容易被生物所富集，具有生物放大效應(yīng)[14]。重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)后大部分可與植物體內(nèi)的某些蛋白質(zhì)或多肽結(jié)合從而貯存下來[15]，因此可以通過植物的吸收、吸附和根際過濾等作用將水體中的重金屬轉(zhuǎn)移，降低其在水體中的含量及對(duì)水生生物的毒性作用。然而，植物對(duì)重金屬的積累不能無限增加，因此在錦鯉工廠化養(yǎng)殖過程中對(duì)含Cu漁藥的使用應(yīng)更加謹(jǐn)慎，以免造成進(jìn)一步的污染，并可根據(jù)養(yǎng)殖水體水質(zhì)情況在浮床植物配置中適當(dāng)增加對(duì)Cu凈化能力強(qiáng)的植物數(shù)量。

3.2　植物凈化能力與生長情況的關(guān)系

研究表明，植物可以吸收水體中的無機(jī)氮作為自身營養(yǎng)成分合成植物蛋白等有機(jī)氮，同時(shí)植株將光合作用產(chǎn)生的氧氣經(jīng)通氣組織向根區(qū)釋放氧氣，在植物根部形成好氧—缺氧—厭氧的微環(huán)境生境，有利于根系周圍硝化菌和反硝化菌的共存，從而增強(qiáng)污染物的降解、轉(zhuǎn)化等[16-18]。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖由于車間光照比一般露天池塘差，因此會(huì)直接影響植物的光合效率以及植物的根部泌氧等[19-21]，進(jìn)而影響植物及根際微生物對(duì)氮、磷等污染物的去除作用。本研究中所試16種植物均能在光照相對(duì)不足的環(huán)境條件下正常生長。李麗[22]研究發(fā)現(xiàn)，光化學(xué)量子產(chǎn)量可以反映植物的潛在光合能力，黃菖蒲的實(shí)際量子產(chǎn)量較高，說明其具有較好的光合效率。本研究也發(fā)現(xiàn)黃菖蒲對(duì)光照相對(duì)差一些的環(huán)境條件較為適應(yīng)，凈化效果相對(duì)較好。大型水生植物由于根系較為發(fā)達(dá)，凈水能力強(qiáng)，而根系欠發(fā)達(dá)的小型水生植物凈化能力則較弱[23]。本研究中黃菖蒲、花葉蘆竹、千屈菜等大型水生植物植株高大，生長旺盛，具有粗壯的主根和繁茂的不定根，凈化效果較好；而彩葉草、紅掌、袖珍椰子等植株相對(duì)矮小，根系欠發(fā)達(dá)，凈化效果也相對(duì)差。從植物中污染物累積量與生物量(干重)之間相關(guān)性分析可以看出，生物量是決定植物凈化能力的重要因素，污染物含量對(duì)累積量的影響較小，生物量大小可以直觀地反映出其凈化能力。以往的研究也發(fā)現(xiàn)，植物的生長特性和株型是影響其凈化能力的重要因素，同等條件下植株的生物量越大，其對(duì)污染物的吸收、轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存能力越強(qiáng)[24]。本研究中黃菖蒲、花葉蘆竹、千屈菜等對(duì)TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累積量均較高，這些大型植物在試驗(yàn)條件下生長迅速，可以從水體中快速吸收利用氮、磷等對(duì)植物生長有效的營養(yǎng)元素并轉(zhuǎn)化為植物生物量，因此凈化能力較高。在以工廠化養(yǎng)殖水體凈化為目的的生態(tài)浮床植物配置中，可以黃菖蒲、花葉蘆竹為主要凈水植物，并點(diǎn)綴千屈菜、水生美人蕉等，以達(dá)到有效去除水體中氮、磷等污染物，并降低水體中重金屬含量的目的。在實(shí)際應(yīng)用過程中可定期刈割浮床上部植株，不破壞植物根部，避免由于枯葉造成水體二次污染，保證植物持續(xù)凈化效果，減少再次種植成本，并利于植物補(bǔ)償生長[25]。

4　結(jié)論

在錦鯉工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，16種觀賞植物平均株高、根長、生物量(干重)均明顯增加，對(duì)水體中TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb均有較好的富集去除作用，但不同植物中污染物含量差異較大?；ㄈ~蘆竹和黃菖蒲對(duì)TN和TP的累積量最高，千屈菜對(duì)Cu、Zn和Hg累積量均最高，花葉蘆竹對(duì)Pb的累積量最高。植物中TN、TP和Pb的累積量與生物量(干重)呈現(xiàn)出良好的相關(guān)性。研究表明，黃菖蒲、花葉蘆竹和千屈菜可作為工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖條件下生態(tài)浮床的潛力凈水植物。

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