粉綠狐尾藻改善微污染水體水質(zhì)試驗研究

吳美璇 徐鳳州

摘 要：水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致的藻類問題（水華）已成為全球性的難題，是影響淡水資源水質(zhì)的重要原因之一。由于生物控藻在治理水體富營養(yǎng)化和水華問題中具有綠色、環(huán)保等諸多優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。本文選擇粉綠狐尾藻為模式植物，以微污染水體為培養(yǎng)液，研究植物在降低水體中氮和磷營養(yǎng)源的效果，以達(dá)到控制水體中藻類生長中的作用。研究結(jié)果表明，粉綠狐尾藻能夠有效地吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)元素，在有光照條件下，硝酸鹽氮的去除率為76.3～83.6%，氨氮的去除率為9.7～26.0%，總氮的去除率為41.4～57.7%，總磷的去除率23.4～54.3%。這說明了粉綠狐尾藻有較強的凈化富營養(yǎng)化水體的潛能。在實際應(yīng)用中可以將植物直接種植淺水區(qū)或以浮床的形式將植物培養(yǎng)在湖泊或水庫中，不僅可以降低水體中營養(yǎng)源的濃度，還可以起到遮光作用，進(jìn)而控制藻類生長，最終達(dá)到改善水體水質(zhì)的目的。

關(guān)鍵詞：富營養(yǎng)化；藻類；營養(yǎng)鹽；粉綠狐尾藻

Meixuan（Joy）Wu

Brimmer and May School

1.引言

地球表面72%為水所覆蓋，其余28%的陸地也有水的存在。地球的儲水量是很豐富的，約有1.39×1018 m3。但是地球的淡水資源僅約占其總水量的2.5%，約3.5×1016 m3，而在這極少的淡水資源中，又有70%以上是存在于南極和北極的冰川以及高山冰川和永凍積雪中，加上難以開發(fā)利用的深層地下水等等，約有87%的淡水資源難以利用。人類真正能夠利用的淡水資源約占地球總水量的0.26%（約3.6×1014 m3主要是江河、湖泊和淺層地下水）[1-2]。全球淡水資源不僅短缺而且存在地區(qū)分布極不平衡。據(jù)統(tǒng)計，約占世界人口總數(shù)40%（約15億）的80個國家和地區(qū)淡水資源不足，其中約3億人（26個國家）極度缺水[3]。預(yù)計到2025年，世界上將會有30億人面臨缺水，40個國家和地區(qū)淡水嚴(yán)重不足[4]。

因此，淡水資源是極其寶貴和重要的。然而，在淡水資源短缺越發(fā)突出的同時，淡水資源還遭受人類的各種污染，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，無法正常使用。據(jù)統(tǒng)計，全世界目前每年排放污水約為4.3×1012 噸，并造成5.5×1013 m3的水體遭受到不同程度的污染。據(jù)聯(lián)合國調(diào)查統(tǒng)計，全球河流穩(wěn)定流量的40%左右已被污染。水體營養(yǎng)負(fù)荷是目前水質(zhì)污染的最大問題。水體富營養(yǎng)化帶來一系列的后續(xù)問題，如生物多樣性降低、藻類過度繁殖、水體異味等，特別是藻類問題，已經(jīng)成為全球性的難題[5-7]。

當(dāng)水體中含有豐富的營養(yǎng)源、光照充足、溫度適宜時，水體中的藻類就可能出現(xiàn)快速的繁殖，最終導(dǎo)致水華的產(chǎn)生。本研究正是以解決藻類問題為出發(fā)點，希望通過植物生長將水體中的營養(yǎng)源吸收轉(zhuǎn)化，減少水體中的營養(yǎng)源濃度，同時當(dāng)植物生長較為茂密時，還能起到一定遮蔽陽光的作用。通過降低水體中的營養(yǎng)源以及減少光照量的作用，抑制藻類的生長，以達(dá)到改善水體水質(zhì)的目的。

粉綠狐尾藻（Myriophyllum aquaticum（Vell.）Verdc.），小二仙草科，狐尾藻屬，是一種好溫暖、水濕、陽光充足水生植物，特別適宜在熱帶及亞熱帶的河道及湖泊等水體中生長，生長極為旺盛。同時有研究表明，粉綠狐尾藻對部分藻類（銅綠微囊藻）的生長具有強烈的化感抑制作用[8-9]。因此，我們選擇了粉綠狐尾藻做為模式水生植物用于本實驗研究對象。

2.實驗材料及方法

2.1 試驗材料

粉綠狐尾藻：將粉綠狐尾藻在水體中預(yù)培養(yǎng)1-2天。試驗前，先后用自來水和蒸餾水洗凈植株，去除腐爛莖段及葉片，將植物進(jìn)行適當(dāng)?shù)男藜?，選擇生長長度相近的粉綠狐尾藻進(jìn)行試驗。

試劑：四水鉬酸銨、酒石酸銻鉀、氫氧化鈉、抗壞血酸、硫酸、過硫酸鉀、磷酸二氫鉀、硝酸鉀、濃鹽酸、納氏試劑（碘化汞、碘化鉀）、氯化銨、碳酸鈉、碳酸氫鈉、苯二甲酸氫鉀、硼酸、氯化鉀、酚酞、溴百里酚藍(lán)、百里酚藍(lán)，除總氮測試所用過硫酸鉀采用優(yōu)級純外，其余試劑均為分析純級別，未經(jīng)過任何處理，直接使用。

2.2 試驗方法

以自然微污染水體為培養(yǎng)液，將試驗組分為兩大組：自然光照組和無光照組（避光處理），每組分別設(shè)置了空白組、1棵植物培養(yǎng)組、2棵植物培養(yǎng)組、3棵植物培養(yǎng)組，每小組均做三組平行試驗，將各試驗組置于含2.0 L培養(yǎng)液的玻璃燒杯中進(jìn)行培養(yǎng)。

培養(yǎng)10天后取培養(yǎng)液進(jìn)行總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽氮、葉綠素以及pH指標(biāo)的檢測（檢測方法參見下表1），以及記錄植物培養(yǎng)前后的生長狀況（長度）。取樣時為了避免光照組和無光照在因水分蒸發(fā)帶來的濃度差異，每次取樣時均補加超純水至2.0 L，同時攪拌均勻后進(jìn)行測試。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，sigmapolt繪制圖表。

3.試驗結(jié)果

3.1粉綠狐尾藻生長狀況

在培養(yǎng)了10天之后，可以明顯觀察到自然光照組和無光照組在生長狀態(tài)上的區(qū)別（如圖1所示）：光照組的粉綠狐尾藻生長勢態(tài)十分良好，均有新葉長出；而無光照組的葉片絕大部分已枯萎發(fā)黃，該結(jié)果與粉綠狐尾藻喜陽光充足的生長習(xí)性是相一致的。另外，如表2及圖2所示，從粉綠狐尾藻莖的生長長度也同樣可以說明，在有自然光照下的粉綠狐尾藻的生長狀況是明顯要優(yōu)于無光照組的。在同樣的培養(yǎng)時間里，自然光照組的生長長度總體平均要比無光照組長5.0cm。因此，光照是粉綠狐尾藻生長所必需的因素之一。

3.2營養(yǎng)鹽指標(biāo)

氨氮、總磷、總氮以及硝酸鹽氮是水體中主要的營養(yǎng)鹽指標(biāo)，是評價水體營養(yǎng)化程度的主要指標(biāo)。氨氮、總磷、總氮三個指標(biāo)是評價水資源環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的三個重要要指標(biāo)，如下表3所示，我國地表水分類中氨氮、總磷和總氮的限值。同時，氮、磷是水體中藻類生長的主要限制因子，因此我們重點考察了硝酸鹽氮、氨氮、總磷、總氮四個指標(biāo)。如表4所示，供試水樣試驗前的相關(guān)營養(yǎng)鹽的濃度。若以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中氨氮和總磷的限值判別，該水樣屬于Ⅲ類水，從總氮指標(biāo)判別該水樣屬于劣Ⅴ類水。

由圖3可以得出，空白組的營養(yǎng)鹽在放置10天后均有所下降，可能是由于水中的微生物的分解作用或以揮發(fā)的形式散失一部分。對比不同處理方式，我們可以發(fā)現(xiàn)無光照組水體中的營養(yǎng)鹽濃度下降趨勢整體上是要明顯低于自然光照組的，該結(jié)果與上述的粉綠狐尾藻生長狀況是相對應(yīng)的，因為植物在生長中需要N、P等營養(yǎng)源，因此有光照組中的營養(yǎng)鹽濃度降低較明顯，然而其降低的趨勢與所培養(yǎng)的粉綠狐尾藻的數(shù)量之間并不完全顯現(xiàn)為正相關(guān)的關(guān)系。通過觀察我們發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)十天后，部分粉綠狐尾藻的尾部部分出現(xiàn)了一段莖腐爛的現(xiàn)象，同時，也有部分藻類死亡的團(tuán)聚體，可能正是由于腐爛現(xiàn)象導(dǎo)致植物中的N、P等部分營養(yǎng)源重新釋放至水體中[10]。

（B）氨氮，（C）總氮，（D）總磷

（1）硝酸鹽氮：如圖3（A）所示，兩組的硝酸鹽氮下降趨勢均較為明顯，說明粉綠狐尾藻吸收硝酸鹽氮的能力比較強。對比有無光照組，我們發(fā)現(xiàn)在有光照條件下，1棵粉綠狐尾藻的吸收硝酸鹽氮的速度要快于無光照組，去除率高達(dá)83.7%，而無光照組為34.2%（參見表5）；然而再繼續(xù)增加粉綠狐尾藻的數(shù)量至2-3棵，其去除率并沒有進(jìn)一步的提升，而顯現(xiàn)出平穩(wěn)的狀態(tài)，可能是由于水體中硝酸鹽氮的濃度已經(jīng)較低的原因；另外，還可能由于水體中硝化細(xì)菌的存在，將部分氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，導(dǎo)致硝酸鹽氮的濃度反而出現(xiàn)略微升高的趨勢[11]。

（2）氨氮：氨氮做為植物最易于吸收的含N營養(yǎng)鹽，如圖3（B）所示，我們可以發(fā)現(xiàn)，不管是有光照組還是無光照組，氨氮下降的趨勢幾乎是與植物的數(shù)量顯正相關(guān)的關(guān)系，隨著粉綠狐尾藻數(shù)量的增加而不斷的降低，有光照條件下培養(yǎng)1至3棵粉綠狐尾藻氨氮的去除率分別為9.7%、22.8%、26.0%，而無光照組的則分別為1.4%、8.5%和14.9%。

（3）總氮：總氮是包含水體中所有的有機(jī)氮和無機(jī)氮，由圖3（C）可以得出，總氮也整體顯現(xiàn)為下降的趨勢。由于硝酸鹽氮在自然界中比較穩(wěn)定，且含量較高。因此，總氮的變化趨勢與硝酸鹽氮的下降趨勢較為相似。因此說明種植水生植物對于去除水體中含氮營養(yǎng)鹽的效果是比較好的。

（4）總磷：從圖3（D）中我們可以發(fā)現(xiàn)，在無光照組中，無論培養(yǎng)的粉綠狐尾藻的數(shù)量多少，總磷的濃度變化較?。ㄈコ示?5%以內(nèi)）。而在自然光照下的3組，可以明顯觀察到隨著粉綠狐尾藻數(shù)量的增加，水體中總磷的濃度是逐漸下降的，去除率分別是23.4%、44.4%和54.3%。

由水體中的營養(yǎng)鹽（氨氮、總氮和總磷）分析，利用培養(yǎng)粉綠狐尾藻吸收營養(yǎng)鹽可有效改善水體的水質(zhì)，各指標(biāo)在培養(yǎng)粉綠狐尾藻10天后的去除率參見表5，硝酸鹽氮的去除率為76.3～83.6%，氨氮的去除率為9.7～26.0%，總氮的去除率為41.4～57.7%，總磷的去除率23.4～54.3%。由地表水的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)判別，植物培養(yǎng)后的水體原來劣Ⅴ類（主要是總氮指標(biāo)）轉(zhuǎn)變至Ⅲ類水體。而對于無光照組，硝酸鹽氮的去除率為34.2-74.2%，氨氮去除率為1.4-14.9%，總氮去除率為9.5-48.0%，總磷去除率為7.4-14.8%。值得一提的是，除了光照是主要的影響因素外，由于兩組所處的環(huán)境溫度也有較大差異，因此溫度也可能是導(dǎo)致去除率不同的重要影響因素之一[12]。

3.3其他水質(zhì)指標(biāo)

（1）pH

當(dāng)藻類爆發(fā)時，水體中的二氧化碳被大量消耗，引起水源的pH急劇上升，可能會導(dǎo)致水體中魚、蝦等動物無法生存，也可能影響水廠生產(chǎn)處理。因此，水體的pH是評價水質(zhì)的一個重要指標(biāo)。如圖4所示，對比有五光照組，我們可以發(fā)現(xiàn)有光照組pH下降的速率較無光照的要慢。而且對于有光照組，隨著粉綠狐尾藻數(shù)量的增加，pH只顯現(xiàn)出略微下降的趨勢，可能是由于粉綠狐尾藻抑制了藻類的生長，減少了水體中二氧化碳的消耗量，使得pH的下降速率要慢于無光照組；另外一方面在無光照條件下植物的呼吸作用大于光合作用，使得水體中產(chǎn)生大量的二氧化碳，導(dǎo)致pH下降較為明顯。

（2）葉綠素

水體中的葉綠素含量可以用于表征水體中藻類的濃度范圍，為了進(jìn)一步驗證培養(yǎng)植物在抑制藻類生長方面的作用，我們檢測了在培養(yǎng)不同數(shù)量粉綠狐尾藻水體中的葉綠素含量。如圖4所示，隨著粉綠狐尾藻數(shù)量的增加，水體中葉綠素含量逐漸下降，其平均值分別為69.6、47.2、42.8 μg/L。因此可以說明粉綠狐尾藻在一定程度上是可以有效抑制藻類的生長，分析其可能的原因是由于粉綠狐尾藻的競爭作用消耗水中的營養(yǎng)鹽，也有可能是因為粉綠狐尾藻在生長過程中能分泌出化感物質(zhì)，抑制了藻類的生長[8-9]。另外，從無光照對照組的結(jié)果可以說明（葉綠素含量平均值低于3μg/L），光照是藻類生長所必需的因素之一。因此，如果能在降低水體中營養(yǎng)鹽的同時，有減少水面的光照量，可以更有效地抑制藻類的生長，進(jìn)而達(dá)到改善水質(zhì)的目的。

4.結(jié)論

粉綠狐尾藻可以有效吸收水體中的N、P等營養(yǎng)源，降低水體的富營養(yǎng)化程度，硝酸鹽氮的去除率為76.3～83.6%，氨氮的去除率為9.7～26.0%，總氮的去除率為41.4～57.7%，總磷的去除率23.4～54.3%。同時，粉綠狐尾藻可以有效抑制藻類的生長，抑制效率隨著植物的數(shù)量而提高。由于粉綠狐尾藻的生長代謝較為旺盛，因此，粉綠狐尾藻可以作為一種有效降低環(huán)境水體中營養(yǎng)鹽的一種植物，用于治理水體富營養(yǎng)化問題和改善微污染水體水質(zhì)。

5.展望

在實際應(yīng)用中，可以將粉綠狐尾藻以較大面積種植于較淺的水域或以浮床的形式種植于較深的水域，同步起到遮蔽陽光和吸收營養(yǎng)鹽的作用，達(dá)到改善水體富營養(yǎng)化，最終達(dá)到抑制藻類生長的目的。然而，這種方法也存在一些缺陷，比如不及時清理腐爛根、莖，可能引起水體的二次污染，以及需較大量的植物修剪等維護(hù)工作等。

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作者簡介

1.國家城市供水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)珠海監(jiān)測站博士；2.廣東海源環(huán)?？萍加邢薰敬T士