不同類型底棲藻對養(yǎng)殖廢水中苦草生長的影響

裴國鳳，李金秋，譚好臣，胡 江

(1 中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，武漢430074；2 濰坊市峽山水庫管理局, 濰坊 261325)

恢復(fù)和構(gòu)建高等水生植物群落尤其是沉水植物是改善富營養(yǎng)化湖泊水質(zhì)的一種有效的手段，但是，如果水體的氮磷濃度過高則會抑制沉水植物的生長[1]，因此，若要在這些淺水富營養(yǎng)化湖泊中恢復(fù)沉水植物，就必須先降低水體的營養(yǎng)負荷[2]. 底棲藻類通過降低水體營養(yǎng)鹽的濃度、吸附和沉淀懸浮沉積物、提高水體透明度，為沉水植物的恢復(fù)創(chuàng)造了條件[3]，對淡水生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)鹽循環(huán)及沉水植物的分布具有重要的影響. 底棲藻墊是以底棲藻類為主要組成成分的生物聚合體. 苦草(Vallisnerianatans)為我國常見的多年生沉水植物,常作為富營養(yǎng)化水體沉水植物恢復(fù)重建品種.

底棲藻墊和苦草混合培養(yǎng)時滯磷能力均增強[4]，藻墊的存在可以減緩高濃度氮磷對苦草的脅迫效應(yīng)[5].將沉水植物苦草和金魚藻分別和底棲藻類混合培養(yǎng)，底棲藻類的生物量顯著減少，表明在淺水湖泊或沼澤中，某些沉水植物能有效地阻止底棲藻墊的過度蔓延生長，以免其破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]. 目前有關(guān)不同類型底棲藻類的存在對苦草生長影響的研究較少，本研究測定了不同類型的底棲藻類(毛枝藻、剛毛藻和底棲藻墊)-苦草處理系統(tǒng)對高營養(yǎng)負荷豬糞廢水中氮磷的去除率、藻墊在不同磷濃度條件下對磷的滯留能力和苦草中丙二醛含量的變化，以探究在高負荷養(yǎng)殖廢水中不同類型底棲藻類對苦草生長的影響，為富營養(yǎng)化淺水水體的磷污染治理及其沉水植物的恢復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料的采集與制備

以大理石(15 cm×8 cm×1 cm)作為人工基質(zhì)，清洗干凈并晾干，置于南湖沿岸(水深20～30 cm)進行原位培養(yǎng)，兩周后將生長有底棲藻類的人工基質(zhì)回收. 毛枝藻和剛毛藻來源于本實驗室培養(yǎng)種，用改良朱氏10號培養(yǎng)液培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為18～22 ℃，每隔2 d更換新鮮培養(yǎng)液，同時清除雜藻和污染[7]. 苦草取樣于武漢植物園某池塘，放置于溫室玻璃缸內(nèi)進行預(yù)培養(yǎng)，預(yù)培養(yǎng)的溫度和光照與后續(xù)實驗相同，預(yù)培養(yǎng)二周后挑取生長狀態(tài)好的苦草用于后續(xù)實驗. 豬糞廢水采集于武漢白沙洲某養(yǎng)豬場.

1.2 設(shè)置與培養(yǎng)條件

實驗設(shè)置5個處理組，每組3個平行. 在玻璃缸(40 cm×30 cm×30 cm)底均勻覆蓋一層約5 cm厚的細沙，將長有底棲藻類的人工基質(zhì)置于沙上，預(yù)培養(yǎng)的苦草均勻置于各處理組系統(tǒng)中，并加入18 L不同磷濃度的豬糞廢水(表1). 在室內(nèi)溫度為22±2 ℃的溫室內(nèi)進行. 以40 W日光燈為光源，同時在每個玻璃缸里設(shè)置1個曝氣頭，并調(diào)節(jié)至相同的曝氣速度，實驗周期為32 d.

表1 實驗設(shè)計和條件

1.3 測定項目

1.3.1 水體理化指標的測定

定期測定各處理系統(tǒng)水體的化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、總?cè)芙庑粤?TDP)、可溶活性磷(SRP)、總氮(TN)和總?cè)芙庑缘?TDN)，參照國家環(huán)保局制定的標準方法[8].

1.3.2 苦草生理指標的測定

實驗開始和結(jié)束時分別測定各組苦草的鮮重，定期測定各組苦草葉片丙二醛(MDA)的含量，MDA 的測定參照文獻[9].

1.3.3 底棲藻類生理指標的測定

實驗開始和結(jié)束時分別測定各組底棲藻墊的鮮重、干重和總磷含量[10]，同時計算底棲藻墊的最大磷去除率(MRP)，參照Guzzon 等的方法[11].

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型底棲藻類對廢水中COD的去除

不同處理系統(tǒng)水體中的COD含量隨處理時間的變化見圖1.可見不同類型底棲藻-苦草處理系統(tǒng)對水體COD均具有良好的去除效果，對水體COD的去除率均大于87%，毛枝藻-苦草系統(tǒng)(A組)、剛毛藻-苦草系統(tǒng)(B組)和藻墊-苦草系統(tǒng)(C組)對水體COD的去除率分別為87.5%、88.2%和92%，其中，藻墊-苦草系統(tǒng)對水體COD的去除率最高，為92%；同時不同磷濃度條件下的藻墊-苦草系統(tǒng)對水體COD的去除結(jié)果表明，在高磷濃度(7.88 mg/L)條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對COD的去除率高于在中、低磷濃度下的去除率.

A)毛枝藻(高磷)；B)剛毛藻(高磷)；C)藻墊(高磷)；D)藻墊(中磷)；E)藻墊(低磷)圖1 不同類型底棲藻-苦草系統(tǒng)對養(yǎng)殖廢水中COD的去除Fig.1 Removal of COD in wastewater with different types of benthic algae- Vallisneria natans systems

2.2 不同類型底棲藻類對廢水中磷的去除

所有處理系統(tǒng)水體的TP、TDP和SRP的濃度隨處理時間的增加而降低(圖2).

A)毛枝藻(高磷)；B)剛毛藻(高磷)；C)藻墊(高磷)；D)藻墊(中磷)；E)藻墊(低磷)圖2 不同類型底棲藻-苦草系統(tǒng)水體磷含量的變化Fig.2 The dynamic changes of phosphorus content in wastewater with different types of benthic algae- Vallisneria natans systems

高磷濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)(C組)對水體中的TP的去除率達到92.7%，高于剛毛藻-苦草系統(tǒng)(B組)和毛枝藻-苦草系統(tǒng)(A組)的去除率(圖2a)；不同磷濃度條件下，藻墊-苦草處理系統(tǒng)在中等磷濃度(4 mg/L)(D組)下對水體中TP的去除效果最好，達到97.4%.絲狀綠藻和底棲藻墊分別處理高磷濃度廢水研究表明，底棲藻墊對廢水中總磷的去除率(70%)高于絲狀綠藻(85%)[12].

本文有類似結(jié)果，在高濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對水體TP的去除率也高于絲狀底棲綠藻-苦草系統(tǒng)的去除率.

各處理系統(tǒng)水體中的TDP含量和TP含量比較接近，說明各處理系統(tǒng)水體中的磷主要以可溶性磷的形式存在(圖2a，2b). 高磷濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對水體TDP的去除率達到92.5%，同樣高于另外兩種系統(tǒng)對水體TDP的去除率(圖2b)；不同磷濃度條件下，藻墊-苦草處理系統(tǒng)在中等磷濃度下對水體中TDP的去除效果最好，達到97.3%.

在高磷濃度下，藻墊-苦草系統(tǒng)和毛枝藻-苦草系統(tǒng)對水體SRP的去除率均達到92%，剛毛藻-苦草系統(tǒng)的去除率為72%；在不同磷濃度條件下，處理前2 d，藻墊高磷濃度組(C組)對水體SRP的去除率最高，中磷濃度組(D組)次之，低磷濃度組(E組)最?。?2 d后，高、中、低磷濃度下的藻墊-苦草處理系統(tǒng)對水體SRP的去除率分別達到92.7%，97.5%，94.0%(圖2b)，其中，中磷濃度下的藻墊-苦草處理系統(tǒng)對水體SRP的去除率最高. 在處理初期，藻墊-苦草系統(tǒng)在高濃度條件時對水體SRP的去除率最高. 其他研究也有相似研究結(jié)果[13].

2.3 不同類型底棲藻類對廢水中氮的去除

各處理系統(tǒng)水體TN含量在前8 d大幅度下降，第8 d時各處理系統(tǒng)對水體TN的去除率已超過56%；在高濃度條件下，毛枝藻-苦草系統(tǒng)(A組)、剛毛藻-苦草系統(tǒng)(B組)和藻墊-苦草系統(tǒng)(C組)對水體TN的去除率分別為91%、84%、94%，其中，毛枝藻-苦草系統(tǒng)和藻墊-苦草系統(tǒng)對水體TN的去除率達到90%以上，藻墊-苦草系統(tǒng)對水體TN的去除率高于毛枝藻-苦草系統(tǒng)(圖3a)；不同氮濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)在中等氮濃度(9 mg/L)(D組)條件下對水體中TN的去除效果最好，達到95.9%，在第8 d時，其對水體TN的去除率已達86%. 這表明當(dāng)?shù)讞孱惡涂嗖莨泊鏁r，系統(tǒng)仍能保持對水體氮磷較高的去除率.

在第8 d各處理系統(tǒng)對水體TDN的去除率均已超過57%；在高濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對TDN的去除率最高，達到93.8%(圖3b)；藻墊-苦草系統(tǒng)在中等氮濃度(9 mg/L)(D組)時對廢水中TDN的去除效果最好，達到95.1%，在第8 d，其對水體TDN的去除率已達91%.

A) 毛枝藻(高磷)；B) 剛毛藻(高磷)；C) 藻墊(高磷)；D) 藻墊(中磷)；E) 藻墊(低磷)圖3 不同類型底棲藻-苦草系統(tǒng)水體氮含量的變化Fig.3 The dynamic changes of nitrogen content in wastewater with different types of benthic algae- Vallisneria natans systems

2.4 不同類型底棲藻類對苦草生長的影響

在實驗開始(第0 d)和結(jié)束(第32 d)時分別測定各處理系統(tǒng)中苦草的鮮重.高濃度條件下的A組、B組、C組中苦草鮮重分別增加約17、22.2和27.5 g，其中，藻墊與苦草混合培養(yǎng)時苦草鮮重增加的最多(表2)，說明和剛毛藻、毛枝藻相比，藻墊與苦草共存時更有利于苦草的生長.

不同處理系統(tǒng)中苦草MDA含量的變化表明(圖4)，前期(第8 d)毛枝藻-苦草系統(tǒng)、剛毛藻-苦草系統(tǒng)和藻墊-苦草系統(tǒng)中苦草MDA含量分別上升了0.017、0.014和0.009 μmol/g，其中，藻墊-苦草系統(tǒng)中苦草MDA含量的增加量明顯小于毛枝藻-苦草系統(tǒng)和剛毛藻-苦草系統(tǒng)中苦草MDA含量的增加量(p<0.05).說明與毛枝藻和剛毛藻相比，藻墊能減小高濃度污染對苦草的傷害；實驗結(jié)束時，這3種處理系統(tǒng)的苦草MDA的含量基本恢復(fù)到處理前的水平，說明底棲藻類能促進苦草對高濃度廢水的適應(yīng).而單獨培養(yǎng)苦草則會受到嚴重脅迫[5].

表2 不同類型底棲藻-苦草系統(tǒng)中苦草生物量的比較 Tab.2 Comparison of Vallisneria natans biomass in different types of benthic algae- Vallisneria natans systems

2.5 不同磷濃度處理對苦草生長的影響

在高(C組)、中(D組)、低磷3種(E組)條件下，分別將藻墊和苦草混合培養(yǎng).在第32 d3種磷濃度條件下的苦草鮮重分別增加約27.5、39.4和18.6 g，其中，中等磷濃度(D組)下苦草鮮重增加的最多(表2)，說明對于藻墊-苦草系統(tǒng)而言，中等磷濃度(約4 mg/L)的水體環(huán)境最適合苦草的生長.

在第8 d，高、中、低3種磷濃度條件下的苦草MDA含量分別上升了0.0087、0.0054和0.0053 μmol/g，其中，中等磷濃度條件下苦草MDA含量的增加量明顯小于高磷濃度下苦草MDA含量的增加量(p<0.05)(圖4)，表明中等磷濃度水體環(huán)境更適合苦草的生長. 苦草的生物量和MDA含量變化表明，藻墊和苦草共培養(yǎng)，且在中等磷濃度條件下，最有利于苦草的恢復(fù)重建.

A)毛枝藻(高磷)；B)剛毛藻(高磷)；C)藻墊(高磷)；D)藻墊(中磷)；E)藻墊(低磷)圖4 不同類型底棲藻-苦草系統(tǒng)中苦草MDA含量的變化Fig.4 The dynamic changes of MDA content of Vallisneria natans in different types of benthic algae- V. natans systems

2.6 不同類型底棲藻類總磷含量的比較

實驗結(jié)束時，毛枝藻、剛毛藻和藻墊的總磷增加量依次約為：3.1 、2.48、0.7 mg/g·DW，其中毛枝藻的總磷增加量最大，約為3.1 mg/g·DW，剛毛藻次之，毛枝藻和剛毛藻的總磷增加量都明顯大于藻墊(p<0.05)，藻墊的總磷增加量最小，約為0.7 mg/g·DW，表明絲狀底棲藻類具有更強的短期磷滯留潛力(表3). 這可能是由于松散的絲狀藻具有良好過濾作用[14]，能為去除水體的懸浮顆粒物質(zhì)提供很大的表面積，進一步增強了其滯磷能力.

表3 不同類型底棲藻類總磷含量的比較

Tab.3 Comparison of total phosphorus content in different types of benthic algae

底棲藻類TP含量(mg·g-1·DW)組別ABC初始時3.05±0.526.15±0.632.62±0.12結(jié)束時6.15±0.558.63±0.423.32±0.24

2.7 不同磷濃度下底棲藻墊的生物量及最大磷去除率比較

高、中、低3種磷濃度條件下藻墊鮮重增加量依次為38.9、28.3和7.6 g，其中，高磷濃度(C組)的藻墊鮮重增加最多，中磷濃度次之，低磷濃度最小(表4)，表明高磷濃度更有利于藻墊生物量的增加. 因此，底棲藻類的生物量隨著氮磷濃度的增大而增加，當(dāng)?shù)诐舛冗_到最高值，其生物量也達到最大值[13,15].

比較不同磷濃度條件下藻墊的最大磷去除率，結(jié)果表明高、中、低3種磷濃度條件下藻墊最大磷去除率依次為3.00、1.99和0.26 mg·m2·d-1，其中，高磷濃度(C組)下藻墊的最大磷去除率最高，為3.0 mg·m2·d-1，中磷濃度次之，低磷濃度最小，為0.26 mg·m2·d-1(表4).

表4 不同磷濃度下底棲藻墊的生物量及最大磷去除率比較

Tab.4 Comparison of biomass and maximum phosphorus removal rate of periphyton mats under different phosphorus concentrations

組別CDE初始時藻墊鮮重/g72.4±0.7372.4±0.6472.4±0.81結(jié)束時藻墊鮮重/g111.3±1.05100.7±0.7280±0.9藻墊最大磷去除率/(mg·m2·d-1)3.001.990.26

3 結(jié)語

(1)藻墊-苦草系統(tǒng)的COD、總磷和總氮的去除率高于剛毛藻、毛枝藻-苦草系統(tǒng).

(2)高濃度的豬糞廢水會對苦草產(chǎn)生短期的逆境脅迫，但底棲藻類的存在，減緩了營養(yǎng)負荷對苦草生長的抑制效應(yīng).

(3)不同類型底棲藻滯留總磷的能力不同，與藻墊相比，絲狀底棲藻具有更強的短期磷滯留潛力.