粉綠狐尾藻凈水效果對氮磷濃度的響應(yīng)機制

陸慶楠，賀宇欣，莊文化，李龍國，王 偉

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100000)

近年來,水體受人類生活污染、工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)污染影響，水質(zhì)惡化嚴(yán)重。尤其受到農(nóng)業(yè)面源污染[1]影響，導(dǎo)致大量氮、磷[2]等營養(yǎng)素大面積排入水中，從而頻繁爆發(fā)赤潮、水華等水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，2013年，我國東海水域、長江口水域富營養(yǎng)化指數(shù)分別為3.2、5.0，分別達(dá)到中度、重度富營養(yǎng)化水平；2014年，東海發(fā)生赤潮次數(shù)共計27次，赤潮累計影響面積約2 509 km2[3,4]。更有研究表明，近幾十年來，全球范圍內(nèi)的氮、磷營養(yǎng)素通過河流向海岸帶的輸送量分別增加了2.5和2.0倍[5]。水體富營養(yǎng)化會引起藻類及其他浮游生物大量繁殖，從而使水體中溶解氧含量迅速下降，導(dǎo)致魚類等水生生物死亡，導(dǎo)致水生植物尤其是沉水植物大量衰退[6-8]，進(jìn)而水體更加惡化，對其他生態(tài)系統(tǒng)造成惡劣影響，后果不堪設(shè)想。

以沉水植物粉綠狐尾藻為主構(gòu)建生態(tài)凈水系統(tǒng)的生物方法[9]近年來被發(fā)現(xiàn)在凈水方面卓有成效。粉綠狐尾藻對水體富營養(yǎng)物質(zhì)的去除既可以通過根系，也可以通過莖葉吸收、轉(zhuǎn)化、利用。同時因其還能去除某些重金屬及其他有毒物質(zhì)、抑制藻類繁殖、對溫度變化耐受性好、生物量積累較快、適應(yīng)性強等優(yōu)點，常常被選為凈水的先鋒植物。湖南省已有農(nóng)戶采用粉綠狐尾藻生態(tài)濕地技術(shù)處理養(yǎng)殖廢水，效果顯著，效益明顯。川渝地區(qū)池塘、河溝、沼澤等地廣布粉綠狐尾藻，但應(yīng)用實例卻很少。諸多學(xué)者研究表明，狐尾藻對氮磷具有去除效果，對氨氮具有很強的偏好性和耐受性[10]，30 d后狐尾藻對氨氮、總磷的去除率分別可達(dá)到91.7%[11]、98.6%[12]。金樹權(quán)[13]等研究發(fā)現(xiàn)，狐尾藻對TN、TP的去除率與植物凈增生物量呈正相關(guān)關(guān)系。Xu W W[14]、Ye C[15]等研究發(fā)現(xiàn)狐尾藻對水質(zhì)的凈化增效作用大于本身的直接吸收作用。但粉綠狐尾藻對氮磷的去除效果與水體中氮磷濃度的關(guān)系研究較少，凈水效果與污染物濃度的響應(yīng)機制有待研究。本文探究粉綠狐尾藻在不同氨氮、硝氮、總磷濃度梯度作用下，對氨氮、硝氮、總磷的去除效果，以期得到去除率與氮磷濃度的響應(yīng)機制。研究結(jié)果可為在川渝地區(qū)推廣粉綠狐尾藻生態(tài)濕地技術(shù)處理養(yǎng)殖廢水，治理水體富營養(yǎng)化等提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用粉綠狐尾藻取自重慶市銅梁區(qū)。將粉綠狐尾藻帶回四川大學(xué)水利水電學(xué)院水利水電工程試驗中心，統(tǒng)一采用Hogland營養(yǎng)液馴養(yǎng)15 d。供試水體采用分析純蒸餾水。培養(yǎng)箱規(guī)格為39 cm(長)×28 cm(寬)×21 cm(高)，容積22 dm3，材質(zhì)為白色透明聚丙烯塑料。采用氯化銨(NH4Cl)、硝酸鉀(KNO3)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)配置不同的氮磷梯度。

1.2 試驗處理

采用室外完全隨機試驗，截取10 g粉綠狐尾藻(長度約35 cm)放置于已配好營養(yǎng)液(15 L)的培養(yǎng)箱中，設(shè)置不同濃度梯度水平的氨氮、硝氮、總磷為自變量，其余變量處理均相同(見表1)。試驗每天18∶00補充純蒸餾水以保持培養(yǎng)液恒為15 L。每個處理3個重復(fù)，共計42個處理。試驗于2017年7月1日至8月30日在四川大學(xué)水利水電學(xué)院水利水電工程試驗中心進(jìn)行。

表1 試驗變量處理設(shè)計表 mg/L

1.3 測定指標(biāo)和方法

自試驗開始每隔6 d測定培養(yǎng)液中氨氮、硝氮、總磷含量，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定、硝氮采用酚二磺酸分光光度法測定、總磷采用鉬酸鹽分光光度法測定；試驗期間，每天采用Multi 3501 IDS SET 4測定培養(yǎng)液中溶解氧含量和水溫，采用Soil Stik pH Meter測定pH。試驗場地配備HOBO Remote Monitoring System氣象站，可測定區(qū)域氣溫、降水、濕度等區(qū)域小氣候。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用office 2007統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)、繪制圖表。采用SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)性分析、單因素顯著性分析、方差分析和模型建立。

2 結(jié)果與討論

試驗期間，各培養(yǎng)箱內(nèi)水溫處于21.7～38.6 ℃，pH值處于6.07～8.42，溶解氧濃度處于6.41～8.02 mg/L，其他區(qū)域小氣候指標(biāo)適宜，未見異常。各處理培養(yǎng)箱內(nèi)氨氮、硝氮、總磷含量見表2、表3、表4?？梢钥闯?，隨著時間增長，氨氮、硝氮、總磷濃度變化下，培養(yǎng)箱內(nèi)氨氮、硝氮、總磷殘余量越來越少，且各處理差異顯著。

2.1 氨氮、硝氮、總磷濃度變化對氨氮去除率的影響

從圖1可以看出，氨氮濃度變化下，試驗各處理氨氮去除率組間差異不顯著。氨氮濃度為25 mg/L時，氨氮去除率開始受到抑制。12 d后，隨著氨氮濃度的提高，氨氮去除率出現(xiàn)了先增后減的趨勢，并在氨氮濃度為25 mg/L時氨氮去除率為70.09%，達(dá)到了最大值。說明隨著氨氮濃度的升高，粉綠狐尾藻吸收氮的生理活動處于先促進(jìn)后被抑制的過程。試驗條件下，在25 mg/L時，粉綠狐尾藻吸收氨氮的強度最高，對水中氨氮的去除效果最好。說明它對氨氮的耐受極限為25 mg/L。硝氮濃度變化下，12、30 d后，氨氮去除率組間差異顯著，硝氮濃度為15 mg/L時，氨氮去除率開始受到抑制。隨著硝氮的濃度的增加，粉綠狐尾藻對于氨氮的去除效果表現(xiàn)出與氨氮濃度增加類似的規(guī)律，并在硝氮濃度為15 mg/L時，粉綠狐尾藻的吸收氨氮的強度最高，對水中氨氮的去除效果最好。說明粉綠狐尾藻對硝氮的耐受極限為15 mg/L?？偭诐舛茸兓?，12 d后，氨氮去除率組間差異顯著，且去除率與總磷濃度呈正相關(guān)關(guān)系。而30 d后，組間差異不顯著，說明總磷濃度變化顯著影響粉綠狐尾藻在前中期對氨氮的去除效果。隨著總磷的濃度增加，粉綠狐尾藻對于氨氮的去除效果一直增加并沒有出現(xiàn)高濃度抑制其生理活動的現(xiàn)象，說明在35 mg/L以下濃度范圍內(nèi)，總磷濃度升高會有效促進(jìn)水體中氨氮的吸收，同時對于30 d后的去除效果，總磷濃度的增加也使去除率增加。粉綠狐尾藻對總磷的耐受極限需進(jìn)一步研究。

表2 培養(yǎng)箱內(nèi)氨氮含量Tab.2 The content of ammonia nitrogen in the culture box

注：①表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，下同；②表中不同小寫字母表示同一處理不同時間下培養(yǎng)箱內(nèi)氨氮剩余量差異顯著水平(p<0.05)。

表4 培養(yǎng)箱內(nèi)總磷含量Tab.4 The content of total phosphorus in the culture box

圖1 不同氨氮、硝氮、總磷濃度變化下粉綠狐尾藻對氨氮的去除率Fig.1 Removal rate of ammonia nitrogen under different ammonia nitrogen, nitrous nitrogen and total phosphorus

2.2 氨氮、硝氮、總磷濃度變化對硝氮去除率的影響

從圖2可以看出，氨氮、硝氮、總磷濃度變化下，硝氮去除率組間差異不顯著。12 d后，隨氨氮濃度增加，硝氮去除率反而降低，氨氮濃度達(dá)到25 mg/L時，硝氮去除率開始回升。而30 d后，則表現(xiàn)出相反規(guī)律。說明氨氮濃度變化，影響粉綠狐尾藻前期對硝氮的吸收。粉綠狐尾藻對氨氮具有高親和性，優(yōu)先吸收水體中氨氮，再吸收利用其他氮源。這與金春華[10]的研究結(jié)果一致。隨著氨氮濃度的增加，粉綠狐尾藻的氨氮吸收能力得到促進(jìn)但是硝氮的吸收能力被抑制，且促進(jìn)和抑制效應(yīng)都存在相同的濃度閾值，李靖[16]、馬永飛[17]的研究也有類似結(jié)果。硝氮濃度變化下，30 d后，各組硝氮去除率平穩(wěn)，說明硝氮去除率受硝氮濃度變化影響不大。隨著硝氮濃度增加，12 d后的硝氮去除率在硝氮濃度達(dá)到25 mg/L之前幾乎不受其濃度的影響，但是在其濃度達(dá)到35 mg/L時候，水體對粉綠狐尾藻形成逆境脅迫，影響了植物的正常生理活動，抑制粉綠狐尾藻正常生長，降低了去除能力。而隨著水體中總磷濃度的增加，粉綠狐尾藻對于硝氮的去除效果沒有明顯的促進(jìn)和抑制作用。此外，通過實驗現(xiàn)象可以看出，硝氮去除率明顯低于氨氮和總磷，說明夏季高溫條件下粉綠狐尾藻對于硝氮的吸收作用弱于氨氮和總磷。

圖2 不同氨氮、硝氮、總磷濃度變化下粉綠狐尾藻對硝氮的去除率Fig.2 Removal rate of nitrous nitrogen under different ammonia nitrogen, nitrous nitrogen and total phosphorus

2.3 氨氮、硝氮、總磷濃度變化對總磷去除率的影響

從圖3可以看出，氨氮濃度變化下，12 d后總磷去除率組間差異不顯著，但30 d后，T5與其他組別差異顯著。氨氮含量為25 mg/L時，總磷去除率達(dá)到最高，超過25 mg/L時，去除效果受到抑制。硝氮濃度變化下，總磷去除率與氨氮濃度變化規(guī)律類似，但抑制點出現(xiàn)在硝氮濃度為15 mg/L處?？偭诐舛茸兓?，12、30 d后總磷去除率組間差異不顯著。相比12 d的實驗結(jié)果，粉綠狐尾藻在30 d后對總磷的去除效果受氨氮、硝氮、總磷濃度的變化表現(xiàn)得更加敏感。水體中氨氮和硝氮的濃度增加不能有效提高12 d后的粉綠狐尾藻對總磷的吸收能力，但是30 d后，分別在氨氮25 mg/L和硝氮15 mg/L時，致使總磷的去除率達(dá)到了最大值。此外，水體中總磷的濃度與30 d后的總磷去除率呈現(xiàn)明顯正相關(guān)關(guān)系。通過試驗發(fā)現(xiàn)，對于不同時期的粉綠狐尾藻，總磷的去除率水平明顯高于氨氮和硝氮，且其受營養(yǎng)物質(zhì)濃度的影響是在30 d后。這表明：相較于氨氮和硝氮，粉綠狐尾藻對于總磷的耐受能力更強，而且吸收能力更強，其凈水作用更加適合于總磷超標(biāo)水體。這與方焰星[18]的研究結(jié)果一致。

圖3 不同氨氮、硝氮、總磷濃度變化下粉綠狐尾藻對硝氮的去除率Fig.3 Removal rate of total phosphorus under different ammonia nitrogen, nitrous nitrogen and total phosphorus

3 結(jié) 論

試驗條件下，12 d后，各處理能去除培養(yǎng)箱中大部分的氨氮和總磷，氨氮、總磷去除率平均分別達(dá)到58.12%、64.60%，而硝氮較低，為36.04%。30 d后，各組對氨氮、硝氮、總磷的去除率分別達(dá)到78.1%～81.1%、59.1%～63.9%、85.7%～91.9%，表現(xiàn)出總磷去除率>氨氮去除率>硝氮去除率。該結(jié)果表明，夏季高溫天氣，粉綠狐尾藻對氨氮、總磷的去除效果明顯。這與童昌華[11]，Souza[12]的研究結(jié)果一致。Jampeetong[19]和Dai[20]的研究結(jié)果也表明水生植物對氨氮的去除率要高于硝氮。

粉綠狐尾藻對氨氮、硝氮、總磷的去除效果受氨氮、總磷濃度變化響應(yīng)強烈，受硝氮濃度變化影響不大。氨氮、硝氮含量分別為25、15 mg/L時，是粉綠狐尾藻發(fā)揮最優(yōu)凈水效果的濃度。而粉綠狐尾藻對總磷的耐受極限還需進(jìn)一步研究。在初始污染物濃度固定情況下，氨氮濃度(25 mg/L)閾值內(nèi)，氨氮含量愈高，硝氮去除率愈底。粉綠狐尾藻在氮源污染物中對氨氮表現(xiàn)出更高親和性。待氨氮被吸收利用后，再吸收利用硝氮。而總磷含量愈高，植株生長更旺盛，氨氮、硝氮、總磷去除率較其他組別最高?？偭组撝颠€需進(jìn)一步研究。本文發(fā)現(xiàn)，夏季條件下，粉綠狐尾藻更適合凈化高磷水體。污染物排放需經(jīng)過預(yù)處理使氨氮、硝氮濃度降至25、15 mg/L時，能更好發(fā)揮粉綠狐尾藻對氨氮、硝氮的去除效果。本文研究是建立在污染物濃度初始條件給定情況下的，對過程中有污染物繼續(xù)輸入的情況還需進(jìn)一步研究。