不同濃度NaCl脅迫下鳶尾生理特性變化及污水凈化效果比較*

亢 瑜 張國珍# 武福平 李耀鋒 尚興寶

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710054；3.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074)

全球氣候變化導(dǎo)致我國西北地區(qū)土壤鹽堿化日趨嚴(yán)重，近年來，種植耐鹽植物開發(fā)鹽堿土地成為一種行之有效的辦法[1]。與此同時(shí)，植物作為人工濕地的重要組成部分，由于可以直接通過吸收作用去除污水中污染物且可通過根系為人工濕地中的微生物輸送氧氣，創(chuàng)造微生物適宜的生存環(huán)境，進(jìn)一步提高去除率，在污水處理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2-4]。鹽脅迫作用于植物體會引起水分虧缺而導(dǎo)致滲透脅迫，在一定范圍內(nèi)植物可通過自身滲透調(diào)節(jié)作用抵抗脅迫，植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化是其抵抗脅迫的具體表現(xiàn)[5]。鹽脅迫會積累活性氧，對于植物細(xì)胞膜等都具有危害作用，而植物體內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化系統(tǒng)酶可防止活性氧積累，起到保護(hù)細(xì)胞的作用。楊玲等[6]研究銀白楊(PopulustomentosaCarr.)在鹽脅迫下的生理響應(yīng)得出結(jié)論：脅迫對銀白楊的光合作用和生長表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用，并且脅迫越強(qiáng)，抑制作用就越大。研究發(fā)現(xiàn)，過高的鹽濃度脅迫對藜草(Chenopodiumalbum)的生長和光合作用抑制作用較強(qiáng)[7]。關(guān)于人工濕地的研究大部分集中于人工濕地對于污水處理效果方面，對于植物耐鹽性研究鮮有報(bào)道。鹽脅迫會誘發(fā)植物體內(nèi)多種結(jié)構(gòu)、性狀和功能的改變,以利于植物更好地適應(yīng)新環(huán)境[8]。因此，研究人工濕地植物在鹽脅迫下的生理特性變化及污水凈化效果對于人工濕地處理含鹽污水的應(yīng)用顯得尤為重要。

本研究以鳶尾(Iristectorum)為供試植物，構(gòu)建垂直流人工濕地，在不同NaCl濃度進(jìn)水影響下，分析鳶尾的生理特性變化及污水凈化效果，為西北地區(qū)人工濕地建設(shè)和人工濕地處理含鹽污水提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

為避免實(shí)際生活污水水質(zhì)波動對試驗(yàn)結(jié)果的影響，本試驗(yàn)以人工配置污水[9]作為系統(tǒng)的進(jìn)水。參考文獻(xiàn)[10]，將NaCl用進(jìn)水溶解，設(shè)置NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0(對照組(CK))、0.5%、1.0%。進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1 人工濕地進(jìn)水水質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

人工濕地試驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置由聚氯乙烯(PVC)塑料桶制作而成，塑料桶直徑500 mm、高900 mm，池內(nèi)由下至上鋪設(shè)200 mm粒徑為30～50 mm的大礫石、200 mm粒徑為10～20mm的小礫石、300 mm土壤作為填料。系統(tǒng)采用直徑為20 mm的穿孔管作為布水管，出水口設(shè)置在桶側(cè)壁底部，濕地表面移植成熟期鳶尾，平均株高28 cm，葉寬約1.8 cm，種植密度為9株/桶，株行距為150 mm×150 mm。濕地系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行至穩(wěn)定后開展試驗(yàn)研究，試驗(yàn)期間，人工濕地水力停留時(shí)間控制為7 d，污染負(fù)荷為4 kg/(m2·d)。

圖1 人工濕地試驗(yàn)裝置Fig.1 The experimental device of constructed wetland

1.3 試驗(yàn)方法

人工濕地系統(tǒng)于2018年4—8月穩(wěn)定運(yùn)行，試驗(yàn)期間，在氣溫為19～32 ℃、水溫為16～21 ℃的條件下研究不同NaCl濃度脅迫下鳶尾生理特性變化和人工濕地對污水凈化效果。系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，通過閥門控制進(jìn)水，每3天采集1次植鳶尾樣品，測定鳶尾葉片丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)、SOD和葉綠素等指標(biāo)，分別采用硫代巴比妥酸法[11]、酸性茚三酮法[12]、氮藍(lán)四唑法[13]和丙酮提取法[14]測定；每7天采集1次水樣，測定COD、TN和TP濃度等指標(biāo)，分別采用快速消解分光光度法、堿性過硫酸鉀消解/紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法測定[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 各鹽度下鳶尾生理特性

MDA是植物處于逆境或器官衰老時(shí)發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，常用來表征細(xì)胞膜脂過氧化程度和對逆境條件反應(yīng)的強(qiáng)弱[16]。不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)污水脅迫下，鳶尾葉片中的MDA變化如圖2(a)所示。同期相比，鳶尾葉片的MDA表現(xiàn)為NaCl為1.0%的污水脅迫>NaCl為0.5%的污水脅迫>CK。在NaCl為1.0%的污水脅迫下，鳶尾葉片內(nèi)膜脂過氧化反應(yīng)最強(qiáng)烈，細(xì)胞膜損傷最嚴(yán)重。脅迫第6周時(shí)，NaCl為1.0%的污水脅迫下鳶尾MDA相對于CK增加了23.24%。由于長期處于脅迫下，細(xì)胞膜損傷程度加重，鳶尾葉片的MDA含量隨脅迫時(shí)間延長呈升高趨勢。

圖2 不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下鳶尾葉片的MDA、Pro、葉綠素和SOD活性隨脅迫時(shí)間的變化Fig.2 Change of MDA,Pro,chlorophyll and SOD activity in the Iris tectorum leaves with stress time in different NaCl mass fraction

Pro是植物體在逆境脅迫下產(chǎn)生的一種非酶保護(hù)體系[17]，可以降低細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)的滲透勢,維持細(xì)胞內(nèi)酶的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象。正常情況下鳶尾葉片的Pro含量并不高，但其受到逆境脅迫時(shí)，含量會產(chǎn)生很大的波動[18]。不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)污水脅迫下，鳶尾葉片的Pro變化如圖2(b)所示。同期相比，鳶尾葉片的Pro表現(xiàn)為NaCl為0.5%的污水脅迫>NaCl為1.0%的污水脅迫>CK，NaCl為0.5%的污水脅迫下鳶尾葉片的Pro含量相對于CK有較大的提高，而NaCl為1.0%的污水脅迫可能超出了鳶尾鹽度適應(yīng)域，Pro含量相對于NaCl為0.5%的污水脅迫有所下降。Pro在鳶尾葉片中積累可減緩脅迫對鳶尾葉片的傷害，因此鳶尾葉片的Pro含量隨脅迫時(shí)間延長總體呈逐漸上升的趨勢，脅迫第6周時(shí)，NaCl為0.5%的污水脅迫下，鳶尾葉片Pro相比CK增加了79.51%。

SOD是植物保護(hù)系統(tǒng)中最重要的酶之一，在植物處于逆境脅迫時(shí)起著重要的作用。不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)污水脅迫下，鳶尾葉片的SOD活性如圖2(c)所示。同期相比，鳶尾葉片的SOD活性表現(xiàn)為NaCl為1.0%的污水脅迫>NaCl為0.5%的污水脅迫>CK。鳶尾葉片的SOD活性隨脅迫時(shí)間延長呈先增加后降低的趨勢，脅迫第3周時(shí)達(dá)到最大值，表明在開始脅迫的3周，鳶尾發(fā)生生理響應(yīng)，體內(nèi)調(diào)節(jié)物質(zhì)保護(hù)了酶系統(tǒng)，脅迫第4周，脅迫強(qiáng)度已達(dá)到鳶尾承受極限，導(dǎo)致酶系統(tǒng)破壞、酶活性降低。

植物葉綠素具有吸收和傳遞光量子的功能,葉綠素的含量是衡量植物利用光能能力的指標(biāo),也是研究植物抗逆性的重要指標(biāo)之一[19]。不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)污水脅迫下，鳶尾葉片中的葉綠素變化如圖2(d)所示。CK中鳶尾葉片的葉綠素含量隨脅迫時(shí)間延長呈升高趨勢，而在NaCl為0.5%和1.0%的污水脅迫下鳶尾葉片葉綠素含量隨脅迫時(shí)間延長呈現(xiàn)降低趨勢。同期相比，鳶尾葉片葉綠素體現(xiàn)為CK>NaCl為0.5%的污水脅迫> NaCl為1.0%的污水脅迫；第6周時(shí)，NaCl為1.0%的污水脅迫下，鳶尾葉片的葉綠素比CK降低58.69%。脅迫強(qiáng)度越大、脅迫時(shí)間越長，對葉綠素含量影響就越大，其主要原因是鳶尾受到鹽脅迫，體內(nèi)的葉綠素酶活性增強(qiáng)，導(dǎo)致了葉綠素加速降解。葉綠素作為鳶尾光合作用最重要的色素之一，一定程度上可表征鳶尾光合作用強(qiáng)弱。在NaCl為0.5%和1.0%的污水脅迫下，鳶尾葉綠素含量相對于CK大幅度降低，說明鹽脅迫抑制了鳶尾的光合作用。

2.2 人工濕地對污水的處理效果

為進(jìn)行對比試驗(yàn)，在構(gòu)建鳶尾人工濕地的同時(shí)構(gòu)建無植物人工濕地，兩種人工濕地處理3種NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)污水的效果如圖3所示。

由圖3可知，無植物人工濕地和鳶尾人工濕地處理3種NaCl含量的污水，在進(jìn)水COD、TN和TP濃度相同的情況下，鳶尾人工濕地出水COD、TN和TP濃度均低于無植物人工濕地，表明濕地植物作為人工濕地的重要組成部分在污水處理中發(fā)揮著重要的作用，而其發(fā)揮作用的主要途徑是植物發(fā)達(dá)的根系為人工濕地中的微生物提供適宜的生存環(huán)境[20]。無植物人工濕地處理CK、NaCl為0.5%和1.0%的污水時(shí)，COD去除率分別為80.77%、69.61%和66.83%，與CK相比，無植物人工濕地處理NaCl為1.0%污水時(shí)，COD去除率降低了13.94百分點(diǎn)；鳶尾人工濕地處理CK、NaCl為0.5%和1.0%的污水時(shí)，COD去除率分別為82.11%、71.45%和69.35%，與CK相比，鳶尾人工濕地處理NaCl為1.0%污水時(shí)，COD去除率降低了12.76百分點(diǎn)。CK時(shí)，兩種人工濕地出水COD均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)，鳶尾人工濕地處理NaCl為0.5%的污水時(shí)，出水COD達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)。無植物人工濕地處理CK、NaCl為0.5%和1.0%的污水時(shí)，TN去除率分別為85.72%、79.66%和74.24%，與CK相比，無植物人工濕地處理NaCl為1.0%污水時(shí)，TN去除率降低了11.48百分點(diǎn)；鳶尾人工濕地處理CK、NaCl為0.5%和1.0%的污水時(shí)，TN去除率分別為90.61%、84.54%和77.73%，與CK相比，鳶尾人工濕地處理NaCl為1.0%污水時(shí)，TN去除率降低了12.88百分點(diǎn)。無植物人工濕地處理CK、NaCl為0.5%和1.0%的污水時(shí)，TP去除率分別為57.01%、46.10%和37.90%，與CK相比，無植物人工濕地處理NaCl為1.0%污水時(shí)，TP去除率降低了19.11百分點(diǎn)；鳶尾人工濕地處理CK、NaCl為0.5%和1.0%的污水時(shí)，TP去除率分別為59.15%、49.79%和39.67%，與CK相比，鳶尾人工濕地處理NaCl為1.0%污水時(shí)，TP去除率降低了19.48百分點(diǎn)。隨著污水鹽度升高，無論是無植物人工濕地還是鳶尾人工濕地，對COD、TN和TP的去除率都逐漸降低，表明污水中鹽濃度對于人工濕地處理污水有較大的影響。

圖3 人工濕地對COD、TN和TP的去除效果Fig.3 The removal of COD,TN and TP by constructed wetlands

3 結(jié) 論

(1) 隨著污水鹽度升高、脅迫時(shí)間延長，鳶尾葉片的MDA含量增高，NaCl為1.0%的污水脅迫下，脅迫第6周時(shí)MDA相比CK增加了23.24%，鳶尾葉片細(xì)胞膜發(fā)生損傷；Pro含量也隨脅迫時(shí)間延長總體呈增高趨勢，NaCl為0.5%的污水脅迫下，脅迫第6周時(shí)Pro相比CK增加了79.51%，鳶尾抵抗脅迫滲透調(diào)節(jié)能力降低；SOD活性在脅迫第3周達(dá)到最大值，此后活性下降，鳶尾自身酶保護(hù)系統(tǒng)破環(huán)。鳶尾葉片的葉綠素含量隨鹽度升高而降低，NaCl為1.0%的污水脅迫下，脅迫第6周時(shí)葉綠素比CK降低58.69%，鹽脅迫抑制了鳶尾的光合作用。

(2) 鳶尾人工濕地處理同等鹽度污水的COD、TN和TP去除率均高于無植物人工濕地，鳶尾在人工濕地污水處理系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用；隨著污水鹽度升高，無植物濕地COD、TN和TP去除率分別從80.77%、85.72%和57.01%降低到66.83%、74.24%和37.90%，鳶尾濕地COD、TN和TP去除率分別從82.11%、90.61%和59.15%降低到69.35%、77.73%和39.67%。污水含鹽量越小，人工濕地處理效果越好。