不同濕地植物及組配對(duì)中藥廢水的凈化效果研究

蘇麗婭，金愛(ài)暉

（1.呼和浩特職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020；2.四川城市職業(yè)學(xué)院，四川成都610110）

近年來(lái)國(guó)家對(duì)中藥行業(yè)發(fā)展愈發(fā)重視，中藥、中成藥生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展迅猛，同時(shí)由于中藥廢水處理技術(shù)滯后造成對(duì)水體和土壤環(huán)境嚴(yán)重破壞，如何提升中藥廢水的凈化效果已成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一〔1〕。中藥廢水具有成分復(fù)雜、有機(jī)污染物濃度高、懸浮物多、氨氮含量高、色度大及生物毒性高等特點(diǎn)，是典型的難降解工業(yè)廢水〔2〕。

目前國(guó)內(nèi)外主要采用一級(jí)降解加二級(jí)生化處理的方法進(jìn)行制藥廢水凈化（如“組合氣浮+UASB”工藝），凈化效果與2008年新修訂的《中藥類制藥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 21906—2008）要求常存在一定差距，尚需增加三級(jí)處理來(lái)進(jìn)一步凈化，費(fèi)用十分昂貴〔3〕。利用人工濕地進(jìn)行污水凈化，具有投資成本低、操作簡(jiǎn)便、凈化效果佳及美化環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，已成功應(yīng)用于生活污水、養(yǎng)殖廢水、造紙廢水、含油廢水及煤礦廢水等眾多種類污水處理中〔4-5〕。濕地植物是構(gòu)建人工濕地系統(tǒng)的核心，其種類和組配是決定濕地系統(tǒng)對(duì)廢水凈化效果的關(guān)鍵因素〔6-7〕。目前關(guān)于適宜中藥廢水的人工濕地植物篩選研究較為薄弱，而利用不同濕地植物組合進(jìn)行中藥廢水凈化的研究尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

本研究以蘆葦、三棱水蔥、再力花、石菖蒲、燈心草和梭魚(yú)草等6種濕地植物為試驗(yàn)材料，分析不同濕地植物對(duì)中藥廢水脅迫的響應(yīng)及凈化效果，篩選出適宜凈化中藥廢水的濕地植物并進(jìn)行隨機(jī)組配，以期獲得最佳的濕地植物組合方案，從而為利用人工濕地系統(tǒng)凈化中藥廢水提供一定的參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用蘆葦、三棱水蔥、再力花、石菖蒲、燈心草、梭魚(yú)草共6種濕地植物，取自呼和浩特市南湖濕地公園和石人灣濕地保護(hù)區(qū)；試驗(yàn)采用塑料水培箱（尺寸120 cm×100 cm×60 cm）模擬人工濕地，栽培土壤為南湖公園濕地土壤（厚20 cm），每箱種植24株；中藥制藥廢水來(lái)自內(nèi)蒙古大唐藥業(yè)有限公司中藥加工炮制車間經(jīng)預(yù)處理后排放的廢水，其水質(zhì)：COD（288.62±31.45）mg/L、BOD5（256.36±18.71）mg/L、NH4+-N（45.92±4.16）mg/L、TN（106.75±13.48）mg/L、固體懸浮物（226±48.38）mg/L、色度（216±42.25）倍。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年5月16日開(kāi)始進(jìn)行，選取大小、長(zhǎng)勢(shì)一致的植株進(jìn)行移栽，株高和根長(zhǎng)分別為25 cm左右和18 cm左右；每箱種植1種濕地植物，待生長(zhǎng)情況穩(wěn)定后開(kāi)始進(jìn)行中藥制藥廢水脅迫試驗(yàn)。

濕地植物對(duì)中藥制藥廢水的抗逆性試驗(yàn)和凈化效果比較試驗(yàn)，設(shè)6個(gè)處理，即分別向栽植6種濕地植物的水培箱中加入0.5 L制藥廢水，以加入等量清水栽培作為抗逆性試驗(yàn)對(duì)照（CK1），以加入等量廢水且不栽培濕地植物作為凈化效果比較試驗(yàn)對(duì)照（CK2），每個(gè)處理3次重復(fù)。整個(gè)試驗(yàn)期間，確保所有處理具有相同的環(huán)境條件（日間光強(qiáng)為20 000 Lux，晝夜溫度分別為32、20℃，濕度為52%），通過(guò)添加自來(lái)水來(lái)補(bǔ)充植物消耗和蒸發(fā)的水分；脅迫時(shí)間達(dá)到60 d時(shí)，測(cè)定各處理的植株生長(zhǎng)指標(biāo)、生理指標(biāo)和廢水凈化相關(guān)指標(biāo)，篩選對(duì)中藥制藥廢水耐受性和凈化效果俱佳的濕地植物。

不同濕地植物組合凈化效果比較試驗(yàn)，將篩選出的4種濕地植物（假設(shè)為A、B、C、D）進(jìn)行隨機(jī)組合配置，組成A-B-C、A-B-D、A-C-D、B-C-D、AB-C-D 5個(gè)處理，組合中各類植株等量種植，以凈化效果最佳的濕地植物為對(duì)照（CK3），每個(gè)處理重復(fù)3次；脅迫時(shí)間達(dá)到60 d時(shí)，進(jìn)行各組合廢水凈化指標(biāo)測(cè)定，篩選最佳濕地植物組合。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

株高、根長(zhǎng)采用直尺進(jìn)行測(cè)定；干重采用烘干法測(cè)定；植物葉片超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）活性測(cè)定分別采用抑制NBT光還原比色法、愈瘡木酚法和紫外分光光度法測(cè)定；總抗氧化能力（T-AOC）采用ABTS法測(cè)定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸比色法；質(zhì)膜透性采用相對(duì)電導(dǎo)率法測(cè)定；COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定；BOD5采用稀釋培養(yǎng)法測(cè)定；TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)定；NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；固體懸浮物（SS）采用濾紙烘干法測(cè)定；色度采用稀釋倍數(shù)法測(cè)定；廢水污染物去除率根據(jù)去除前后濃度變化值進(jìn)行計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理、計(jì)算和作圖采用Excel 2010軟件；不同處理的差異顯著性分析采用SPSS18.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 中藥制藥廢水對(duì)不同濕地植物生長(zhǎng)的影響

生長(zhǎng)狀況可間接反映出濕地植物對(duì)中藥制藥廢水的耐受性。制藥廢水對(duì)濕地植物生長(zhǎng)的影響見(jiàn)表1。

表1 中藥制藥廢水對(duì)6種濕地植物生長(zhǎng)的影響

濕地植物的生物量顯著降低，且不同濕地植物降低幅度存在明顯差異。與CK1（凈水種植）相比，中藥制藥廢水脅迫下的蘆葦、三棱水蔥、再力花、石菖蒲、燈心草和梭魚(yú)草株高分別顯著降低30.84%、31.11%、43.64%、42.69%、31.33%、23.64%（P＜0.05）；根長(zhǎng)分別顯著降低16.96%、17.86%、26.31%、22.09%、18.67%、15.46%（P＜0.05）；干重分別顯著降低23.41%、28.60%、42.20%、35.39%、27.60%、22.18%（P＜0.05）；根冠比則分別提升8.89%、6.82%、6.98%、5.77%、9.76%、6.25%，均未達(dá)到顯著差異水平（P＞0.05）。這說(shuō)明，不同濕地植物對(duì)中藥制藥廢水具有不同的耐受性，由強(qiáng)到弱依次為梭魚(yú)草＞蘆葦＞燈心草＞三棱水蔥＞石菖蒲＞再力花。

2.2 中藥制藥廢水對(duì)不同濕地植物抗氧化活性的影響

抗氧化活性可間接反映植物對(duì)活性氧的清除能力，主要由抗氧化酶和抗氧化劑組成，是衡量植物抗逆性強(qiáng)弱的重要因素〔8〕。制藥廢水對(duì)濕地植物抗氧化活性的影響見(jiàn)圖1。

圖1 中藥制藥廢水對(duì)6種濕地植物抗氧化活性的影響

濕地植物的總抗氧化能力和抗氧化酶活性均顯著提升，且不同濕地植物提升幅度存在明顯差異。與CK1（凈水種植）相比，制藥廢水脅迫下的蘆葦、三棱水蔥、再力花、石菖蒲、燈心草、梭魚(yú)草的SOD活性分別顯著提升33.08%、31.48%、20.43%、23.56%、29.87%、35.73%（P<0.05）；POD活性分別顯著提升46.50%、50.48%、38.85%、36.68%、50.71%、52.92%（P<0.05）；CAT活性分別提升50.65%、56.99%、40.82%、39.74%、51.25%、59.45%（P<0.05）；T-AOC分別顯著提升67.90%、86%、46.61%、43.15%、66.46%、107.41%（P<0.05）。這說(shuō)明濕地植物通過(guò)提升抗氧化活性來(lái)提高中藥制藥廢水脅迫下的活性氧清除能力，從而緩解氧化損傷提高耐受性，其中梭魚(yú)草抗氧化活性最高，依次為三棱水蔥、蘆葦和燈心草。

2.3 中藥制藥廢水對(duì)不同濕地植物膜質(zhì)過(guò)氧化的影響

逆境脅迫下植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，如果不及時(shí)清除會(huì)對(duì)細(xì)胞造成氧化損傷，MDA含量和質(zhì)膜透性是衡量膜質(zhì)過(guò)氧化程度的重要指標(biāo)。制藥廢水對(duì)濕地植物膜質(zhì)過(guò)氧化的影響見(jiàn)圖2。

圖2 中藥制藥廢水對(duì)6種濕地植物膜質(zhì)過(guò)氧化的影響

濕地植物的MDA含量和膜質(zhì)透性顯著提升，膜質(zhì)過(guò)氧化程度明顯加劇，且不同濕地植物的提升幅度存在明顯差異。與CK1（凈水種植）相比，制藥廢水脅迫下的蘆葦、三棱水蔥、再力花、石菖蒲、燈心草和梭魚(yú)草的MDA含量分別顯著提升3.61、2.83、4.86、4.79、4.61、3.47倍（P<0.05）；質(zhì)膜透性分別顯著提升1.63、1.43、2.36、2.28、1.84、1.11倍（P<0.05）。這說(shuō)明中藥廢水可加重濕地植物膜質(zhì)過(guò)氧化，其中梭魚(yú)草膜質(zhì)過(guò)氧化程度最輕，依次為三棱水蔥、蘆葦和燈心草，這主要是由于梭魚(yú)草較高的抗氧化活性賦予其具有較強(qiáng)的活性氧清除能力，從而減輕膜質(zhì)過(guò)氧化。

2.4 不同濕地植物對(duì)中藥制藥廢水的凈化效果比較

濕地植物對(duì)制藥廢水的凈化效果見(jiàn)圖3。

圖3 6種濕地植物對(duì)中藥制藥廢水的凈化效果

濕地植物凈化作用明顯，且不同濕地植物的凈化能力存在明顯差異。與CK2（未種植植物）相比，分別種植蘆葦、三棱水蔥、再力花、石菖蒲、燈心草和梭魚(yú)草的模擬人工濕地對(duì)COD的去除率分別顯著提升5.16、5.82、4.05、4.29、4.94、6.01倍（P＜0.05）；BOD5去 除 率 分 別 顯 著 提 升3.39、4.02、2.56、2.73、3.27、3.46倍（P＜0.05）；TN去 除 率 分 別 顯 著 提 升6.02、5.33、4.19、4.25、5.04、6.34倍（P＜0.05）；NH4+-N去除率分別顯著提升6.66、7.15、5.23、5.36、6.18、7.41倍（P＜0.05）；固體懸浮物去除率分別提高7.16、7.99、6.13、6.34、7.33、7.73倍（P＜0.05）；色度去除率分別提高4.55、5.41、3.79、3.93、4.70、5.75倍（P＜0.05）。這說(shuō)明濕地植物可明顯凈化中藥制藥廢水，且不同濕地植物的凈化效果存在明顯差異，其中梭魚(yú)草對(duì)COD、TN、NH4+-N和色度去除率最高，而三棱水蔥則對(duì)BOD5和固體懸浮物去除率最高，蘆葦和燈心草凈化能力次之。

2.5 不同濕地植物組配方式對(duì)中藥制藥廢水的凈化效果比較

不同濕地植物具有各自的凈化優(yōu)勢(shì)，組合使用可充分發(fā)揮各種植物的長(zhǎng)處，凈化效果顯著優(yōu)于單一植物凈化。濕地植物組配對(duì)制藥廢水凈化效果見(jiàn)表2。

表2 不同植物配置對(duì)中藥制藥廢水的凈化效果 %

濕地植物組配可進(jìn)一步提升凈化效果，且不同組合凈化效果存在明顯差異。與梭魚(yú)草模擬人工濕地相比，梭魚(yú)草-三棱水蔥-蘆葦-燈心草配置的模擬人工濕地對(duì)中藥制藥廢水的凈化效果顯著提升，COD、BOD5、TN、NH4+-N、固體懸浮物、色度去除率分別提升15.76%、23.53%、14.57%、16.33%、8.66%、17.47%（P＜0.05），凈化效果也顯著優(yōu)于梭魚(yú)草-三棱水蔥-蘆葦?shù)绕渌?種組合配置。這說(shuō)明，濕地植物組合配置可明顯提高模擬人工濕地對(duì)中藥制藥廢水的凈化效果，且不同組合配置的凈化效果存在明顯差異，以梭魚(yú)草-三棱水蔥-蘆葦-燈心草配置凈化效果最 佳，COD、BOD5、TN、NH4+-N、固體懸浮物和色度去除率分別達(dá)到82.36%、80.65%、85.38%、86.69%、96.33%、80.49%。

3 討論

污水中富含N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可為濕地植物生長(zhǎng)發(fā)育提供所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，有助于促進(jìn)濕地植物生長(zhǎng)，提高生物量〔9〕。本研究結(jié)果表明，中藥廢水對(duì)6種濕地植物的生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用，植株株高、根長(zhǎng)、干重均顯著降低（P＜0.05），且不同濕地植物下降幅度存在明顯差異，由高到低依次為再力花＞石菖蒲＞三棱水蔥＞燈心草＞蘆葦＞梭魚(yú)草。本結(jié)果與劉冉等〔9〕對(duì)養(yǎng)殖廢水、李龍山等〔10〕對(duì)生活污染研究結(jié)果存在出入，而與王巧芳等〔11〕對(duì)含鹽污水的研究結(jié)果一致，其原因可能是養(yǎng)殖廢水、生活污水中含有大量的N、P等植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，有助于提高植物光合作用，促進(jìn)植物生長(zhǎng)；而中藥廢水中污染物成分與養(yǎng)殖廢水和生活污水存在較大差別，可能含有對(duì)植物生長(zhǎng)不利的污染物，進(jìn)而對(duì)植物生長(zhǎng)造成抑制。

逆境脅迫下植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生和積累大量的活性氧，不及時(shí)清除會(huì)對(duì)植物細(xì)胞造成氧化損傷和代謝紊亂，其中MDA含量和膜質(zhì)透性是衡量膜質(zhì)過(guò)氧化程度的重要指標(biāo)〔12〕；植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成了一套自身保護(hù)機(jī)制，常通過(guò)提高自身的保護(hù)酶（如POD、SOD、CAT和APX等）活性和抗氧劑含量（如抗壞血酸AsA、谷胱甘肽GsH等）來(lái)清除體內(nèi)過(guò)量的活性氧，緩解活性氧傷害，維持代謝平衡〔13〕。本研究結(jié)果表明，中藥廢水脅迫顯著提升了6種濕地植物葉片的MDA含量和膜質(zhì)透性，膜質(zhì)過(guò)氧化程度加?。粷竦刂参锿ㄟ^(guò)提高自身的抗氧化能力、SOD、POD和CAT活性來(lái)及時(shí)清除體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧，避免大量積累，從而緩解氧化損傷，其中梭魚(yú)草抗氧化活性最高、膜質(zhì)過(guò)氧化程度最輕，依次為三棱水蔥、蘆葦和燈心草。本結(jié)果與孫瑞蓮等〔14〕研究結(jié)果較為一致，這說(shuō)明梭魚(yú)草對(duì)中藥廢水的耐受性最強(qiáng)，其次為三棱水蔥、蘆葦和燈心草，該結(jié)果與生物量研究結(jié)果基本一致。

濕地植物是濕地系統(tǒng)的核心，不僅可以通過(guò)根莖截留和吸收富集等直接去除廢水污染物，而且可為根區(qū)微生物輸送生長(zhǎng)、繁殖及分解有機(jī)物所需的氧氣，從而進(jìn)一步提高濕地系統(tǒng)的凈化能力〔6〕。本研究結(jié)果表明，與CK2（未種植植物）相比，6種濕地植物均可對(duì)中藥廢水起到一定的凈化作用，且不同濕地植物去除污染物的優(yōu)勢(shì)各異，其中梭魚(yú)草對(duì)COD、TN、NH4+-N和色度去除率最高，而三棱水蔥則對(duì)BOD5和固體懸浮物去除率最高，蘆葦和燈心草凈化能力次之。本結(jié)果與劉冉等〔9-10〕研究結(jié)果基本一致，即濕地植物凈化能力差異與自身生長(zhǎng)特性及對(duì)廢水的耐受性密切相關(guān)。

為了充分發(fā)揮濕地植物在制藥廢水中的凈化作用，進(jìn)一步提高凈化效果和濕地景觀美化效果，在對(duì)單一濕地植物凈化效果研究的基礎(chǔ)上，本研究選取了對(duì)制藥廢水具有較好凈化效果和耐受性的4種濕地植物進(jìn)行隨機(jī)組配。結(jié)果表明，濕地植物組合配置可進(jìn)一步提升對(duì)中藥制藥廢水的凈化效果，其中梭魚(yú)草-三棱水蔥-蘆葦-燈心草配置的模擬人工濕地對(duì)中藥廢水的凈化效果最佳，COD、BOD5、TN、NH4+-N、固體懸浮物、色度去除率分別達(dá)到82.36%、80.65%、85.38%、86.69%、96.33%、80.49%，凈化效果顯著優(yōu)于梭魚(yú)草單一植物濕地及梭魚(yú)草-三棱水蔥-蘆葦?shù)绕渌?種組合配置。本結(jié)果與杜甫義等〔7，15〕研究結(jié)果較為一致，其原因可能是濕地植物組合配置可充分利用不同濕地植物的凈化優(yōu)勢(shì)，從而有助于提高濕地系統(tǒng)整體的凈化效果。

4 結(jié)語(yǔ)和展望

制藥廢水可顯著抑制6種濕地植物生長(zhǎng)，其中梭魚(yú)草受損傷程度最輕，其次為三棱水蔥、蘆葦和燈心草。不同濕地植物對(duì)制藥廢水的凈化效果存在顯著差異，梭魚(yú)草-三棱水蔥-蘆葦-燈心草配置模式對(duì)制藥廢水的凈化效果最佳，COD、BOD5、TN、NH4+-N、固體懸浮物、色度去除率分別達(dá)到82.36%、80.65%、85.38%、86.69%、96.33%、80.49%。本結(jié)果可為凈化制藥廢水人工濕地構(gòu)建中濕地植物的選擇提供一定的參考和借鑒。