3種塊莖類挺水植物的凈水效能及資源化利用

褚淑祎，賴政鋼，李 鍔，邵建雷，黃志達(dá),5，肖繼波,

（1.溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 溫州 325006；2.溫州大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 溫州 325035；3.甌北鎮(zhèn)人民政府，浙江 溫州 325012；4.溫州創(chuàng)源環(huán)境科技有限公司，浙江 溫州 325036；5.溫州市工業(yè)科學(xué)研究院，浙江 溫州 325028）

由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，中國水體污染較為嚴(yán)重[1?2]。利用水生植物及其根系負(fù)載生物膜的吸收、吸附和降解作用，并通過收獲植物移除水中污染物，是一種簡單易行、成本低廉且極具景觀效應(yīng)的技術(shù)，在污染水體治理中得到了廣泛應(yīng)用[3?4]。然而，實(shí)踐表明，該技術(shù)運(yùn)維過程中需定期對水生植物進(jìn)行修剪、收割，否則植物殘?bào)w腐爛后，植物體內(nèi)吸收的物質(zhì)將重新釋放進(jìn)入水體，造成二次污染[5?6]。近年來，由于植物養(yǎng)護(hù)不到位，許多河道出現(xiàn)生態(tài)修復(fù)效果不穩(wěn)定，水質(zhì)反彈等現(xiàn)象。近幾年生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)表明，中國大部分水體主要污染物為氮磷營養(yǎng)物質(zhì)，主要污染源為生活污水[7]。污染水體實(shí)為營養(yǎng)過剩的場所，在水域上種植生物量大、營養(yǎng)吸收能力強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)作物，一方面降低水中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，另一方面也能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，刺激植物的養(yǎng)護(hù)工作，保障植物治理效果的長效穩(wěn)定。根莖類淀粉在世界淀粉產(chǎn)量中占有重要的比例。由于淀粉植物資源豐富、價(jià)廉、生物可降解，各國一直十分重視淀粉植物資源的開發(fā)、利用和研究[8?9]。美人蕉Cannaindica、黃菖蒲Iris pseudacorus和水芋Callapalustris為污染水體修復(fù)中常見的挺水植物，生物量大、具塊莖。目前，關(guān)于此類植物塊莖的資源化開發(fā)和利用鮮見報(bào)道。本研究以這3種挺水植物為研究對象，考察其對污染水體中氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的凈化能力，分析植物塊莖淀粉產(chǎn)量，探討塊莖資源化利用的可行性和潛在風(fēng)險(xiǎn)，以期為塊莖類水生植物的應(yīng)用和資源化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為污染水體治理提供一種新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

塊莖類水生植物美人蕉、黃菖蒲和水芋均取自浙江溫州河道，采用自來水清洗去除泥土后，自來水預(yù)培養(yǎng)2周待用。

霍格蘭營養(yǎng)液：硫酸鎂493 mg·L?1，鐵鹽2.5 mL，微量元素5 mL。其中鐵鹽：七水硫酸亞鐵2.78 g，乙二胺四乙酸二鈉3.73 g，溶于500 mL去離子水。微量元素：碘化鉀0.830 mg，硼酸6.200 mg，硫酸錳22.300 mg，硫酸鋅8.600 mg，鉬酸鈉0.250 mg，硫酸銅0.025 0 mg，氯化鈷0.025 0 mg，溶于1 L去離子水。

1.2 方法

1.2.1 植物的凈化性能 試驗(yàn)裝置采用上部內(nèi)徑30.5 cm、下部內(nèi)徑25.5 cm、高32 cm、容積17 L的塑料桶。選擇生長良好，高度基本一致的3種植物(高20 cm)，稱取鮮質(zhì)量后移栽于直徑20 cm、厚5 cm的泡沫板上。采用磷酸二氫鉀(KH2PO4)、氯化銨(NH4Cl)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% Hoagland營養(yǎng)液配制試驗(yàn)用水，體積為 14 L，初始氨氮(NH4+-N)、總磷 (TP)質(zhì)量濃度分別為7.37～7.53和 0.41～0.45 mg·L?1。每種植物3個(gè)重復(fù)，并設(shè)不種植物的空白對照。試驗(yàn)開始后，隔4 d添加少量蒸餾水至刻度線，補(bǔ)充蒸發(fā)水量。試驗(yàn)在溫州大學(xué)簡易溫室進(jìn)行，溫度為21～31 ℃，周期為20 d。

隔4 d采集水樣，當(dāng)天測定氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3?-N)、總氮(TN)和總磷(TP)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。試驗(yàn)結(jié)束，取出植物，蒸餾水清洗后稱鮮質(zhì)量，將植株根、莖、葉、塊莖分開，放入烘箱，105 ℃殺青0.5 h，75 ℃烘干至恒量，稱取植物干質(zhì)量，測定植物各部組織中磷、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.2 植物塊莖對重金屬的富集能力 選擇生長良好，高度基本一致的3種植物(高20 cm)各3株，分別放入塑料桶(大小與1.2.1中的相同)，以污染水體中常見的重金屬Cu2+、Zn2+、Cr3+、Pb2+為研究對象，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% Hoagland營養(yǎng)液{上述配方中添加硝酸鈣[Ca(NO3)2·4H2O] 945 mg·L?1，硝酸鉀(KNO3) 506 mg·L?1，硝酸氨 (NH4NO3) 80 mg·L?1，磷酸二氫鉀 (KH2PO4) 136 mg·L?1}配制重金屬污染水體，體積為 14 L，Cu2+、Zn2+、Cr3+、Pb2+初始質(zhì)量濃度分別為 2.01～2.08、2.56～2.87、0.22～0.26、0.24～0.26 mg·L?1。周期為20 d，每種植物設(shè)置3個(gè)重復(fù)，以不加重金屬處理為對照。

1.2.3 淀粉提取 將塊莖切塊后放入攪碎機(jī)，攪至泥狀，置于燒杯。加水?dāng)嚢杌靹颍眉啿歼^濾，加水洗滌3次。濾液于陰涼處靜置24 h，傾去3/4左右上層液體，余下部分放入離心機(jī)，2 000 r·min?1離心10 min，傾去上層液體，沉淀物置于烘箱中，30 ℃烘干至恒量，冷卻至室溫，稱量。

1.3 樣品采集與分析

水中總磷和氨氮質(zhì)量濃度參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)[10]，總氮質(zhì)量濃度采用TOC/TN分析儀測定，重金屬質(zhì)量濃度通過火焰原子吸收光譜儀測定。植物組織中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過濃硫酸(H2SO4)-混合催化劑法消解后，用全自動凱氏定氮儀測定；磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用濃H2SO4-H2O2法消解后，通過釩鉬黃比色法測定[11]。塊莖中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用酒石酸銅滴定法分析，淀粉中重金屬質(zhì)量濃度采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICP-OES測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件處理，數(shù)據(jù)比較采用單因素方差分析(Turkey HSD)，Origin 8.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3 種植物的凈化性能

2.1.1 水中氮去除效果 從圖1可見：3種植物對氮均具有良好的凈化能力。試驗(yàn)期間，植物處理組氨氮和總氮去除率均顯著高于對照(P＜0.05)，且前期差異更為顯著。美人蕉和水芋組氨氮去除率以12 d為節(jié)點(diǎn)，分為快速增長和趨于平緩2個(gè)階段。處理12 d，美人蕉和水芋組氨氮去除率分別達(dá)100%和95.9%。處理期間，黃菖蒲組氨氮去除率隨時(shí)間增加而增大，未出現(xiàn)明顯的節(jié)點(diǎn)。對照組氨氮去除率變化與美人蕉及水芋組相反，處理12 d內(nèi)，氨氮去除率增加緩慢，后去除率增加顯著。20 d時(shí)，植物處理氨氮質(zhì)量濃度由 7.37～7.53 mg·L?1降至 0.01～0.07 mg·L?1，滿足 GB 3 838?2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》之Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值要求，去除率達(dá)99.1%～99.9%，對照組氨氮去除率為34.1%。

圖 1 3種植物對水中氮去除效能Figure 1 Nitrogen removal by three plant species

3種植物對總氮的去除率變化趨勢基本一致，均可分為快速增加和緩慢增加2個(gè)階段。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，植物處理組總氮降至0.61～0.91 mg·L?1，去除率達(dá)91.7%～94.5%。對照組總氮去除率隨時(shí)間呈上升趨勢，20 d時(shí)，總氮降至9.45 mg·L?1，去除率為16.5%。3種植物對氮的凈化能力無顯著差異。

研究表明：水中氮的去除途徑為植物同化吸收、根系吸附、氨揮發(fā)及硝化反硝化[12]。當(dāng)pH＜8.5時(shí)，氨揮發(fā)作用較小[13]。從圖1可見：3種植物處理組氨氮去除率均大于總氮。分析認(rèn)為可能存在微生物作用，一部分氨氮經(jīng)微生物的作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。但3種植物根系表面生物膜量較少，水中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度較低(硝態(tài)氮質(zhì)量濃度＜0.05 mg·L?1)，故氮的去除主要為植物的吸收作用，這與其他研究結(jié)果一致[14?15]。靜止水體易滋生藻類。后期對照水面出現(xiàn)少量藻類，藻類的吸收作用可能為對照氨氮和總氮去除的主要原因。

2.1.2 水中磷去除效果 植物處理促進(jìn)水中磷的去除。處理4 d，美人蕉、黃菖蒲和水芋處理組總磷去除率分別為36.9%、38.8%和49.6%，較對照高32.4%、34.3%和45.1%(圖2)。與氮變化相似，植物處理總磷去除率也呈現(xiàn)2個(gè)階段：快速增加和緩慢變化。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，植物處理總磷質(zhì)量濃度降至0.025～0.031 mg·L?1，滿足 GB 3 838?2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》之Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值要求，去除率為90.2%～94.0%。3種植物總磷去除率從大到小依次為美人蕉、黃菖蒲、水芋。試驗(yàn)8 d后，對照處理總磷去除率快速升高，20 d時(shí)，總磷質(zhì)量濃度降至0.14 mg·L?1，去除率為68.9%。對照組總磷去除率較高有2個(gè)原因，一是藻類吸收，二是水中部分磷酸根離子與Hoagland營養(yǎng)液中Mg2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+等金屬離子形成沉淀。

圖 2 3種植物對水中總磷去除效能Figure 2 Phosphorus removal by three plant species

2.2 植物組織中營養(yǎng)物質(zhì)分布

2.2.1 植物的生物量變化 3種植物生長良好，沒有出現(xiàn)葉片枯黃、腐爛等現(xiàn)象，植物生物量有不同程度的增加。20 d時(shí)，黃菖蒲、美人蕉和水芋平均生物量分別由136.0、138.1、140.0 g增至168.9、242.2、176.8 g，增幅分別為24.2%、75.3%和26.3%?？梢?，3種植物中，美人蕉的生物量增量最高，黃菖蒲和水芋則沒有顯著差異。吳建強(qiáng)等[16]和洪瑜等[17]采用浮床植物吸收水體氮磷時(shí)，也發(fā)現(xiàn)美人蕉的生物量增量遠(yuǎn)大于黃菖蒲。

圖 3 3種植物組織中氮和磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Figure 3 Contents of phosphorus and nitrogen in the tissues of three plant species

2.2.2 植物組織中氮磷分布 20 d時(shí)，植物組織中氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖3所示。黃菖蒲無法分離莖和塊莖，故而無莖數(shù)據(jù)。從圖3可見，不同植物，氮磷的組織分布差異顯著(P＜0.05)，同一植物，氮和磷在組織中的分布也不相同。美人蕉組，根、莖、葉、塊莖中氮和磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均無顯著差異，各組織中氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 14.58～20.19 和 3.04～3.54 mg·kg?1。黃菖蒲塊莖中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為 30.30 mg·kg?1，分別比根、葉高15.2%和30.6%；磷則根中較高，葉和塊莖中無顯著差異。水芋中氮主要在葉中積累，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)39.4 mg·kg?1，高于其他組織62.1%～79.9%；莖、葉和塊莖中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異，但均顯著(P＜0.05)高于根組織。對比3種植物塊莖，黃菖蒲中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著(P＜0.05)高于其他2種植物；黃菖蒲與水芋的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異，但均高于美人蕉。

2.3 植物塊莖中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、重金屬富集能力

2.3.1 植物塊莖中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析 黃菖蒲、美人蕉和水芋塊莖中，提取淀粉量分別為61.3、14.1和64.0 g·kg?1。考慮到試驗(yàn)周期較短，塊莖產(chǎn)量較低。在溫州某河道內(nèi)劃定3個(gè)相鄰的100 m2水域，分別種植黃菖蒲、美人蕉和水芋，8個(gè)月后收獲植株，取塊莖，得到3種植物的塊莖產(chǎn)量分別為23.3、8.5和4.1 kg。因而，黃菖蒲、美人蕉和水芋塊莖中可回收的淀粉量分別為14.3、1.2、2.6 kg·m?2。由此可見，種植黃菖蒲可得到相對較高的淀粉產(chǎn)量。

2.3.2 植物塊莖對重金屬的富集能力 3種植物對重金屬具有良好的凈化能力。20 d時(shí)，植物處理組Cu2+、Zn2+、Cr3+和 Pb2+質(zhì)量濃度分別降至 0.13～0.43、0.09～0.15、0.04～0.07 和 0.05～0.06 mg·L?1(圖 4)，優(yōu)于GB 3 838?2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》之Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。3種植物對4種重金屬的凈化能力各異，黃菖蒲處理組4種重金屬的去除率從大到小依次為Zn2+(96.8%)、Cr3+(83.8%)、Cu2+(79.1%)、Pb2+(77.5%)；美人蕉組依次為Zn2+(94.3%)、Cu2+(93.7%)、Pb2+(74.9%)、Cr3+(69.7%)；水芋組則依次為Zn2+(96.2%)、Cu2+(84.7%)、Pb2+(80.5%)、Cr3+(74.4%)。20 d 時(shí)，黃菖蒲塊莖淀粉中銅、鋅、鉻和鉛平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 10.30、46.7、12.03 和 1.74 mg·kg?1，美人蕉塊莖淀粉中4種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為12.68、44.67、8.15 和 1.32 mg·kg?1，水芋塊莖淀粉中 4 種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)則依次為19.28、66.91、9.63和3.97 mg·kg?1。這與水中重金屬的去除率數(shù)據(jù)一致。由此可見，植物塊莖中具有較高的重金屬富集量。因此，污染水體中共存重金屬時(shí)，不建議對植物塊莖進(jìn)行資源化利用。

圖 4 3種植物處理組水中重金屬質(zhì)量濃度Figure 4 Concentrations of heavy metals in the water of three plant treatments

3 結(jié)論

黃菖蒲、美人蕉、水芋3種塊莖類挺水植物對水中氮磷具有良好的凈化能力。氨氮、總磷初始質(zhì)量濃度分別為7.37～7.53、0.41～0.45 mg·L?1時(shí)，試驗(yàn)20 d時(shí)，植物處理組氨氮、總氮、總磷質(zhì)量濃度分別降至 0～0.10、0.61～0.91、0.025～0.031 mg·L?1。滿足 GB 3 838?2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》之Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值要求。3種植物生長良好，未出現(xiàn)葉片枯黃、腐爛等現(xiàn)象。20 d時(shí)，黃菖蒲、美人蕉和水芋生物量(平均值)分別增加24.2%、7.3%和26.3%，塊莖組織中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30.30、24.26，14.73 mg·kg?1，磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.14、3.04和4.74 mg·kg?1。黃菖蒲、美人蕉和水芋塊莖中淀粉提取量分別為61.3、14.1和64.0 g·kg?1。河道100 m2植物種植區(qū)，8個(gè)月后，黃菖蒲、美人蕉和水芋塊莖可回收淀粉量分別為 14.3、1.2、2.6 kg·m?2。

3種植物對水中Cu2+、Zn2+、Cr3+、Pb2+具有良好的凈化效果。黃菖蒲處理組4種重金屬的去除率從大到小依次為 Zn2+(96.8%)、Cr3+(83.8%、Cu2+(79.1%)、Pb2+(77.5%)；美人蕉組依次為 Zn2+(94.3%)、Cu2+(93.7%)、Pb2+(74.9%)、Cr3+(69.7%)； 水 芋 組 則 依 次 為 Zn2+(96.2%)、Cu2+(84.7%)、Pb2+(80.5%)、Cr3+(74.4%)。黃菖蒲塊莖淀粉中銅、鋅、鉻和鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.30、46.7、12.03和1.74 mg·kg?1，美人蕉依次為 12.68、44.67、8.15 和 1.32 mg·kg?1，水芋則為 19.28、66.91、9.63 和 3.97 mg·kg?1。污染水體中共存重金屬時(shí)，不建議對植物塊莖進(jìn)行資源化利用。