氮磷濃度變化下粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)規(guī)律研究

高懷駿，陸慶楠，莊鐵鋼，鄒淇煬，許 瀝

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州311112）

0 引言

近年來(lái)，環(huán)境污染問(wèn)題日益得到關(guān)注。在工業(yè)點(diǎn)源污染不斷得到治理的同時(shí)，受農(nóng)業(yè)面源污染影響[1-2]，大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素隨著農(nóng)田化肥、農(nóng)村生活污水以及養(yǎng)殖廢水等排入水中，已成為中國(guó)江河、湖泊、水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要誘導(dǎo)因素[3-4]。水體富營(yíng)養(yǎng)化引起藻類(lèi)大量生長(zhǎng)，水體溶解氧含量迅速下降，導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)等水生生物死亡，水生植物衰退，降低生物多樣性，使脆弱的水生生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[5-6]，極易造成水體黑臭化。

目前，對(duì)于污水和污染水體的治理技術(shù)主要包括生態(tài)濾池、穩(wěn)定塘、生物膜等生態(tài)治理技術(shù)[7]。研究表明，利用以粉綠狐尾藻為代表的水生植物吸收、凈化污水中的氮磷元素效果顯著。且具有低成本、低能耗、無(wú)污染、資源循環(huán)等特點(diǎn)[8]。Souza等[9]利用粉綠狐尾藻處理污水的研究表明，30天后，粉綠狐尾藻對(duì)氨氮、總氮、總磷去除率分別可達(dá)98.6%、88.3%、93.6%。童昌華[10]、宋福[11]、喬建榮[12]等知名專(zhuān)家學(xué)者研究也發(fā)現(xiàn)狐尾藻具有較強(qiáng)的氮、磷去除效果。金樹(shù)權(quán)等[13]研究發(fā)現(xiàn)，狐尾藻對(duì)總氮、總磷的去除率與植物凈增生物量呈正相關(guān)關(guān)系。學(xué)界在狐尾藻對(duì)氮、磷的去除機(jī)理和效果方面的研究成果較多，但關(guān)于粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)特性與污染物氮、磷濃度間的關(guān)系研究較少。本文探究在不同氨氮、硝氮、總磷濃度下，通過(guò)測(cè)定各實(shí)驗(yàn)組植株的分枝數(shù)、植株長(zhǎng)度及鮮重等指標(biāo)，分析粉綠狐尾藻在氮磷濃度變化下的生長(zhǎng)情況，以期得到氮磷濃度變化下粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)規(guī)律。研究成果可以為管理、維護(hù)粉綠狐尾藻生態(tài)凈水系統(tǒng)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用粉綠狐尾藻，取自重慶市銅梁區(qū)。前期統(tǒng)一采用Hogland營(yíng)養(yǎng)液馴養(yǎng)15天。供試水體采用分析純蒸餾水，適量添加其他營(yíng)養(yǎng)元素。培養(yǎng)箱材質(zhì)為白色透明聚丙烯塑料，尺寸規(guī)格為39 cm×28 cm×21 cm，容積0.022 m3。采用蒸餾水添加氯化銨(NH4Cl)、硝酸鉀(KNO3)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)，以配置不同水平的氮磷濃度營(yíng)養(yǎng)液。

1.2 試驗(yàn)處理

采用室外完全隨機(jī)試驗(yàn)，截取10 g粉綠狐尾藻（長(zhǎng)度約35 cm）放置于已配好營(yíng)養(yǎng)液(15 L)的培養(yǎng)箱中，設(shè)置5個(gè)氨氮濃度、5個(gè)硝氮濃度、5個(gè)總磷濃度，其余變量處理(T)均相同（見(jiàn)表1）。試驗(yàn)期間每天18點(diǎn)補(bǔ)充分析純蒸餾水以保持培養(yǎng)液恒為15 L。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共計(jì)42個(gè)處理。

表1 試驗(yàn)變量處理設(shè)計(jì)表 mg/L

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

試驗(yàn)期間，每天采用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)定狐尾藻莖粗、采用精度為0.01 cm的直尺測(cè)定植株長(zhǎng)度、采用精度為0.01 g的天平測(cè)定鮮重、肉眼數(shù)出粉綠狐尾藻的分枝數(shù)。試驗(yàn)期間，每天采用Multi 3501 IDS SET 4測(cè)定培養(yǎng)液中溶解氧含量和水溫，采用Soil Stik pH Meter測(cè)定pH。試驗(yàn)場(chǎng)地配備HOBO Remote Monitoring System氣象站，可測(cè)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0ffice 2016軟件統(tǒng)計(jì)處理數(shù)據(jù)、繪制圖表。采用SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)性分析、方差分析、單因素顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植株長(zhǎng)度、鮮重

各處理?xiàng)l件下粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)情況可通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量的粉綠狐尾藻分枝數(shù)、莖粗、植株長(zhǎng)度、鮮重表示。通過(guò)分析測(cè)量所得數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)莖粗的變化極小，不宜作為指標(biāo)來(lái)表征粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)情況。為盡可能精確地描述粉綠狐尾藻生長(zhǎng)變化規(guī)律，本研究選取分枝數(shù)、植株長(zhǎng)度、鮮重3個(gè)指標(biāo)作為研究對(duì)象。其中分枝數(shù)由于個(gè)數(shù)較少，分布的區(qū)間較小（均在0～8的范圍內(nèi)），因此對(duì)分枝個(gè)數(shù)不進(jìn)行單因素顯著性分析，僅使用其個(gè)數(shù)表征狐尾藻的生長(zhǎng)狀況。對(duì)植株長(zhǎng)度、鮮重進(jìn)行方差分析和單因素顯著性分析，綜合對(duì)三者的分析，初步得到氮、磷濃度變化下粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)規(guī)律。

表2、表3為試驗(yàn)期間測(cè)得的不同時(shí)間各處理粉綠狐尾藻植株的長(zhǎng)度、鮮重。從表中可以看出，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)，各處理植株的長(zhǎng)度、鮮重均有明顯增長(zhǎng)，且培養(yǎng)時(shí)間越長(zhǎng)，各處理植株的長(zhǎng)度、鮮重差異越顯著。

表2 不同時(shí)期各處理植株長(zhǎng)度表

表3 不同時(shí)期各處理植株鮮重表

2.2 氨氮濃度變化對(duì)粉綠狐尾藻生長(zhǎng)狀況的影響

取氨氮濃度為自變量時(shí)，硝氮濃度和總磷濃度分別控制為10 mg/L和5 mg/L。從圖1中可以看出，氨氮濃度變化下，不同處理的粉綠狐尾藻植株長(zhǎng)度和鮮重均具有顯著性差異，且兩者具有相似的變化規(guī)律。分枝數(shù)由于個(gè)數(shù)較少，且隨機(jī)性較大，故規(guī)律性不明顯，可作為參考指標(biāo)分析粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)情況?？梢钥闯雠囵B(yǎng)12天和30天的粉綠狐尾藻分枝個(gè)數(shù)隨著氨氮濃度的增加，均呈現(xiàn)波動(dòng)變化，且在氨氮濃度為25 mg/L時(shí)為最大值。粉綠狐尾藻的長(zhǎng)度與鮮重均隨著氨氮濃度的升高呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，說(shuō)明氨氮濃度的變化對(duì)粉綠狐尾藻的影響具有雙重性，符合氨氮濃度對(duì)植物生長(zhǎng)的作用規(guī)律。在濃度為25 mg/L時(shí)，所測(cè)量的12天與30天長(zhǎng)度與鮮重均為同一時(shí)間各處理中的最大值。且高氨氮濃度（高于25 mg/L）下，粉綠狐尾藻生長(zhǎng)受到抑制，說(shuō)明25 mg/L為最適宜粉綠狐尾藻生長(zhǎng)的氨氮濃度。馬永飛[14]的研究結(jié)果也表明，在此氨氮濃度附近，粉綠狐尾藻對(duì)污水中氮的去除效果最好。因此在利用粉綠狐尾藻去除污水中氨氮時(shí)，可以將污水的氨氮濃度經(jīng)預(yù)處理控制在25 mg/L左右。

圖1 不同氨氮濃度下粉綠狐尾藻的分枝數(shù)、長(zhǎng)度及鮮重變化情況

2.3 硝氮濃度變化對(duì)粉綠狐尾藻生長(zhǎng)情況的影響

取硝氮濃度為自變量時(shí)，氨氮濃度和總磷濃度分別控制為10 mg/L和5 mg/L。硝氮濃度變化下，由于培養(yǎng)時(shí)間較短，培養(yǎng)12天的粉綠狐尾藻分枝數(shù)無(wú)明顯變化。相對(duì)而言，培養(yǎng)30天后的粉綠狐尾藻分枝數(shù)在不同硝氮濃度下差異顯著。當(dāng)硝氮濃度從5 mg/L變化至35 mg/L時(shí)，狐尾藻分枝數(shù)隨硝氮濃度的升高先增后減，明顯體現(xiàn)了硝氮對(duì)粉綠狐尾藻生長(zhǎng)影響的雙重性。硝氮濃度為15 mg/L時(shí)，粉綠狐尾藻分枝數(shù)為8，為各個(gè)處理中的最大值，并且顯著大于其他各組處理。硝氮濃度變化下，粉綠狐尾藻的鮮重與長(zhǎng)度變化趨勢(shì)具有明顯的一致性。培養(yǎng)12天的粉綠狐尾藻長(zhǎng)度、鮮重與氨氮濃度變化時(shí)具有相似規(guī)律，均隨硝氮濃度的增加先增后減，且15 mg/L為其閾值。培養(yǎng)30天的粉綠狐尾藻長(zhǎng)度、鮮重在硝氮濃度為5～25 mg/L時(shí)也符合該變化規(guī)律，但當(dāng)硝氮濃度增加到35 mg/L后，鮮重出現(xiàn)小幅回升。這是因?yàn)橄醯獫舛仍黾拥?5 mg/L時(shí)，12天內(nèi)粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)由于硝氮濃度過(guò)高而受到抑制，鮮重減少。但隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，水體中的硝氮濃度不斷下降，對(duì)粉綠狐尾藻生長(zhǎng)的抑制作用減小，所以30天后粉綠狐尾藻鮮重出現(xiàn)小幅上升。硝氮濃度大于35 mg/L后，培養(yǎng)30天的粉綠狐尾藻長(zhǎng)度、鮮重變化規(guī)律仍需要進(jìn)一步研究。綜合分析分枝數(shù)、植株長(zhǎng)度及鮮重3個(gè)指標(biāo)，可得最適宜粉綠狐尾藻生長(zhǎng)的硝氮濃度為15 mg/L左右。相關(guān)方面，Jampeetong[15]和Dai[16]的研究結(jié)果還表明水生植物對(duì)氨氮的去除率要高于硝氮。所以在對(duì)污水進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，可以著重對(duì)硝氮進(jìn)行處理，氨氮的去除則可以充分發(fā)揮粉綠狐尾藻的作用。

2.4 總磷濃度變化對(duì)粉綠狐尾藻生長(zhǎng)情況的影響

取總磷濃度為自變量時(shí)，氨氮濃度和硝氮濃度均控制為10 mg/L?？偭诐舛茸兓拢劬G狐尾藻的生長(zhǎng)規(guī)律與氨氮和硝氮濃度變化下有所不同。其中，12天后分枝數(shù)在總磷濃度小于15 mg/L時(shí)，與總磷濃度呈正相關(guān)關(guān)系。總磷濃度大于15 mg/L后，分枝數(shù)保持不變。30天后的分枝數(shù)僅在總磷濃度為10 mg/L時(shí)有所下降，整體與12天后分枝數(shù)變化規(guī)律相似?？偭诐舛茸兓?，粉綠狐尾藻長(zhǎng)度和鮮重的變化規(guī)律具有明顯的一致性。培養(yǎng)12天后的粉綠狐尾藻長(zhǎng)度和鮮重均隨著總磷濃度的升高而增長(zhǎng)，但由于培養(yǎng)時(shí)間較短，粉綠狐尾藻生長(zhǎng)并不充分，所以12天后各組別的長(zhǎng)度、鮮重差異較小。30天后的長(zhǎng)度和鮮重變化趨勢(shì)極顯著，除總磷濃度為25 mg/L時(shí)略有下降外，基本與總磷濃度呈正相關(guān)關(guān)系。且T14長(zhǎng)度、鮮重最大，且顯著高于其他組別。說(shuō)明，在總磷濃度小于35 mg/L時(shí)，總磷濃度的增加整體對(duì)粉綠狐尾藻生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，這與劉嫦娥[17]的研究結(jié)果“在中度污染底質(zhì)條件下，水體中污染物濃度與粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)”相一致。但適宜粉綠狐尾藻生長(zhǎng)的總磷濃度閾值仍需進(jìn)一步研究。

圖2 不同硝氮濃度下粉綠狐尾藻的分枝數(shù)、長(zhǎng)度及鮮重變化情況

圖3 不同總磷濃度下粉綠狐尾藻的分枝數(shù)、長(zhǎng)度及鮮重變化情況

3 討論與結(jié)論

水生植物通過(guò)自身生長(zhǎng)發(fā)育、代謝可以吸收降低水體中大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)素，從而對(duì)治理水體富營(yíng)養(yǎng)化、赤潮、水華等起到卓有成效的作用。金樹(shù)權(quán)[13]等研究發(fā)現(xiàn)，狐尾藻對(duì)總氮、總磷的去除率與植物凈增生物量呈正相關(guān)關(guān)系。馬永飛等[14]研究發(fā)現(xiàn)，與單一的氨處理相比，氨硝比為3:1或1:1時(shí)，粉綠狐尾藻生物量和莖高均有顯著增加，且氨硝比為3:1時(shí)，其生長(zhǎng)狀態(tài)最好。本文研究了生長(zhǎng)受氨氮、硝氮、總磷3個(gè)因素濃度變化的影響，考慮因素增加。濃度變化下，粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)情況具有顯著差異。氨氮濃度變化下，粉綠狐尾藻植株長(zhǎng)度、鮮重隨氨氮濃度的升高先增后減，且25 mg/L為最適宜其生長(zhǎng)的氨氮濃度。硝氮濃度變化下，其生長(zhǎng)規(guī)律與氨氮濃度變化下具有相似規(guī)律，最適宜生長(zhǎng)的硝氮濃度為15 mg/L左右。氨硝比為5:3，與馬永飛的研究接近?？偭诐舛茸兓?，粉綠狐尾藻植株長(zhǎng)度、鮮重變化規(guī)律與氨氮、硝氮變化下有所不同。在35 mg/L范圍內(nèi)，植株長(zhǎng)度、鮮重與總磷濃度呈正相關(guān)關(guān)系，未發(fā)現(xiàn)閾值，因此粉綠狐尾藻對(duì)總磷的耐受極限需進(jìn)一步研究。三者濃度變化范圍均在0～35 mg/L，高濃度氨氮、硝氮、總磷對(duì)其生長(zhǎng)的影響還需深入研究。濃度范圍內(nèi)，進(jìn)一步研究氮磷去除效果與其生長(zhǎng)的關(guān)系能夠?yàn)槔盟参飪羲峁├碚撝С帧１疚难芯渴墙⒃谖廴疚餄舛瘸跏紬l件給定情況下的，對(duì)過(guò)程中有污染物繼續(xù)輸入的情況還需進(jìn)一步設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行研究。

粉綠狐尾藻應(yīng)用于污水處理時(shí)，不僅自身可以同化吸收大量的氮、磷等物質(zhì)[20],而且可以為微生物提供氧氣和棲息場(chǎng)所，促進(jìn)微生物對(duì)水質(zhì)的凈化[18-19]。本文通過(guò)氨氮、硝氮、總磷濃度的變化研究粉綠狐尾藻是生長(zhǎng)受三者的影響，發(fā)現(xiàn)粉綠狐尾藻生長(zhǎng)受氨氮、總磷濃度變化影響顯著，受硝氮濃度變化影響較前兩個(gè)因素小。氨硝比為5:3時(shí)最適宜其生長(zhǎng)。將污水中的氨氮、硝氮濃度經(jīng)預(yù)處理分別控制在25 mg/L、15 mg/L左右，再以粉綠狐尾藻為主構(gòu)建生態(tài)凈水系統(tǒng)，有利于粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)，以提高粉綠狐尾藻對(duì)水體的凈化能力。