植物凈化低C/N污水時根系DOC釋放與氮磷去除規(guī)律研究

唐 倩，黃健盛，吳 杰，馮含宇，陳雙扣

（1.重慶科技學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，重慶，401331；2.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院，重慶，401331）

C/N比是生物法去除廢水中污染物（主要是N和P）的關(guān)鍵因素[1-2]。C/N＜8的廢水被定義為低C/N比廢水[3]。低C/N比易導(dǎo)致廢水中的氮磷不能被有效去除，因此可以通過添加碳源方式調(diào)整C/N比[4]。一些研究學(xué)者通過添加乙酸鈉、甲醇等作為外加碳源進(jìn)行污水的脫氮除磷，并取得了顯著效果[5-7]，但該類碳源不僅成本高且甲醇有毒，同時會造成二次污染[8-10]。因此，探索新的碳源或使用替代碳源變得尤為重要。植物修復(fù)技術(shù)是解決環(huán)境污染的一種安全有效的技術(shù)[11]，在碳源不足時，植物通過根系分泌有機(jī)物（DOC）來維持生態(tài)平衡，根系分泌物是根系生長過程中釋放到介質(zhì)中的全部有機(jī)物質(zhì)，根系分泌物作為外部碳源可調(diào)節(jié)C/N比并提高氮磷去除率[12]。有研究表明，水生植物的根系分泌物不僅能提高缺氮下濕地反硝化能力，且在一定程度上降低了成本[13]。因此，本研究采用具有發(fā)達(dá)根系和較高經(jīng)濟(jì)效益的空心菜[14]作為研究對象，它是通過根系分泌DOC來維持系統(tǒng)營養(yǎng)平衡，可根據(jù)根系DOC濃度來分析空心菜的生長和氮磷去除之間的關(guān)系，從而為低C/N的低成本處理以及中水回用提供技術(shù)建議。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗材料與方法

本研究選取根系發(fā)達(dá)、生物量大且凈化效果明顯的空心菜為功能植物。從市場上購買生物量、個體大小一致的空心菜菜苗，先用自來水清洗根系的泥土，再反復(fù)用蒸餾水沖洗，在清水里培養(yǎng)3 d以適應(yīng)水環(huán)境。5 L的塑料桶作為水培裝置，用報紙遮住桶身，以免藻類過度生長，各取5株健康的幼苗分別放置在6個桶中，在自然光照下且避雨的場所下進(jìn)行培養(yǎng)。污水采用人工模擬廢水，每4 d換水和測樣，每天添加蒸餾水彌補(bǔ)蒸發(fā)量。進(jìn)水濃度設(shè)置不同C/N比及不同NH4+/NO3-比，PO43-為3 mg/L，COD用乙酸鈉配制，NH4+用氯化銨配制，NO3-用硝酸鉀配制，并配制其他營養(yǎng)元素，pH值為6～8，具體如下：

表1 不同C/N下的進(jìn)水濃度

1.2 指標(biāo)測定

COD：重

鉻酸鉀法；NH4+：納氏試劑分光光度法；NO3-：紫外分光光度法；NO2-：N-（1-萘基）-乙二胺光度法；PO43-：鉬銻抗分光光度法。

1.3 生物量及生物量的測定

在實(shí)驗前，選取個體差異接近的植株測干重并記錄，在生長過程中，每周稱量植株的鮮重并記錄，實(shí)驗結(jié)束后，測量每株植物的鮮重并在80 ℃烘烤箱烘2 d，用電子天平稱量植物生物量和根系生物量，為了減小由植株的個體差異帶來的影響，生物量的計算方法為動態(tài)鮮重（mx）/初始鮮重（m0）。

1.4 根系分泌物的測定

在水培過程中，每4 d定期將植株從塑料桶中取出，用蒸餾水和超純水將植物根部洗凈，在1 L超純水中培養(yǎng)4 h后測定超純水中的DOC濃度。溶解性有機(jī)碳（DOC）采用島津TOC-L CPH總有機(jī)碳分析儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物生長與生物量

如圖1a所示，空心菜植物的生長期分為三個階段：適應(yīng)期（0～4 d以2.5 cm/d的速率增長），生長期（4～8 d以5.0 cm/d的速率增長）和成熟期（8～20 d不再增加）。在C/N為4：1和NH4+/NO3-為2：1時，植株最高（63.80 cm）；在C/N為3：1和NH4+/NO3-為1：2時，植株最矮（51.60 cm）。如表2，植物在6種濃度梯度下生物量存在顯著性差異（p＜0.01）。其中，C/N為4：1及NH4+/NO3-為2：1時，生物量最大，C/N為3：1及NH4+/NO3-為1：2時最小，生物量依次為4.96 g、4.36 g、5.09 g、4.68 g、5.66 g、4.84 g。由此看出，植株的高度和生物量的變化與C/N呈正相關(guān)，且NH4+/NO3-為2：1的植株的高度和生物量大于NH4+/NO3-為1：2。

表2 實(shí)驗結(jié)束后植物的干重及根干重

實(shí)驗結(jié)束時，各濃度梯度下空心菜的植株干重及根系干重存在顯著差異（P＜0.01），其中C/N為4：1及NH4+/NO3-為2：1這種情況下空心菜的總生物量（15.88 g）和根系生物量最大（4.11 g）。該結(jié)果表明，空心菜的總生物量和根系生物量隨C/N比的增大而增大且NH4+/NO3-為2：1大于1：2，如圖1b所示。

2.2 根系溶解性有機(jī)碳（DOC）

根系溶解性有機(jī)碳（D O C）如圖2 所示。在水培初期（1～8 d），各濃度梯度下空心菜根系分泌DOC逐漸增長且分泌濃度較大，第8 d，各植株分泌濃度均達(dá)到最大值，1～6組濃度分別為10.5 mg/L、6.5 mg/L、11.35 mg/L、8.4 mg/L、11.79 mg/L、9.56 mg/L。第8 d后，各濃度梯度下的根系DOC濃度逐漸減少且分泌量比初期小。前4 d植株因受到新環(huán)境的脅迫，植物本身的抗逆性使得根系分泌物濃度發(fā)生變化，4～8 d植株根系分泌更多的DOC以供植物生長所需，8～20 d植物處于生長緩慢期，所需DOC相對低。該研究表明，根系DOC濃度隨C/N比的增大而增大，均表現(xiàn)NH4+/NO3

-為2：1大于1：2，且各濃度梯度下根系DOC濃度呈現(xiàn)顯著差異（P＜0.05）。在低C/N比下，植物根系分泌5～21%的可溶性糖，氨基酸和次生代謝產(chǎn)物的光合產(chǎn)物，用于植物的生長和微生物群落的富集[15]。根系分泌物中有機(jī)酸使水培系統(tǒng)中pH發(fā)生變化，由圖3可知，各濃度梯度下，系統(tǒng)pH值均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，且C/N為4：1及NH4+/NO3

-為2：1時pH值最低，表明根系分泌量最多。

2.3 氮磷去除

如圖4為各濃度梯度下空心菜對氮磷的去除效果。如圖4a，NH4+的去除率在0～8 d逐漸增加，9～20 d下降。如圖4b，NO3-去除在1～8 d均為100%，在8～20 d，NO3-去除NH4+/ NO3-為2：1時均大于NH4+/ NO3-為1：2。這表明，空心菜以NO3-為氮源，在快速生長期時，NO3-被根部完全吸收，在成熟期時，根部所需氮量減少，NO3-去除率在NH4+/ NO3-為2：1時均高于NH4+/ NO3-為1：2。如圖4c所示，TN去除量在0～10 d內(nèi)有增加和減少的趨勢，第8天的最大去除效率分別達(dá)到61.33%、55.38%、65.63%、59.09%、74.10%和59.99%。由此表明TN去除率與C/N比呈正相關(guān)。此外，在NH4+/ NO3-為2：1時，TN去除率高于在NH4+/ NO3-為1：2時。原因在于空心菜根系存在大量硝酸還原酶（NR）及亞硝酸還原酶（NIR），使得NO3-被完全同化[16]，且NH4+為主要氮源，促使空心菜吸收有機(jī)酸和養(yǎng)分，因此在快速生長階段，空心菜需要更多的N元素進(jìn)行生物量合成[17]。如圖4d，PO43-去除率的變化在前8 d從0%上升到70～90%，在8～20 d下降到50%～70%。在第8 d獲得最大PO43-去除率為80.50%、71.40%、84.40%、77.90%、88.30%和79.20%。

2.4 根系DOC與生物量、氮磷去除效果的關(guān)系

使用最小二乘法探究根系DOC與植物生物量、氮磷去除的影響。如表3至表5為根系DOC濃度對生物量、氮磷去除效果的影響。根系DOC濃度與生物量的相關(guān)指數(shù)（n）為4，臨界值（r0.05）為0.95，當(dāng)回歸自由度為1時，殘余自由度為2，F(xiàn)0.05=18.51。根系DOC濃度與生物量呈顯著負(fù)相關(guān)（p <0.05），相關(guān)系數(shù)分別為-0.987，-0.969，-0.991，-0.979，-0.995和-0.985。隨著C/N比增加，NH4+/NO3-為2：1大于NH4+/NO3-為1：2的生長速率。由前面結(jié)論可知，空心菜優(yōu)先吸收NO3-，當(dāng)NO3-被完全吸收時，根系會分泌DOC以供植物及微生物生長，當(dāng)表現(xiàn)出NH4+占主要碳源時，在氮脅迫下，空心菜分泌DOC量相對較多，且當(dāng)C/N比值較大時，根系具有更大的根系分泌濃度。

表3 根系DOC與生物量的回歸計算及檢驗

如表4，表5為根系DOC濃度與氮磷去除的關(guān)系，根系DOC與氮磷凈化效果相關(guān)關(guān)系取n=5，臨界值r0.05=0.878。當(dāng)回歸自由度為1時，殘余自由度為3，F(xiàn)0.05=10.13。由表4可知，根系DOC濃度與氮去除之間存在顯著正相關(guān)，相關(guān)值分別為0.971、0.904、0.986、0.959、0.988和0.961。根系DOC濃度和磷去除的相關(guān)值分別為0.915、0.886、0.918、0.889、0.929和0.892。當(dāng)NH4+/NO3-為2：1時DOC濃度與氮磷去除的相關(guān)性比NH4+/NO3-為1：2時更大。這表明在低C/N比廢水下，根系DOC決定了污水中氮磷的去除，根系DOC釋放濃度越大，氮磷凈化效果越顯著。在廢水和微生物群落中，根系分泌物作為內(nèi)部碳源促進(jìn)了氮和磷細(xì)菌群落的積累，從而提高氮磷去除效率[18]。此外，從根系釋放出較高的DOC增強(qiáng)了磷細(xì)菌的活性，促進(jìn)了磷降解。但是，PO43-在8～20 d的去除率下降，可能是在緩慢生長階段空心菜根系中釋放的磷引起的[19]。因此，根系DOC通過促進(jìn)根系微生物的降解和植物吸收來影響氮磷的去除。

表4 根系DOC與氮去除的回歸計算及檢驗

表5 根系DOC與磷去除的回歸計算及檢驗

3 結(jié)論

（1）空心菜在6種低C/N比污水下，呈現(xiàn)出的根系DOC濃度、氮磷凈化效果有差異。結(jié)果表明，根系DOC濃度、氮磷去除效果隨C/N的增大而增大且表現(xiàn)在NH4+/NO3-為2：1大于NH4+/NO3-為1：2。

（1）空心菜主要吸收NO3-，C/N為4：1且NH4+/NO3-為2：1時的根系DOC濃度和氮磷去除效果更高，第8 d，根系DOC濃度為11.79 mg/L，氮磷去除率分別為74.1%、88.3%。

（3）根系DOC與氮磷凈化效果呈顯著正相關(guān)，根系DOC分泌濃度越大，氮磷去除效果越好，根系DOC通過促進(jìn)根系微生物降解和植物吸收而影響氮磷的去除。結(jié)果表明，低C/N比的廢水可以通過水生植物得到很好的處理，使出水水質(zhì)滿足城市污水再生利用-城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 18920-2002）。