海馬齒凈化海水養(yǎng)殖廢水生態(tài)效益分析

黃金穎，樂 韻，滕麗華，朱奕婷，何 琦

(1.浙江萬里學(xué)院 生物與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315000；2.寧波市海洋與漁業(yè)執(zhí)法隊，浙江 寧波 315012)

近年來，海水養(yǎng)殖成為近海污染的重要原因之一，水體富營養(yǎng)化與高鹽度使生態(tài)系統(tǒng)失衡、赤潮頻發(fā)、病害滋生，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出水體的自凈能力，嚴(yán)重阻礙海水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[1]。目前國內(nèi)外采用物理、化學(xué)、生物方法修復(fù)海水養(yǎng)殖廢水，但在體量大、污染重的海水養(yǎng)殖廢水中大多數(shù)污水處理方法無法滿足；部分技術(shù)所需設(shè)備價格高、壽命短、操作難度大，從而導(dǎo)致凈化水質(zhì)成本較高，大眾化程度低[2]。

海馬齒(Sesuviumportulacastrum)屬于番杏科，海馬齒屬，是一種生長在海邊沙地及河流入?？趦砂稙┩康貛У亩嗳庵参?。由于海馬齒具有發(fā)達(dá)的根系與較強(qiáng)的耐鹽特性，生命力強(qiáng)，繁殖迅速，常被用于生態(tài)修復(fù)，特別是海水養(yǎng)殖廢水的治理。海馬齒不僅可以有效地去除水體中的氮、磷污染物，還可以吸附大分子懸浮顆粒物與重金屬離子，使水體澄清。在營養(yǎng)價值方面，海馬齒也是一種綠色保健類植物，其氨基酸、礦物質(zhì)種類豐富，且含高蛋白、低脂肪與β-胡蘿卜素，可作為烹調(diào)食品；其藥用價值體現(xiàn)在富含萜、烯以及一些揮發(fā)性油類物質(zhì)，臨床上證明對發(fā)燒、壞血病等病癥有很好的療效，具有較大的開發(fā)利用價值[3]。公開發(fā)表的關(guān)于海馬齒植物的研究文獻(xiàn)，多集中在海馬齒對于高鹽分、干旱極度惡劣條件下的存活率與對其本身的特性研究，如營養(yǎng)保健價值、與其他植物協(xié)同修復(fù)水體的效果等，而關(guān)于海馬齒凈化水體，特別是對海水養(yǎng)殖廢水的研究較少。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設(shè)計

本試驗使用的海馬齒于2021年9月27日上午采集于廣東省湛江市徐聞縣后灣海域，海馬齒形態(tài)為完整的長條狀，保留葉子和8 cm左右的莖，摘除發(fā)黃、老死葉片，在試驗進(jìn)行前，對處理后的植物用蒸餾水清洗，再用配制濃度為1‰高錳酸鉀溶液浸泡3 h消毒處理，之后再用蒸餾水沖洗干凈，移至圓形實驗桶進(jìn)行水培，同時保持增氧泵曝氣，直至植株長出水生根。查閱文獻(xiàn)[4]后，將海水養(yǎng)殖尾水水質(zhì)設(shè)置如下：pH值為7.5～8.5，鹽度為15.0‰～20.0‰，總氮35～40 mg/L，總磷5.5～6.2 mg/L；試驗過程中不換水，只補(bǔ)充因蒸發(fā)和采樣而損失的水分。試驗共10組，向圓形實驗桶中分別加入5 L事先配制好的海水，1#、2#、3#組為正常的海水養(yǎng)殖廢水的海馬齒空白組，4#、5#、6#組為不同梯度濃度的TN試驗組(TN20、30、50)，7#、8#、9#組為不同梯度濃度的TP試驗組(TP3、15、20)，10#組則作為空白對照組。每隔三天測定各組水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)，并計算分析污染物去除率與其生物指標(biāo)的相關(guān)性，同時根據(jù)水箱水量蒸發(fā)情況，用含鹽的蒸餾水進(jìn)行補(bǔ)充，以維持水體總體積和鹽度條件不變。

本試驗裝置主體主要由塑料定植籃(直徑為7 cm)、海綿、園藝鐵絲(修剪為若干15 cm長的鐵絲段)組成。將園藝鐵絲搭建組合為井字型擱置在塑料桶上，從而起到固定塑料定植籃的作用，一個桶中交錯放置4個定植籃，每個定植籃中用海綿固定4根長勢相同的海馬齒莖段，組合固定性強(qiáng)，不污染水體，能保證植物的直立與根系的正常生長。

1.2 指標(biāo)測定方法與數(shù)據(jù)處理

污染物去除率C按照公式(1)計算:

公式(1)

式中：C0代表污染物初始濃度，C1表示取樣測定的污染物濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)指標(biāo)去除率

2.1.1 各處理組對TP的去除效果 海馬齒對海水養(yǎng)殖廢水中總磷的去除試驗結(jié)果見圖1。結(jié)果表明：試驗39 d后，海馬齒對7組海水養(yǎng)殖廢水中的總磷均有一定的凈化效果，1#到7#組模擬海水養(yǎng)殖廢水的總磷含量分別下降至0.913、0.466、0.986、1.966、0.566、4.106 mg/L和10.566 mg/L，總磷去除率由大到小為：TN20(96.720%)>空白(93.695%)>TN30(92.689%)>TN50(85.693%)；TP3(95.089%)>空白(93.695%)>TP15(73.554%)>TP20(35.909%)。其中TN20組去除率略高于空白組、TN30組去除率與空白組大致相同、TN50組去除率略低于空白組；明顯可見，TP3組去除率在21天前快速上升并在21天達(dá)到飽和并趨于穩(wěn)態(tài)、TP15組去除率大于TP20組但遠(yuǎn)小于空白組，且其在39天時仍呈現(xiàn)出上升趨勢。由此可知高磷環(huán)境下海馬齒的除磷效率不高，而在高氮條件下影響較弱。

海馬齒的根系會吸收水體中可溶性活性磷，并且其發(fā)達(dá)的根系能為微生物的生存提供空間，在好氧和厭氧條件下，磷細(xì)菌能將有機(jī)磷化合物轉(zhuǎn)化為簡單的可供植物及微生物吸收的磷化物，促進(jìn)磷的遷移轉(zhuǎn)化，從而提高凈化效率[11]。史莉等[12]研究表明，無機(jī)磷也是植物生長所必須的營養(yǎng)物質(zhì)。污水中的無機(jī)磷在植物的吸收和同化作用下，被合成為ATP、DNA和RNA等有機(jī)成分。在35天時，TP去除率出現(xiàn)了小幅度降低現(xiàn)象，可能是植物自身吸收磷達(dá)到階段性飽和后，向污水中釋放一部分磷；也可能是在根系內(nèi)部局部出現(xiàn)厭氧環(huán)境，而導(dǎo)致無機(jī)磷的釋放[13]。

2.1.2 各處理組對COD的去除效果 各處理組中的CODMn均呈下降趨勢(見圖2)，去除效果良好?？瞻捉M去除率先上升，到15 d后波動趨于平衡，去除率為73.47%；TN變量組總體趨勢與空白組相同，但是TN50的去除效率略低于空白組，為65.12%；TP變量組總體趨勢與空白組相同，其中最小值TP15的去除率為68.02%。總體上看，各組前期出現(xiàn)快速上升，后期CODMn含量呈波動變化，總體比前期穩(wěn)定，這可能與系統(tǒng)中植物根系的生長情況有關(guān)，并且在海水養(yǎng)殖廢水中高氮和高磷環(huán)境對COD的去除率有降低作用，但影響甚小。COD的凈化主要是植物吸收作用以及微生物降解作用，并且COD的降解主要是由微生物活動而不是植物活動主導(dǎo)的，在植物根系上棲息的微生物加速了其周圍有機(jī)膠體的分解[14]。植物自身吸附、截留及過濾作用較強(qiáng)，使得水體的含氧量維持較高的水平，為微生物生長提供了適宜繁殖的場所，增強(qiáng)其降解轉(zhuǎn)化作用，促進(jìn)COD的凈化效果。也有研究表明，與微生物較少的空白組相比，種植水生植物的處理具有更大的COD去除優(yōu)勢，主要是由于植物根區(qū)的微生物在降解過程中，會隨著植物根系的生長而形成生物膜，增強(qiáng)對有機(jī)物質(zhì)的降解效率與捕獲能力[15]。

圖1 TP去除率的時間變化

圖2 COD去除率的時間變化

2.1.3 各處理組對氨氮的去除效果 海馬齒對海水養(yǎng)殖廢水中氨氮的去除試驗結(jié)果見圖3。結(jié)果表明，在0～1 d時，水中空白組的氨氮濃度劇增，而其它各組濃度基本不變，可能前期微生物生長不穩(wěn)定導(dǎo)致水體中有機(jī)物含量波動較大，微生物的分解作用釋放出部分可溶性有機(jī)氮(主要為氨氮)，提高了污染水體中的氨氮含量，造成試驗前期氨氮濃度呈大幅度上升的趨勢。在1～28 d時，海馬齒對氨氮進(jìn)行吸收，各組氨氮去除率均波動上升，其中坡度大小為TN50>TP15>TP20，主要通過好氧反硝化菌的作用[16]，廢水生物脫氮，氨氮濃度出現(xiàn)較大幅度的下降趨勢，最后各處理組中氨氮基本去除，且在高氮或高磷環(huán)境下與在同一時段內(nèi)海馬齒對氨氮的去除效果相對滯后。試驗運(yùn)行期間，各處理組對氨氮的去除效果極佳。研究表明[17]海馬齒對氨氮的去除主要是通過微生物的作用，水中的有機(jī)氮可通過微生物的氨化作用轉(zhuǎn)化為氨氮，再經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，進(jìn)一步被反硝化細(xì)菌通過反硝化作用還原成氣態(tài)氮從系統(tǒng)中去除。高氮或高磷環(huán)境下的滯后效應(yīng)，可能與系統(tǒng)內(nèi)的微生物與其分泌的生物酶活性有關(guān)，也可能與海馬齒的環(huán)境適應(yīng)性有關(guān)。

圖3 氨氮去除率的時間變化

2.2 生態(tài)效益分析

2.2.1 葉綠素含量 葉綠素是作物進(jìn)行光合作用和吸收光能的主要物質(zhì)，其含量的高低直接影響光合產(chǎn)物的積累，也是反映作物氮素營養(yǎng)狀況的重要指示器。由圖4可知，各處理組海馬齒在試驗初期(1～19 d)葉片中的葉綠素a+b含量均減少，可能是植物在接受光能后，葉綠素會進(jìn)行激發(fā)態(tài)與穩(wěn)定態(tài)切換，從而散發(fā)出化學(xué)能、熱能、葉綠素?zé)晒?，污水中的離子毒害并誘導(dǎo)合成了特異性蛋白，進(jìn)而抑制了葉綠素的合成[18]。但海馬齒隨著鹽污水脅迫時間的延長(第38天)，海馬齒葉片中的葉綠素含量能恢復(fù)到淡水澆灌的水平。葉綠素是光合作用的關(guān)鍵色素，其含量的高低直接影響植物光合作用效率的大小。彭存志等[19]研究發(fā)現(xiàn)，海馬齒在鹽脅迫環(huán)境下，可以通過維持光系統(tǒng)復(fù)合體的穩(wěn)定性，提高光化學(xué)反應(yīng)速率；或者是通過增加熱耗散從而提高光能利用，降低過剩光能帶來的傷害，維持光合系統(tǒng)不受損害，這也暗示了植物面臨極端條件時，植物激素參與調(diào)節(jié)，增強(qiáng)適應(yīng)性。并且在高氮或高磷極端條件下，海馬齒的葉綠素含量無顯著影響，而在低氮條件下葉綠素含量相較其他組最高，達(dá)到了0.271 2 mg/g，其可能是因為過量的氮供應(yīng)會使植物葉片中用于光化學(xué)反應(yīng)的光子能量減少，光化學(xué)反應(yīng)受到抑制；也可能是過量氮環(huán)境使植物葉片表觀量子效率明顯低于適量氮環(huán)境的植物葉片，使得凈光合速率降低，進(jìn)而導(dǎo)致光合生產(chǎn)力下降[20]。

圖4 各處理組的葉綠素含量

2.2.2 根系活力 根系活力可以客觀反映出根系的生命活動，在逆境下根系表現(xiàn)出的生理特征和形態(tài)最能反映植株受到的脅迫程度。由圖5可知，隨著時間增加，各組根系活力隨之升高。空白組中根系受海水養(yǎng)殖廢水脅迫，呼吸作用等生理活動增強(qiáng)，在第38天時空白組相較于其他各組，根系活力最高，達(dá)到88.5 mg·g-1·h-1。根對污染物的吸收，不是一個簡單的擴(kuò)散過程，它可以有選擇地大量累積某些離子，這個過程是通過交換吸附而進(jìn)行的。并且根系分泌的有機(jī)酸、糖、酚及各種氨基酸等物質(zhì)可以調(diào)節(jié)根際微生態(tài)功能，從而提高根系對養(yǎng)分的利用吸收和極端環(huán)境的適應(yīng)能力[21]。

在TN組中，中氮環(huán)境創(chuàng)造了良好的根際環(huán)境，具有比高氮和低氮環(huán)境根系活力強(qiáng)、根細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整的特點，可以得出適量的氮含量更利于根系活力增加的結(jié)論，這與徐國偉等[22]研究一致。在TP組中，適量的磷能促進(jìn)海馬齒根系的蛋白質(zhì)含量和硝酸還原酶活性增高，使其持續(xù)保持著較強(qiáng)的根系活力，而高磷和低磷環(huán)境導(dǎo)致海馬齒的根系活力增加較少，不利于根系的生理代謝，加速根系衰老，從而抑制海馬齒生長[23]。其增長趨勢可能是與其較強(qiáng)的根系氧化能力和較高分泌含量所形成的強(qiáng)根際的酸化能力有關(guān)。

圖5 各處理組的根系活力

2.2.3 含鐵量 海馬齒含有種類豐富的礦質(zhì)元素，以Na和K為主，Ca、Mg和P次之,I、Mn、Fe、Zn、Cu、Se依次降低。Fe為重要的微量元素，但若超出一定的量，則會影響人體健康，且海馬齒的重金屬含量較為合理，控制在可允許的范圍內(nèi)，符合綠色食品的標(biāo)準(zhǔn)。由圖6可知，各組Fe2+含量在時間增加下均減少，可能是因為海馬齒為了適應(yīng)高鹽環(huán)境，根系形成大量的通氣組織，將莖、葉光合作用及氣體交換作用獲得的氧氣運(yùn)輸?shù)礁担ㄟ^根系泌氧向根區(qū)沉積物釋放氧氣，根際沉積物中還原性的Fe被氧化，在根表形成鐵膜，使大量的Fe附著于植物根系附近，影響了重金屬的遷移和轉(zhuǎn)化[24]；也可能是由于高鹽廢水使得根表細(xì)質(zhì)膜上的鐵還原酶和抗氧化酶活性降低，抑制了遷移到根表的Fe3+還原為Fe2+，削弱了輸送蛋白進(jìn)入細(xì)胞的能力，而使海馬齒含鐵量下降。以上分析與試驗結(jié)果中的海馬齒鐵含量未大幅度降低一致。

缺鐵可引起植物體內(nèi)的氧化傷害，這是由于鐵是多種抗氧化酶的輔因子，缺鐵降低了抗氧化酶活性，從而引起活性氧的積累，這也是影響葉綠素含量前期下降的重要因素之一[25]。由圖6可知，在高磷高氮環(huán)境下，植物體內(nèi)Fe2+含量明顯減少，可能是由于鐵的吸收總量受到生物量的影響，而生物量直接受到環(huán)境中氮、磷含量的限制，進(jìn)而影響其含量。造成植物鐵下降的原因有很多，往往是多因素綜合起作用。許多試驗表明缺鐵的葉片及組織中含磷較高，且多數(shù)學(xué)者認(rèn)為磷影響鐵的代謝和利用，鐵與磷共沉淀于葉脈—葉肉結(jié)合組織，使鐵不能參加代謝活動，磷吸收過多時，形成的磷蛋白多，鐵則束縛在磷蛋白上，從而也影響了鐵的利用[26]，并且在高氮環(huán)境下，會導(dǎo)致根際pH值升高，從而導(dǎo)致鐵的有效性降低。

圖6 各處理組的鐵含量

3 結(jié)論

海馬齒的葉綠素含量隨著時間的增加均先升高后降低，兩者最終含量為0.20 mg/g；根系活力逐漸增高至85.85 mg·g-1·h-1，含F(xiàn)e2+量逐漸降低至2.92 μg/g。其中高磷或高氮環(huán)境使根系活力與含F(xiàn)e2+量明顯低于空白組，分別為修復(fù)后空白組的41.20%、49.27%與78.75%、80.09%，對于葉綠素含量變化趨勢無顯著影響。

海馬齒栽培簡單，營養(yǎng)價值高，對海水養(yǎng)殖廢水修復(fù)能力強(qiáng)，是值得開發(fā)利用的天然海洋植物。

在39 d后水體中無機(jī)氮總量為0.26 mg/L，低于0.30 mg/L，已經(jīng)達(dá)到《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)中的二級標(biāo)準(zhǔn)，但TP含量為0.91 mg/L，高于0.30 mg/L；COD27.47 mg/L，高于3.00 mg/L，未達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)。特別是COD的含量偏高，可進(jìn)一步引進(jìn)膜滲透技術(shù)、高級氧化技術(shù)等深度凈化尾水。