劉旻慧,秦紅杰,張志勇,張迎穎,王 巖,聞學(xué)政,劉海琴,宋 偉,嚴(yán)少華

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不同污染負(fù)荷下浮水植物對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的去除及生理響應(yīng)

劉旻慧,秦紅杰*,張志勇,張迎穎,王 巖,聞學(xué)政,劉海琴,宋 偉,嚴(yán)少華

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇南京 210014)

為了闡明在不同污染負(fù)荷下,水生植物對(duì)水體氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)鹽的削減效果及不同營(yíng)養(yǎng)水平下的生理響應(yīng),選用水質(zhì)凈化力強(qiáng)的漂浮植物水浮蓮和水葫蘆,探討其對(duì)污水處理廠一級(jí)A達(dá)標(biāo)排放尾水中氮、磷、鉀的去除效果及此過(guò)程中水生植物的生理生態(tài)學(xué)變化.結(jié)果表明,尾水經(jīng)過(guò)總長(zhǎng)80m的水浮蓮和水葫蘆組合配置的凈化塘后,水體TN、TP、TK分別由初始的11.97,1.69,8.10mg/L削減至5.23,1.10,4.73mg/L.隨著水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的逐漸降低,水浮蓮和水葫蘆根冠比均有顯著增加,水浮蓮莖葉葉綠素a含量明顯降低,葉片微黃,而水葫蘆葉綠素a含量變化不大.2種漂浮植物根系中與氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)鹽相關(guān)的硝酸還原酶(NR)、Na+-K+ATP酶、H+-K+ATP酶均與水體氮、磷、鉀濃度負(fù)相關(guān),當(dāng)環(huán)境中濃度營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低時(shí),水生植物可通過(guò)提高根系中相關(guān)酶活性,滿足自己對(duì)營(yíng)養(yǎng)的高效吸收與利用.而水浮蓮根系的堿性磷酸酶(AKP)活力與水體氮、磷、鉀濃度呈正相關(guān).其中水葫蘆根系的Na+-K+ATP酶和H+-K+ATP酶相比于初始值分別提高了88.92%和103.20%.

水浮蓮；水葫蘆；污水處理；水體修復(fù)；酶活性

太湖流域農(nóng)村生活污水氮磷總排放系數(shù)高達(dá)6.6kg(a·人)[1],氮磷等污染物的大量流入是造成太湖富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因,污水處理廠的建立與運(yùn)行則有效地改善了水污染的現(xiàn)狀.尤其是2007年太湖藍(lán)藻暴發(fā)以后,江蘇省政府對(duì)太湖流域已有的污水處理廠進(jìn)行了改造,將排放標(biāo)準(zhǔn)[2]從一級(jí)B提升至一級(jí)A.盡管如此,污水處理廠一級(jí)A排放的尾水中的TN和TP濃度仍然為地表Ⅴ類水質(zhì)的7.5倍和2.5倍.

在富營(yíng)養(yǎng)化治理技術(shù)方法中,植物修復(fù)技術(shù)因其太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)、環(huán)境友好、成本低廉、可恢復(fù)水體自凈能力等優(yōu)點(diǎn),已逐漸成為一種重要的生態(tài)治理手段[3-4].用于生態(tài)修復(fù)的水生植物需滿足生長(zhǎng)快速、生物量大、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集能力強(qiáng)等特點(diǎn)[5],且根系的長(zhǎng)度對(duì)其凈化水體的深度有重要影響[6].此外,依靠單一水生植物很難取得理想的生態(tài)治理效果[7].因而,不同水生植物間的組合與配置已成為更具應(yīng)用價(jià)值的水體修復(fù)模式[8].

水浮蓮(L.)為天南星科大薸屬的一種多年生漂浮水生草本植物天南星科大薸屬;水葫蘆(),為雨久花科水葫蘆屬,均為多年生漂浮性草本植物.由于它們根系發(fā)達(dá)、繁殖速度快、對(duì)水體的N、P、K等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收迅速,因此在水體凈化和生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面得到廣泛應(yīng)用[9-12].本研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于采用水葫蘆和水浮蓮等水生植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊、污染河道等水體的生態(tài)修復(fù)工程與技術(shù)研究,形成了浮水植物“安全控養(yǎng)-收獲處置-資源化利用”的工程和技術(shù)體系.然而,以往的報(bào)道多是單獨(dú)研究2種水生植物的水體凈化效果,缺乏其組合模式下水質(zhì)凈化效果研究,同時(shí)對(duì)不同氮磷濃度下水生植物的脫氮除磷效果及其相關(guān)機(jī)理機(jī)制缺乏研究.基于此,本文選用水浮蓮-水葫蘆組合模式,開(kāi)展其對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度脫氮除磷效果及不同氮磷濃度下水生植物的生理適應(yīng)策略的研究,為污水處理廠尾水安全排放提供理論支撐和實(shí)踐參考.

1 材料與方法

1.1 水生植物

實(shí)驗(yàn)所用水浮蓮和水葫蘆均為江蘇省農(nóng)科院溫室內(nèi)正常越冬的苗種.生長(zhǎng)至5月達(dá)到實(shí)驗(yàn)材料要求后,用于在凈化塘內(nèi)開(kāi)展實(shí)驗(yàn).水浮蓮與水葫蘆的初始投放量均為0.6kg/m2.

1.2 凈化塘概況與樣品采集

如圖1所示,凈化塘位于南京市東壩鎮(zhèn)污水處理廠旁邊(31°17'28.0"N,119°02'29.3"E).凈化塘長(zhǎng)105m,寬25m,平均水深0.5m,一端設(shè)置進(jìn)水口,另一端設(shè)置出水口,日處理水量635m3,水力停留時(shí)間2.07d.水葫蘆和水浮蓮交替控養(yǎng),每個(gè)控養(yǎng)單元寬20m,不同控養(yǎng)單元間隔5m.每塊控養(yǎng)單元外圍固定有尼龍網(wǎng)片,以防植物逃逸,進(jìn)水NH4+,NO3-,NO2-,TN,PO43-,TP,CODMn分別為0.51, 11.49,0.02,12.41,0.47,1.84,4.97mg/L.

凈化塘穩(wěn)定運(yùn)行6周后(2016年9月底),采集樣品進(jìn)行分析.水樣采集設(shè)10個(gè)樣點(diǎn),分別為T(mén)1~T10(圖1),共分為5組,分別命名為蓮進(jìn)1(T1和T2)、蓮出1(T3和T4)、葫出1(T5和T6)、蓮出2(T7和T8)和葫出2(T9和T10).用聚乙烯瓶采集水樣500mL,帶回實(shí)驗(yàn)室,在24h以內(nèi)完成分析.水生植物采樣點(diǎn)共16個(gè),采樣點(diǎn)分別為L(zhǎng)1~L16(圖1),分別簡(jiǎn)稱為蓮進(jìn)1(L1和L2)、蓮出1(L3和L4)、葫進(jìn)1(L5和L6)、葫出1(L7和L8)、蓮進(jìn)2(L9和L10)、蓮出2(L11和L12)、葫進(jìn)2(L13和L14)、葫出2(L15和L16) ,每樣點(diǎn)采集植物2株,用于后續(xù)分析.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定植物莖葉和根系的長(zhǎng)度和重量,然后將莖葉和根帶回實(shí)驗(yàn)室后,用蒸餾水沖洗干凈,放入烘箱105℃殺青30min,于65℃烘干至恒重,用萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎后過(guò)60目網(wǎng)篩,用于植物氮、磷、鉀含量的測(cè)定.

圖1 凈化塘樣點(diǎn)分布示意

1.3 分析方法

1.3.1 水體理化指標(biāo)測(cè)定 水體氨氮(NH4+- N)、硝氮(NO3--N)、亞硝氮(NO2--N)、可溶性正磷酸鹽(PO43-)、總氮(TN)及總磷(TP)濃度用流動(dòng)分析儀(Auto-Analyzer 3Application)測(cè)定;水體總鉀(TK)濃度用火焰光度計(jì)測(cè)定(FP6410,上海欣益儀器有限公司);高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》方法測(cè)定[13].

1.3.2 水生植物理化指標(biāo)測(cè)定 水生植物SPAD值用SPAD儀(SPAD-502Plus,日本)測(cè)定,葉綠素a濃度使用95%乙醇提取后測(cè)定[14].

水生植物氮磷鉀含量的測(cè)定:植物氮磷鉀的提取采用硫酸-雙氧水消解法,其中氮含量用凱氏滴定法測(cè)定,磷含量用鉬銻抗比色法[15],鉀含量用火焰光度法.

植物總可溶性蛋白含量和硝酸還原酶(NR)活性測(cè)定:植物總可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染料結(jié)合法測(cè)定,NR活性采用離體法[16].

植物根系A(chǔ)TP酶活性和堿性磷酸酶(AKP)活性的測(cè)定:植物Na+-K+-ATP酶活性、H+-K+-ATP酶活性及堿性磷酸酶(AKP)活性用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的ATP酶、AKP酶試劑盒測(cè)定.

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)方差的形式表示,所有圖采用Origin Version 7.5(OriginLab公司,美國(guó))繪制,水體氮磷鉀濃度與水生植物形態(tài)及生理指標(biāo)間的相關(guān)分析采用SPSS 16.0 (Chicago, IL, USA)中的pearson進(jìn)行相關(guān)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 各形態(tài)氮磷鉀濃度及CODMn的變化

如圖2(a),凈化塘各處NH4+-N濃度變化不大,維持在0.50mg/L左右.NO2--N濃度0.08mg/ L~0.19mg/L,蓮出1處達(dá)到最大值0.19mg/L,兩端最低為0.08mg/L.在采樣點(diǎn)蓮進(jìn)1處,NO3--N的濃度為11.13mg/L,經(jīng)水浮蓮-水葫蘆的組合模式凈化后,NO3--N的濃度降至4.50mg/L.PO43-的初始濃度為0.47mg/L,在葫出2處其濃度為0.24mg/L,下降了49.20%.

圖3 不同位點(diǎn)水體CODMn濃度變化

如圖2(b)所示,污水處理廠尾水經(jīng)水浮蓮1凈化后,其TN和TK的濃度變化不大,分別下降14.57%和1.23%,在后續(xù)的3個(gè)凈化模塊中,其濃度下降明顯,分別下降至5.23,4.73mg/L.而水體TP濃度起初下降較快,但在葫出1處至葫出2處逐漸趨于平緩,降至1.10mg/L.

如圖3所示,在蓮出1處,水體CODMn濃度變化不明顯,但在凈化塘后端CODMn濃度有顯著下降.葫出2處水體的CODMn濃度為3.64mg/L,較凈化塘起始端下降了21.28%.

2.2 水生植物形態(tài)特征

如表1所示,水葫蘆的SPAD值(約50)顯著高于水浮蓮(約30).水浮蓮1區(qū)域內(nèi),植物在進(jìn)出水口處的葉綠素a維持在0.65μg/g左右,而在采樣點(diǎn)蓮出2處,植物體內(nèi)的葉綠素a下降至0.60μg/g.兩處水葫蘆的葉綠素a含量變化不大,均在0.68μg/g左右.

表1 凈化塘內(nèi)水生植物的形態(tài)及生理特征

如表1所示,水浮蓮的根冠比(根長(zhǎng)/莖長(zhǎng))大于水葫蘆,最大在蓮出2處,可達(dá)3.07.從鮮重的根冠比來(lái)看,水生植物沿水流方向其根冠比顯著遞增,也在蓮出2處達(dá)到最大值0.65.

2.3 植株氮、磷、鉀含量變化

如表2所示,隨著水體中總氮濃度由11.97mg/L下降至5.23mg/L,植物體內(nèi)的氮含量也隨之降低.水浮蓮體內(nèi)的氮含量維持在2%以上,水葫蘆的根及水葫蘆2區(qū)域的莖葉氮含量在2%以下.水浮蓮的磷、鉀含量顯著高于水葫蘆(<0.05),最高分別達(dá)到0.45%和6.77%.

表2 水生植物體內(nèi)氮磷鉀含量變化 (%干重)

2.4 根系NR、Na+-K+ATP酶、H+-K+ATP酶和AKP活力變化

如圖4所示,水葫蘆根系NR活性高于水浮蓮,兩種浮水植物根系NR活性隨著水流方向逐漸升高,其中水葫蘆根系NR活性升高更為明顯,從起始的1.25μg/(mg pro·h)升高到了1.74μg/(mg pro·h)(圖4a).

水浮蓮根系A(chǔ)KP活力在蓮出1處顯著升高,隨后在蓮進(jìn)2處急劇下降,至蓮出2處恢復(fù)至起始水平(圖4b).水葫蘆根系A(chǔ)KP活力沿著水流和采樣點(diǎn)方向逐漸升高,在葫出2處達(dá)到最大值為35.98金氏單位/gpro,相比于葫進(jìn)1升高了88.04%.

水浮蓮根系Na+-K+ATP酶活力從16.59U/ mgpro升高至46.45U/mgpro,活力升高了1.80倍.水葫蘆根系Na+-K+ATP酶從33.39U/mgpro升高至63.08U/mgpro,升高了88.92%(圖4c).植物根系的H+-K+ATP酶活力變化趨勢(shì)與Na+-K+ATP酶活力變化趨勢(shì)相似,其中,水葫蘆根系H+-K+ATP酶活力上升更為顯著,從10.42μmlPi/(mgpro×h)升高至21.17μmlPi/(mgpro×h)(圖4d).

圖4 植物根系中NR、AKP酶、Na+-K+ATP酶、H+-K+ATP酶活力變化

2.5 水體氮磷鉀與植物形態(tài)及生理特征相關(guān)性

從表3可以看出,水浮蓮和水葫蘆的根冠比均與水體TN、TP、TK濃度有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)均在0.80以上.植物全氮、全磷、全鉀、可溶性蛋白含量與水體氮磷鉀濃度正相關(guān),與可溶性蛋白相關(guān)性最好,除了水葫蘆組水體TN、TP與可溶性蛋白相關(guān)系數(shù)不顯著以外,其他水體氮磷鉀與兩種水生植物的可溶性蛋白均顯著正相關(guān),且相關(guān)系數(shù)在0.95以上.水浮蓮和水葫蘆根系NR、Na+-K+ATP酶活力和H+-K+ATP酶活力均與水體TN、TP、TK濃度負(fù)相關(guān),其中水葫蘆組相關(guān)性更強(qiáng).水浮蓮AKP活力與水體TN、TP、TK濃度正相關(guān),但相關(guān)性不顯著(>0.05),而水葫蘆AKP活力與水體TN、TP、TK濃度負(fù)相關(guān),且與水體TK相關(guān)性極顯著(<0.01).

表3 水體氮磷鉀與植物形態(tài)及生理指標(biāo)相關(guān)性

注:** 表示P值在0.01水平上極顯著相關(guān)(雙尾檢測(cè));* 表示P值在0.05水平上顯著相關(guān)(雙尾檢測(cè)).

3 討論

3.1 浮水植物水質(zhì)凈化效果

浮水植物水浮蓮和水葫蘆因可高效去除水體氮磷等污染物而被應(yīng)用于水體植被修復(fù)[10].李猛等[18]研究了水浮蓮對(duì)3種富營(yíng)養(yǎng)化水體(TN:2.45~9.41mg/L,TP:0.44~1.53mg/L)的凈化效果,結(jié)果表明水浮蓮對(duì)不同氮磷濃度水體中N、P去除量分別為69.2~318.6mg和15.6~66.0mg,去除量隨水體氮磷濃度的升高而逐漸升高.本課題組前期研究結(jié)果表明,選用去除氮磷等污染物效果好的浮水植物水浮蓮和水葫蘆時(shí),并采用組合模式,對(duì)受到生活污水污染的開(kāi)放性池塘的水質(zhì)凈化效果更好[5].本研究水體為生活污水處理廠尾水,其達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn).經(jīng)過(guò)水浮蓮和水葫蘆間斷式控養(yǎng)后,水體NPK等主要營(yíng)養(yǎng)元素均有顯著降低,削減率分別達(dá)56.30%,34.91%和41.60%.浮水植物對(duì)水體氮素的去除途徑除了植物吸收外,還可增強(qiáng)水體硝化反硝化作用,進(jìn)而增強(qiáng)水體氮素削減效果[8,18];對(duì)于磷素來(lái)說(shuō),其去除途徑主要有植物吸收、根系吸附和物理沉淀[19];而相對(duì)穩(wěn)定的鉀元素的去除途徑與磷素相似,主要包括植物吸收、物理吸附和沉淀.污水處理廠對(duì)污水前處理選用了絮凝沉淀等化學(xué)凈化手段后,水體大多顆粒態(tài)營(yíng)養(yǎng)物在污水廠內(nèi)就被去除,所以尾水中磷鉀的去除主要是植物吸收作用,而氮素除了植物吸收外,硝化反硝化作用也有較多的貢獻(xiàn).此外,水葫蘆對(duì)水體氮素的吸收作用大于水浮蓮,對(duì)水體磷素的吸收作用小于水浮蓮[5],推測(cè)在本研究的2種浮水植物組合凈化系統(tǒng)中,水葫蘆對(duì)尾水氮素去除的貢獻(xiàn)高于水浮蓮,而對(duì)水體磷素的去除不及水浮蓮.

3.2 不同營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷下浮水植物形態(tài)特征

隨著水流方向,經(jīng)過(guò)各植物處理單元后,水體營(yíng)養(yǎng)濃度逐漸降低,植物為了應(yīng)對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的變化,其形態(tài)及其生理特征也發(fā)生了明顯變化.在本實(shí)驗(yàn)中,水葫蘆的SPAD及Chl a含量均高于水浮蓮,水葫蘆葉片呈深綠色,水浮蓮葉片呈淺綠色.且在凈化塘末端,由于水體中的氮、磷濃度低,水浮蓮植物葉片發(fā)黃,水域的景觀效果有所下降,這與秦紅杰等[8]研究結(jié)果相似,即水浮蓮生長(zhǎng)對(duì)水體氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽需求較水葫蘆偏高.因此,水葫蘆比水浮蓮更適宜用于污水的深度凈化處理.為了適應(yīng)環(huán)境中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度逐漸降低的變化,水浮蓮和水葫蘆根冠比不斷增加,從而提高植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力,這與Xie等[20]的研究結(jié)果相似.秦紅杰等[8]報(bào)道,在低氮、磷濃度的污水中,水浮蓮比水葫蘆根冠比增加更顯著.本研究也有相似的結(jié)果,在氮、磷、鉀濃度較低的凈化塘末端,水浮蓮根冠比增加效果明顯高于水葫蘆.

3.3 不同營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷下浮水植物生理生態(tài)特征

水生植物對(duì)水體氮、磷、鉀的吸收與富集是去除的主要途徑之一,而對(duì)于水浮蓮和水葫蘆這樣高效富集營(yíng)養(yǎng)鹽的水生植物來(lái)說(shuō),植物吸收與富集在其水體凈化過(guò)程中的作用更為重要.氮素是植物體生長(zhǎng)所需的大量元素,其中NH4+-N為水生植物主要吸收的氮源之一[21],且當(dāng)環(huán)境中存在多種形態(tài)氮素時(shí),大多數(shù)水生植物優(yōu)先選擇吸收NH4+-N[22].然而污水處理廠尾水中的氮素多是以NO3--N的形式存在的.硝酸還原酶(NR)在NO3-轉(zhuǎn)化為NH4+的過(guò)程中起到關(guān)鍵的作用[23],故水生植物根系NR的活力高低與其吸收水體氮素的形態(tài)直接相關(guān).NR對(duì)環(huán)境條件十分敏感,光照、N源及溫度等均會(huì)影響其活性[24 25]. 在本研究中,隨著水流方向,水體中TN,尤其是NO3-濃度逐漸降低,然而水生植物根系NR卻不斷升高.由于植物的大量吸收,水體NO3-濃度逐漸降低,進(jìn)而刺激植物根系中NR活性,在酶的作用下將NO3-轉(zhuǎn)化為植物更易吸收利用的NH4+-N.也有報(bào)道認(rèn)為NH4+比例增加NR活性下降[26],因此,NR活性變化在一定程度上能夠反映水體中氮的賦存形態(tài)及濃度變化.

堿性磷酸酶(AKP)是專一水解磷酸單酯的誘導(dǎo)酶類,存在底物誘導(dǎo)和產(chǎn)物抑制的雙重機(jī)制[27].當(dāng)環(huán)境中生物可直接吸收利用的磷源缺乏時(shí),海藻可以產(chǎn)生堿性磷酸酶,因此,堿性磷酸酶活性升高可作為環(huán)境磷營(yíng)養(yǎng)缺乏的指示參數(shù)[28].本研究中,水體中的TP,尤其是植物可直接利用的PO43-濃度,自水流方向逐漸下降,促進(jìn)了水葫蘆根系A(chǔ)KP活性升高,通過(guò)提高自身AKP酶活力來(lái)催化相應(yīng)的水解反應(yīng),進(jìn)而滿足植物對(duì)磷素的需求.而水浮蓮根系A(chǔ)KP活力與水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度呈正相關(guān),表明水浮蓮對(duì)水體磷素的利用能力更強(qiáng),尤其是在磷濃度較高的水體中,植株仍可高效富集磷素.這與秦紅杰等[5,8]研究結(jié)果相似,與水葫蘆相比水浮蓮對(duì)水體磷素的去除效果顯著.

Na+-K+ATP酶是鑲嵌在細(xì)胞膜磷脂雙分子層之間的一種載體蛋白,也被稱之為鈉鉀泵.在通常情況下,細(xì)胞內(nèi)液鈉濃度低,鉀濃度高,細(xì)胞外液鈉濃度高,鉀濃度低[29].本研究中,實(shí)驗(yàn)水體中的TK濃度隨水流方向降低,為了維持細(xì)胞內(nèi)外液的平衡,植物根系細(xì)胞的Na+-K+ATP酶活性增大,將外界更多的K+輸送到細(xì)胞內(nèi).

H+-K+ATP酶屬于H+-ATP酶的一種,在植物液泡中,液泡膜H+-ATPase是液泡膜上形成跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度的主要酶,在維持細(xì)胞內(nèi)的離子平衡和鹽分的區(qū)域化分配中起重要作用[30].此外,植物細(xì)胞內(nèi)的液泡膜H+-ATP酶在磷缺乏的情況下能參與液泡對(duì)胞質(zhì)Pi穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)機(jī)制.單樹(shù)花等[31]研究表明,磷饑餓提高了番茄幼苗根部液泡膜H+-ATP酶活性.本研究中,水體中的TP濃度較低,此時(shí)植物根系中的H+-K+ATP酶活性較高,這表明在面對(duì)磷脅迫時(shí),植物通過(guò)提高質(zhì)膜和液泡膜H+-ATP酶的活性來(lái)調(diào)節(jié)液泡中Pi向胞質(zhì)中跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)[32],進(jìn)而維持胞質(zhì)內(nèi)磷的正常含量.

研究表明,對(duì)于受城市生活污水污染的開(kāi)放池塘,水葫蘆和水浮蓮組合模式對(duì)水質(zhì)凈化效果較選用一種浮水植物更佳[8].本研究選用水浮蓮和水葫蘆組合模式,在浮水植物水面覆蓋度達(dá)到76%時(shí),對(duì)污水處理廠尾水中TN削減率達(dá)2.14g(m2·d),與前期選用單一水葫蘆且100%覆蓋凈化塘?xí)r,對(duì)水體主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)削減率無(wú)顯著差異.然而,從后期打撈等工程量考慮,選用水浮蓮和水葫蘆組合的間歇種養(yǎng)模式,將更具有應(yīng)用價(jià)值.水浮蓮和水葫蘆在去除水體氮磷的同時(shí),可啟動(dòng)相應(yīng)的酶學(xué)機(jī)制,維持其在低濃度氮磷等環(huán)境下的生理狀態(tài),滿足其快速吸收營(yíng)養(yǎng)鹽的生理需求.因此,在今后的水生態(tài)工程修復(fù)實(shí)踐中,可考慮將水浮蓮和水葫蘆組合起來(lái)凈化水質(zhì),既能去除氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽,也能增加水域的美學(xué)效果.

4 結(jié)論

4.1 浮水植物水浮蓮和水葫蘆對(duì)污水處理廠尾水中的N、P、K有顯著削減效果,削減率分別達(dá)56.29%、34.61%和41.56%.

4.2 水浮蓮對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度要求較水葫蘆偏高,在水體氮、磷等濃度偏低水體葉綠素a含量降低,葉片微黃,水葫蘆更適宜用于污水的深度凈化.

4.3 水體氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的變化,可顯著影響水浮蓮和水葫蘆的形態(tài)、生理及生化特征.其中根冠比、NR、Na+-K+ATP酶和H+-K+ATP酶活力均與水體氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度負(fù)相關(guān),即植物在低濃度營(yíng)養(yǎng)鹽下,可通過(guò)提高相關(guān)酶活性,達(dá)到自己對(duì)營(yíng)養(yǎng)的高效吸收利用效果,這是浮水植物應(yīng)對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)變化的主要策略.

4.4 水浮蓮AKP酶活力與水體NPK濃度正相關(guān),對(duì)污水中磷素的去除效果較水葫蘆更佳.

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Nutrient removal and physiological response of floating macrophytes in different pollution loading waters.

LIU Hao-hui, QIN Hong-jie*, ZHANG Zhi-yong, WANG Yan, WEN Xue-zheng, LIU Hai-qin, SONG Wei, YAN Shao-hua

(Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)., 2017,37(11)：4304~4311

In order to illustrate nutrient removal and physiological response of aquatic macrophytes under different pollution loads, water lettuce and water hyacinth were selected to study on their water purification characteristics, physiological and biochemical response to tailrace of sewage. TN, TP and TK concentrations reduced from 11.97, 1.69, 8.10mg/L to 5.23, 1.10, 4.73mg/L when the sewage run through the purification pond cultured with water lettuce and water hyacinth alternately. With nutrient concentration decreasing in sewage, leaves turn yellow, chlorophyll a content in stems and leaves of water lettuce decreased significantly, while no significant changes on chlorophyll a content of water hyacinth were found. A significant negative correlation existed between NPK concentration in sewage and nitrate reductase, Na+-K+ATPase, H+-K+ATPase in roots of macrophytes. The enzyme activity of aquatic plants may be improved to meet with their efficient nutrition absorption when nutrient concentration is low in the environment. While AKP in water lettuce roots appeared positive correlation with NPK concentration in sewage. Compared with the beginning, Na+-K+ATPase and H+-K+ATPase of water hyacinth increased by 88.92% and 103.20%, respectively.

water lettuce；water hyacinth；wastewater treatment；water restoration；enzyme activity

X52

A

1000-6923(2017)11-4304-08

劉旻慧(1991-),女,浙江臺(tái)州人,實(shí)習(xí)研究員,碩士,主要從事水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)理論與技術(shù)方面的研究.發(fā)表論文7篇.

2017-05-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41501545);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20150549);農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金研究課題(KLAE201602)

* 責(zé)任作者, 副研究員, hongjieqin111@126.com