裴國(guó)鳳，李金秋，譚好臣，胡 江

(1 中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，武漢430074；2 濰坊市峽山水庫(kù)管理局, 濰坊 261325)

恢復(fù)和構(gòu)建高等水生植物群落尤其是沉水植物是改善富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水質(zhì)的一種有效的手段，但是，如果水體的氮磷濃度過(guò)高則會(huì)抑制沉水植物的生長(zhǎng)[1]，因此，若要在這些淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中恢復(fù)沉水植物，就必須先降低水體的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷[2]. 底棲藻類通過(guò)降低水體營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度、吸附和沉淀懸浮沉積物、提高水體透明度，為沉水植物的恢復(fù)創(chuàng)造了條件[3]，對(duì)淡水生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)及沉水植物的分布具有重要的影響. 底棲藻墊是以底棲藻類為主要組成成分的生物聚合體. 苦草(Vallisnerianatans)為我國(guó)常見(jiàn)的多年生沉水植物,常作為富營(yíng)養(yǎng)化水體沉水植物恢復(fù)重建品種.

底棲藻墊和苦草混合培養(yǎng)時(shí)滯磷能力均增強(qiáng)[4]，藻墊的存在可以減緩高濃度氮磷對(duì)苦草的脅迫效應(yīng)[5].將沉水植物苦草和金魚(yú)藻分別和底棲藻類混合培養(yǎng)，底棲藻類的生物量顯著減少，表明在淺水湖泊或沼澤中，某些沉水植物能有效地阻止底棲藻墊的過(guò)度蔓延生長(zhǎng)，以免其破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]. 目前有關(guān)不同類型底棲藻類的存在對(duì)苦草生長(zhǎng)影響的研究較少，本研究測(cè)定了不同類型的底棲藻類(毛枝藻、剛毛藻和底棲藻墊)-苦草處理系統(tǒng)對(duì)高營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷豬糞廢水中氮磷的去除率、藻墊在不同磷濃度條件下對(duì)磷的滯留能力和苦草中丙二醛含量的變化，以探究在高負(fù)荷養(yǎng)殖廢水中不同類型底棲藻類對(duì)苦草生長(zhǎng)的影響，為富營(yíng)養(yǎng)化淺水水體的磷污染治理及其沉水植物的恢復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料的采集與制備

以大理石(15 cm×8 cm×1 cm)作為人工基質(zhì)，清洗干凈并晾干，置于南湖沿岸(水深20～30 cm)進(jìn)行原位培養(yǎng)，兩周后將生長(zhǎng)有底棲藻類的人工基質(zhì)回收. 毛枝藻和剛毛藻來(lái)源于本實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)種，用改良朱氏10號(hào)培養(yǎng)液培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為18～22 ℃，每隔2 d更換新鮮培養(yǎng)液，同時(shí)清除雜藻和污染[7]. 苦草取樣于武漢植物園某池塘，放置于溫室玻璃缸內(nèi)進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，預(yù)培養(yǎng)的溫度和光照與后續(xù)實(shí)驗(yàn)相同，預(yù)培養(yǎng)二周后挑取生長(zhǎng)狀態(tài)好的苦草用于后續(xù)實(shí)驗(yàn). 豬糞廢水采集于武漢白沙洲某養(yǎng)豬場(chǎng).

1.2 設(shè)置與培養(yǎng)條件

實(shí)驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理組，每組3個(gè)平行. 在玻璃缸(40 cm×30 cm×30 cm)底均勻覆蓋一層約5 cm厚的細(xì)沙，將長(zhǎng)有底棲藻類的人工基質(zhì)置于沙上，預(yù)培養(yǎng)的苦草均勻置于各處理組系統(tǒng)中，并加入18 L不同磷濃度的豬糞廢水(表1). 在室內(nèi)溫度為22±2 ℃的溫室內(nèi)進(jìn)行. 以40 W日光燈為光源，同時(shí)在每個(gè)玻璃缸里設(shè)置1個(gè)曝氣頭，并調(diào)節(jié)至相同的曝氣速度，實(shí)驗(yàn)周期為32 d.

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和條件

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 水體理化指標(biāo)的測(cè)定

定期測(cè)定各處理系統(tǒng)水體的化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、總?cè)芙庑粤?TDP)、可溶活性磷(SRP)、總氮(TN)和總?cè)芙庑缘?TDN)，參照國(guó)家環(huán)保局制定的標(biāo)準(zhǔn)方法[8].

1.3.2 苦草生理指標(biāo)的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)分別測(cè)定各組苦草的鮮重，定期測(cè)定各組苦草葉片丙二醛(MDA)的含量，MDA 的測(cè)定參照文獻(xiàn)[9].

1.3.3 底棲藻類生理指標(biāo)的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)分別測(cè)定各組底棲藻墊的鮮重、干重和總磷含量[10]，同時(shí)計(jì)算底棲藻墊的最大磷去除率(MRP)，參照Guzzon 等的方法[11].

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型底棲藻類對(duì)廢水中COD的去除

不同處理系統(tǒng)水體中的COD含量隨處理時(shí)間的變化見(jiàn)圖1.可見(jiàn)不同類型底棲藻-苦草處理系統(tǒng)對(duì)水體COD均具有良好的去除效果，對(duì)水體COD的去除率均大于87%，毛枝藻-苦草系統(tǒng)(A組)、剛毛藻-苦草系統(tǒng)(B組)和藻墊-苦草系統(tǒng)(C組)對(duì)水體COD的去除率分別為87.5%、88.2%和92%，其中，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體COD的去除率最高，為92%；同時(shí)不同磷濃度條件下的藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體COD的去除結(jié)果表明，在高磷濃度(7.88 mg/L)條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)COD的去除率高于在中、低磷濃度下的去除率.

A)毛枝藻(高磷)；B)剛毛藻(高磷)；C)藻墊(高磷)；D)藻墊(中磷)；E)藻墊(低磷)圖1 不同類型底棲藻-苦草系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)殖廢水中COD的去除Fig.1 Removal of COD in wastewater with different types of benthic algae- Vallisneria natans systems

2.2 不同類型底棲藻類對(duì)廢水中磷的去除

所有處理系統(tǒng)水體的TP、TDP和SRP的濃度隨處理時(shí)間的增加而降低(圖2).

A)毛枝藻(高磷)；B)剛毛藻(高磷)；C)藻墊(高磷)；D)藻墊(中磷)；E)藻墊(低磷)圖2 不同類型底棲藻-苦草系統(tǒng)水體磷含量的變化Fig.2 The dynamic changes of phosphorus content in wastewater with different types of benthic algae- Vallisneria natans systems

高磷濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)(C組)對(duì)水體中的TP的去除率達(dá)到92.7%，高于剛毛藻-苦草系統(tǒng)(B組)和毛枝藻-苦草系統(tǒng)(A組)的去除率(圖2a)；不同磷濃度條件下，藻墊-苦草處理系統(tǒng)在中等磷濃度(4 mg/L)(D組)下對(duì)水體中TP的去除效果最好，達(dá)到97.4%.絲狀綠藻和底棲藻墊分別處理高磷濃度廢水研究表明，底棲藻墊對(duì)廢水中總磷的去除率(70%)高于絲狀綠藻(85%)[12].

本文有類似結(jié)果，在高濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體TP的去除率也高于絲狀底棲綠藻-苦草系統(tǒng)的去除率.

各處理系統(tǒng)水體中的TDP含量和TP含量比較接近，說(shuō)明各處理系統(tǒng)水體中的磷主要以可溶性磷的形式存在(圖2a，2b). 高磷濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體TDP的去除率達(dá)到92.5%，同樣高于另外兩種系統(tǒng)對(duì)水體TDP的去除率(圖2b)；不同磷濃度條件下，藻墊-苦草處理系統(tǒng)在中等磷濃度下對(duì)水體中TDP的去除效果最好，達(dá)到97.3%.

在高磷濃度下，藻墊-苦草系統(tǒng)和毛枝藻-苦草系統(tǒng)對(duì)水體SRP的去除率均達(dá)到92%，剛毛藻-苦草系統(tǒng)的去除率為72%；在不同磷濃度條件下，處理前2 d，藻墊高磷濃度組(C組)對(duì)水體SRP的去除率最高，中磷濃度組(D組)次之，低磷濃度組(E組)最??；32 d后，高、中、低磷濃度下的藻墊-苦草處理系統(tǒng)對(duì)水體SRP的去除率分別達(dá)到92.7%，97.5%，94.0%(圖2b)，其中，中磷濃度下的藻墊-苦草處理系統(tǒng)對(duì)水體SRP的去除率最高. 在處理初期，藻墊-苦草系統(tǒng)在高濃度條件時(shí)對(duì)水體SRP的去除率最高. 其他研究也有相似研究結(jié)果[13].

2.3 不同類型底棲藻類對(duì)廢水中氮的去除

各處理系統(tǒng)水體TN含量在前8 d大幅度下降，第8 d時(shí)各處理系統(tǒng)對(duì)水體TN的去除率已超過(guò)56%；在高濃度條件下，毛枝藻-苦草系統(tǒng)(A組)、剛毛藻-苦草系統(tǒng)(B組)和藻墊-苦草系統(tǒng)(C組)對(duì)水體TN的去除率分別為91%、84%、94%，其中，毛枝藻-苦草系統(tǒng)和藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體TN的去除率達(dá)到90%以上，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體TN的去除率高于毛枝藻-苦草系統(tǒng)(圖3a)；不同氮濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)在中等氮濃度(9 mg/L)(D組)條件下對(duì)水體中TN的去除效果最好，達(dá)到95.9%，在第8 d時(shí)，其對(duì)水體TN的去除率已達(dá)86%. 這表明當(dāng)?shù)讞孱惡涂嗖莨泊鏁r(shí)，系統(tǒng)仍能保持對(duì)水體氮磷較高的去除率.

在第8 d各處理系統(tǒng)對(duì)水體TDN的去除率均已超過(guò)57%；在高濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)TDN的去除率最高，達(dá)到93.8%(圖3b)；藻墊-苦草系統(tǒng)在中等氮濃度(9 mg/L)(D組)時(shí)對(duì)廢水中TDN的去除效果最好，達(dá)到95.1%，在第8 d，其對(duì)水體TDN的去除率已達(dá)91%.

A) 毛枝藻(高磷)；B) 剛毛藻(高磷)；C) 藻墊(高磷)；D) 藻墊(中磷)；E) 藻墊(低磷)圖3 不同類型底棲藻-苦草系統(tǒng)水體氮含量的變化Fig.3 The dynamic changes of nitrogen content in wastewater with different types of benthic algae- Vallisneria natans systems

2.4 不同類型底棲藻類對(duì)苦草生長(zhǎng)的影響

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始(第0 d)和結(jié)束(第32 d)時(shí)分別測(cè)定各處理系統(tǒng)中苦草的鮮重.高濃度條件下的A組、B組、C組中苦草鮮重分別增加約17、22.2和27.5 g，其中，藻墊與苦草混合培養(yǎng)時(shí)苦草鮮重增加的最多(表2)，說(shuō)明和剛毛藻、毛枝藻相比，藻墊與苦草共存時(shí)更有利于苦草的生長(zhǎng).

不同處理系統(tǒng)中苦草MDA含量的變化表明(圖4)，前期(第8 d)毛枝藻-苦草系統(tǒng)、剛毛藻-苦草系統(tǒng)和藻墊-苦草系統(tǒng)中苦草MDA含量分別上升了0.017、0.014和0.009 μmol/g，其中，藻墊-苦草系統(tǒng)中苦草MDA含量的增加量明顯小于毛枝藻-苦草系統(tǒng)和剛毛藻-苦草系統(tǒng)中苦草MDA含量的增加量(p<0.05).說(shuō)明與毛枝藻和剛毛藻相比，藻墊能減小高濃度污染對(duì)苦草的傷害；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，這3種處理系統(tǒng)的苦草MDA的含量基本恢復(fù)到處理前的水平，說(shuō)明底棲藻類能促進(jìn)苦草對(duì)高濃度廢水的適應(yīng).而單獨(dú)培養(yǎng)苦草則會(huì)受到嚴(yán)重脅迫[5].

表2 不同類型底棲藻-苦草系統(tǒng)中苦草生物量的比較 Tab.2 Comparison of Vallisneria natans biomass in different types of benthic algae- Vallisneria natans systems

2.5 不同磷濃度處理對(duì)苦草生長(zhǎng)的影響

在高(C組)、中(D組)、低磷3種(E組)條件下，分別將藻墊和苦草混合培養(yǎng).在第32 d3種磷濃度條件下的苦草鮮重分別增加約27.5、39.4和18.6 g，其中，中等磷濃度(D組)下苦草鮮重增加的最多(表2)，說(shuō)明對(duì)于藻墊-苦草系統(tǒng)而言，中等磷濃度(約4 mg/L)的水體環(huán)境最適合苦草的生長(zhǎng).

在第8 d，高、中、低3種磷濃度條件下的苦草MDA含量分別上升了0.0087、0.0054和0.0053 μmol/g，其中，中等磷濃度條件下苦草MDA含量的增加量明顯小于高磷濃度下苦草MDA含量的增加量(p<0.05)(圖4)，表明中等磷濃度水體環(huán)境更適合苦草的生長(zhǎng). 苦草的生物量和MDA含量變化表明，藻墊和苦草共培養(yǎng)，且在中等磷濃度條件下，最有利于苦草的恢復(fù)重建.

A)毛枝藻(高磷)；B)剛毛藻(高磷)；C)藻墊(高磷)；D)藻墊(中磷)；E)藻墊(低磷)圖4 不同類型底棲藻-苦草系統(tǒng)中苦草MDA含量的變化Fig.4 The dynamic changes of MDA content of Vallisneria natans in different types of benthic algae- V. natans systems

2.6 不同類型底棲藻類總磷含量的比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，毛枝藻、剛毛藻和藻墊的總磷增加量依次約為：3.1 、2.48、0.7 mg/g·DW，其中毛枝藻的總磷增加量最大，約為3.1 mg/g·DW，剛毛藻次之，毛枝藻和剛毛藻的總磷增加量都明顯大于藻墊(p<0.05)，藻墊的總磷增加量最小，約為0.7 mg/g·DW，表明絲狀底棲藻類具有更強(qiáng)的短期磷滯留潛力(表3). 這可能是由于松散的絲狀藻具有良好過(guò)濾作用[14]，能為去除水體的懸浮顆粒物質(zhì)提供很大的表面積，進(jìn)一步增強(qiáng)了其滯磷能力.

表3 不同類型底棲藻類總磷含量的比較

Tab.3 Comparison of total phosphorus content in different types of benthic algae

底棲藻類TP含量(mg·g-1·DW)組別ABC初始時(shí)3.05±0.526.15±0.632.62±0.12結(jié)束時(shí)6.15±0.558.63±0.423.32±0.24

2.7 不同磷濃度下底棲藻墊的生物量及最大磷去除率比較

高、中、低3種磷濃度條件下藻墊鮮重增加量依次為38.9、28.3和7.6 g，其中，高磷濃度(C組)的藻墊鮮重增加最多，中磷濃度次之，低磷濃度最小(表4)，表明高磷濃度更有利于藻墊生物量的增加. 因此，底棲藻類的生物量隨著氮磷濃度的增大而增加，當(dāng)?shù)诐舛冗_(dá)到最高值，其生物量也達(dá)到最大值[13,15].

比較不同磷濃度條件下藻墊的最大磷去除率，結(jié)果表明高、中、低3種磷濃度條件下藻墊最大磷去除率依次為3.00、1.99和0.26 mg·m2·d-1，其中，高磷濃度(C組)下藻墊的最大磷去除率最高，為3.0 mg·m2·d-1，中磷濃度次之，低磷濃度最小，為0.26 mg·m2·d-1(表4).

表4 不同磷濃度下底棲藻墊的生物量及最大磷去除率比較

Tab.4 Comparison of biomass and maximum phosphorus removal rate of periphyton mats under different phosphorus concentrations

組別CDE初始時(shí)藻墊鮮重/g72.4±0.7372.4±0.6472.4±0.81結(jié)束時(shí)藻墊鮮重/g111.3±1.05100.7±0.7280±0.9藻墊最大磷去除率/(mg·m2·d-1)3.001.990.26

3 結(jié)語(yǔ)

(1)藻墊-苦草系統(tǒng)的COD、總磷和總氮的去除率高于剛毛藻、毛枝藻-苦草系統(tǒng).

(2)高濃度的豬糞廢水會(huì)對(duì)苦草產(chǎn)生短期的逆境脅迫，但底棲藻類的存在，減緩了營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷對(duì)苦草生長(zhǎng)的抑制效應(yīng).

(3)不同類型底棲藻滯留總磷的能力不同，與藻墊相比，絲狀底棲藻具有更強(qiáng)的短期磷滯留潛力.