陸慶楠，賀宇欣，莊文化，李龍國(guó)，王 偉

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100000)

近年來,水體受人類生活污染、工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)污染影響，水質(zhì)惡化嚴(yán)重。尤其受到農(nóng)業(yè)面源污染[1]影響，導(dǎo)致大量氮、磷[2]等營(yíng)養(yǎng)素大面積排入水中，從而頻繁爆發(fā)赤潮、水華等水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年，我國(guó)東海水域、長(zhǎng)江口水域富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)分別為3.2、5.0，分別達(dá)到中度、重度富營(yíng)養(yǎng)化水平；2014年，東海發(fā)生赤潮次數(shù)共計(jì)27次，赤潮累計(jì)影響面積約2 509 km2[3,4]。更有研究表明，近幾十年來，全球范圍內(nèi)的氮、磷營(yíng)養(yǎng)素通過河流向海岸帶的輸送量分別增加了2.5和2.0倍[5]。水體富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)引起藻類及其他浮游生物大量繁殖，從而使水體中溶解氧含量迅速下降，導(dǎo)致魚類等水生生物死亡，導(dǎo)致水生植物尤其是沉水植物大量衰退[6-8]，進(jìn)而水體更加惡化，對(duì)其他生態(tài)系統(tǒng)造成惡劣影響，后果不堪設(shè)想。

以沉水植物粉綠狐尾藻為主構(gòu)建生態(tài)凈水系統(tǒng)的生物方法[9]近年來被發(fā)現(xiàn)在凈水方面卓有成效。粉綠狐尾藻對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除既可以通過根系，也可以通過莖葉吸收、轉(zhuǎn)化、利用。同時(shí)因其還能去除某些重金屬及其他有毒物質(zhì)、抑制藻類繁殖、對(duì)溫度變化耐受性好、生物量積累較快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常常被選為凈水的先鋒植物。湖南省已有農(nóng)戶采用粉綠狐尾藻生態(tài)濕地技術(shù)處理養(yǎng)殖廢水，效果顯著，效益明顯。川渝地區(qū)池塘、河溝、沼澤等地廣布粉綠狐尾藻，但應(yīng)用實(shí)例卻很少。諸多學(xué)者研究表明，狐尾藻對(duì)氮磷具有去除效果，對(duì)氨氮具有很強(qiáng)的偏好性和耐受性[10]，30 d后狐尾藻對(duì)氨氮、總磷的去除率分別可達(dá)到91.7%[11]、98.6%[12]。金樹權(quán)[13]等研究發(fā)現(xiàn)，狐尾藻對(duì)TN、TP的去除率與植物凈增生物量呈正相關(guān)關(guān)系。Xu W W[14]、Ye C[15]等研究發(fā)現(xiàn)狐尾藻對(duì)水質(zhì)的凈化增效作用大于本身的直接吸收作用。但粉綠狐尾藻對(duì)氮磷的去除效果與水體中氮磷濃度的關(guān)系研究較少，凈水效果與污染物濃度的響應(yīng)機(jī)制有待研究。本文探究粉綠狐尾藻在不同氨氮、硝氮、總磷濃度梯度作用下，對(duì)氨氮、硝氮、總磷的去除效果，以期得到去除率與氮磷濃度的響應(yīng)機(jī)制。研究結(jié)果可為在川渝地區(qū)推廣粉綠狐尾藻生態(tài)濕地技術(shù)處理養(yǎng)殖廢水，治理水體富營(yíng)養(yǎng)化等提供參考。

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)。將粉綠狐尾藻帶回四川大學(xué)水利水電學(xué)院水利水電工程試驗(yàn)中心，統(tǒng)一采用Hogland營(yíng)養(yǎng)液馴養(yǎng)15 d。供試水體采用分析純蒸餾水。培養(yǎng)箱規(guī)格為39 cm(長(zhǎng))×28 cm(寬)×21 cm(高)，容積22 dm3，材質(zhì)為白色透明聚丙烯塑料。采用氯化銨(NH4Cl)、硝酸鉀(KNO3)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)配置不同的氮磷梯度。

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)置不同濃度梯度水平的氨氮、硝氮、總磷為自變量，其余變量處理均相同(見表1)。試驗(yàn)每天18∶00補(bǔ)充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。試驗(yàn)于2017年7月1日至8月30日在四川大學(xué)水利水電學(xué)院水利水電工程試驗(yàn)中心進(jìn)行。

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

自試驗(yàn)開始每隔6 d測(cè)定培養(yǎng)液中氨氮、硝氮、總磷含量，氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定、硝氮采用酚二磺酸分光光度法測(cè)定、總磷采用鉬酸鹽分光光度法測(cè)定；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office 2007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、單因素顯著性分析、方差分析和模型建立。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)期間，各培養(yǎng)箱內(nèi)水溫處于21.7～38.6 ℃，pH值處于6.07～8.42，溶解氧濃度處于6.41～8.02 mg/L，其他區(qū)域小氣候指標(biāo)適宜，未見異常。各處理培養(yǎng)箱內(nèi)氨氮、硝氮、總磷含量見表2、表3、表4。可以看出，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，氨氮、硝氮、總磷濃度變化下，培養(yǎng)箱內(nèi)氨氮、硝氮、總磷殘余量越來越少，且各處理差異顯著。

2.1 氨氮、硝氮、總磷濃度變化對(duì)氨氮去除率的影響

從圖1可以看出，氨氮濃度變化下，試驗(yàn)各處理氨氮去除率組間差異不顯著。氨氮濃度為25 mg/L時(shí)，氨氮去除率開始受到抑制。12 d后，隨著氨氮濃度的提高，氨氮去除率出現(xiàn)了先增后減的趨勢(shì)，并在氨氮濃度為25 mg/L時(shí)氨氮去除率為70.09%，達(dá)到了最大值。說明隨著氨氮濃度的升高，粉綠狐尾藻吸收氮的生理活動(dòng)處于先促進(jìn)后被抑制的過程。試驗(yàn)條件下，在25 mg/L時(shí)，粉綠狐尾藻吸收氨氮的強(qiáng)度最高，對(duì)水中氨氮的去除效果最好。說明它對(duì)氨氮的耐受極限為25 mg/L。硝氮濃度變化下，12、30 d后，氨氮去除率組間差異顯著，硝氮濃度為15 mg/L時(shí)，氨氮去除率開始受到抑制。隨著硝氮的濃度的增加，粉綠狐尾藻對(duì)于氨氮的去除效果表現(xiàn)出與氨氮濃度增加類似的規(guī)律，并在硝氮濃度為15 mg/L時(shí)，粉綠狐尾藻的吸收氨氮的強(qiáng)度最高，對(duì)水中氨氮的去除效果最好。說明粉綠狐尾藻對(duì)硝氮的耐受極限為15 mg/L?？偭诐舛茸兓?，12 d后，氨氮去除率組間差異顯著，且去除率與總磷濃度呈正相關(guān)關(guān)系。而30 d后，組間差異不顯著，說明總磷濃度變化顯著影響粉綠狐尾藻在前中期對(duì)氨氮的去除效果。隨著總磷的濃度增加，粉綠狐尾藻對(duì)于氨氮的去除效果一直增加并沒有出現(xiàn)高濃度抑制其生理活動(dòng)的現(xiàn)象，說明在35 mg/L以下濃度范圍內(nèi)，總磷濃度升高會(huì)有效促進(jìn)水體中氨氮的吸收，同時(shí)對(duì)于30 d后的去除效果，總磷濃度的增加也使去除率增加。粉綠狐尾藻對(duì)總磷的耐受極限需進(jìn)一步研究。

表2 培養(yǎng)箱內(nèi)氨氮含量Tab.2 The content of ammonia nitrogen in the culture box

注：①表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，下同；②表中不同小寫字母表示同一處理不同時(shí)間下培養(yǎng)箱內(nèi)氨氮剩余量差異顯著水平(p<0.05)。

表4 培養(yǎng)箱內(nèi)總磷含量Tab.4 The content of total phosphorus in the culture box

圖1 不同氨氮、硝氮、總磷濃度變化下粉綠狐尾藻對(duì)氨氮的去除率Fig.1 Removal rate of ammonia nitrogen under different ammonia nitrogen, nitrous nitrogen and total phosphorus

2.2 氨氮、硝氮、總磷濃度變化對(duì)硝氮去除率的影響

從圖2可以看出，氨氮、硝氮、總磷濃度變化下，硝氮去除率組間差異不顯著。12 d后，隨氨氮濃度增加，硝氮去除率反而降低，氨氮濃度達(dá)到25 mg/L時(shí)，硝氮去除率開始回升。而30 d后，則表現(xiàn)出相反規(guī)律。說明氨氮濃度變化，影響粉綠狐尾藻前期對(duì)硝氮的吸收。粉綠狐尾藻對(duì)氨氮具有高親和性，優(yōu)先吸收水體中氨氮，再吸收利用其他氮源。這與金春華[10]的研究結(jié)果一致。隨著氨氮濃度的增加，粉綠狐尾藻的氨氮吸收能力得到促進(jìn)但是硝氮的吸收能力被抑制，且促進(jìn)和抑制效應(yīng)都存在相同的濃度閾值，李靖[16]、馬永飛[17]的研究也有類似結(jié)果。硝氮濃度變化下，30 d后，各組硝氮去除率平穩(wěn)，說明硝氮去除率受硝氮濃度變化影響不大。隨著硝氮濃度增加，12 d后的硝氮去除率在硝氮濃度達(dá)到25 mg/L之前幾乎不受其濃度的影響，但是在其濃度達(dá)到35 mg/L時(shí)候，水體對(duì)粉綠狐尾藻形成逆境脅迫，影響了植物的正常生理活動(dòng)，抑制粉綠狐尾藻正常生長(zhǎng)，降低了去除能力。而隨著水體中總磷濃度的增加，粉綠狐尾藻對(duì)于硝氮的去除效果沒有明顯的促進(jìn)和抑制作用。此外，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，硝氮去除率明顯低于氨氮和總磷，說明夏季高溫條件下粉綠狐尾藻對(duì)于硝氮的吸收作用弱于氨氮和總磷。

圖2 不同氨氮、硝氮、總磷濃度變化下粉綠狐尾藻對(duì)硝氮的去除率Fig.2 Removal rate of nitrous nitrogen under different ammonia nitrogen, nitrous nitrogen and total phosphorus

2.3 氨氮、硝氮、總磷濃度變化對(duì)總磷去除率的影響

從圖3可以看出，氨氮濃度變化下，12 d后總磷去除率組間差異不顯著，但30 d后，T5與其他組別差異顯著。氨氮含量為25 mg/L時(shí)，總磷去除率達(dá)到最高，超過25 mg/L時(shí)，去除效果受到抑制。硝氮濃度變化下，總磷去除率與氨氮濃度變化規(guī)律類似，但抑制點(diǎn)出現(xiàn)在硝氮濃度為15 mg/L處。總磷濃度變化下，12、30 d后總磷去除率組間差異不顯著。相比12 d的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，粉綠狐尾藻在30 d后對(duì)總磷的去除效果受氨氮、硝氮、總磷濃度的變化表現(xiàn)得更加敏感。水體中氨氮和硝氮的濃度增加不能有效提高12 d后的粉綠狐尾藻對(duì)總磷的吸收能力，但是30 d后，分別在氨氮25 mg/L和硝氮15 mg/L時(shí)，致使總磷的去除率達(dá)到了最大值。此外，水體中總磷的濃度與30 d后的總磷去除率呈現(xiàn)明顯正相關(guān)關(guān)系。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同時(shí)期的粉綠狐尾藻，總磷的去除率水平明顯高于氨氮和硝氮，且其受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的影響是在30 d后。這表明：相較于氨氮和硝氮，粉綠狐尾藻對(duì)于總磷的耐受能力更強(qiáng)，而且吸收能力更強(qiáng)，其凈水作用更加適合于總磷超標(biāo)水體。這與方焰星[18]的研究結(jié)果一致。

圖3 不同氨氮、硝氮、總磷濃度變化下粉綠狐尾藻對(duì)硝氮的去除率Fig.3 Removal rate of total phosphorus under different ammonia nitrogen, nitrous nitrogen and total phosphorus

3 結(jié) 論

試驗(yàn)條件下，12 d后，各處理能去除培養(yǎng)箱中大部分的氨氮和總磷，氨氮、總磷去除率平均分別達(dá)到58.12%、64.60%，而硝氮較低，為36.04%。30 d后，各組對(duì)氨氮、硝氮、總磷的去除率分別達(dá)到78.1%～81.1%、59.1%～63.9%、85.7%～91.9%，表現(xiàn)出總磷去除率>氨氮去除率>硝氮去除率。該結(jié)果表明，夏季高溫天氣，粉綠狐尾藻對(duì)氨氮、總磷的去除效果明顯。這與童昌華[11]，Souza[12]的研究結(jié)果一致。Jampeetong[19]和Dai[20]的研究結(jié)果也表明水生植物對(duì)氨氮的去除率要高于硝氮。

粉綠狐尾藻對(duì)氨氮、硝氮、總磷的去除效果受氨氮、總磷濃度變化響應(yīng)強(qiáng)烈，受硝氮濃度變化影響不大。氨氮、硝氮含量分別為25、15 mg/L時(shí)，是粉綠狐尾藻發(fā)揮最優(yōu)凈水效果的濃度。而粉綠狐尾藻對(duì)總磷的耐受極限還需進(jìn)一步研究。在初始污染物濃度固定情況下，氨氮濃度(25 mg/L)閾值內(nèi)，氨氮含量愈高，硝氮去除率愈底。粉綠狐尾藻在氮源污染物中對(duì)氨氮表現(xiàn)出更高親和性。待氨氮被吸收利用后，再吸收利用硝氮。而總磷含量愈高，植株生長(zhǎng)更旺盛，氨氮、硝氮、總磷去除率較其他組別最高?？偭组撝颠€需進(jìn)一步研究。本文發(fā)現(xiàn)，夏季條件下，粉綠狐尾藻更適合凈化高磷水體。污染物排放需經(jīng)過預(yù)處理使氨氮、硝氮濃度降至25、15 mg/L時(shí)，能更好發(fā)揮粉綠狐尾藻對(duì)氨氮、硝氮的去除效果。本文研究是建立在污染物濃度初始條件給定情況下的，對(duì)過程中有污染物繼續(xù)輸入的情況還需進(jìn)一步研究。