張?jiān)茷t，徐佳敏，盧少勇*，李鋒民，張亞茹，王永強(qiáng)，3，劉曉暉，4

（1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，近海環(huán)境污染控制研究所，山東 青島 266100；2.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家環(huán)境保護(hù)洞庭湖科學(xué)觀測(cè)研究站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖泊生態(tài)環(huán)境研究所，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150090；4.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

近年來(lái)，水體污染已經(jīng)成為我國(guó)主要環(huán)境問(wèn)題之一，外源（工業(yè)廢水、生活污水、低污染水）是主要貢獻(xiàn)者。低污染水是指水中氮磷和COD（化學(xué)需氧量）濃度達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B 排放標(biāo)準(zhǔn)，但不符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的水體，主要包括城鎮(zhèn)污水廠出水、污染河水、雨水徑流、農(nóng)業(yè)徑流等。工業(yè)廢水、生活污水等得到了相對(duì)有效管控，而農(nóng)業(yè)徑流、污水處理廠達(dá)標(biāo)排放出水等低污染水量大面廣，尚未得到有效控制，其直排會(huì)加重河湖水體污染，因此為了降低進(jìn)入河湖的氮磷負(fù)荷，需對(duì)低污染水進(jìn)行凈化。

濕地水生植物可通過(guò)直接吸收來(lái)去除水體中的污染物。XIA 等[1]發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮吸收馬拉硫磷后轉(zhuǎn)移至莖葉，并在體內(nèi)降解，馬拉硫磷去除率提高了1.6 倍。宋英偉等[2]的研究結(jié)果表明濕地中植物對(duì)污染物去除發(fā)揮了重要作用，種植植物后濕地TN（總氮）、TP（總磷）去除率分別提高了13.6%和19.5%。植物在生長(zhǎng)中分泌的有機(jī)物是濕地中主要內(nèi)在碳源，利于反硝化作用[3]，對(duì)濕地凈化低污染水非常重要。此外，溫度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因素對(duì)濕地植物的影響不容忽視[4-5]，一天內(nèi)不同時(shí)段的植物與微生物生理活性不同，這種情況下，污染物去除效果的動(dòng)態(tài)變化值得探究，但實(shí)際上此方面研究較少。

風(fēng)車草（Cyperus alternifoliusL.）是濕地中常見(jiàn)的挺水植物，其根系發(fā)達(dá)，葉片蒸騰作用強(qiáng)，具有很強(qiáng)的污染物吸收富集能力，能促進(jìn)微生物對(duì)污染物的生物降解，在污水處理方面具良好應(yīng)用前景，被廣泛用于垃圾滲濾液、市政污水處理。孫磊等[6]研究了4 組復(fù)合濕地對(duì)低TN 濃度污水的凈化效果，結(jié)果表明，TN、TP 去除率最高的濕地是種植風(fēng)車草的潛流濕地，去除率分別為62.78%、41.89%，而種植梭魚草的濕地對(duì)TN、TP 的去除率為44.31%、30.89%，該研究通過(guò)分析微生物群落關(guān)系，發(fā)現(xiàn)風(fēng)車草的種植改善了微生物多樣性和豐度，增加了系統(tǒng)中不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬、芽孢桿菌屬的豐度，利于脫氮除磷。而植物的去污能力常受多種環(huán)境因素影響，其中溫度是一項(xiàng)重要因素，其不僅影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，且低溫環(huán)境還降低了植物根系泌氧速率，從而抑制植物對(duì)污染物的去除[7]。同時(shí)，植物在去除污染物時(shí)會(huì)分泌不同種類的溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM），影響微生物種群結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)，指示植物去污能力變化。有研究表明，腐植酸作為碳源可促進(jìn)同步硝化反硝化過(guò)程，進(jìn)而促進(jìn)總氮的去除[8]，然而色氨酸則會(huì)加劇水體總氮的積累。目前對(duì)濕地植物短期凈化低污染水過(guò)程中DOM 變化規(guī)律的研究較少，DOM 對(duì)低污染水中氮磷去除的影響也有待研究。

本研究以風(fēng)車草為試驗(yàn)材料，通過(guò)不同溫度下風(fēng)車草凈化低污染水中氮磷的短期動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，分析風(fēng)車草對(duì)水中氮磷凈化的日動(dòng)態(tài)變化及溫度對(duì)凈化過(guò)程的影響，探討了短期內(nèi)系統(tǒng)中DOM 的變化，以期探明植物對(duì)低污染水中氮磷的短期去除能力及變化規(guī)律，為利用濕地植物凈化低污染水的實(shí)踐應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 模擬污水

試驗(yàn)用水采用人工配水，參考文獻(xiàn)[9]中對(duì)低污染水的界定，本研究中水質(zhì)指標(biāo)濃度設(shè)置見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)植物

試驗(yàn)所選植物為風(fēng)車草，莎草科、莎草屬，多年生草本植物，廣布于湖、河邊緣的沼澤中，其根系發(fā)達(dá)，具有很強(qiáng)的污染物吸收能力，以及較強(qiáng)的抗寒能力和較好的景觀作用。本試驗(yàn)選擇生長(zhǎng)良好、植株完整、性狀統(tǒng)一、株高約20～30 cm 的風(fēng)車草，在室溫、模擬低污染水環(huán)境下培養(yǎng)至株高50 cm 后使用，后續(xù)試驗(yàn)低溫組和常溫組所用植物鮮質(zhì)量分別為（249.1±1.02）g和（250.6±0.89）g。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

試驗(yàn)于2020 年7 月在中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院湖泊生態(tài)環(huán)境研究所開(kāi)展，常溫組置于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放環(huán)境中，受到正常日光照射，低溫組置于低溫人工氣候室內(nèi)，12 h 光照、12 h 黑暗，常溫組與低溫組均放置在獨(dú)立空間內(nèi)，減少人為活動(dòng)的干擾。試驗(yàn)共設(shè)四組（圖1）：①常溫下（24～30 ℃）風(fēng)車草組（N組）；②常溫下不添加植物的空白組（CKN 組）；③低溫（4～8 ℃）下風(fēng)車草組（L組）；④低溫下不添加植物的空白組（CKL組）。將預(yù)培養(yǎng)的風(fēng)車草根系泥土沖洗干凈后，未對(duì)根系做其他處理，按照試驗(yàn)分組放置于試驗(yàn)燒杯中。試驗(yàn)重復(fù)3次，開(kāi)始時(shí)分別將配好的模擬污水（5 L）同時(shí)加入4 組燒杯，全過(guò)程中不補(bǔ)水，風(fēng)車草密度為50 株·m-2。取樣時(shí)間選擇0、2、4、8、16、24、30、44、48、52、70 h，水樣的TN、TP、NH3-N（氨氮）、-N（硝態(tài)氮）、-N（亞硝態(tài)氮）及理化指標(biāo)的測(cè)定方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）》[10]，水中DOM 含量通過(guò)三維熒光光譜儀（Hitachi F-7000）測(cè)定，植物的根系活力通過(guò)氯化三苯基四氮唑（TTC）法[11]測(cè)定。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖Figure 1 The experiment design

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程模擬氮、磷去除規(guī)律，即：

式中：t為反應(yīng)時(shí)間，d；K為一階反應(yīng)速率常數(shù)，d-1；C為t時(shí)刻測(cè)定的濃度，mg·L-1；C0為初始濃度，mg·L-1。根據(jù)公式（1），將所測(cè)指標(biāo)濃度與初始濃度比值的自然對(duì)數(shù)與反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行線性回歸，得到的降解方程的斜率的負(fù)值即為K值（一階反應(yīng)速率常數(shù)）。

采用日變化率描述一天內(nèi)污染物濃度變化：

式中：X表示日變化率；ΔC為一天內(nèi)濃度極差，mg·L-1；Cmax為一天內(nèi)濃度最大值，mg·L-1。

用Origin 9.1 分析數(shù)據(jù)和繪圖，SPSS 22.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析及Pearson 相關(guān)性分析，Matlab 2018a 的DOMFluor 工具箱中PARAFAC 模型分析DOM 三維熒光光譜，通過(guò)殘差分析和裂半分析確定DOM 組分，根據(jù)其最大熒光強(qiáng)度Fmax確定每個(gè)組分的相對(duì)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷降解動(dòng)力學(xué)

研究發(fā)現(xiàn)，模擬濕地中對(duì)氮、磷的去除滿足一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，張巖等[12]以7 種植物床分別構(gòu)建潛流濕地，出水中氮、磷濃度與水力停留時(shí)間相關(guān)性顯著，氮、磷去除過(guò)程滿足一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。本研究中，通過(guò)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算出一階反應(yīng)速率常數(shù)K值（表2）以衡量不同溫度下風(fēng)車草系統(tǒng)中污染物去除率，K值越大，去除率越高。由表2可知，N組對(duì)污染物的去除率均明顯高于L 組，表明溫度對(duì)低污染水體氮、磷的去除具有顯著影響（P＜0.01）。常溫下NO-3-N的K值是低溫組的25倍，常溫組TP的K值是低溫組的9倍。

表2 一階反應(yīng)速率常數(shù)K值（d-1）Table 2 First order reaction rate constant K（d-1）

2.2 氮磷去除效果

2.2.1 總氮去除效果

TN 去除率結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2 可見(jiàn)，風(fēng)車草對(duì)水中TN 的去除效果較好，N 組的平均去除率比CKN 組高25%，L 組的平均去除率比CKL 組高10%。而且溫度對(duì)TN 的去除效果影響顯著，N 組的TN 去除率隨時(shí)間漸增，70 h后去除率為82.87%，而L組TN 去除率低于N 組，去除率最高為62.9%，根據(jù)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程算出N 組風(fēng)車草對(duì)TN 的K值為0.449 3，而L 組的K值僅為0.158 1，說(shuō)明低溫時(shí)TN去除率受到抑制。

圖2 TN去除率變化Figure 2 Variations of TN removal rates

2.2.2 總磷去除效果

TP 去除率結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3 可見(jiàn)，N 組TP 去除效果顯著，4 h后風(fēng)車草對(duì)水中TP去除率隨時(shí)間推移漸增，由一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程求得K值為0.502 8，70 h時(shí)去除率72.40%，此時(shí)系統(tǒng)中TP濃度為0.5 mg·L-1，達(dá)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。而低溫環(huán)境下，風(fēng)車草未能有效去除水中TP，可能是由于溫度抑制了根際微生物磷的礦化吸收。

圖3 TP去除率變化Figure 3 Variations of TP removal rates

風(fēng)車草根系活力變化見(jiàn)圖4，試驗(yàn)初期風(fēng)車草根系活力為12.89 mg·g·h-1（以鮮質(zhì)量計(jì)，下同），常溫下N 組根系活力于72 h 后升高到13.76 mg·g·h-1，而低溫下L 組根系活力隨時(shí)間推移顯著降低（P＜0.05），在72 h 時(shí)降至5.33 mg·g·h-1。植物根系是微生物活動(dòng)的重要場(chǎng)所，同時(shí)根系分泌物會(huì)影響污染物的去除效果，根系活力、根部生長(zhǎng)狀況的不同會(huì)導(dǎo)致污染物去除率的差異。有研究表明植物根部對(duì)低溫的反應(yīng)比葉片敏感，在8 ℃下水稻根系活力隨處理時(shí)間延長(zhǎng)而降低[13]。

圖4 風(fēng)車草根系活力的變化Figure 4 Variations of root activity of Cyperus alternifolius L.

2.2.3 氨氮去除效果

氨氮去除率結(jié)果見(jiàn)圖5，N 組的氨氮去除集中在前16 h，氨氮濃度最低為0.5 mg·L-1，去除率94.85%。水體中氨氮主要通過(guò)植物吸收、硝化反應(yīng)等過(guò)程去除，風(fēng)車草自身的中空組織可以輸送氧氣至根系，根系釋放氧氣形成氧化層，利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行[14]。而L組氨氮最大去除率為39.73%，可能是因?yàn)橄趸鷮?duì)溫度較敏感，低溫下活性受到抑制。

圖5 氨氮去除率變化Figure 5 Variations of NH3-N removal rates

2.2.4 硝態(tài)氮去除效果

硝態(tài)氮去除率結(jié)果見(jiàn)圖6，N 組硝態(tài)氮去除率隨時(shí)間推移漸增，計(jì)算得出K值為0.620 4，在70 h 時(shí)N組硝態(tài)氮去除率達(dá)85.99%。硝態(tài)氮主要在反硝化菌作用下被去除，研究表明，植物根系通過(guò)泌氧使根際出現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧區(qū)，利于硝化反硝化作用進(jìn)行[15]。好氧區(qū)存在于植物根部附近小區(qū)域，其余環(huán)境為缺氧甚至厭氧區(qū)[16]，因此系統(tǒng)中非根際區(qū)域的缺氧利于硝態(tài)氮還原。

圖6 硝態(tài)氮去除率變化Figure 6 Variations of -N removal rates

2.2.5 亞硝態(tài)氮去除效果

亞硝態(tài)氮是氮循環(huán)的中間產(chǎn)物，來(lái)自硝化過(guò)程中氨氮氧化，之后在反硝化菌作用下被還原為氮?dú)狻喯鯌B(tài)氮濃度變化見(jiàn)圖7，0～16 h，常溫下風(fēng)車草系統(tǒng)中出現(xiàn)亞硝態(tài)氮短暫累積，隨后濃度逐漸下降。結(jié)合N組氨氮濃度變化情況（前16 h 氨氮濃度降低較快，隨后氨氮濃度逐漸穩(wěn)定）可知，前16 h 系統(tǒng)中以硝化反應(yīng)為主，氨氮被氧化為亞硝態(tài)氮，亞硝態(tài)氮在系統(tǒng)中出現(xiàn)短暫積累，之后一段時(shí)間內(nèi)硝化反硝化逐漸達(dá)到平衡，亞硝態(tài)氮濃度降低。

圖7 亞硝態(tài)氮濃度變化Figure 7 Variations of -N concentrations

2.2.6 氮磷濃度與去除率的日變化

試驗(yàn)進(jìn)水第一天各水質(zhì)指標(biāo)濃度及去除率的日變化見(jiàn)圖8，因低溫試驗(yàn)L組在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境較穩(wěn)定，不會(huì)受光照強(qiáng)度等外界環(huán)境影響，氮磷去除率變幅較小。而常溫下N組受光照強(qiáng)度影響，風(fēng)車草對(duì)外界環(huán)境的生理響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響風(fēng)車草對(duì)污染物的吸收、去除。

圖8 TN、NH3-N、-N、TP濃度及去除率日變化Figure 8 Diurnal variation of concentrations and removal rates of TN，NH3-N，-N and TP

日變化率的計(jì)算結(jié)果表明，N 組TN、TP、NH3-N及-N 濃度日變化率分別為48.52%、40.31%、91.41%、47.15%，均高于L 組。10：00—14：00 風(fēng)車草對(duì)氮磷的去除率增幅最大，原因是隨著光強(qiáng)的增大，風(fēng)車草光合作用增強(qiáng)，會(huì)吸收水中更多的N、P等營(yíng)養(yǎng)元素用于合成光合代謝產(chǎn)物。

2.3 污染物去除與理化指標(biāo)的相關(guān)性分析

試驗(yàn)中各組溫度、pH、氧化還原電位（ORP）、電導(dǎo)率（EC）的變化見(jiàn)圖9。經(jīng)檢驗(yàn)以上理化指標(biāo)及TN、TP 去除率均具正態(tài)分布特性，本研究采用Pearson 相關(guān)系數(shù)分析以上理化指標(biāo)和TN、TP 去除率的相關(guān)性（表3）。TN去除率與電導(dǎo)率的相關(guān)系數(shù)為-0.773，TP 去除率與電導(dǎo)率的相關(guān)系數(shù)為-0.990，TN、TP 去除率與電導(dǎo)率均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。有學(xué)者用長(zhǎng)苞香蒲凈化工業(yè)廢水時(shí)也發(fā)現(xiàn)，植物降解污染物的同時(shí)可有效降低污水電導(dǎo)率[17]。

表3 理化指標(biāo)與TP、TN去除率的Pearson相關(guān)系數(shù)（r）Table 3 Pearson correlation coefficient between physicochemical index and TP,TN removal rates（r）

圖9 溫度、pH、氧化還原電位（ORP）、電導(dǎo)率（EC）的變化Figure 9 Change of temperature，pH，oxidation reduction potential（ORP），and electrical conductivity（EC）

2.4 溶解性有機(jī)質(zhì)組分分析

用PARAFAC 分析DOM 三維熒光光譜得到4 個(gè)熒光組分（圖10），參考已有文獻(xiàn)中A 峰等常見(jiàn)熒光峰的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)位置（表4），確定4 個(gè)組分的熒光峰種類。

表4 常見(jiàn)熒光峰范圍及對(duì)應(yīng)物質(zhì)Table 4 Range of common fluorescence peaks and corresponding substances

圖10 基于平行因子分析法的熒光組分Figure 10 Fluorescence components based on parallel factor analysis

組分C1（激發(fā)波長(zhǎng)為265、395 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為450 nm）包含2個(gè)激發(fā)峰和1個(gè)發(fā)射峰，指示紫外類腐植酸[18]，對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)意義上的A峰和D 峰；同時(shí)組分C4（激發(fā)波長(zhǎng)為240、280 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為400 nm）也指示紫外類腐植酸，是天然水體中較常見(jiàn)的有色溶解有機(jī)物組分[21]，其主要為大分子量富里酸；組分C2（激發(fā)波長(zhǎng)為260 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為340 nm）指示長(zhǎng)波類色氨酸[22]；組分C3（激發(fā)波長(zhǎng)為230、280 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為335 nm）指示類色氨酸類物質(zhì)，其主要游離或結(jié)合在蛋白質(zhì)中，可指示完整蛋白質(zhì)[23]。綜上，系統(tǒng)中DOM主要包含類腐植酸和類色氨酸兩大類。

由各水樣4 個(gè)組分的熒光強(qiáng)度百分比（圖11）可見(jiàn)，隨時(shí)間推移，N 組中組分C3占比逐漸增加；L組中組分C2 占比最大，且逐漸降低；N、L 組的4 個(gè)組分總量均大于CKN、CKL 組，主要是因?yàn)橹参镒饔靡鹣到y(tǒng)中DOM 增加。研究表明當(dāng)植物被移植到污水或培養(yǎng)液中，植物面臨的養(yǎng)分脅迫會(huì)造成根系分泌物含量變化以適應(yīng)新的環(huán)境[24]。

圖11 DOM熒光強(qiáng)度百分比Figure 11 The percentage of four components of DOM

N 組中組分C3 占比較大，且70 h 時(shí)與進(jìn)水相比組分C3 劇增，組分C3 指示類色氨酸物質(zhì)，而色氨酸可指示微生物生命活動(dòng)，包括外源污水?dāng)y帶的微生物和水體或土壤中原有微生物[25]，L組的組分C3占比均小于N 組是由于低溫下微生物生命活動(dòng)受抑制。組分C3 含量與TN 去除率的Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果（表5）表明二者呈極顯著正相關(guān)。研究表明植物根系分泌物是反硝化的重要有機(jī)碳源，為反硝化提供電子供體[26]，因此植物根系分泌的類色氨酸增強(qiáng)了根系微生物生命活動(dòng)，利于TN的去除。隨時(shí)間推移，N組中組分C1類腐殖質(zhì)占比逐漸增大。通過(guò)Pearson相關(guān)性分析（表5）可知，組分C4含量與TN、TP去除率均呈顯著正相關(guān)，表明組分C4紫外類腐植酸的增加也利于TN、TP的去除。

表5 熒光組分與TN、TP去除率的Pearson相關(guān)系數(shù)（r）Table 5 Pearson correlation coefficient between fluorescence component and TN,TP removal rates（r）

綜上，常溫下風(fēng)車草在去除低污染水中氮磷時(shí)，系統(tǒng)中DOM 主要包括類腐植酸和類色氨酸，其含量隨處理時(shí)間延長(zhǎng)而增加。類腐植酸主要來(lái)自水生植物和浮游植物的分解，其含量與TN、TP 去除率呈顯著正相關(guān)，而類色氨酸來(lái)自植物根系分泌物，與TN去除率呈極顯著正相關(guān)，常溫下系統(tǒng)中類色氨酸和類腐植酸含量大于低溫條件下，利于水中氮磷的去除。

3 討論

本研究結(jié)果表明風(fēng)車草對(duì)低污染水體中氮磷具有較好的凈化效能，且其凈化效果受溫度的影響顯著。朱文婷[27]根據(jù)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，統(tǒng)計(jì)了不同植物在不同季節(jié)對(duì)污染物去除的速率常數(shù)K值，夏季風(fēng)車草對(duì)TN 去除過(guò)程的K值中位數(shù)為0.22，TP 為0.32，NH3-N 為0.33，美人蕉、菖蒲、蘆葦、再力花等植物對(duì)TN 和TP 的凈化能力均較高（K＞0.3），其研究發(fā)現(xiàn)夏季TP 凈化的K值普遍高于TN，且冬季挺水植物K值較低，為高溫季節(jié)的1/3～1/2。本研究中風(fēng)車草常溫下對(duì)TN 的去除率超過(guò)80%；章漣漪等[28]在夏季利用水培植物木耳菜凈化富營(yíng)養(yǎng)化水，TN 去除率為81.80%；劉建偉等[29]的研究發(fā)現(xiàn)美人蕉、黃菖蒲、水蔥系統(tǒng)在30～35 ℃條件下對(duì)TN 的去除率分別為48.8%、70.0%、30.0%；黃德鋒等[30]對(duì)風(fēng)車草和美人蕉濕地系統(tǒng)的研究表明，在溫度較高的10 月（＞25 ℃）TN的去除率分別在75%和60%以上。上述研究表明水生植物可以有效去除水體中TN。根據(jù)本研究的試驗(yàn)結(jié)果，水生植物對(duì)TN 的去除率受溫度的影響顯著（P＜0.05）。

風(fēng)車草可以通過(guò)根系直接吸收同化水中的無(wú)機(jī)磷，并將其轉(zhuǎn)化為自身的ATP、DNA 及RNA 等有機(jī)成分。植物根區(qū)為微生物的生存和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的降解提供了必要的場(chǎng)所和好氧厭氧條件。研究表明，濕地植物可以吸收污水中的NH3-N 和-N，以及一些小分子含氮有機(jī)物，如尿素、氨基酸等[31]，同時(shí)植物可將光合作用吸收的氧輸送到根部，為附著在根部的硝化細(xì)菌提供能量，從而促進(jìn)硝化作用的進(jìn)行[32]，達(dá)到水體脫氮的目的。

本研究表明，溫度對(duì)風(fēng)車草凈化水中氮磷的影響較大，L 組氮磷的去除率顯著低于N 組，這是由于低溫抑制了根系活力，從而影響根系微生物的生命活動(dòng)。另外，張燕等[33]的研究指出當(dāng)溫度低于15 ℃時(shí)，氨氧化菌（AOB）活性降低，硝化反應(yīng)速率迅速下降。研究表明27 ℃時(shí)的氨氧化速率是13 ℃時(shí)的1.68 倍，算得AOB 對(duì)溫度的敏感系數(shù)為1.051[34]，表明低溫會(huì)削弱硝化速率，進(jìn)而降低氨氮的去除率。反硝化細(xì)菌最適生長(zhǎng)溫度為20～40 ℃，低于15 ℃時(shí)，反硝化速率明顯降低，10 ℃時(shí)反硝化速率僅為20 ℃時(shí)的1/3，導(dǎo)致水中硝態(tài)氮去除效果不佳[35]。因此，低溫抑制硝化反硝化反應(yīng)，使水中氮去除率降低。

植物在去除污染物時(shí)會(huì)分泌不同種類的溶解性有機(jī)質(zhì)，從而影響微生物種群結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)，本研究中水體DOM 主要包括紫外類腐植酸和類色氨酸，研究表明類色氨酸是風(fēng)車草、蘆葦、水芹等植物根系分泌物的主要成分[36]，腐植酸類物質(zhì)主要與水中植物的腐爛程度和降解產(chǎn)物有關(guān)[25]，通過(guò)Pearson 相關(guān)性分析可知，組分C4 含量與TN、TP 去除率均呈顯著正相關(guān)，組分C3 與TN 去除率呈極顯著正相關(guān)，表明類腐植酸的增加有利于TN、TP 的去除，而植物分泌的類色氨酸有利于水中TN的去除。

孫偉等[37]研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素a濃度、溶解性有機(jī)碳（DOC）濃度與類腐殖質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。劉瑾瑾等[38]的研究表明，腐植酸可以提高亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的活性，在一定程度上促進(jìn)硝化反應(yīng)平衡右移。WANG 等[39]研究發(fā)現(xiàn)腐植酸和氧化還原能力較強(qiáng)的富里酸可促進(jìn)Fe（Ⅲ）還原，在污染物去除應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。因此，植物分泌DOM 與水體中氮磷去除的關(guān)系值得重視。

4 結(jié)論

（1）風(fēng)車草能有效提高低污染水中TN、TP 的去除率，且去除過(guò)程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。常溫下風(fēng)車草對(duì)模擬污水中TN、TP、氨氮、硝態(tài)氮的去除率分別為82.87%、72.40%、94.85%、85.99%，但低溫環(huán)境會(huì)顯著抑制根系活力，影響植物吸收、降解氮磷，導(dǎo)致氮磷去除率較低。

（2）三維熒光光譜分析結(jié)果顯示，凈化系統(tǒng)中的DOM 主要包括紫外類腐植酸和類色氨酸兩大類有機(jī)物，種植風(fēng)車草增加了系統(tǒng)中DOM 含量。常溫組DOM 含量隨時(shí)間推移漸增，類腐植酸含量與TN、TP去除率呈顯著正相關(guān)，因而可通過(guò)類腐植酸含量間接反映水中污染物含量；風(fēng)車草根系分泌的類色氨酸使水中類色氨酸含量比進(jìn)水增加了約16 倍，增強(qiáng)了根系微生物的生命活動(dòng)，利于水中氮磷的去除。

（3）本研究?jī)H對(duì)風(fēng)車草短期內(nèi)凈化低污染水效能進(jìn)行了探究，其對(duì)低污染水的長(zhǎng)期處理效果，以及凈化過(guò)程中低污染水對(duì)風(fēng)車草根、莖、葉的生理影響還需要進(jìn)一步探究。