盧曉明,陳建軍,趙 豐,張 勇

(1.溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究所,浙江溫州 325006;2.華東師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200062)

水生植物的生理狀況與它們的凈水效果緊密相關(guān).目前,研究水生植物凈水效果的報(bào)道較多[1-2],但同時考察其生理狀況的尚少.抗性酶 POD、CAT活性與植物對逆境的耐性密切相關(guān)[3-4],葉綠素(Chl)、可溶性蛋白(SP)質(zhì)量濃度與植物光合作用關(guān)聯(lián)緊密,而光合泌氧直接關(guān)聯(lián)污水的凈化,SP質(zhì)量濃度是反應(yīng)植物生理狀況的重要指標(biāo).植物栽植密度是運(yùn)用植物凈水技術(shù)處理污染河水時必須妥善解決的重要問題.研究植物生理特性的自然變化規(guī)律及其與水質(zhì)變化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)可為污染河道生態(tài)修復(fù)工程提供理論依據(jù).本研究運(yùn)用睡蓮現(xiàn)場處理城市黑臭河水,初步探討了植物生理特性日變化與污水脫氮除磷的關(guān)系,同時分析了栽植密度對植物生理特性及凈水效果的影響,旨為開發(fā)觀賞水生植物修復(fù)城市黑臭河水提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 裝置構(gòu)建與植物培養(yǎng)

工業(yè)河為位于上海市普陀區(qū)桃浦鎮(zhèn)境內(nèi)的一條斷頭浜,水體黑臭,水質(zhì)常年屬劣五類.采樣當(dāng)天水質(zhì):ρCOD=168.45～ 185.76mg/L;ρBOD=61.34～ 67.45mg/L;ρ(NH+4-N)=29.83 ～ 33.17mg/L;ρTN=50.48 ～ 52.69mg/L;ρ(溶 P)=0.144～0.146mg/L;ρTP=0.228～0.240mg/L;pH=7.9～8.5.試驗(yàn)裝置 (見圖 1)由 1個平衡水箱(上部 1 500mm×1000mm,下部 1 450mm×950mm,深 600mm)和 10個凈化槽(上部 1 240mm×620mm,下部 1150mm×550mm,深 760mm)組成.平衡水箱設(shè)有溢流管用來平衡水位,使 10個凈化槽進(jìn)水均勻.各凈化槽末端出水管高程將槽內(nèi)水深控制在 0.6m.每個凈化槽中間用隔板隔開,留出離槽底高約 20 cm的過流斷面,以防凈化槽內(nèi)河水短流.k1/4代表植物栽植密度為 6.5棵/m2水體面積的凈化槽,k1/2代表植物栽植密度為 13.0棵/m2水體面積的凈化槽,k1/1代表植物栽植密度為 26.0棵/m2水體面積的凈化槽.各凈化槽連續(xù)進(jìn)、出水,水力停留時間(THR)設(shè)為 8 h.選取大小均勻(高約 10 cm)的睡蓮幼苗,分別在 3個凈化槽(k1/4、k1/2、k1/1)中水培,栽植密度(棵 /m2水體面積):6.5、13.0、26.0,每個密度各設(shè) 3個平行槽,另設(shè)空白槽對照(CK).采用黑臭河水,水培 162 d(2008-02-26—2008-08-06).試驗(yàn)裝置設(shè)在露天現(xiàn)場,且周邊無高大建筑、樹木.

圖1 凈化裝置平面示意圖Fig.1 Sketch of purifying-tanks

1.2 植物樣采集、水質(zhì)監(jiān)測與光強(qiáng)測定

試驗(yàn)選擇同一天(晴天)中集中采樣開展睡蓮生理特性日變化及其與河水水質(zhì)關(guān)系的初步研究.

2008-08-06,晴,氣溫 28～37.8℃.在各凈化槽生長旺盛的植物(均有 2片或 2片葉以上)樣中分別隨機(jī)選定 5棵,按不同時間從每棵選定植株上采取根(須根)、葉片(最上葉)各 0.40 g;從各凈化槽出水口處采集對應(yīng)時間的水樣,用標(biāo)準(zhǔn)方法[5]分析水質(zhì);用 TPS-1便攜式光合測定儀(英國 PP-Systems公司)測定對應(yīng)時間的光強(qiáng);用卷尺與游標(biāo)卡尺測定選定植株的根(主根)、莖、葉(最上葉)的長度,各取均值;測定植物生物量(干重)與各凈化槽的植物根密度及分蘗數(shù),各取均值.

1.3 植株的氮磷質(zhì)量濃度與葉片葉綠素(Chl)質(zhì)量濃度及酶液提取

經(jīng)過自然風(fēng)干的植物樣,于 80℃下烘 48h至恒重.烘干的植物材料先用硫酸-高氯酸消化,然后分別采用靛酚藍(lán)比色法、鉬銻抗比色法測定氮磷[6];用 Heged等[7]提出的方法測定 Chl(Chla,Chlb)質(zhì)量濃度,并作以下改進(jìn):取 0.05 g植物葉片加入 80%丙酮溶液,浸提 24 h后分光光度計(jì)測定浸提液的吸光值;取 0.30g植物新鮮葉片在預(yù)冷的磷酸鹽(pH7.8)中勻漿,4℃下13 000 r/min離心 30min,上清液即為酶液提取液.

1.4 可溶性蛋白(SP)質(zhì)量濃度與酶活測定及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù) Bradford的考馬斯亮蘭法測定 SP質(zhì)量濃度[8],用牛血清蛋白作標(biāo)準(zhǔn)曲線.CAT活性測定采用 Rao等[9]紫外分光光度法.POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[10].利用 SPSS 15.0軟件分析植物生理特性日變化與污水脫氮除磷的相關(guān)性系數(shù),獨(dú)立樣本的 t檢驗(yàn)法分析不同栽植密度凈化槽中植物生理特性差異顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽植密度凈化槽的植物生理特性日變化

圖2表示不同凈化槽中的植物根組織 POD、CAT活性日變化,圖 3表示不同凈化槽中的植物葉片 SP質(zhì)量日變化,圖 4表示不同凈化槽中的植物葉片 Ch1質(zhì)量日變化.表 1表示陽光強(qiáng)度日變化,表 2表示不同凈化槽中的植物部分生理特性的比較.圖 2～4與表 1～2表明,隨著陽光強(qiáng)、弱變化及對應(yīng)的氣溫高、低變化,相同凈化槽中植物的根組織 POD、CAT活性與葉片 SP、Chla、Ch lb質(zhì)量濃度呈升、降變化.在10:00— 14:00時段,POD、CAT活性與 Chla、Chlb、SP質(zhì)量濃度略高于其他時段;Chla、Ch lb、SP質(zhì)量濃度日變化呈雙峰型,峰值約在 12:00和 14:00,在 13:00左右由于過強(qiáng)的陽光與高溫,導(dǎo)致植物光合午休,其質(zhì)量濃度分別較 12:00和 14:00減小,但此時強(qiáng)陽光與高氣溫使植物的蒸騰吸收作用更加強(qiáng)烈,植物從污染水體中吸入更多的可溶性污染物離子,導(dǎo)致植株體內(nèi)的抗性酶 POD、CAT表現(xiàn)出更高活性(見圖 2).較高栽植密度的凈化槽中,植物根組織 POD、CAT活性較弱,而葉片 SP、Chla、Chlb質(zhì)量濃度較高,植株形態(tài)、生物量、分蘗數(shù)量較大,植物氮磷質(zhì)量濃度、根密度較高.由于較高栽植密度的凈化槽,植物泌氧總量較多,導(dǎo)致污水 DO質(zhì)量濃度較高,利于兼、好氧微生物分解、轉(zhuǎn)化污染物,使植物受污水脅迫較輕,利于植物生長.表 3表示不同栽植密度對植物生理特性的影響.植物栽植密度影響植物生理特性的差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表 3所示.

隨著栽植密度的增加,高栽植密度凈化槽中植物的生理指標(biāo)與低栽植密度凈化槽中植物的相應(yīng)生理指標(biāo)間的差異更加明顯,見表 3.

圖2 不同栽植密度凈化槽中的每克植物根組織POD、CAT活性日變化Fig.2 Diurnal variation of POD and CAT activities of each gram of the roots tissues in the tanks with various planting densities

圖3 不同栽植密度凈化槽中的每克植物葉片SP質(zhì)量日變化Fig.3 Diurnal variation of SPmass of each gram of the leaves in the tanks with various planting densities

圖4 不同栽植密度凈化槽中的每克植物葉片Ch l(Chla,Chlb)質(zhì)量日變化Fig.4 Diurnal variation of Chl(Chla,Ch lb)mass of each gram of the leaves in the tanks with various planting densities

表1 陽光強(qiáng)度日變化Table 1 D iurnal variation of sunlight intensity

表2 不同栽植密度凈化槽的植物部分生理特性比較Tab le 2 Com parison of part of physio logica l characteristics of the plants in the tanks with various planting densities

表3 植物栽植密度對植物生理特性的影響Tab le 3 Effects of planting densities on the physio logical characteristics of the plants

2.2 不同植物栽植密度的凈化槽中水質(zhì)日變化

圖5表示不同凈化槽出水溶 P去除率及 DO質(zhì)量濃度的日變化,圖6表示不同凈化裝置槽出水 NH+4-N去除率及 pH值的日變化,圖 7表示不同凈化槽出水 TP與 TN去除率的日變化,圖 8表示不同凈化槽出水COD去除率的日變化.圖 5～8表明,隨著陽光強(qiáng)、弱變化,相同凈化槽出水 DO質(zhì)量濃度與 COD、TP、溶P、TN、NH+4-N去除率呈對應(yīng)升、降變化,而 pH值變化趨勢相反;在 10:00—14:00時段,它們均高于其他時段,而 pH值略低;在 13:00左右,NH+4-N、溶 P去除率較高,由于此時光強(qiáng)較強(qiáng),導(dǎo)致植物蒸騰作用較明顯,使通過蒸騰吸收而去除的可溶性氮磷增多.其中除氮率變化與雒維國等的研究結(jié)果類似[11];DO質(zhì)量濃度日變化呈雙峰型,峰值約在 12:00和 14:00,在 13:00左右由于植物午休影響,DO質(zhì)量濃度較 12:00和 14:00略有下降.栽植密度較高的凈化槽中,相同時間的凈化槽出水 DO質(zhì)量濃度與 COD、TP、溶 P、TN、NH+4-N去除率較高,由于這些凈化槽中植物蒸騰效應(yīng)較明顯,泌氧總量較多,利于亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌等兼、好氧型微生物的代謝,使通過微生物作用、植物蒸騰吸收途徑而去除的 COD、氨氮、溶磷較多,導(dǎo)致 pH值下降.

圖5 不同植物栽植密度的凈化槽出水溶P去除率及DO質(zhì)量濃度日變化Fig.5 Diurnal variation of soluble P removals and DOmass concentrations of the effluents in the tanks with various planting densities

圖6 不同植物栽植密度的凈化槽出水NH4+-N去除率及pH值日變化Fig.6 Diurnal variation of NH4+-N removals and pH values of the effluents in the tankswith various planting densities

3 睡蓮生理狀況和河水水質(zhì)之間的相關(guān)性機(jī)制

隨著植物光合強(qiáng)度變化,植物根組織 POD、CAT活性、葉片 Chla、Chlb、SP質(zhì)量濃度與凈化槽出水 DO質(zhì)量濃度、溶 P去除率、NH+4-N去除率間呈正相關(guān).以 k1/4槽為例,對植物生理特性日變化與污水脫氮除磷的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表 4),植物葉片 Ch la、Chlb、SP質(zhì)量濃度與凈化槽出水 DO質(zhì)量濃度為高度線性相關(guān),凈化槽出水溶 P、NH+4-N去除率變化與植物根組織 POD、CAT活性變化關(guān)系密切.通過類似分析可知,k1/2、k1/1凈化槽的植物生理特性日變化與污水脫氮除磷間存在類似相關(guān)性.

圖7 不同植物栽植密度的凈化槽出水TP與TN去除率日變化Fig.7 Diurnal variation of TP and TN removals of the effluents in the tankswith various planting densities

圖8 不同植物栽植密度的凈化槽出水COD去除率日變化Fig.8 Diurnal variation of COD removals of the effluents in the tankswith various planting densities

表4 植物生理變化參數(shù)與黑臭河水DO及脫氮除磷效率的相關(guān)系數(shù)Table 4 The correlation coefficient between the physiological parameter and outlet DO,nitrogen and phosphorus rem ova l efficiency of heavily polluted river water

在睡蓮處理黑臭河水過程中,隨著陽光增強(qiáng),一方面使植物葉片 Chla、Chlb質(zhì)量濃度升高,光合作用增強(qiáng),葉片 SP質(zhì)量濃度升高,根部泌氧增多,導(dǎo)致水體 DO質(zhì)量濃度升高,這種由于植物泌氧而導(dǎo)致水體DO質(zhì)量濃度升高的現(xiàn)象與王傳海等[12]研究的苦草影響污水 DO質(zhì)量濃度的結(jié)果類似;另一方面使植物蒸騰作用增強(qiáng)[11],從污水中吸收更多的可溶性污染物離子(如 NH+4[11]、PO3-4[13]等),導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生更多氧自由基,使其根組織抗性酶 POD、CAT表現(xiàn)出更強(qiáng)活性,同時導(dǎo)致凈化槽出水溶 P、NH+4-N去除率升高,pH值下降,這種 pH值下降的機(jī)理與苦草影響污水 pH值的機(jī)理不同[12],苦草通過光合作用吸收水中 CO2而使水體 pH值升高,而睡蓮?fù)ㄟ^蒸騰吸收水中 NH+4-N使水體 pH值下降.此外,氣溫升高導(dǎo)致水溫升高,而后者也促使植物根組織POD、CAT活性增強(qiáng)[3].同理,隨著陽光減弱,植物生理特性與水質(zhì)理化指標(biāo)間出現(xiàn)對應(yīng)變化.可見,隨著陽光強(qiáng)、弱變化,植物通過改變體內(nèi) Chla、Chlb、SP質(zhì)量濃度及 POD、CAT活性等生理特性,響應(yīng)外圍生境變化.由于較強(qiáng)的光合強(qiáng)度(10:00—14:00)導(dǎo)致較高的植物凈水效果(圖5～8),因此在城區(qū)黑臭河道修復(fù)工程中,宜盡量選擇無高大建筑遮蔭的河段定植水生植物.

睡蓮栽植密度影響其生理特性與凈水效果.較高植物栽植密度的凈化槽,植物受黑臭河水脅迫較輕,生長較好,凈水效果也較明顯;而栽植密度較低時,植物生理狀況受影響較大,凈水效果也略差.其中,植物根組織 POD活性對水質(zhì)變化的響應(yīng)與李宗輝等[14]的研究結(jié)果類似.基于原先水培的植物幼苗數(shù)量的倍數(shù)差異,比較 k1/2槽與k1/1槽的植物分蘗數(shù)量可知,雖然就單棵植物而言,較高栽植密度凈化槽植物的生長優(yōu)于較低栽植密度凈化槽植物,植株生物量、氮磷積累也較高(表 2),但是,植物的過密栽植(k1/1)在一定程度上影響了植物的分蘗繁殖(表 2).比較不同栽植密度的凈化槽中凈水效果,k1/4槽與 k1/1槽差異較明顯,而 k1/2槽與 k1/1槽較接近(圖 5～7),可見,k1/2槽的植物栽植密度相對合理.因此,在污染河流生態(tài)修復(fù)中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適量定植水生植物,達(dá)到植物分蘗繁殖與凈水效果之間的良性循環(huán).

在春、秋季也做過類似的試驗(yàn),結(jié)果表明,不同季節(jié)睡蓮的生理狀況日變化與河水水質(zhì)之間都存在類似的相關(guān)性,但是,由于春、秋季的光照不如夏季強(qiáng)烈,氣溫也較夏季低,植物沒有出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象,同時,由于秋季植物處于衰老期,其生理代謝較弱,這種相關(guān)性最不明顯,而夏季植物處于生長旺盛期,又有強(qiáng)陽光與高氣溫,這種相關(guān)性最明顯.隨著春、夏、秋的氣候條件及植物生長期的季節(jié)更替,植物生理特性及河水水質(zhì)出現(xiàn)相應(yīng)季節(jié)性變化.秋季植物處于衰老期,河水對植物的脅迫影響較嚴(yán)重,導(dǎo)致其葉片Chla、Chlb質(zhì)量濃度較低,而根組織 POD活性較高,而夏季植物處于生長旺盛期,河水對植物的脅迫影響較小,其葉片 Chla、Chlb質(zhì)量濃度較高,而根組織 POD活性較低.春季植物處于生長初期,其較低的根密度導(dǎo)致相應(yīng)的河水處理效果較差,而夏季植物處于生長旺盛期,其較高的根密度及強(qiáng)烈的光合泌氧、蒸騰吸收作用導(dǎo)致相應(yīng)的河水處理效果最好.可見,氣候條件的季節(jié)性變化與植物生長期的季節(jié)更替及河水水質(zhì)三者之間存在關(guān)聯(lián)性.

4 結(jié)論

1)睡蓮在黑臭河水中生長良好,隨著植物的光合強(qiáng)度變化,相同凈化槽出水溶 P、NH+4-N去除率與植物根組織 POD、CAT活性、葉片 Chla、Chlb、SP質(zhì)量濃度間呈正相關(guān).植物葉片 Chla、Chlb、SP質(zhì)量濃度及凈化槽出水 DO質(zhì)量濃度日變化呈雙峰型,峰值約在 12:00、14:00,在 13:00左右由于植物光合午休影響,葉片 Chla、Ch lb、SP質(zhì)量濃度及凈化槽出水 DO質(zhì)量濃度較 12:00、14:00略低;在 10:00—14:00時段,植物根組織 POD、CAT活性與葉片 Chla、Chlb、SP質(zhì)量濃度及凈化槽出水 COD、TP、溶 P、TN、NH+4-N去除率高于其他時段.

2)較高植物栽植密度的凈化槽,其出水 DO質(zhì)量濃度與 COD、TP、溶 P、TN、NH+4-N去除率及植物葉片 SP、Chla、Chlb質(zhì)量濃度較高,而根組織 POD、CAT活性較弱;較高栽植密度的凈化槽,植物的根、莖、葉較長,根密度較高,單棵植株生物量較大,氮磷積累較多,但分蘗繁殖能力減弱.

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