胡凱泉+許振成+曾東

摘要： 選取8種水生動植物，研究其靜態(tài)條件下在富營養(yǎng)化水體中的生長狀況以及各系統(tǒng)單元對水體中氮、磷及有機物的凈化效果，并對最優(yōu)種植和放養(yǎng)密度進行篩選。結(jié)果表明，合理的種植和放養(yǎng)密度能提高水體凈化效果，挺水植物組和沉水植物組對各水質(zhì)指標的平均去除率明顯高于魚類組。對水質(zhì)指標總氮（TN）、總磷（TP）、硝態(tài)氮（NO3--N）、氨態(tài)氮（NH3-N）、化學(xué)需氧量（COD）去除效果比較結(jié)果：挺水植物組中綜合去除率最好的為風(fēng)車草，去除率分別為95.55%、98.33%、62.09%、90.37%、58.80%，沉水植物組中狐尾藻對TN、TP、NO3--N、NH3-N、COD的去除率分別為98.63%、98.37%、64.56%、95.35%、58.66%。魚類組羅非魚對TN、NO3--N、COD的去除效果較好，去除率分別為47.3%、39.7%、32.03%；鰱魚對TP去除效果較好，去除率為89.77%；鳙魚對NH3-N的去除效果較好，去除率為59.78%；羅非魚對水質(zhì)指標的TN、TP、NO3--N、NH3-N、COD綜合去除能力分別為811.11、106.11、69.72、661.11、1 073.33 μg/（d·g）。

關(guān)鍵詞： 水生生物；富營養(yǎng)化；去除能力

中圖分類號： X52 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0328-04

水體富營養(yǎng)化問題已被廣泛關(guān)注[1-2]，水生生物是水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它們不僅能夠?qū)λw和底泥中的氮、磷和難降解有機污染物進行吸收、轉(zhuǎn)化，合成自身物質(zhì)，從而對富營養(yǎng)化水體起到凈化作用，而且還能調(diào)節(jié)水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)速度，增加水體生物多樣性，控制藻類生長，有效提高水質(zhì)，改善生態(tài)環(huán)境[3-10]。因此，水生生物的生態(tài)修復(fù)是控制水體富營養(yǎng)化的重要環(huán)節(jié)并且由于其具有效率高、投資少、運轉(zhuǎn)費用低、可實現(xiàn)原位修復(fù)和控制污染物等特點，近年來受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。本研究通過模擬富營養(yǎng)化水體在靜態(tài)條件下，對比分析不同水生動植物生長特性、氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)吸收能力等方面的差異，以期為水體富營養(yǎng)化防治控制技術(shù)應(yīng)用中的生物遴選提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試物種

美人蕉、風(fēng)車草、菖蒲、狐尾藻、金魚藻、鰱魚、鳙魚、羅非魚，8種材料均取自植物園和魚苗場，所選取的植物和魚苗均生長狀況良好且性狀統(tǒng)一。用清水洗凈后，在試驗條件下對各物種進行7 d適應(yīng)性培養(yǎng)。為避免降雨對試驗的影響，試驗在透明塑料薄膜鋼結(jié)構(gòu)棚內(nèi)進行，試驗在32個長77 cm、寬56 cm、高48 cm 的160 L白色塑料桶內(nèi)進行，試驗水體體積為140 L，試驗開始時在桶內(nèi)鋪5 cm厚底泥20 kg，試驗期間添加純水來補充因蒸發(fā)等原因損耗的水分，以保持水位。供試水體為模擬富營養(yǎng)化狀態(tài)的水質(zhì)，TN，TP，NO3--N，NH4+-N，COD濃度分別為30.64、2.19、3.12、2253、60.00 mg/L。

1.2 試驗設(shè)計

試驗分為3個組，分別為挺水植物組（美人蕉A、菖蒲B、風(fēng)車草C）、沉水植物組（狐尾藻D、金魚藻E）、魚類組（鰱魚F、羅非魚G、鳙魚H），挺水植物組設(shè)4個培養(yǎng)密度，其他組分別設(shè)4個培養(yǎng)密度，挺水植物組分別種4、8、12、16株，以A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C2、C3、C4表示；沉水植物組分別種植5、10、15、20株，以D1、D2、D3、D4，E1、E2、E3、E4表示；魚類組分別放養(yǎng)2、4、6、8尾，以F1、F2、F3、F4，G1、G2、G3、G4，H1、H2、H3、H4表示；自試驗開始時每隔7 d進行采樣，采樣時間為09：00。

1.3 水質(zhì)測定方法

水質(zhì)總磷，鉬酸銨分光光度法；水質(zhì)氨氮，納氏試劑比色法；水質(zhì)總氮，堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；水質(zhì)硝態(tài)氮，紫外分光光度法；CODCr，重鉻酸鉀法，測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4版）》。去除能力（M）計算公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同物種單元的培養(yǎng)密度凈化效果比較

3種挺水植物的組合中各物種單元對于各項水質(zhì)指標的去除效果見表1，隨著試驗時間的推移各項水質(zhì)指標總體呈下降趨勢，并存在不同程度的差異，各物種單元不同培養(yǎng)密度的去除效果也存在著明顯的差異；各項檢測指標的去除效果，美人蕉組、風(fēng)車草組在試驗結(jié)束時去除效果都以覆蓋率為53%為優(yōu)。各項檢測指標的去除效果沉水植物組試驗結(jié)束時去除效果以狐尾藻種植密度D2處理較好，為357.14 g/m3，金魚藻以種植密度E3處理最好，為535.71 g/m3（表2）；試驗結(jié)束時鰱魚和鳙魚以放養(yǎng)密度的F2、H2處理為優(yōu)，去除效果為為428.57 g/m3，羅非魚以放養(yǎng)密度G3處理最好，去除效果為642.85 g/m3（表3）。本試驗以最優(yōu)培養(yǎng)密度進行研究。

2.2 不同物種單元對水體TN去除效果

不同組物種單元對于TN去除效果見圖1；試驗 14 d以后總氮的含量開始顯著下降，其中美人蕉、風(fēng)車草、狐尾藻的去除效果較好，去處率分別為86.84%、95.55%、98.63%，去除能力為29.16、27.75、670.22 μg/（d·g），隨試驗時間的推移不同物種的凈化能力逐漸顯現(xiàn)，其中水生動物組TN的去除率為鰱魚46.02%、羅非魚47.30%、鳙魚46.18%，去除能力分別為776.66、811.11、788.33 μg/（d·g），金魚藻的去除率為57.89%，菖蒲為52.11%，金魚藻、菖蒲的去除能力 98.7、393.11 μg/（d·g）。硝化細菌和反硝化細菌的數(shù)量和活躍程度與溫度有密切關(guān)系，在高溫季節(jié)TN的去除效果相對較好。植物的生理代謝活動直接關(guān)系到污染物的降解。試驗42 d后狐尾藻D2處理所在水體總氮濃度從30.58 mg/L下降至0.42 mg/L，去除率為98.63%，去除能力為670.22 μg/（d·g），而羅非魚去除率為47.3%，去除能力達到811.11 μg/（d·g），表明評價一種物種的凈化效果，應(yīng)以去除率為主，去除效率或者去除能力作為參考，去除率代表以沉水植物為主的整個生物系統(tǒng)的綜合作用效果，是最終能產(chǎn)生的凈化效果；而去除效率（增加1 g 鮮量對氮磷的去除量）或去除能力只代表該種沉水植物單位質(zhì)量的凈化能力，會受到環(huán)境條件、植物生理生長等因素的制約，所以能力高的物種去除率未必高，凈化效果也未必好[11]。

2.3 不同物種單元對TP去除效果

不同物種單元對于試驗水體中的總磷含量的去除效果見圖3、圖4。王麗卿等研究[12]表明，水生植物體系對水體中總磷的去除方式分為2類：一類是水生植物對總磷的直接吸收如美人蕉、菖蒲、風(fēng)車草、金魚藻，對總磷的去除率分別為9772%、86.77%、98.33%、94.09%；去除能力分別為1.91、11.95、2.05、45.31 μg/（d·g）。以植物體吸收為主要去除方式，通過葉片、根系等器官大量吸收水體和底泥的可溶性活性磷等。二類是以沉降吸附為主的去除方式如狐尾藻去除率為98.37%，去除能力44.71 μg/（d·g）。在其密集的枝葉及其分泌的助凝物質(zhì)作用下，能夠吸附沉降水體中的懸浮顆粒，在根區(qū)和遠離根區(qū)的底泥中形成有氧和厭氧環(huán)境，改變底泥的氧化還原狀態(tài)，抑制氮磷的釋放，促進磷酸鹽向底質(zhì)的吸附轉(zhuǎn)移；魚類對水體中總磷的去除主要通過同化作用，鰱魚、羅非魚、鳙魚對總磷的去除率分別為89.77%、82.82%、89.14%，對照去除率為6.02%，去除能力分別為119.16、10611、117.22 μg/（d·g）。

2.4 不同物種單元對NO3--N去除效果

由于植物根部呼吸作用較強的原因?qū)е碌准眲∠陆担笃谑欠裼捎谒w氮磷含量減少或是植株本身對氮磷含量需求達到飽和而使水體氮磷含量穩(wěn)定有待于進一步研究。盡管水生植物和微生物都可以作為硝化菌的有效載體，促進水體中硝化作用的增長，但是原水水質(zhì)的波動以及晝夜溫差較大成為生物硝化/反硝化過程的限制因子，因而生物的硝化作用弱。NO3--N 質(zhì)量濃度緩慢下降，植物的吸收是去除 NO3--N 的主要作用，在試驗物種中，風(fēng)車草、狐尾藻的NO3--N去除效果相對較好，去除率分別為62.09%、64.56%，美人蕉為46.71%、菖蒲為44.1%、金魚藻為 44.44%、鰱魚為 39.66%、羅非魚為39.70%、鳙魚為41.83%。對 NO3--N去除效能由大到小的依次為狐尾藻、風(fēng)車草、美人蕉、金魚藻、菖蒲、鳙魚、鰱魚、羅非魚，去除能力分別為狐尾藻 45.86 μg/（d·g）、風(fēng)車草0.19 μg/（d·g）、美人蕉1.10 μg/（d·g）、金魚藻31.77 μg/（d·g）、菖蒲6.3 μg/（d·g）、鳙魚 74.05 μg/（d·g）、鰱魚69.77 μg/（d·g）、羅非魚69.72 μg/（d·g）（圖5、圖6）。

2.5 不同物種單元對NH3-N去除效果

在原水 NH3-N 負荷較高的情況下，植物對于 NH3-N 去除的效果明顯，且持續(xù)的時間長，不會出現(xiàn)反彈。如圖7、圖8顯示在各系統(tǒng)中，NH3-N 主要通過揮發(fā)、生物硝化反硝化、生物同化吸收 3 種機制去除，而各去除機制的效率都直接或間接地受浮游藻類的影響。盡管氨氮可以通過直接揮發(fā)、吸附到底泥等途徑從水體中去除，但硝化和反硝化作用才是去除的主要途徑。各單元中以狐尾藻對氨氮的去除效果最佳，這主要是因為沉水植物提高了水體中溶解氧濃度，形成的好氧條件有利于氨氮進行硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，利于沉水植物吸收。不同生長體系對水體NH3-N的去除率分別為美人蕉83.94%、菖蒲77.87%、風(fēng)車草90.37%、狐尾藻 95.35%、金魚藻72.99%、鰱魚58.95%、羅非魚52.91%、鳙魚59.78%、對照5.17%；去除能力分別為美人蕉15.40 μg/（d·g）、菖蒲105.05 μg/（d·g）、風(fēng)車草19.06 μg/（d·g）、狐尾藻478.44 μg/（d·g）、金魚藻362.66 μg/（d·g）、鰱魚742.77 μg/（d·g）、羅非魚661.11 μg/（d·g）、鳙魚752.22 μg/（d·g）（圖7、圖8）。

2.6 不同物種單元對COD的去除效果

挺水植物、沉水植物、魚類體系對水體有機物的去除整體呈現(xiàn)下降趨勢，但效果不顯著。

植物生長前期，不同處理組的 CODCr都逐漸下降，但去除率較低?？赡苁撬参镫m然去除了水中的營養(yǎng)物質(zhì)，但整個系統(tǒng)中的有機物并沒有消除，只是發(fā)生了轉(zhuǎn)化，使得CODCr濃度總體下降不顯著。挺水植物組美人蕉、風(fēng)車草去除效果較好，去除率分別為60.42%、58.8%，菖蒲為37.17%；沉水植物組狐尾藻的去除率為58.66%、金魚藻為33.92%；水生動物組對CODCr的凈化效果不佳，去除率分別為鰱魚30.77%、羅非魚32.03%、鳙魚30.73%，對照組去除率為4.01%；去除能力為美人蕉30.57 μg/（d·g）、菖蒲151.51 μg/（d·g）、風(fēng)車草33.58 μg/（d·g）、金魚藻456.22 μg/（d·g）、鰱魚1037.22 μg/（d·g）、狐尾藻832.66 μg/（d·g）、羅非魚1 073.33 μg/（d·g）、鳙魚1 035.00 μg/（d·g）（圖9、圖10）。

3 結(jié)論

試驗42 d后挺水植物組、沉水植物組對各水質(zhì)指標的平均去除率明顯高于魚類組。不同物種單元對試驗水體中各項監(jiān)測指標的去除效果存在一定的差異，以總磷的去除效果最為明顯，其次是總氮、氨氮，在不同單元的去除效果中以狐尾藻、美人蕉、風(fēng)車草對各項水質(zhì)監(jiān)測指標的綜合去除效果較優(yōu)。

3種挺水植物均能有效凈化富營養(yǎng)化水體，對TN、TP、NO3--N、NH3-N去除率最好的均為風(fēng)車草，去除率分別為95.55%、98.33%、62.09%、90.37%，去除能力分別為27.75、2.05、1.90、19.06 μg/（d·g），風(fēng)車草可作為先鋒物種。

2種沉水植物中狐尾藻對水體氮磷等營養(yǎng)鹽的去除效果顯著，對TN、TP、NO3--N、NH3-N、COD的去除率分別為9863%、98.37%、64.56%、95.35%、58.66%，去除能力分別為670.22、44.71、45.86、478.44、832.66 μg/（d·g），狐尾藻為優(yōu)勢物種。

3種魚類中羅非魚對TN、NO3--N、COD的去除效果較好，去除率分別為47.30%、39.70%、32.03%，去除能力為811.11、69.72、1 073.33 μg/（d·g）。鰱魚對TP去除效果較好，去除率為89.77%，去除能力為119.16 μg/（d·g）。鳙魚對NH3-N的去除效果較好，去除率為59.78%，去除能力為752.22 μg/（d·g）。

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