粉绿狐尾藻改善微污染水体水质试验研究

吴美璇 徐凤州

摘 要：水体富营养化导致的藻类问题（水华）已成为全球性的难题，是影响淡水资源水质的重要原因之一。由于生物控藻在治理水体富营养化和水华问题中具有绿色、环保等诸多优势而被广泛应用。本文选择粉绿狐尾藻为模式植物，以微污染水体为培养液，研究植物在降低水体中氮和磷营养源的效果，以达到控制水体中藻类生长中的作用。研究结果表明，粉绿狐尾藻能够有效地吸收水体中的氮、磷等营养元素，在有光照条件下，硝酸盐氮的去除率为76.3～83.6%，氨氮的去除率为9.7～26.0%，总氮的去除率为41.4～57.7%，总磷的去除率23.4～54.3%。这说明了粉绿狐尾藻有较强的净化富营养化水体的潜能。在实际应用中可以将植物直接种植浅水区或以浮床的形式将植物培养在湖泊或水库中，不仅可以降低水体中营养源的浓度，还可以起到遮光作用，进而控制藻类生长，最终达到改善水体水质的目的。

关键词：富营养化；藻类；营养盐；粉绿狐尾藻

Meixuan（Joy）Wu

Brimmer and May School

1.引言

地球表面72%为水所覆盖，其余28%的陆地也有水的存在。地球的储水量是很丰富的，约有1.39×1018 m3。但是地球的淡水资源仅约占其总水量的2.5%，约3.5×1016 m3，而在这极少的淡水资源中，又有70%以上是存在于南极和北极的冰川以及高山冰川和永冻积雪中，加上难以开发利用的深层地下水等等，约有87%的淡水资源难以利用。人类真正能够利用的淡水资源约占地球总水量的0.26%（约3.6×1014 m3主要是江河、湖泊和浅层地下水）[1-2]。全球淡水资源不仅短缺而且存在地区分布极不平衡。据统计，约占世界人口总数40%（约15亿）的80个国家和地区淡水资源不足，其中约3亿人（26个国家）极度缺水[3]。预计到2025年，世界上将会有30亿人面临缺水，40个国家和地区淡水严重不足[4]。

因此，淡水资源是极其宝贵和重要的。然而，在淡水资源短缺越发突出的同时，淡水资源还遭受人类的各种污染，导致水质恶化，无法正常使用。据统计，全世界目前每年排放污水約为4.3×1012 吨，并造成5.5×1013 m3的水体遭受到不同程度的污染。据联合国调查统计，全球河流稳定流量的40%左右已被污染。水体营养负荷是目前水质污染的最大问题。水体富营养化带来一系列的后续问题，如生物多样性降低、藻类过度繁殖、水体异味等，特别是藻类问题，已经成为全球性的难题[5-7]。

当水体中含有丰富的营养源、光照充足、温度适宜时，水体中的藻类就可能出现快速的繁殖，最终导致水华的产生。本研究正是以解决藻类问题为出发点，希望通过植物生长将水体中的营养源吸收转化，减少水体中的营养源浓度，同时当植物生长较为茂密时，还能起到一定遮蔽阳光的作用。通过降低水体中的营养源以及减少光照量的作用，抑制藻类的生长，以达到改善水体水质的目的。

粉绿狐尾藻（Myriophyllum aquaticum（Vell.）Verdc.），小二仙草科，狐尾藻属，是一种好温暖、水湿、阳光充足水生植物，特别适宜在热带及亚热带的河道及湖泊等水体中生长，生长极为旺盛。同时有研究表明，粉绿狐尾藻对部分藻类（铜绿微囊藻）的生长具有强烈的化感抑制作用[8-9]。因此，我们选择了粉绿狐尾藻做为模式水生植物用于本实验研究对象。

2.实验材料及方法

2.1 试验材料

粉绿狐尾藻：将粉绿狐尾藻在水体中预培养1-2天。试验前，先后用自来水和蒸馏水洗净植株，去除腐烂茎段及叶片，将植物进行适当的修剪，选择生长长度相近的粉绿狐尾藻进行试验。

试剂：四水钼酸铵、酒石酸锑钾、氢氧化钠、抗坏血酸、硫酸、过硫酸钾、磷酸二氢钾、硝酸钾、浓盐酸、纳氏试剂（碘化汞、碘化钾）、氯化铵、碳酸钠、碳酸氢钠、苯二甲酸氢钾、硼酸、氯化钾、酚酞、溴百里酚蓝、百里酚蓝，除总氮测试所用过硫酸钾采用优级纯外，其余试剂均为分析纯级别，未经过任何处理，直接使用。

2.2 试验方法

以自然微污染水体为培养液，将试验组分为两大组：自然光照组和无光照组（避光处理），每组分别设置了空白组、1棵植物培养组、2棵植物培养组、3棵植物培养组，每小组均做三组平行试验，将各试验组置于含2.0 L培养液的玻璃烧杯中进行培养。

培养10天后取培养液进行总磷、总氮、氨氮、硝酸盐氮、叶绿素以及pH指标的检测（检测方法参见下表1），以及记录植物培养前后的生长状况（长度）。取样时为了避免光照组和无光照在因水分蒸发带来的浓度差异，每次取样时均补加超纯水至2.0 L，同时搅拌均匀后进行测试。

2.3 数据分析

采用Excel软件进行数据统计，sigmapolt绘制图表。

3.试验结果

3.1粉绿狐尾藻生长状况

在培养了10天之后，可以明显观察到自然光照组和无光照组在生长状态上的区别（如图1所示）：光照组的粉绿狐尾藻生长势态十分良好，均有新叶长出；而无光照组的叶片绝大部分已枯萎发黄，该结果与粉绿狐尾藻喜阳光充足的生长习性是相一致的。另外，如表2及图2所示，从粉绿狐尾藻茎的生长长度也同样可以说明，在有自然光照下的粉绿狐尾藻的生长状况是明显要优于无光照组的。在同样的培养时间里，自然光照组的生长长度总体平均要比无光照组长5.0cm。因此，光照是粉绿狐尾藻生长所必需的因素之一。

3.2营养盐指标

氨氮、总磷、总氮以及硝酸盐氮是水体中主要的营养盐指标，是评价水体营养化程度的主要指标。氨氮、总磷、总氮三个指标是评价水资源环境质量标准的三个重要要指标，如下表3所示，我国地表水分类中氨氮、总磷和总氮的限值。同时，氮、磷是水体中藻类生长的主要限制因子，因此我们重点考察了硝酸盐氮、氨氮、总磷、总氮四个指标。如表4所示，供试水样试验前的相关营养盐的浓度。若以地表水环境质量标准中氨氮和总磷的限值判别，该水样属于Ⅲ类水，从总氮指标判别该水样属于劣Ⅴ类水。

由图3可以得出，空白组的营养盐在放置10天后均有所下降，可能是由于水中的微生物的分解作用或以挥发的形式散失一部分。对比不同处理方式，我们可以发现无光照组水体中的营养盐浓度下降趋势整体上是要明显低于自然光照组的，该结果与上述的粉绿狐尾藻生长状况是相对应的，因为植物在生长中需要N、P等营养源，因此有光照组中的营养盐浓度降低较明显，然而其降低的趋势与所培养的粉绿狐尾藻的数量之间并不完全显现为正相关的关系。通过观察我们发现，在培养十天后，部分粉绿狐尾藻的尾部部分出现了一段茎腐烂的现象，同时，也有部分藻类死亡的团聚体，可能正是由于腐烂现象导致植物中的N、P等部分营养源重新释放至水体中[10]。

（B）氨氮，（C）总氮，（D）总磷

（1）硝酸盐氮：如图3（A）所示，两组的硝酸盐氮下降趋势均较为明显，说明粉绿狐尾藻吸收硝酸盐氮的能力比较强。对比有无光照组，我们发现在有光照条件下，1棵粉绿狐尾藻的吸收硝酸盐氮的速度要快于无光照组，去除率高达83.7%，而无光照组为34.2%（参见表5）；然而再继续增加粉绿狐尾藻的数量至2-3棵，其去除率并没有进一步的提升，而显现出平稳的状态，可能是由于水体中硝酸盐氮的浓度已经较低的原因；另外，还可能由于水体中硝化细菌的存在，将部分氨氮转化为硝酸盐氮，导致硝酸盐氮的浓度反而出现略微升高的趋势[11]。

（2）氨氮：氨氮做为植物最易于吸收的含N营养盐，如图3（B）所示，我们可以发现，不管是有光照组还是无光照组，氨氮下降的趋势几乎是与植物的数量显正相关的关系，随着粉绿狐尾藻数量的增加而不断的降低，有光照条件下培养1至3棵粉绿狐尾藻氨氮的去除率分别为9.7%、22.8%、26.0%，而无光照组的则分别为1.4%、8.5%和14.9%。

（3）总氮：总氮是包含水体中所有的有机氮和无机氮，由图3（C）可以得出，总氮也整体显现为下降的趋势。由于硝酸盐氮在自然界中比较稳定，且含量较高。因此，总氮的变化趋势与硝酸盐氮的下降趋势较为相似。因此说明种植水生植物对于去除水体中含氮营养盐的效果是比较好的。

（4）總磷：从图3（D）中我们可以发现，在无光照组中，无论培养的粉绿狐尾藻的数量多少，总磷的浓度变化较小（去除率均在15%以内）。而在自然光照下的3组，可以明显观察到随着粉绿狐尾藻数量的增加，水体中总磷的浓度是逐渐下降的，去除率分别是23.4%、44.4%和54.3%。

由水体中的营养盐（氨氮、总氮和总磷）分析，利用培养粉绿狐尾藻吸收营养盐可有效改善水体的水质，各指标在培养粉绿狐尾藻10天后的去除率参见表5，硝酸盐氮的去除率为76.3～83.6%，氨氮的去除率为9.7～26.0%，总氮的去除率为41.4～57.7%，总磷的去除率23.4～54.3%。由地表水的环境质量标准判别，植物培养后的水体原来劣Ⅴ类（主要是总氮指标）转变至Ⅲ类水体。而对于无光照组，硝酸盐氮的去除率为34.2-74.2%，氨氮去除率为1.4-14.9%，总氮去除率为9.5-48.0%，总磷去除率为7.4-14.8%。值得一提的是，除了光照是主要的影响因素外，由于两组所处的环境温度也有较大差异，因此温度也可能是导致去除率不同的重要影响因素之一[12]。

3.3其他水质指标

（1）pH

当藻类爆发时，水体中的二氧化碳被大量消耗，引起水源的pH急剧上升，可能会导致水体中鱼、虾等动物无法生存，也可能影响水厂生产处理。因此，水体的pH是评价水质的一个重要指标。如图4所示，对比有五光照组，我们可以发现有光照组pH下降的速率较无光照的要慢。而且对于有光照组，随着粉绿狐尾藻数量的增加，pH只显现出略微下降的趋势，可能是由于粉绿狐尾藻抑制了藻类的生长，减少了水体中二氧化碳的消耗量，使得pH的下降速率要慢于无光照组；另外一方面在无光照条件下植物的呼吸作用大于光合作用，使得水体中产生大量的二氧化碳，导致pH下降较为明显。

（2）叶绿素

水体中的叶绿素含量可以用于表征水体中藻类的浓度范围，为了进一步验证培养植物在抑制藻类生长方面的作用，我们检测了在培养不同数量粉绿狐尾藻水体中的叶绿素含量。如图4所示，随着粉绿狐尾藻数量的增加，水体中叶绿素含量逐渐下降，其平均值分别为69.6、47.2、42.8 μg/L。因此可以说明粉绿狐尾藻在一定程度上是可以有效抑制藻类的生长，分析其可能的原因是由于粉绿狐尾藻的竞争作用消耗水中的营养盐，也有可能是因为粉绿狐尾藻在生长过程中能分泌出化感物质，抑制了藻类的生长[8-9]。另外，从无光照对照组的结果可以说明（叶绿素含量平均值低于3μg/L），光照是藻类生长所必需的因素之一。因此，如果能在降低水体中营养盐的同时，有减少水面的光照量，可以更有效地抑制藻类的生长，进而达到改善水质的目的。

4.结论

粉绿狐尾藻可以有效吸收水体中的N、P等营养源，降低水体的富营养化程度，硝酸盐氮的去除率为76.3～83.6%，氨氮的去除率为9.7～26.0%，总氮的去除率为41.4～57.7%，总磷的去除率23.4～54.3%。同时，粉绿狐尾藻可以有效抑制藻类的生长，抑制效率随着植物的数量而提高。由于粉绿狐尾藻的生长代谢较为旺盛，因此，粉绿狐尾藻可以作为一种有效降低环境水体中营养盐的一种植物，用于治理水体富营养化问题和改善微污染水体水质。

5.展望

在实际应用中，可以将粉绿狐尾藻以较大面积种植于较浅的水域或以浮床的形式种植于较深的水域，同步起到遮蔽阳光和吸收营养盐的作用，达到改善水体富营养化，最终达到抑制藻类生长的目的。然而，这种方法也存在一些缺陷，比如不及时清理腐烂根、茎，可能引起水体的二次污染，以及需较大量的植物修剪等维护工作等。

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作者简介

1.国家城市供水水质监测网珠海监测站博士；2.广东海源环保科技有限公司硕士