粉绿狐尾藻净水效果对氮磷浓度的响应机制

陆庆楠，贺宇欣，庄文化，李龙国，王 伟

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；2.四川大学水利水电学院，成都 610065；3.北京师范大学水科学研究院，北京 100000)

近年来,水体受人类生活污染、工业污染、农业污染影响，水质恶化严重。尤其受到农业面源污染[1]影响，导致大量氮、磷[2]等营养素大面积排入水中，从而频繁爆发赤潮、水华等水体富营养化现象。据统计，2013年，我国东海水域、长江口水域富营养化指数分别为3.2、5.0，分别达到中度、重度富营养化水平；2014年，东海发生赤潮次数共计27次，赤潮累计影响面积约2 509 km2[3,4]。更有研究表明，近几十年来，全球范围内的氮、磷营养素通过河流向海岸带的输送量分别增加了2.5和2.0倍[5]。水体富营养化会引起藻类及其他浮游生物大量繁殖，从而使水体中溶解氧含量迅速下降，导致鱼类等水生生物死亡，导致水生植物尤其是沉水植物大量衰退[6-8]，进而水体更加恶化，对其他生态系统造成恶劣影响，后果不堪设想。

以沉水植物粉绿狐尾藻为主构建生态净水系统的生物方法[9]近年来被发现在净水方面卓有成效。粉绿狐尾藻对水体富营养物质的去除既可以通过根系，也可以通过茎叶吸收、转化、利用。同时因其还能去除某些重金属及其他有毒物质、抑制藻类繁殖、对温度变化耐受性好、生物量积累较快、适应性强等优点，常常被选为净水的先锋植物。湖南省已有农户采用粉绿狐尾藻生态湿地技术处理养殖废水，效果显著，效益明显。川渝地区池塘、河沟、沼泽等地广布粉绿狐尾藻，但应用实例却很少。诸多学者研究表明，狐尾藻对氮磷具有去除效果，对氨氮具有很强的偏好性和耐受性[10]，30 d后狐尾藻对氨氮、总磷的去除率分别可达到91.7%[11]、98.6%[12]。金树权[13]等研究发现，狐尾藻对TN、TP的去除率与植物净增生物量呈正相关关系。Xu W W[14]、Ye C[15]等研究发现狐尾藻对水质的净化增效作用大于本身的直接吸收作用。但粉绿狐尾藻对氮磷的去除效果与水体中氮磷浓度的关系研究较少，净水效果与污染物浓度的响应机制有待研究。本文探究粉绿狐尾藻在不同氨氮、硝氮、总磷浓度梯度作用下，对氨氮、硝氮、总磷的去除效果，以期得到去除率与氮磷浓度的响应机制。研究结果可为在川渝地区推广粉绿狐尾藻生态湿地技术处理养殖废水，治理水体富营养化等提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用粉绿狐尾藻取自重庆市铜梁区。将粉绿狐尾藻带回四川大学水利水电学院水利水电工程试验中心，统一采用Hogland营养液驯养15 d。供试水体采用分析纯蒸馏水。培养箱规格为39 cm(长)×28 cm(宽)×21 cm(高)，容积22 dm3，材质为白色透明聚丙烯塑料。采用氯化铵(NH4Cl)、硝酸钾(KNO3)、磷酸二氢钾(KH2PO4)配置不同的氮磷梯度。

1.2 试验处理

采用室外完全随机试验，截取10 g粉绿狐尾藻(长度约35 cm)放置于已配好营养液(15 L)的培养箱中，设置不同浓度梯度水平的氨氮、硝氮、总磷为自变量，其余变量处理均相同(见表1)。试验每天18∶00补充纯蒸馏水以保持培养液恒为15 L。每个处理3个重复，共计42个处理。试验于2017年7月1日至8月30日在四川大学水利水电学院水利水电工程试验中心进行。

表1 试验变量处理设计表 mg/L

1.3 测定指标和方法

自试验开始每隔6 d测定培养液中氨氮、硝氮、总磷含量，氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定、硝氮采用酚二磺酸分光光度法测定、总磷采用钼酸盐分光光度法测定；试验期间，每天采用Multi 3501 IDS SET 4测定培养液中溶解氧含量和水温，采用Soil Stik pH Meter测定pH。试验场地配备HOBO Remote Monitoring System气象站，可测定区域气温、降水、湿度等区域小气候。

1.4 数据分析与处理

采用office 2007统计处理数据、绘制图表。采用SPSS 19.0进行相关性分析、单因素显著性分析、方差分析和模型建立。

2 结果与讨论

试验期间，各培养箱内水温处于21.7～38.6 ℃，pH值处于6.07～8.42，溶解氧浓度处于6.41～8.02 mg/L，其他区域小气候指标适宜，未见异常。各处理培养箱内氨氮、硝氮、总磷含量见表2、表3、表4。可以看出，随着时间增长，氨氮、硝氮、总磷浓度变化下，培养箱内氨氮、硝氮、总磷残余量越来越少，且各处理差异显著。

2.1 氨氮、硝氮、总磷浓度变化对氨氮去除率的影响

从图1可以看出，氨氮浓度变化下，试验各处理氨氮去除率组间差异不显著。氨氮浓度为25 mg/L时，氨氮去除率开始受到抑制。12 d后，随着氨氮浓度的提高，氨氮去除率出现了先增后减的趋势，并在氨氮浓度为25 mg/L时氨氮去除率为70.09%，达到了最大值。说明随着氨氮浓度的升高，粉绿狐尾藻吸收氮的生理活动处于先促进后被抑制的过程。试验条件下，在25 mg/L时，粉绿狐尾藻吸收氨氮的强度最高，对水中氨氮的去除效果最好。说明它对氨氮的耐受极限为25 mg/L。硝氮浓度变化下，12、30 d后，氨氮去除率组间差异显著，硝氮浓度为15 mg/L时，氨氮去除率开始受到抑制。随着硝氮的浓度的增加，粉绿狐尾藻对于氨氮的去除效果表现出与氨氮浓度增加类似的规律，并在硝氮浓度为15 mg/L时，粉绿狐尾藻的吸收氨氮的强度最高，对水中氨氮的去除效果最好。说明粉绿狐尾藻对硝氮的耐受极限为15 mg/L。总磷浓度变化下，12 d后，氨氮去除率组间差异显著，且去除率与总磷浓度呈正相关关系。而30 d后，组间差异不显著，说明总磷浓度变化显著影响粉绿狐尾藻在前中期对氨氮的去除效果。随着总磷的浓度增加，粉绿狐尾藻对于氨氮的去除效果一直增加并没有出现高浓度抑制其生理活动的现象，说明在35 mg/L以下浓度范围内，总磷浓度升高会有效促进水体中氨氮的吸收，同时对于30 d后的去除效果，总磷浓度的增加也使去除率增加。粉绿狐尾藻对总磷的耐受极限需进一步研究。

表2 培养箱内氨氮含量Tab.2 The content of ammonia nitrogen in the culture box

注：①表中数值为平均值±标准差，下同；②表中不同小写字母表示同一处理不同时间下培养箱内氨氮剩余量差异显著水平(p<0.05)。

表4 培养箱内总磷含量Tab.4 The content of total phosphorus in the culture box

图1 不同氨氮、硝氮、总磷浓度变化下粉绿狐尾藻对氨氮的去除率Fig.1 Removal rate of ammonia nitrogen under different ammonia nitrogen, nitrous nitrogen and total phosphorus

2.2 氨氮、硝氮、总磷浓度变化对硝氮去除率的影响

从图2可以看出，氨氮、硝氮、总磷浓度变化下，硝氮去除率组间差异不显著。12 d后，随氨氮浓度增加，硝氮去除率反而降低，氨氮浓度达到25 mg/L时，硝氮去除率开始回升。而30 d后，则表现出相反规律。说明氨氮浓度变化，影响粉绿狐尾藻前期对硝氮的吸收。粉绿狐尾藻对氨氮具有高亲和性，优先吸收水体中氨氮，再吸收利用其他氮源。这与金春华[10]的研究结果一致。随着氨氮浓度的增加，粉绿狐尾藻的氨氮吸收能力得到促进但是硝氮的吸收能力被抑制，且促进和抑制效应都存在相同的浓度阈值，李靖[16]、马永飞[17]的研究也有类似结果。硝氮浓度变化下，30 d后，各组硝氮去除率平稳，说明硝氮去除率受硝氮浓度变化影响不大。随着硝氮浓度增加，12 d后的硝氮去除率在硝氮浓度达到25 mg/L之前几乎不受其浓度的影响，但是在其浓度达到35 mg/L时候，水体对粉绿狐尾藻形成逆境胁迫，影响了植物的正常生理活动，抑制粉绿狐尾藻正常生长，降低了去除能力。而随着水体中总磷浓度的增加，粉绿狐尾藻对于硝氮的去除效果没有明显的促进和抑制作用。此外，通过实验现象可以看出，硝氮去除率明显低于氨氮和总磷，说明夏季高温条件下粉绿狐尾藻对于硝氮的吸收作用弱于氨氮和总磷。

图2 不同氨氮、硝氮、总磷浓度变化下粉绿狐尾藻对硝氮的去除率Fig.2 Removal rate of nitrous nitrogen under different ammonia nitrogen, nitrous nitrogen and total phosphorus

2.3 氨氮、硝氮、总磷浓度变化对总磷去除率的影响

从图3可以看出，氨氮浓度变化下，12 d后总磷去除率组间差异不显著，但30 d后，T5与其他组别差异显著。氨氮含量为25 mg/L时，总磷去除率达到最高，超过25 mg/L时，去除效果受到抑制。硝氮浓度变化下，总磷去除率与氨氮浓度变化规律类似，但抑制点出现在硝氮浓度为15 mg/L处。总磷浓度变化下，12、30 d后总磷去除率组间差异不显著。相比12 d的实验结果，粉绿狐尾藻在30 d后对总磷的去除效果受氨氮、硝氮、总磷浓度的变化表现得更加敏感。水体中氨氮和硝氮的浓度增加不能有效提高12 d后的粉绿狐尾藻对总磷的吸收能力，但是30 d后，分别在氨氮25 mg/L和硝氮15 mg/L时，致使总磷的去除率达到了最大值。此外，水体中总磷的浓度与30 d后的总磷去除率呈现明显正相关关系。通过试验发现，对于不同时期的粉绿狐尾藻，总磷的去除率水平明显高于氨氮和硝氮，且其受营养物质浓度的影响是在30 d后。这表明：相较于氨氮和硝氮，粉绿狐尾藻对于总磷的耐受能力更强，而且吸收能力更强，其净水作用更加适合于总磷超标水体。这与方焰星[18]的研究结果一致。

图3 不同氨氮、硝氮、总磷浓度变化下粉绿狐尾藻对硝氮的去除率Fig.3 Removal rate of total phosphorus under different ammonia nitrogen, nitrous nitrogen and total phosphorus

3 结 论

试验条件下，12 d后，各处理能去除培养箱中大部分的氨氮和总磷，氨氮、总磷去除率平均分别达到58.12%、64.60%，而硝氮较低，为36.04%。30 d后，各组对氨氮、硝氮、总磷的去除率分别达到78.1%～81.1%、59.1%～63.9%、85.7%～91.9%，表现出总磷去除率>氨氮去除率>硝氮去除率。该结果表明，夏季高温天气，粉绿狐尾藻对氨氮、总磷的去除效果明显。这与童昌华[11]，Souza[12]的研究结果一致。Jampeetong[19]和Dai[20]的研究结果也表明水生植物对氨氮的去除率要高于硝氮。

粉绿狐尾藻对氨氮、硝氮、总磷的去除效果受氨氮、总磷浓度变化响应强烈，受硝氮浓度变化影响不大。氨氮、硝氮含量分别为25、15 mg/L时，是粉绿狐尾藻发挥最优净水效果的浓度。而粉绿狐尾藻对总磷的耐受极限还需进一步研究。在初始污染物浓度固定情况下，氨氮浓度(25 mg/L)阈值内，氨氮含量愈高，硝氮去除率愈底。粉绿狐尾藻在氮源污染物中对氨氮表现出更高亲和性。待氨氮被吸收利用后，再吸收利用硝氮。而总磷含量愈高，植株生长更旺盛，氨氮、硝氮、总磷去除率较其他组别最高。总磷阈值还需进一步研究。本文发现，夏季条件下，粉绿狐尾藻更适合净化高磷水体。污染物排放需经过预处理使氨氮、硝氮浓度降至25、15 mg/L时，能更好发挥粉绿狐尾藻对氨氮、硝氮的去除效果。本文研究是建立在污染物浓度初始条件给定情况下的，对过程中有污染物继续输入的情况还需进一步研究。