不同浓度NaCl胁迫下鸢尾生理特性变化及污水净化效果比较*

亢 瑜 张国珍# 武福平 李耀锋 尚兴宝

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁一局集团建筑安装工程有限公司，陕西 西安 710054；3.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074)

全球气候变化导致我国西北地区土壤盐碱化日趋严重，近年来，种植耐盐植物开发盐碱土地成为一种行之有效的办法[1]。与此同时，植物作为人工湿地的重要组成部分，由于可以直接通过吸收作用去除污水中污染物且可通过根系为人工湿地中的微生物输送氧气，创造微生物适宜的生存环境，进一步提高去除率，在污水处理中发挥着至关重要的作用[2-4]。盐胁迫作用于植物体会引起水分亏缺而导致渗透胁迫，在一定范围内植物可通过自身渗透调节作用抵抗胁迫，植物体内渗透调节物质含量的变化是其抵抗胁迫的具体表现[5]。盐胁迫会积累活性氧，对于植物细胞膜等都具有危害作用，而植物体内超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化系统酶可防止活性氧积累，起到保护细胞的作用。杨玲等[6]研究银白杨(PopulustomentosaCarr.)在盐胁迫下的生理响应得出结论：胁迫对银白杨的光合作用和生长表现出较强的抑制作用，并且胁迫越强，抑制作用就越大。研究发现，过高的盐浓度胁迫对藜草(Chenopodiumalbum)的生长和光合作用抑制作用较强[7]。关于人工湿地的研究大部分集中于人工湿地对于污水处理效果方面，对于植物耐盐性研究鲜有报道。盐胁迫会诱发植物体内多种结构、性状和功能的改变,以利于植物更好地适应新环境[8]。因此，研究人工湿地植物在盐胁迫下的生理特性变化及污水净化效果对于人工湿地处理含盐污水的应用显得尤为重要。

本研究以鸢尾(Iristectorum)为供试植物，构建垂直流人工湿地，在不同NaCl浓度进水影响下，分析鸢尾的生理特性变化及污水净化效果，为西北地区人工湿地建设和人工湿地处理含盐污水提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验水质

为避免实际生活污水水质波动对试验结果的影响，本试验以人工配置污水[9]作为系统的进水。参考文献[10]，将NaCl用进水溶解，设置NaCl质量分数分别为0(对照组(CK))、0.5%、1.0%。进水水质见表1。

表1 人工湿地进水水质

1.2 试验装置

人工湿地试验装置如图1所示。装置由聚氯乙烯(PVC)塑料桶制作而成，塑料桶直径500 mm、高900 mm，池内由下至上铺设200 mm粒径为30～50 mm的大砾石、200 mm粒径为10～20mm的小砾石、300 mm土壤作为填料。系统采用直径为20 mm的穿孔管作为布水管，出水口设置在桶侧壁底部，湿地表面移植成熟期鸢尾，平均株高28 cm，叶宽约1.8 cm，种植密度为9株/桶，株行距为150 mm×150 mm。湿地系统连续运行至稳定后开展试验研究，试验期间，人工湿地水力停留时间控制为7 d，污染负荷为4 kg/(m2·d)。

图1 人工湿地试验装置Fig.1 The experimental device of constructed wetland

1.3 试验方法

人工湿地系统于2018年4—8月稳定运行，试验期间，在气温为19～32 ℃、水温为16～21 ℃的条件下研究不同NaCl浓度胁迫下鸢尾生理特性变化和人工湿地对污水净化效果。系统连续运行，通过阀门控制进水，每3天采集1次植鸢尾样品，测定鸢尾叶片丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)、SOD和叶绿素等指标，分别采用硫代巴比妥酸法[11]、酸性茚三酮法[12]、氮蓝四唑法[13]和丙酮提取法[14]测定；每7天采集1次水样，测定COD、TN和TP浓度等指标，分别采用快速消解分光光度法、碱性过硫酸钾消解/紫外分光光度法和钼酸铵分光光度法测定[15]。

2 结果与讨论

2.1 各盐度下鸢尾生理特性

MDA是植物处于逆境或器官衰老时发生膜脂过氧化反应的产物，常用来表征细胞膜脂过氧化程度和对逆境条件反应的强弱[16]。不同NaCl质量分数污水胁迫下，鸢尾叶片中的MDA变化如图2(a)所示。同期相比，鸢尾叶片的MDA表现为NaCl为1.0%的污水胁迫>NaCl为0.5%的污水胁迫>CK。在NaCl为1.0%的污水胁迫下，鸢尾叶片内膜脂过氧化反应最强烈，细胞膜损伤最严重。胁迫第6周时，NaCl为1.0%的污水胁迫下鸢尾MDA相对于CK增加了23.24%。由于长期处于胁迫下，细胞膜损伤程度加重，鸢尾叶片的MDA含量随胁迫时间延长呈升高趋势。

图2 不同NaCl质量分数下鸢尾叶片的MDA、Pro、叶绿素和SOD活性随胁迫时间的变化Fig.2 Change of MDA,Pro,chlorophyll and SOD activity in the Iris tectorum leaves with stress time in different NaCl mass fraction

Pro是植物体在逆境胁迫下产生的一种非酶保护体系[17]，可以降低细胞内溶质的渗透势,维持细胞内酶的结构和构象。正常情况下鸢尾叶片的Pro含量并不高，但其受到逆境胁迫时，含量会产生很大的波动[18]。不同NaCl质量分数污水胁迫下，鸢尾叶片的Pro变化如图2(b)所示。同期相比，鸢尾叶片的Pro表现为NaCl为0.5%的污水胁迫>NaCl为1.0%的污水胁迫>CK，NaCl为0.5%的污水胁迫下鸢尾叶片的Pro含量相对于CK有较大的提高，而NaCl为1.0%的污水胁迫可能超出了鸢尾盐度适应域，Pro含量相对于NaCl为0.5%的污水胁迫有所下降。Pro在鸢尾叶片中积累可减缓胁迫对鸢尾叶片的伤害，因此鸢尾叶片的Pro含量随胁迫时间延长总体呈逐渐上升的趋势，胁迫第6周时，NaCl为0.5%的污水胁迫下，鸢尾叶片Pro相比CK增加了79.51%。

SOD是植物保护系统中最重要的酶之一，在植物处于逆境胁迫时起着重要的作用。不同NaCl质量分数污水胁迫下，鸢尾叶片的SOD活性如图2(c)所示。同期相比，鸢尾叶片的SOD活性表现为NaCl为1.0%的污水胁迫>NaCl为0.5%的污水胁迫>CK。鸢尾叶片的SOD活性随胁迫时间延长呈先增加后降低的趋势，胁迫第3周时达到最大值，表明在开始胁迫的3周，鸢尾发生生理响应，体内调节物质保护了酶系统，胁迫第4周，胁迫强度已达到鸢尾承受极限，导致酶系统破坏、酶活性降低。

植物叶绿素具有吸收和传递光量子的功能,叶绿素的含量是衡量植物利用光能能力的指标,也是研究植物抗逆性的重要指标之一[19]。不同NaCl质量分数污水胁迫下，鸢尾叶片中的叶绿素变化如图2(d)所示。CK中鸢尾叶片的叶绿素含量随胁迫时间延长呈升高趋势，而在NaCl为0.5%和1.0%的污水胁迫下鸢尾叶片叶绿素含量随胁迫时间延长呈现降低趋势。同期相比，鸢尾叶片叶绿素体现为CK>NaCl为0.5%的污水胁迫> NaCl为1.0%的污水胁迫；第6周时，NaCl为1.0%的污水胁迫下，鸢尾叶片的叶绿素比CK降低58.69%。胁迫强度越大、胁迫时间越长，对叶绿素含量影响就越大，其主要原因是鸢尾受到盐胁迫，体内的叶绿素酶活性增强，导致了叶绿素加速降解。叶绿素作为鸢尾光合作用最重要的色素之一，一定程度上可表征鸢尾光合作用强弱。在NaCl为0.5%和1.0%的污水胁迫下，鸢尾叶绿素含量相对于CK大幅度降低，说明盐胁迫抑制了鸢尾的光合作用。

2.2 人工湿地对污水的处理效果

为进行对比试验，在构建鸢尾人工湿地的同时构建无植物人工湿地，两种人工湿地处理3种NaCl质量分数污水的效果如图3所示。

由图3可知，无植物人工湿地和鸢尾人工湿地处理3种NaCl含量的污水，在进水COD、TN和TP浓度相同的情况下，鸢尾人工湿地出水COD、TN和TP浓度均低于无植物人工湿地，表明湿地植物作为人工湿地的重要组成部分在污水处理中发挥着重要的作用，而其发挥作用的主要途径是植物发达的根系为人工湿地中的微生物提供适宜的生存环境[20]。无植物人工湿地处理CK、NaCl为0.5%和1.0%的污水时，COD去除率分别为80.77%、69.61%和66.83%，与CK相比，无植物人工湿地处理NaCl为1.0%污水时，COD去除率降低了13.94百分点；鸢尾人工湿地处理CK、NaCl为0.5%和1.0%的污水时，COD去除率分别为82.11%、71.45%和69.35%，与CK相比，鸢尾人工湿地处理NaCl为1.0%污水时，COD去除率降低了12.76百分点。CK时，两种人工湿地出水COD均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准，鸢尾人工湿地处理NaCl为0.5%的污水时，出水COD达到一级B标准。无植物人工湿地处理CK、NaCl为0.5%和1.0%的污水时，TN去除率分别为85.72%、79.66%和74.24%，与CK相比，无植物人工湿地处理NaCl为1.0%污水时，TN去除率降低了11.48百分点；鸢尾人工湿地处理CK、NaCl为0.5%和1.0%的污水时，TN去除率分别为90.61%、84.54%和77.73%，与CK相比，鸢尾人工湿地处理NaCl为1.0%污水时，TN去除率降低了12.88百分点。无植物人工湿地处理CK、NaCl为0.5%和1.0%的污水时，TP去除率分别为57.01%、46.10%和37.90%，与CK相比，无植物人工湿地处理NaCl为1.0%污水时，TP去除率降低了19.11百分点；鸢尾人工湿地处理CK、NaCl为0.5%和1.0%的污水时，TP去除率分别为59.15%、49.79%和39.67%，与CK相比，鸢尾人工湿地处理NaCl为1.0%污水时，TP去除率降低了19.48百分点。随着污水盐度升高，无论是无植物人工湿地还是鸢尾人工湿地，对COD、TN和TP的去除率都逐渐降低，表明污水中盐浓度对于人工湿地处理污水有较大的影响。

图3 人工湿地对COD、TN和TP的去除效果Fig.3 The removal of COD,TN and TP by constructed wetlands

3 结 论

(1) 随着污水盐度升高、胁迫时间延长，鸢尾叶片的MDA含量增高，NaCl为1.0%的污水胁迫下，胁迫第6周时MDA相比CK增加了23.24%，鸢尾叶片细胞膜发生损伤；Pro含量也随胁迫时间延长总体呈增高趋势，NaCl为0.5%的污水胁迫下，胁迫第6周时Pro相比CK增加了79.51%，鸢尾抵抗胁迫渗透调节能力降低；SOD活性在胁迫第3周达到最大值，此后活性下降，鸢尾自身酶保护系统破环。鸢尾叶片的叶绿素含量随盐度升高而降低，NaCl为1.0%的污水胁迫下，胁迫第6周时叶绿素比CK降低58.69%，盐胁迫抑制了鸢尾的光合作用。

(2) 鸢尾人工湿地处理同等盐度污水的COD、TN和TP去除率均高于无植物人工湿地，鸢尾在人工湿地污水处理系统中发挥着重要的作用；随着污水盐度升高，无植物湿地COD、TN和TP去除率分别从80.77%、85.72%和57.01%降低到66.83%、74.24%和37.90%，鸢尾湿地COD、TN和TP去除率分别从82.11%、90.61%和59.15%降低到69.35%、77.73%和39.67%。污水含盐量越小，人工湿地处理效果越好。