海马齿净化海水养殖废水生态效益分析

黄金颖，乐 韵，滕丽华，朱奕婷，何 琦

(1.浙江万里学院 生物与环境学院，浙江 宁波 315000；2.宁波市海洋与渔业执法队，浙江 宁波 315012)

近年来，海水养殖成为近海污染的重要原因之一，水体富营养化与高盐度使生态系统失衡、赤潮频发、病害滋生，远远超出水体的自净能力，严重阻碍海水养殖业的发展[1]。目前国内外采用物理、化学、生物方法修复海水养殖废水，但在体量大、污染重的海水养殖废水中大多数污水处理方法无法满足；部分技术所需设备价格高、寿命短、操作难度大，从而导致净化水质成本较高，大众化程度低[2]。

海马齿(Sesuviumportulacastrum)属于番杏科，海马齿属，是一种生长在海边沙地及河流入海口两岸滩涂地带的多肉植物。由于海马齿具有发达的根系与较强的耐盐特性，生命力强，繁殖迅速，常被用于生态修复，特别是海水养殖废水的治理。海马齿不仅可以有效地去除水体中的氮、磷污染物，还可以吸附大分子悬浮颗粒物与重金属离子，使水体澄清。在营养价值方面，海马齿也是一种绿色保健类植物，其氨基酸、矿物质种类丰富，且含高蛋白、低脂肪与β-胡萝卜素，可作为烹调食品；其药用价值体现在富含萜、烯以及一些挥发性油类物质，临床上证明对发烧、坏血病等病症有很好的疗效，具有较大的开发利用价值[3]。公开发表的关于海马齿植物的研究文献，多集中在海马齿对于高盐分、干旱极度恶劣条件下的存活率与对其本身的特性研究，如营养保健价值、与其他植物协同修复水体的效果等，而关于海马齿净化水体，特别是对海水养殖废水的研究较少。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

本试验使用的海马齿于2021年9月27日上午采集于广东省湛江市徐闻县后湾海域，海马齿形态为完整的长条状，保留叶子和8 cm左右的茎，摘除发黄、老死叶片，在试验进行前，对处理后的植物用蒸馏水清洗，再用配制浓度为1‰高锰酸钾溶液浸泡3 h消毒处理，之后再用蒸馏水冲洗干净，移至圆形实验桶进行水培，同时保持增氧泵曝气，直至植株长出水生根。查阅文献[4]后，将海水养殖尾水水质设置如下：pH值为7.5～8.5，盐度为15.0‰～20.0‰，总氮35～40 mg/L，总磷5.5～6.2 mg/L；试验过程中不换水，只补充因蒸发和采样而损失的水分。试验共10组，向圆形实验桶中分别加入5 L事先配制好的海水，1#、2#、3#组为正常的海水养殖废水的海马齿空白组，4#、5#、6#组为不同梯度浓度的TN试验组(TN20、30、50)，7#、8#、9#组为不同梯度浓度的TP试验组(TP3、15、20)，10#组则作为空白对照组。每隔三天测定各组水质相关指标，并计算分析污染物去除率与其生物指标的相关性，同时根据水箱水量蒸发情况，用含盐的蒸馏水进行补充，以维持水体总体积和盐度条件不变。

本试验装置主体主要由塑料定植篮(直径为7 cm)、海绵、园艺铁丝(修剪为若干15 cm长的铁丝段)组成。将园艺铁丝搭建组合为井字型搁置在塑料桶上，从而起到固定塑料定植篮的作用，一个桶中交错放置4个定植篮，每个定植篮中用海绵固定4根长势相同的海马齿茎段，组合固定性强，不污染水体，能保证植物的直立与根系的正常生长。

1.2 指标测定方法与数据处理

污染物去除率C按照公式(1)计算:

公式(1)

式中：C0代表污染物初始浓度，C1表示取样测定的污染物浓度。

2 结果与讨论

2.1 水质指标去除率

2.1.1 各处理组对TP的去除效果 海马齿对海水养殖废水中总磷的去除试验结果见图1。结果表明：试验39 d后，海马齿对7组海水养殖废水中的总磷均有一定的净化效果，1#到7#组模拟海水养殖废水的总磷含量分别下降至0.913、0.466、0.986、1.966、0.566、4.106 mg/L和10.566 mg/L，总磷去除率由大到小为：TN20(96.720%)>空白(93.695%)>TN30(92.689%)>TN50(85.693%)；TP3(95.089%)>空白(93.695%)>TP15(73.554%)>TP20(35.909%)。其中TN20组去除率略高于空白组、TN30组去除率与空白组大致相同、TN50组去除率略低于空白组；明显可见，TP3组去除率在21天前快速上升并在21天达到饱和并趋于稳态、TP15组去除率大于TP20组但远小于空白组，且其在39天时仍呈现出上升趋势。由此可知高磷环境下海马齿的除磷效率不高，而在高氮条件下影响较弱。

海马齿的根系会吸收水体中可溶性活性磷，并且其发达的根系能为微生物的生存提供空间，在好氧和厌氧条件下，磷细菌能将有机磷化合物转化为简单的可供植物及微生物吸收的磷化物，促进磷的迁移转化，从而提高净化效率[11]。史莉等[12]研究表明，无机磷也是植物生长所必须的营养物质。污水中的无机磷在植物的吸收和同化作用下，被合成为ATP、DNA和RNA等有机成分。在35天时，TP去除率出现了小幅度降低现象，可能是植物自身吸收磷达到阶段性饱和后，向污水中释放一部分磷；也可能是在根系内部局部出现厌氧环境，而导致无机磷的释放[13]。

2.1.2 各处理组对COD的去除效果 各处理组中的CODMn均呈下降趋势(见图2)，去除效果良好。空白组去除率先上升，到15 d后波动趋于平衡，去除率为73.47%；TN变量组总体趋势与空白组相同，但是TN50的去除效率略低于空白组，为65.12%；TP变量组总体趋势与空白组相同，其中最小值TP15的去除率为68.02%。总体上看，各组前期出现快速上升，后期CODMn含量呈波动变化，总体比前期稳定，这可能与系统中植物根系的生长情况有关，并且在海水养殖废水中高氮和高磷环境对COD的去除率有降低作用，但影响甚小。COD的净化主要是植物吸收作用以及微生物降解作用，并且COD的降解主要是由微生物活动而不是植物活动主导的，在植物根系上栖息的微生物加速了其周围有机胶体的分解[14]。植物自身吸附、截留及过滤作用较强，使得水体的含氧量维持较高的水平，为微生物生长提供了适宜繁殖的场所，增强其降解转化作用，促进COD的净化效果。也有研究表明，与微生物较少的空白组相比，种植水生植物的处理具有更大的COD去除优势，主要是由于植物根区的微生物在降解过程中，会随着植物根系的生长而形成生物膜，增强对有机物质的降解效率与捕获能力[15]。

图1 TP去除率的时间变化

图2 COD去除率的时间变化

2.1.3 各处理组对氨氮的去除效果 海马齿对海水养殖废水中氨氮的去除试验结果见图3。结果表明，在0～1 d时，水中空白组的氨氮浓度剧增，而其它各组浓度基本不变，可能前期微生物生长不稳定导致水体中有机物含量波动较大，微生物的分解作用释放出部分可溶性有机氮(主要为氨氮)，提高了污染水体中的氨氮含量，造成试验前期氨氮浓度呈大幅度上升的趋势。在1～28 d时，海马齿对氨氮进行吸收，各组氨氮去除率均波动上升，其中坡度大小为TN50>TP15>TP20，主要通过好氧反硝化菌的作用[16]，废水生物脱氮，氨氮浓度出现较大幅度的下降趋势，最后各处理组中氨氮基本去除，且在高氮或高磷环境下与在同一时段内海马齿对氨氮的去除效果相对滞后。试验运行期间，各处理组对氨氮的去除效果极佳。研究表明[17]海马齿对氨氮的去除主要是通过微生物的作用，水中的有机氮可通过微生物的氨化作用转化为氨氮，再经硝化作用转化为硝态氮，进一步被反硝化细菌通过反硝化作用还原成气态氮从系统中去除。高氮或高磷环境下的滞后效应，可能与系统内的微生物与其分泌的生物酶活性有关，也可能与海马齿的环境适应性有关。

图3 氨氮去除率的时间变化

2.2 生态效益分析

2.2.1 叶绿素含量 叶绿素是作物进行光合作用和吸收光能的主要物质，其含量的高低直接影响光合产物的积累，也是反映作物氮素营养状况的重要指示器。由图4可知，各处理组海马齿在试验初期(1～19 d)叶片中的叶绿素a+b含量均减少，可能是植物在接受光能后，叶绿素会进行激发态与稳定态切换，从而散发出化学能、热能、叶绿素荧光，污水中的离子毒害并诱导合成了特异性蛋白，进而抑制了叶绿素的合成[18]。但海马齿随着盐污水胁迫时间的延长(第38天)，海马齿叶片中的叶绿素含量能恢复到淡水浇灌的水平。叶绿素是光合作用的关键色素，其含量的高低直接影响植物光合作用效率的大小。彭存志等[19]研究发现，海马齿在盐胁迫环境下，可以通过维持光系统复合体的稳定性，提高光化学反应速率；或者是通过增加热耗散从而提高光能利用，降低过剩光能带来的伤害，维持光合系统不受损害，这也暗示了植物面临极端条件时，植物激素参与调节，增强适应性。并且在高氮或高磷极端条件下，海马齿的叶绿素含量无显著影响，而在低氮条件下叶绿素含量相较其他组最高，达到了0.271 2 mg/g，其可能是因为过量的氮供应会使植物叶片中用于光化学反应的光子能量减少，光化学反应受到抑制；也可能是过量氮环境使植物叶片表观量子效率明显低于适量氮环境的植物叶片，使得净光合速率降低，进而导致光合生产力下降[20]。

图4 各处理组的叶绿素含量

2.2.2 根系活力 根系活力可以客观反映出根系的生命活动，在逆境下根系表现出的生理特征和形态最能反映植株受到的胁迫程度。由图5可知，随着时间增加，各组根系活力随之升高。空白组中根系受海水养殖废水胁迫，呼吸作用等生理活动增强，在第38天时空白组相较于其他各组，根系活力最高，达到88.5 mg·g-1·h-1。根对污染物的吸收，不是一个简单的扩散过程，它可以有选择地大量累积某些离子，这个过程是通过交换吸附而进行的。并且根系分泌的有机酸、糖、酚及各种氨基酸等物质可以调节根际微生态功能，从而提高根系对养分的利用吸收和极端环境的适应能力[21]。

在TN组中，中氮环境创造了良好的根际环境，具有比高氮和低氮环境根系活力强、根细胞结构完整的特点，可以得出适量的氮含量更利于根系活力增加的结论，这与徐国伟等[22]研究一致。在TP组中，适量的磷能促进海马齿根系的蛋白质含量和硝酸还原酶活性增高，使其持续保持着较强的根系活力，而高磷和低磷环境导致海马齿的根系活力增加较少，不利于根系的生理代谢，加速根系衰老，从而抑制海马齿生长[23]。其增长趋势可能是与其较强的根系氧化能力和较高分泌含量所形成的强根际的酸化能力有关。

图5 各处理组的根系活力

2.2.3 含铁量 海马齿含有种类丰富的矿质元素，以Na和K为主，Ca、Mg和P次之,I、Mn、Fe、Zn、Cu、Se依次降低。Fe为重要的微量元素，但若超出一定的量，则会影响人体健康，且海马齿的重金属含量较为合理，控制在可允许的范围内，符合绿色食品的标准。由图6可知，各组Fe2+含量在时间增加下均减少，可能是因为海马齿为了适应高盐环境，根系形成大量的通气组织，将茎、叶光合作用及气体交换作用获得的氧气运输到根系，通过根系泌氧向根区沉积物释放氧气，根际沉积物中还原性的Fe被氧化，在根表形成铁膜，使大量的Fe附着于植物根系附近，影响了重金属的迁移和转化[24]；也可能是由于高盐废水使得根表细质膜上的铁还原酶和抗氧化酶活性降低，抑制了迁移到根表的Fe3+还原为Fe2+，削弱了输送蛋白进入细胞的能力，而使海马齿含铁量下降。以上分析与试验结果中的海马齿铁含量未大幅度降低一致。

缺铁可引起植物体内的氧化伤害，这是由于铁是多种抗氧化酶的辅因子，缺铁降低了抗氧化酶活性，从而引起活性氧的积累，这也是影响叶绿素含量前期下降的重要因素之一[25]。由图6可知，在高磷高氮环境下，植物体内Fe2+含量明显减少，可能是由于铁的吸收总量受到生物量的影响，而生物量直接受到环境中氮、磷含量的限制，进而影响其含量。造成植物铁下降的原因有很多，往往是多因素综合起作用。许多试验表明缺铁的叶片及组织中含磷较高，且多数学者认为磷影响铁的代谢和利用，铁与磷共沉淀于叶脉—叶肉结合组织，使铁不能参加代谢活动，磷吸收过多时，形成的磷蛋白多，铁则束缚在磷蛋白上，从而也影响了铁的利用[26]，并且在高氮环境下，会导致根际pH值升高，从而导致铁的有效性降低。

图6 各处理组的铁含量

3 结论

海马齿的叶绿素含量随着时间的增加均先升高后降低，两者最终含量为0.20 mg/g；根系活力逐渐增高至85.85 mg·g-1·h-1，含Fe2+量逐渐降低至2.92 μg/g。其中高磷或高氮环境使根系活力与含Fe2+量明显低于空白组，分别为修复后空白组的41.20%、49.27%与78.75%、80.09%，对于叶绿素含量变化趋势无显著影响。

海马齿栽培简单，营养价值高，对海水养殖废水修复能力强，是值得开发利用的天然海洋植物。

在39 d后水体中无机氮总量为0.26 mg/L，低于0.30 mg/L，已经达到《海水水质标准》(GB 3097-1997)中的二级标准，但TP含量为0.91 mg/L，高于0.30 mg/L；COD27.47 mg/L，高于3.00 mg/L，未达到二级标准。特别是COD的含量偏高，可进一步引进膜渗透技术、高级氧化技术等深度净化尾水。