3种水生植物对尾水的净化效果及生理特征变化

摘要：【目的】探究水生植物对污水处理厂尾水的净化效果及生理特征变化，为尾水深度净化及植物选择提供参考依据。【方法】以水葱（Schoenoplectus tabernaemontani）、香蒲（Typha orientalis）、黄菖蒲（Iris pseudacorus）为研究对象，在室外试验模拟配制2种不同浓度的污水厂尾水，分析这3种植物对不同浓度尾水中化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）的去除效果以及植物的生理特征变化。【结果】3种植物对尾水中COD、TN和TP均有良好的去除效果，尾水中COD质量浓度由61.42～107.28 mg/L下降至8.63～16.20 mg/L，TN由24.49～31.54 mg/L下降至0.40～7.90 mg/L，TP由2.11～3.43 mg/L下降至0.05～1.00 mg/L。水葱和黄菖蒲在尾水中抗氧化酶活性和相对电导率增大，香蒲过氧化物酶（POD）活性和相对电导率显著下降（Plt;0.05），过氧化氢酶（CAT）活性显著上升（Plt;0.05）。3种植物在尾水中的叶绿素含量均显著下降（Plt;0.05），水葱在高浓度COD、TN和TP尾水中光合作用减弱。【结论】水葱、香蒲和黄菖蒲对污水厂尾水中COD、TN和TP去除效果显著，植物在尾水中生理代谢受到影响。综合各参数，可将水葱和香蒲搭配种植用于低浓度COD、TN和TP尾水的净化，黄菖蒲用于高浓度尾水的净化。

关键词：水生植物；尾水净化；生理特征；水葱；香蒲；黄菖蒲

中图分类号：X703.1；S718"""" 文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1000-2006（2024）05-0221-07

The tailwater purification effectiveness of three aquatic plants and their subsequent physiological changes aquatic

XIA Tongtong， WU Yongbo*， PU Keyi， WANG Mingli

（Co-Innovation Center for"" Sustainable Forestry in Southern China， College of Ecology and" Environment， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract：【Objective】 This study aims to" explore the effectiveness of hydrophytes in purifying tailwater from a sewage plant and the subsequent changes in their physiological characteristics. The results will provide a reference for the effective purification of tailwater and the selection of suitable hydrophytes for this task. 【Method】 Taking Schoenoplectus tabernaemontani， Typha orientalis" and Iris pseudocorus as research objects， pot-control experiments were conducted to simulate the preparation of two different tailwaters， each characterized by different concentrations of contaminants. The removal effects on chemical oxygen demand （COD）， total nitrogen （TN）" and total phosphorus （TP）， and the subsequent physiological characteristics of the three hydrophytes in the two different tailwaters were analyzed. 【Result】 The three types of hydrophytes all had strong removal effects for COD， TN and TP in tailwater. The COD concentration in tailwater decreased from 61.42-107.28 to 8.63-16.20 mg/L， the TN concentration decreased from 24.49-31.54 to 0.40-7.90 mg/L， and the TP concentration decreased from 2.11-3.43 to 0.05-1.00 mg/L. The antioxidant enzyme activity and relative conductivity of S. tabernaemontani and I. pseudocorus increased in the tailwater， while the peroxidase activity and relative conductivity of T. orientalis decreased significantly （P lt;0.05）， and the catalase activity increased significantly （P lt;0.05）. The chlorophyll content of all three hydrophytes in the tailwater decreased significantly （P lt;0.05）， while the photosynthesis of S. tabernaemontani decreased in the tailwater with the higher concentration of contaminants. 【Conclusion【 Schoenoplectus tabernaemontani， T. orientalis" and I. pseudocorus had significant removal effects on COD， TN" and TP in the tailwater. The physiological metabolism of hydrophytes was affected following the" exposure to the tailwater. It was concluded that S. tabernaemontani and T. orientalis can be planted together for purifying tailwater with low concentrations of contaminants， while I. pseudocorus can be used for the purification of"" severely contaminated tailwater.

Keywords：aquatic plant; tailwater purification; physiological characteristics; Schoenoplectus tabernaemontani; Typha orientalis; Iris pseudacorus

随着城市化进程的推进，城镇污水处理及其资源化利用已成为亟待解决的问题[1-2]。目前，污水厂排放标准主要依据GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A和一级B标准，但排放的尾水仍含有大量有机污染物，如总氮（TN）、总磷（TP）含量比GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[3]中Ⅴ类水高出几倍，这些污染物随着尾水排入江河等水体，造成水体污染，加剧水体富营养化[4-6]。近年来，通过人工湿地广泛运用水生植物对尾水进行净化，水生植物在吸收养分自然生长的同时，可有效去除水中过量的氮和磷等污染物，达到较好的净化效果[7-8]；同时植物生理形态发生变化，以适应相应的逆境环境，并对污水的持续净化起到正反馈的效果。张倩妮等[9]对29种水生植物净化能力进行聚类分析，结果表明香蒲（Typha orientalis）和芦苇（Phragmites australis）等为高净化能力植物，水葱（Schoenoplectus tabernaemontani）等为中净化能力植物；康彩霞等[10]研究发现，高浓度氮磷胁迫会使亚洲苦草（Vallisneria asiatica）氧化系统受到损伤；程丽芬等[11]通过对人工湿地处理煤矿废水发现，光合作用更高的植物对煤矿废水的适应性更强。水葱、香蒲和黄菖蒲（Iris pseudacorus）是常见污水净化植物。目前，关于水生植物净化水体的研究多集中在植物选择和净化效果分析，尤其是对生活污水及湖泊富营养化水体的净化效果[12-14];对水生植物在尾水条件下的净化能力和生理生态研究还较少，尤其是植物在尾水中的光合作用特征变化鲜有报道。本研究以水葱、香蒲和黄菖蒲3种水生植物为研究对象，分析其对不同浓度尾水中化学需氧量（COD）、TN和TP的去除效果，及其在不同浓度尾水中的光合特征、抗氧化酶活性等生长生理变化，以期进一步了解其在尾水处理中的生理变化及适应性，为尾水深度净化及植物选择提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

模拟尾水使用邻苯二甲酸氢钾（C8H5KO4）、磷酸二氢钾（KH2PO4）、尿素（CH4N2O）、硫酸镁（MgSO4）、硫酸铜（CuSO4）、硫酸锌（ZnSO4）、钼酸钠（Na2MoO）、硼酸（H3BO3）配制而成。自来水中不添加污染物试剂（C8H5KO4、KH2PO4、CH4N2O），其余试剂浓度与尾水相同。模拟尾水浓度（质量浓度）参考《城镇污水处理厂污染物排放标准》[15]中最高允许排放浓度（日均值）配制，低浓度参考Ⅰ级标准，即化学需氧量（COD）61.42 mg/L、总氮（TN）24.49 mg/L、总磷（TP）2.11 mg/L，高浓度参考Ⅱ级标准， 即化学需氧量（COD）107.28 mg/L、总氮（TN）31.54 mg/L、总磷（TP）3.43 mg/L。

试验于2022年6—8月在南京林业大学实验大棚中进行，棚内温度为22～35℃。将水葱、香蒲和黄菖蒲培养2周后，选择长势良好、大小基本一致的植株使用定植篮和泡沫板种植在塑料桶中（桶高28 cm、上直径26 cm、下直径22 cm）。每种植物种植9桶（3桶为低浓度尾水处理，3桶为高浓度尾水处理，3桶为自来水对照组），每桶种植4株，试验中另设置不种植物的低浓度和高浓度尾水空白组（CK1、CK2），每桶水量为10 L，后续根据其蒸发量用自来水补充。

1.2 指标测定

在试验的第1、3、6、10、15、20、25、30、35 天采集水样，分别采用重铬酸盐法[16]、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[17]、钼酸铵分光光度法[18]，测定其COD、TN和TP含量。试验30 d时，选取位置相同、长势一致的植物成熟叶片，用于生理指标测定，3次重复。

1）相对电导率。取植物鲜样0.1 g于10 mL去离子水的刻度试管中，采用浸泡法[19]测定。

2）叶绿素含量。取植物鲜样0.1 g于10 mL 95%的酒精中，经研磨、离心、稀释后于665、649 nm波长下测定吸光度，并计算叶绿素总量[20]。

3）抗氧化酶活性。取植物鲜样0.5 g经研磨、离心后提取粗酶液。采用愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性，采用紫外吸收法测定过氧化氢酶（CAT）活性[20]。

4）植物光合特征。测定时间为9：00—11：00，使用Li-6400便携式光合作用测定仪（Li-COR，Lincoln，美国），测定植物净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、大气CO2浓度（Ca）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs），并根据Ls= Ci/ Ca计算气孔限制值（Ls）。

1.3 数据分析

采用Excel 2003和SPSS 25.0进行数据处理，以Origin 9.65作图，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 3种水生植物对尾水的净化效果

1）对尾水中COD的去除效果。3种水生植物对尾水中COD的去除效果见图1。由图1a、1b可知，处理35 d时，3种水生植物对尾水COD的去除率均显著高于相对应的空白组（Plt;0.05），质量浓度由61.42～107.28 mg/L降至8.63～16.20 mg/L。在低浓度（质量浓度）尾水中，3种植物对COD的去除效果表现为香蒲gt;水葱gt;黄菖蒲，去除率分别为（85.95±0.68）%、（79.80±2.42）%、（78.10±1.56）%；在高浓度尾水中，3种植物对COD的去除效果表现为黄菖蒲gt;水葱gt;香蒲，去除率分别为（87.14±1.78）%、（86.89±0.14）%、（84.90±0.40）%。水葱和黄菖蒲在高浓度尾水中对COD去除效果更好，而香蒲在低浓度尾水中对COD去除率更高。处理35 d，水体中COD浓度除香蒲高浓度尾水组，其他处理组均符合GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅰ类水标准限值要求。

2）对尾水中TN的去除效果。3种植物对TN均有较好的净化效果（图1c、1d），处理6 d，不同植物处理之间存在较显著差异（Plt;0.05）。试验期间，各植物处理组中TN在前期均表现为快速下降，20 d后均表现出不同程度的缓慢下降，并趋于稳定。处理35 d，3种植物在低浓度尾水中对TN的去除效果表现为黄菖蒲gt;香蒲gt;水葱，去除率分别为（98.08±0.16）%、（77.95±0.59）%、（75.54±0.59）%；在高浓度尾水中对TN的去除效果表现为黄菖蒲gt;水葱gt;香蒲，去除率分别为（98.73±2.35）%、（79.84±0.54）%和（74.96±1.66）%。处理35 d时，TN质量浓度由24.49～31.54 mg/L降为0.40～7.90 mg/L，且水葱和黄菖蒲在高浓度尾水中对TN去除效果更好，而香蒲在低浓度尾水中去除率更高。黄菖蒲对尾水中TN有更好的净化效果，在两种浓度尾水中去除率均达到98%以上，试验结束时，水体中TN浓度为0.40～0.47 mg/L，显著低于其他处理组（Plt;0.05），符合GB 3838—2002中Ⅱ类水标准限值要求。

3）对尾水中TP的去除效果。3种植物均能够有效去除水体中的TP（图1e、1f），处理6 d，各植物处理组与空白组表现出显著差异（Plt;0.05）。其中，磷浓度较低时，香蒲在试验初期对TP的去除率较高，15 d后去除效率逐渐减慢，处理25 d后，水体中的TP浓度有小幅上升；水葱和黄菖蒲在前10 d对TP去除效率较高，10 d后，去除效率有所降低并趋于稳定，黄菖蒲处理组水体中TP浓度在25 d后也有所升高。磷浓度较高时，3种植物在前10 d去除效率较高，水葱在10～20 d去除效率降低，香蒲在30 d时去除效率降低，黄菖蒲在20 d时去除效率显著降低并趋于平缓。处理35 d，3种植物在低浓度尾水中对TP的去除效果表现为黄菖蒲gt;水葱gt;香蒲，去除率分别为（89.12±0.80）%、（78.71±3.80）%、（76.34±3.58）%；在高浓度尾水中对TP的去除效果表现为黄菖蒲gt;香蒲gt;水葱，去除率分别为（98.54±3.22）%、（97.96±1.70）%、（70.89±0.73）%；尾水中TP质量浓度由2.11～3.43 mg/L降为0.05～1.00 mg/L。水葱在低浓度尾水中对TP去除率更高，香蒲和黄菖蒲在高浓度尾水中去除率更高，试验结束时，TP质量浓度为0.05～0.07 mg/L，符合GB 3838—2002中Ⅱ类水标准限值要求。

2.2 尾水对水生植物生理的影响

1）水生植物抗氧化酶活性的变化（图2）。从图2可见，水葱和黄菖蒲在尾水中POD活性显著升高，且在高浓度尾水中显著高于低浓度尾水（Plt;0.05），香蒲在尾水中POD活性显著下降，且在2种浓度尾水中无明显差异。在低浓度尾水中3种植物POD活性表现为香蒲gt;黄菖蒲gt;水葱，在高浓度尾水中3种植物POD活性表现为黄菖蒲gt;香蒲gt;水葱。

水葱和香蒲在尾水中的CAT活性高于自来水对照，水葱CAT活性表现为低浓度尾水gt;高浓度尾水，香蒲CAT活性则表现为高浓度尾水gt;低浓度尾水；黄菖蒲CAT活性在低浓度尾水中显著升高（Plt;0.05），在高浓度尾水中与对照无明显差异（Pgt;0.05）。在低浓度尾水中的CAT活性表现为水葱gt;香蒲gt;黄菖蒲；在高浓度尾水中，3种植物CAT活性表现为香蒲gt;水葱gt;黄菖蒲。

2）水生植物相对电导率和叶绿素含量的变化。3种植物在尾水中相对电导率变化趋势不同（图3）。水葱在尾水中相对电导率与自来水对照无显著差异（Pgt;0.05）；香蒲在尾水中相对电导率显著低于对照（Plt;0.05），黄菖蒲在尾水中相对电导率显著高于对照（Plt;0.05），香蒲和黄菖蒲相对电导率在两种浓度尾水中均无明显差异（Pgt;0.05）。在两种浓度尾水中，3种植物相对电导率均表现为黄菖蒲gt;水葱gt;香蒲。

在尾水中3种植物叶绿素含量均显著低于自来水对照（Plt;0.05），且表现为低浓度尾水gt;高浓度尾水。水葱在两种浓度尾水中叶绿素含量无显著差异（Pgt;0.05），香蒲和黄菖蒲叶绿素含量在高浓度尾水中显著下降（Plt;0.05）。3种植物叶绿素含量在低浓度尾水中表现为黄菖蒲gt;香蒲gt;水葱，在高浓度尾水中表现为黄菖蒲gt;水葱gt;香蒲。

3）水生植物叶片光合参数的变化。水葱、香蒲的净光合速率（Pn）和蒸腾速率（Tr）基本表现为低浓度尾水gt;自来水对照gt;高浓度尾水，除水葱在高浓度尾水中Pn值显著下降（Plt;0.05），其他处理组与对照无显著差异（Pgt;0.05）。水葱胞间CO2浓度（Ci）在低浓度尾水中显著下降，气孔导度（Gs）在高浓度尾水中显著降低；香蒲Ci和Gs值均在高浓度尾水中显著下降（Plt;0.05）。黄菖蒲在尾水中的光合参数与对照无显著差异（Pgt;0.05），Ci和Tr值均表现为高浓度尾水显著大于低浓度尾水（Plt;0.05）。3种植物光合参数在低浓度尾水中均表现为水葱gt;香蒲gt;黄菖蒲，在高浓度尾水中则表现为水葱gt;黄菖蒲gt;香蒲（图4）。

水葱气孔限制值（Ls）在低浓度尾水中显著高于自来水对照（Plt;0.05），而在高浓度尾水中与对照无显著差异；香蒲和黄菖蒲Ls在低浓度尾水中与对照无显著差异，香蒲Ls在高浓度尾水中显著升高（Plt;0.05），而黄菖蒲Ls在高浓度尾水中显著下降（Plt;0.05）。在低浓度尾水中3种植物Ls表现为黄菖蒲gt;香蒲gt;水葱，在高浓度尾水中则表现为香蒲gt;黄菖蒲gt;水葱。

3 讨 论

本研究3种植物对2种浓度尾水的净化效果显著。其中，黄菖蒲对TN和TP的去除在第20天时已有良好效果，处理35 d，黄菖蒲组各污染物浓度已基本满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅱ类水中标准限值要求。研究表明：植物对水中COD的去除主要通过植物根系微生物的活动来完成，这受水体温度、水中微生物种类等因素影响[21]。3种植物在研究期间均出现去除效率下降的情况，这可能与夏季高温会导致微生物作用减弱，从而影响COD降解有关[22]。试验前期，植物对氮磷去除效率较高：一方面，植物可以利用其根际微生物作用去除水体中氮[23]；另一方面，植物生长发育也需要吸收氮磷元素。此外，研究还发现水体中可溶性磷酸盐会随水中颗粒沉积吸附在塑料桶底部[24]，亦导致水体中TP浓度快速下降。3种植物对TN的去除率在（74.96±1.66）%～（98.73±2.35）%，这与褚润等[25]的研究结果相似。3种植物对COD去除速率无显著差异，黄菖蒲对TN和TP的去除速率显著高于水葱和香蒲（Plt;0.05）。试验后期，水体中TP浓度有所上升，可能是沉积吸附在塑料桶底部的磷酸盐逐渐释出，或是植物生长代谢物导致[26-27]。

水葱和黄菖蒲抗氧化酶活性在尾水中显著提高，说明植物通过调节体内自身酶机制以响应胁迫，POD和CAT均是植物系统保护酶，可以催化底物，将有毒害作用的H2O2转化为H2O和O2[28]。香蒲在尾水中POD活性显著降低，说明香蒲体内POD对尾水胁迫较敏感，在低浓度尾水中即失去其调节功能，植物可能协同其他抗氧化保护机制抵御尾水胁迫[29]。

香蒲和黄菖蒲在尾水中相对电导率变化显著（Plt;0.05），表明尾水对植物细胞质膜的透性造成伤害，细胞质膜透性变大，使细胞内的盐及有机物渗透到周围介质，导致黄菖蒲电导率显著上升（Plt;0.05），而细胞质外渗过多则导致香蒲电导率显著降低（Plt;0.05）。虽然水葱在尾水中相对电导率与对照无显著差异（Pgt;0.05），但3种植物叶绿素含量均有下降，这与黄雪方等[30]的研究结果相似。植物在受到尾水胁迫时活性氧增加，生成三线态叶绿素与O2反应生成对植物有害的单线氧（1O2），导致植物体内叶绿素含量减少[31-32]。叶绿素是植物完成光合作用的主要色素，影响光合作用水平[33]，水葱在高浓度尾水中Pn与Gs值显著下降（Plt;0.05），很可能与植物叶绿素含量降低有关，也表明水葱对尾水胁迫更敏感，赵湘江等[34]的研究中也得到类似结论。香蒲和黄菖蒲在尾水中的Pn和Tr值均与对照无显著差异，说明这两种植物在尾水中适应较好。此外，植物光合作用降低的因素包括气孔限制与非气孔限制[35]。研究发现水葱Pn、Gs和Ci值在高浓度尾水中变化趋势不一致，结合Ls变化，可得出水葱光合作用下降受非气孔因素限制；在非气孔因素限制中，除了受叶绿素含量影响，植物体内H2O2和自由基累积也会造成植物光合作用下降[36]。

总体来看，本研究中3种水生植物对污水厂尾水均有较好的净化效果。水葱在低浓度尾水中对TP的去除效果更好，在高浓度尾水中对COD和TN的去除效果更好；香蒲表现与水葱相反，在低浓度尾水中对COD和TN去除率高，在高浓度尾水中对TP去除率高，黄菖蒲则更适用于高浓度尾水净化，对COD、TN和TP的去除率可达87%以上。而在尾水胁迫下，植物生理代谢受到影响，抗氧化酶系统可对植物起到一定程度的保护作用，但3种植物叶绿素含量均呈下降趋势，在高浓度尾水中水葱净光合速率下降。综合考虑植物净化尾水效果及其生理特性变化，在实际应用中，可考虑将水葱和香蒲搭配种植用于低浓度尾水净化，黄菖蒲则可作为净化高浓度尾水的最优选择。

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（责任编辑 郑琰燚）

基金项目：江苏省林业科技创新项目（LYKJ[2022]02）；江苏省自然资源发展专项资金项目（JSZRHYKJ202112）。

第一作者：夏桐桐（1972888423@qq.com）。

*通信作者：吴永波（yongbowu0920@163.com），副教授。

引文格式：夏桐桐，吴永波，蒲可逸，等.3种水生植物对尾水的净化效果及生理特征变化[J]. 南京林业大学学报（自然科学版），2024，48（5）：221-227.

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