劉旻慧,秦紅杰,張志勇,張迎穎,王 巖,聞學政,劉海琴,宋 偉,嚴少華

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不同污染負荷下浮水植物對水體營養(yǎng)鹽的去除及生理響應

劉旻慧,秦紅杰*,張志勇,張迎穎,王 巖,聞學政,劉海琴,宋 偉,嚴少華

(江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇南京 210014)

為了闡明在不同污染負荷下,水生植物對水體氮、磷、鉀等營養(yǎng)鹽的削減效果及不同營養(yǎng)水平下的生理響應,選用水質凈化力強的漂浮植物水浮蓮和水葫蘆,探討其對污水處理廠一級A達標排放尾水中氮、磷、鉀的去除效果及此過程中水生植物的生理生態(tài)學變化.結果表明,尾水經過總長80m的水浮蓮和水葫蘆組合配置的凈化塘后,水體TN、TP、TK分別由初始的11.97,1.69,8.10mg/L削減至5.23,1.10,4.73mg/L.隨著水體營養(yǎng)鹽濃度的逐漸降低,水浮蓮和水葫蘆根冠比均有顯著增加,水浮蓮莖葉葉綠素a含量明顯降低,葉片微黃,而水葫蘆葉綠素a含量變化不大.2種漂浮植物根系中與氮、磷、鉀等營養(yǎng)鹽相關的硝酸還原酶(NR)、Na+-K+ATP酶、H+-K+ATP酶均與水體氮、磷、鉀濃度負相關,當環(huán)境中濃度營養(yǎng)鹽濃度較低時,水生植物可通過提高根系中相關酶活性,滿足自己對營養(yǎng)的高效吸收與利用.而水浮蓮根系的堿性磷酸酶(AKP)活力與水體氮、磷、鉀濃度呈正相關.其中水葫蘆根系的Na+-K+ATP酶和H+-K+ATP酶相比于初始值分別提高了88.92%和103.20%.

水浮蓮；水葫蘆；污水處理；水體修復；酶活性

太湖流域農村生活污水氮磷總排放系數高達6.6kg(a·人)[1],氮磷等污染物的大量流入是造成太湖富營養(yǎng)化的主要原因,污水處理廠的建立與運行則有效地改善了水污染的現狀.尤其是2007年太湖藍藻暴發(fā)以后,江蘇省政府對太湖流域已有的污水處理廠進行了改造,將排放標準[2]從一級B提升至一級A.盡管如此,污水處理廠一級A排放的尾水中的TN和TP濃度仍然為地表Ⅴ類水質的7.5倍和2.5倍.

在富營養(yǎng)化治理技術方法中,植物修復技術因其太陽能驅動、環(huán)境友好、成本低廉、可恢復水體自凈能力等優(yōu)點,已逐漸成為一種重要的生態(tài)治理手段[3-4].用于生態(tài)修復的水生植物需滿足生長快速、生物量大、營養(yǎng)物質富集能力強等特點[5],且根系的長度對其凈化水體的深度有重要影響[6].此外,依靠單一水生植物很難取得理想的生態(tài)治理效果[7].因而,不同水生植物間的組合與配置已成為更具應用價值的水體修復模式[8].

水浮蓮(L.)為天南星科大薸屬的一種多年生漂浮水生草本植物天南星科大薸屬;水葫蘆(),為雨久花科水葫蘆屬,均為多年生漂浮性草本植物.由于它們根系發(fā)達、繁殖速度快、對水體的N、P、K等營養(yǎng)物質吸收迅速,因此在水體凈化和生態(tài)環(huán)境保護方面得到廣泛應用[9-12].本研究團隊長期致力于采用水葫蘆和水浮蓮等水生植物修復富營養(yǎng)化湖泊、污染河道等水體的生態(tài)修復工程與技術研究,形成了浮水植物“安全控養(yǎng)-收獲處置-資源化利用”的工程和技術體系.然而,以往的報道多是單獨研究2種水生植物的水體凈化效果,缺乏其組合模式下水質凈化效果研究,同時對不同氮磷濃度下水生植物的脫氮除磷效果及其相關機理機制缺乏研究.基于此,本文選用水浮蓮-水葫蘆組合模式,開展其對城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度脫氮除磷效果及不同氮磷濃度下水生植物的生理適應策略的研究,為污水處理廠尾水安全排放提供理論支撐和實踐參考.

1 材料與方法

1.1 水生植物

實驗所用水浮蓮和水葫蘆均為江蘇省農科院溫室內正常越冬的苗種.生長至5月達到實驗材料要求后,用于在凈化塘內開展實驗.水浮蓮與水葫蘆的初始投放量均為0.6kg/m2.

1.2 凈化塘概況與樣品采集

如圖1所示,凈化塘位于南京市東壩鎮(zhèn)污水處理廠旁邊(31°17'28.0"N,119°02'29.3"E).凈化塘長105m,寬25m,平均水深0.5m,一端設置進水口,另一端設置出水口,日處理水量635m3,水力停留時間2.07d.水葫蘆和水浮蓮交替控養(yǎng),每個控養(yǎng)單元寬20m,不同控養(yǎng)單元間隔5m.每塊控養(yǎng)單元外圍固定有尼龍網片,以防植物逃逸,進水NH4+,NO3-,NO2-,TN,PO43-,TP,CODMn分別為0.51, 11.49,0.02,12.41,0.47,1.84,4.97mg/L.

凈化塘穩(wěn)定運行6周后(2016年9月底),采集樣品進行分析.水樣采集設10個樣點,分別為T1~T10(圖1),共分為5組,分別命名為蓮進1(T1和T2)、蓮出1(T3和T4)、葫出1(T5和T6)、蓮出2(T7和T8)和葫出2(T9和T10).用聚乙烯瓶采集水樣500mL,帶回實驗室,在24h以內完成分析.水生植物采樣點共16個,采樣點分別為L1~L16(圖1),分別簡稱為蓮進1(L1和L2)、蓮出1(L3和L4)、葫進1(L5和L6)、葫出1(L7和L8)、蓮進2(L9和L10)、蓮出2(L11和L12)、葫進2(L13和L14)、葫出2(L15和L16) ,每樣點采集植物2株,用于后續(xù)分析.現場測定植物莖葉和根系的長度和重量,然后將莖葉和根帶回實驗室后,用蒸餾水沖洗干凈,放入烘箱105℃殺青30min,于65℃烘干至恒重,用萬能粉碎機粉碎后過60目網篩,用于植物氮、磷、鉀含量的測定.

圖1 凈化塘樣點分布示意

1.3 分析方法

1.3.1 水體理化指標測定 水體氨氮(NH4+- N)、硝氮(NO3--N)、亞硝氮(NO2--N)、可溶性正磷酸鹽(PO43-)、總氮(TN)及總磷(TP)濃度用流動分析儀(Auto-Analyzer 3Application)測定;水體總鉀(TK)濃度用火焰光度計測定(FP6410,上海欣益儀器有限公司);高錳酸鉀指數(CODMn)參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》方法測定[13].

1.3.2 水生植物理化指標測定 水生植物SPAD值用SPAD儀(SPAD-502Plus,日本)測定,葉綠素a濃度使用95%乙醇提取后測定[14].

水生植物氮磷鉀含量的測定:植物氮磷鉀的提取采用硫酸-雙氧水消解法,其中氮含量用凱氏滴定法測定,磷含量用鉬銻抗比色法[15],鉀含量用火焰光度法.

植物總可溶性蛋白含量和硝酸還原酶(NR)活性測定:植物總可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染料結合法測定,NR活性采用離體法[16].

植物根系ATP酶活性和堿性磷酸酶(AKP)活性的測定:植物Na+-K+-ATP酶活性、H+-K+-ATP酶活性及堿性磷酸酶(AKP)活性用南京建成生物工程研究所生產的ATP酶、AKP酶試劑盒測定.

1.4 數據處理

所有數據均以平均數±標準方差的形式表示,所有圖采用Origin Version 7.5(OriginLab公司,美國)繪制,水體氮磷鉀濃度與水生植物形態(tài)及生理指標間的相關分析采用SPSS 16.0 (Chicago, IL, USA)中的pearson進行相關分析.

2 結果與分析

2.1 各形態(tài)氮磷鉀濃度及CODMn的變化

如圖2(a),凈化塘各處NH4+-N濃度變化不大,維持在0.50mg/L左右.NO2--N濃度0.08mg/ L~0.19mg/L,蓮出1處達到最大值0.19mg/L,兩端最低為0.08mg/L.在采樣點蓮進1處,NO3--N的濃度為11.13mg/L,經水浮蓮-水葫蘆的組合模式凈化后,NO3--N的濃度降至4.50mg/L.PO43-的初始濃度為0.47mg/L,在葫出2處其濃度為0.24mg/L,下降了49.20%.

圖3 不同位點水體CODMn濃度變化

如圖2(b)所示,污水處理廠尾水經水浮蓮1凈化后,其TN和TK的濃度變化不大,分別下降14.57%和1.23%,在后續(xù)的3個凈化模塊中,其濃度下降明顯,分別下降至5.23,4.73mg/L.而水體TP濃度起初下降較快,但在葫出1處至葫出2處逐漸趨于平緩,降至1.10mg/L.

如圖3所示,在蓮出1處,水體CODMn濃度變化不明顯,但在凈化塘后端CODMn濃度有顯著下降.葫出2處水體的CODMn濃度為3.64mg/L,較凈化塘起始端下降了21.28%.

2.2 水生植物形態(tài)特征

如表1所示,水葫蘆的SPAD值(約50)顯著高于水浮蓮(約30).水浮蓮1區(qū)域內,植物在進出水口處的葉綠素a維持在0.65μg/g左右,而在采樣點蓮出2處,植物體內的葉綠素a下降至0.60μg/g.兩處水葫蘆的葉綠素a含量變化不大,均在0.68μg/g左右.

表1 凈化塘內水生植物的形態(tài)及生理特征

如表1所示,水浮蓮的根冠比(根長/莖長)大于水葫蘆,最大在蓮出2處,可達3.07.從鮮重的根冠比來看,水生植物沿水流方向其根冠比顯著遞增,也在蓮出2處達到最大值0.65.

2.3 植株氮、磷、鉀含量變化

如表2所示,隨著水體中總氮濃度由11.97mg/L下降至5.23mg/L,植物體內的氮含量也隨之降低.水浮蓮體內的氮含量維持在2%以上,水葫蘆的根及水葫蘆2區(qū)域的莖葉氮含量在2%以下.水浮蓮的磷、鉀含量顯著高于水葫蘆(<0.05),最高分別達到0.45%和6.77%.

表2 水生植物體內氮磷鉀含量變化 (%干重)

2.4 根系NR、Na+-K+ATP酶、H+-K+ATP酶和AKP活力變化

如圖4所示,水葫蘆根系NR活性高于水浮蓮,兩種浮水植物根系NR活性隨著水流方向逐漸升高,其中水葫蘆根系NR活性升高更為明顯,從起始的1.25μg/(mg pro·h)升高到了1.74μg/(mg pro·h)(圖4a).

水浮蓮根系AKP活力在蓮出1處顯著升高,隨后在蓮進2處急劇下降,至蓮出2處恢復至起始水平(圖4b).水葫蘆根系AKP活力沿著水流和采樣點方向逐漸升高,在葫出2處達到最大值為35.98金氏單位/gpro,相比于葫進1升高了88.04%.

水浮蓮根系Na+-K+ATP酶活力從16.59U/ mgpro升高至46.45U/mgpro,活力升高了1.80倍.水葫蘆根系Na+-K+ATP酶從33.39U/mgpro升高至63.08U/mgpro,升高了88.92%(圖4c).植物根系的H+-K+ATP酶活力變化趨勢與Na+-K+ATP酶活力變化趨勢相似,其中,水葫蘆根系H+-K+ATP酶活力上升更為顯著,從10.42μmlPi/(mgpro×h)升高至21.17μmlPi/(mgpro×h)(圖4d).

圖4 植物根系中NR、AKP酶、Na+-K+ATP酶、H+-K+ATP酶活力變化

2.5 水體氮磷鉀與植物形態(tài)及生理特征相關性

從表3可以看出,水浮蓮和水葫蘆的根冠比均與水體TN、TP、TK濃度有較強的負相關,相關系數均在0.80以上.植物全氮、全磷、全鉀、可溶性蛋白含量與水體氮磷鉀濃度正相關,與可溶性蛋白相關性最好,除了水葫蘆組水體TN、TP與可溶性蛋白相關系數不顯著以外,其他水體氮磷鉀與兩種水生植物的可溶性蛋白均顯著正相關,且相關系數在0.95以上.水浮蓮和水葫蘆根系NR、Na+-K+ATP酶活力和H+-K+ATP酶活力均與水體TN、TP、TK濃度負相關,其中水葫蘆組相關性更強.水浮蓮AKP活力與水體TN、TP、TK濃度正相關,但相關性不顯著(>0.05),而水葫蘆AKP活力與水體TN、TP、TK濃度負相關,且與水體TK相關性極顯著(<0.01).

表3 水體氮磷鉀與植物形態(tài)及生理指標相關性

注:** 表示P值在0.01水平上極顯著相關(雙尾檢測);* 表示P值在0.05水平上顯著相關(雙尾檢測).

3 討論

3.1 浮水植物水質凈化效果

浮水植物水浮蓮和水葫蘆因可高效去除水體氮磷等污染物而被應用于水體植被修復[10].李猛等[18]研究了水浮蓮對3種富營養(yǎng)化水體(TN:2.45~9.41mg/L,TP:0.44~1.53mg/L)的凈化效果,結果表明水浮蓮對不同氮磷濃度水體中N、P去除量分別為69.2~318.6mg和15.6~66.0mg,去除量隨水體氮磷濃度的升高而逐漸升高.本課題組前期研究結果表明,選用去除氮磷等污染物效果好的浮水植物水浮蓮和水葫蘆時,并采用組合模式,對受到生活污水污染的開放性池塘的水質凈化效果更好[5].本研究水體為生活污水處理廠尾水,其達到一級A排放標準.經過水浮蓮和水葫蘆間斷式控養(yǎng)后,水體NPK等主要營養(yǎng)元素均有顯著降低,削減率分別達56.30%,34.91%和41.60%.浮水植物對水體氮素的去除途徑除了植物吸收外,還可增強水體硝化反硝化作用,進而增強水體氮素削減效果[8,18];對于磷素來說,其去除途徑主要有植物吸收、根系吸附和物理沉淀[19];而相對穩(wěn)定的鉀元素的去除途徑與磷素相似,主要包括植物吸收、物理吸附和沉淀.污水處理廠對污水前處理選用了絮凝沉淀等化學凈化手段后,水體大多顆粒態(tài)營養(yǎng)物在污水廠內就被去除,所以尾水中磷鉀的去除主要是植物吸收作用,而氮素除了植物吸收外,硝化反硝化作用也有較多的貢獻.此外,水葫蘆對水體氮素的吸收作用大于水浮蓮,對水體磷素的吸收作用小于水浮蓮[5],推測在本研究的2種浮水植物組合凈化系統(tǒng)中,水葫蘆對尾水氮素去除的貢獻高于水浮蓮,而對水體磷素的去除不及水浮蓮.

3.2 不同營養(yǎng)負荷下浮水植物形態(tài)特征

隨著水流方向,經過各植物處理單元后,水體營養(yǎng)濃度逐漸降低,植物為了應對水體營養(yǎng)鹽的變化,其形態(tài)及其生理特征也發(fā)生了明顯變化.在本實驗中,水葫蘆的SPAD及Chl a含量均高于水浮蓮,水葫蘆葉片呈深綠色,水浮蓮葉片呈淺綠色.且在凈化塘末端,由于水體中的氮、磷濃度低,水浮蓮植物葉片發(fā)黃,水域的景觀效果有所下降,這與秦紅杰等[8]研究結果相似,即水浮蓮生長對水體氮、磷等營養(yǎng)鹽需求較水葫蘆偏高.因此,水葫蘆比水浮蓮更適宜用于污水的深度凈化處理.為了適應環(huán)境中氮、磷等營養(yǎng)物質濃度逐漸降低的變化,水浮蓮和水葫蘆根冠比不斷增加,從而提高植物對營養(yǎng)物質的吸收能力,這與Xie等[20]的研究結果相似.秦紅杰等[8]報道,在低氮、磷濃度的污水中,水浮蓮比水葫蘆根冠比增加更顯著.本研究也有相似的結果,在氮、磷、鉀濃度較低的凈化塘末端,水浮蓮根冠比增加效果明顯高于水葫蘆.

3.3 不同營養(yǎng)負荷下浮水植物生理生態(tài)特征

水生植物對水體氮、磷、鉀的吸收與富集是去除的主要途徑之一,而對于水浮蓮和水葫蘆這樣高效富集營養(yǎng)鹽的水生植物來說,植物吸收與富集在其水體凈化過程中的作用更為重要.氮素是植物體生長所需的大量元素,其中NH4+-N為水生植物主要吸收的氮源之一[21],且當環(huán)境中存在多種形態(tài)氮素時,大多數水生植物優(yōu)先選擇吸收NH4+-N[22].然而污水處理廠尾水中的氮素多是以NO3--N的形式存在的.硝酸還原酶(NR)在NO3-轉化為NH4+的過程中起到關鍵的作用[23],故水生植物根系NR的活力高低與其吸收水體氮素的形態(tài)直接相關.NR對環(huán)境條件十分敏感,光照、N源及溫度等均會影響其活性[24 25]. 在本研究中,隨著水流方向,水體中TN,尤其是NO3-濃度逐漸降低,然而水生植物根系NR卻不斷升高.由于植物的大量吸收,水體NO3-濃度逐漸降低,進而刺激植物根系中NR活性,在酶的作用下將NO3-轉化為植物更易吸收利用的NH4+-N.也有報道認為NH4+比例增加NR活性下降[26],因此,NR活性變化在一定程度上能夠反映水體中氮的賦存形態(tài)及濃度變化.

堿性磷酸酶(AKP)是專一水解磷酸單酯的誘導酶類,存在底物誘導和產物抑制的雙重機制[27].當環(huán)境中生物可直接吸收利用的磷源缺乏時,海藻可以產生堿性磷酸酶,因此,堿性磷酸酶活性升高可作為環(huán)境磷營養(yǎng)缺乏的指示參數[28].本研究中,水體中的TP,尤其是植物可直接利用的PO43-濃度,自水流方向逐漸下降,促進了水葫蘆根系AKP活性升高,通過提高自身AKP酶活力來催化相應的水解反應,進而滿足植物對磷素的需求.而水浮蓮根系AKP活力與水體營養(yǎng)鹽濃度呈正相關,表明水浮蓮對水體磷素的利用能力更強,尤其是在磷濃度較高的水體中,植株仍可高效富集磷素.這與秦紅杰等[5,8]研究結果相似,與水葫蘆相比水浮蓮對水體磷素的去除效果顯著.

Na+-K+ATP酶是鑲嵌在細胞膜磷脂雙分子層之間的一種載體蛋白,也被稱之為鈉鉀泵.在通常情況下,細胞內液鈉濃度低,鉀濃度高,細胞外液鈉濃度高,鉀濃度低[29].本研究中,實驗水體中的TK濃度隨水流方向降低,為了維持細胞內外液的平衡,植物根系細胞的Na+-K+ATP酶活性增大,將外界更多的K+輸送到細胞內.

H+-K+ATP酶屬于H+-ATP酶的一種,在植物液泡中,液泡膜H+-ATPase是液泡膜上形成跨膜質子電化學梯度的主要酶,在維持細胞內的離子平衡和鹽分的區(qū)域化分配中起重要作用[30].此外,植物細胞內的液泡膜H+-ATP酶在磷缺乏的情況下能參與液泡對胞質Pi穩(wěn)態(tài)的調節(jié)機制.單樹花等[31]研究表明,磷饑餓提高了番茄幼苗根部液泡膜H+-ATP酶活性.本研究中,水體中的TP濃度較低,此時植物根系中的H+-K+ATP酶活性較高,這表明在面對磷脅迫時,植物通過提高質膜和液泡膜H+-ATP酶的活性來調節(jié)液泡中Pi向胞質中跨膜轉運[32],進而維持胞質內磷的正常含量.

研究表明,對于受城市生活污水污染的開放池塘,水葫蘆和水浮蓮組合模式對水質凈化效果較選用一種浮水植物更佳[8].本研究選用水浮蓮和水葫蘆組合模式,在浮水植物水面覆蓋度達到76%時,對污水處理廠尾水中TN削減率達2.14g(m2·d),與前期選用單一水葫蘆且100%覆蓋凈化塘時,對水體主要營養(yǎng)物質削減率無顯著差異.然而,從后期打撈等工程量考慮,選用水浮蓮和水葫蘆組合的間歇種養(yǎng)模式,將更具有應用價值.水浮蓮和水葫蘆在去除水體氮磷的同時,可啟動相應的酶學機制,維持其在低濃度氮磷等環(huán)境下的生理狀態(tài),滿足其快速吸收營養(yǎng)鹽的生理需求.因此,在今后的水生態(tài)工程修復實踐中,可考慮將水浮蓮和水葫蘆組合起來凈化水質,既能去除氮磷等營養(yǎng)鹽,也能增加水域的美學效果.

4 結論

4.1 浮水植物水浮蓮和水葫蘆對污水處理廠尾水中的N、P、K有顯著削減效果,削減率分別達56.29%、34.61%和41.56%.

4.2 水浮蓮對水體中營養(yǎng)鹽濃度要求較水葫蘆偏高,在水體氮、磷等濃度偏低水體葉綠素a含量降低,葉片微黃,水葫蘆更適宜用于污水的深度凈化.

4.3 水體氮、磷、鉀等營養(yǎng)鹽濃度的變化,可顯著影響水浮蓮和水葫蘆的形態(tài)、生理及生化特征.其中根冠比、NR、Na+-K+ATP酶和H+-K+ATP酶活力均與水體氮、磷、鉀等營養(yǎng)鹽濃度負相關,即植物在低濃度營養(yǎng)鹽下,可通過提高相關酶活性,達到自己對營養(yǎng)的高效吸收利用效果,這是浮水植物應對水體營養(yǎng)變化的主要策略.

4.4 水浮蓮AKP酶活力與水體NPK濃度正相關,對污水中磷素的去除效果較水葫蘆更佳.

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Nutrient removal and physiological response of floating macrophytes in different pollution loading waters.

LIU Hao-hui, QIN Hong-jie*, ZHANG Zhi-yong, WANG Yan, WEN Xue-zheng, LIU Hai-qin, SONG Wei, YAN Shao-hua

(Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)., 2017,37(11)：4304~4311

In order to illustrate nutrient removal and physiological response of aquatic macrophytes under different pollution loads, water lettuce and water hyacinth were selected to study on their water purification characteristics, physiological and biochemical response to tailrace of sewage. TN, TP and TK concentrations reduced from 11.97, 1.69, 8.10mg/L to 5.23, 1.10, 4.73mg/L when the sewage run through the purification pond cultured with water lettuce and water hyacinth alternately. With nutrient concentration decreasing in sewage, leaves turn yellow, chlorophyll a content in stems and leaves of water lettuce decreased significantly, while no significant changes on chlorophyll a content of water hyacinth were found. A significant negative correlation existed between NPK concentration in sewage and nitrate reductase, Na+-K+ATPase, H+-K+ATPase in roots of macrophytes. The enzyme activity of aquatic plants may be improved to meet with their efficient nutrition absorption when nutrient concentration is low in the environment. While AKP in water lettuce roots appeared positive correlation with NPK concentration in sewage. Compared with the beginning, Na+-K+ATPase and H+-K+ATPase of water hyacinth increased by 88.92% and 103.20%, respectively.

water lettuce；water hyacinth；wastewater treatment；water restoration；enzyme activity

X52

A

1000-6923(2017)11-4304-08

劉旻慧(1991-),女,浙江臺州人,實習研究員,碩士,主要從事水生態(tài)系統(tǒng)修復理論與技術方面的研究.發(fā)表論文7篇.

2017-05-08

國家自然科學基金項目(41501545);江蘇省自然科學基金項目(BK20150549);農業(yè)部農業(yè)環(huán)境重點實驗室開放基金研究課題(KLAE201602)

* 責任作者, 副研究員, hongjieqin111@126.com