張云瀟，徐佳敏，盧少勇*，李鋒民，張亞茹，王永強，3，劉曉暉，4

（1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，近海環(huán)境污染控制研究所，山東 青島 266100；2.湖泊水污染治理與生態(tài)修復技術國家工程實驗室，國家環(huán)境保護洞庭湖科學觀測研究站，國家環(huán)境保護湖泊污染控制重點實驗室，湖泊生態(tài)環(huán)境研究所，中國環(huán)境科學研究院，北京 100012；3.哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院，哈爾濱 150090；4.清華大學環(huán)境學院，北京 100084）

近年來，水體污染已經成為我國主要環(huán)境問題之一，外源（工業(yè)廢水、生活污水、低污染水）是主要貢獻者。低污染水是指水中氮磷和COD（化學需氧量）濃度達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B 排放標準，但不符合《地表水環(huán)境質量標準》Ⅴ類標準的水體，主要包括城鎮(zhèn)污水廠出水、污染河水、雨水徑流、農業(yè)徑流等。工業(yè)廢水、生活污水等得到了相對有效管控，而農業(yè)徑流、污水處理廠達標排放出水等低污染水量大面廣，尚未得到有效控制，其直排會加重河湖水體污染，因此為了降低進入河湖的氮磷負荷，需對低污染水進行凈化。

濕地水生植物可通過直接吸收來去除水體中的污染物。XIA 等[1]發(fā)現鳳眼蓮吸收馬拉硫磷后轉移至莖葉，并在體內降解，馬拉硫磷去除率提高了1.6 倍。宋英偉等[2]的研究結果表明濕地中植物對污染物去除發(fā)揮了重要作用，種植植物后濕地TN（總氮）、TP（總磷）去除率分別提高了13.6%和19.5%。植物在生長中分泌的有機物是濕地中主要內在碳源，利于反硝化作用[3]，對濕地凈化低污染水非常重要。此外，溫度、光照強度等環(huán)境因素對濕地植物的影響不容忽視[4-5]，一天內不同時段的植物與微生物生理活性不同，這種情況下，污染物去除效果的動態(tài)變化值得探究，但實際上此方面研究較少。

風車草（Cyperus alternifoliusL.）是濕地中常見的挺水植物，其根系發(fā)達，葉片蒸騰作用強，具有很強的污染物吸收富集能力，能促進微生物對污染物的生物降解，在污水處理方面具良好應用前景，被廣泛用于垃圾滲濾液、市政污水處理。孫磊等[6]研究了4 組復合濕地對低TN 濃度污水的凈化效果，結果表明，TN、TP 去除率最高的濕地是種植風車草的潛流濕地，去除率分別為62.78%、41.89%，而種植梭魚草的濕地對TN、TP 的去除率為44.31%、30.89%，該研究通過分析微生物群落關系，發(fā)現風車草的種植改善了微生物多樣性和豐度，增加了系統中不動桿菌屬、假單胞菌屬、芽孢桿菌屬的豐度，利于脫氮除磷。而植物的去污能力常受多種環(huán)境因素影響，其中溫度是一項重要因素，其不僅影響植物生長發(fā)育，且低溫環(huán)境還降低了植物根系泌氧速率，從而抑制植物對污染物的去除[7]。同時，植物在去除污染物時會分泌不同種類的溶解性有機質（DOM），影響微生物種群結構和生命活動，指示植物去污能力變化。有研究表明，腐植酸作為碳源可促進同步硝化反硝化過程，進而促進總氮的去除[8]，然而色氨酸則會加劇水體總氮的積累。目前對濕地植物短期凈化低污染水過程中DOM 變化規(guī)律的研究較少，DOM 對低污染水中氮磷去除的影響也有待研究。

本研究以風車草為試驗材料，通過不同溫度下風車草凈化低污染水中氮磷的短期動力學試驗，分析風車草對水中氮磷凈化的日動態(tài)變化及溫度對凈化過程的影響，探討了短期內系統中DOM 的變化，以期探明植物對低污染水中氮磷的短期去除能力及變化規(guī)律，為利用濕地植物凈化低污染水的實踐應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 模擬污水

試驗用水采用人工配水，參考文獻[9]中對低污染水的界定，本研究中水質指標濃度設置見表1。

1.2 試驗植物

試驗所選植物為風車草，莎草科、莎草屬，多年生草本植物，廣布于湖、河邊緣的沼澤中，其根系發(fā)達，具有很強的污染物吸收能力，以及較強的抗寒能力和較好的景觀作用。本試驗選擇生長良好、植株完整、性狀統一、株高約20～30 cm 的風車草，在室溫、模擬低污染水環(huán)境下培養(yǎng)至株高50 cm 后使用，后續(xù)試驗低溫組和常溫組所用植物鮮質量分別為（249.1±1.02）g和（250.6±0.89）g。

1.3 試驗設計及方法

試驗于2020 年7 月在中國環(huán)境科學研究院湖泊生態(tài)環(huán)境研究所開展，常溫組置于實驗室開放環(huán)境中，受到正常日光照射，低溫組置于低溫人工氣候室內，12 h 光照、12 h 黑暗，常溫組與低溫組均放置在獨立空間內，減少人為活動的干擾。試驗共設四組（圖1）：①常溫下（24～30 ℃）風車草組（N組）；②常溫下不添加植物的空白組（CKN 組）；③低溫（4～8 ℃）下風車草組（L組）；④低溫下不添加植物的空白組（CKL組）。將預培養(yǎng)的風車草根系泥土沖洗干凈后，未對根系做其他處理，按照試驗分組放置于試驗燒杯中。試驗重復3次，開始時分別將配好的模擬污水（5 L）同時加入4 組燒杯，全過程中不補水，風車草密度為50 株·m-2。取樣時間選擇0、2、4、8、16、24、30、44、48、52、70 h，水樣的TN、TP、NH3-N（氨氮）、-N（硝態(tài)氮）、-N（亞硝態(tài)氮）及理化指標的測定方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》[10]，水中DOM 含量通過三維熒光光譜儀（Hitachi F-7000）測定，植物的根系活力通過氯化三苯基四氮唑（TTC）法[11]測定。

圖1 實驗設計示意圖Figure 1 The experiment design

1.4 統計與分析

用一級反應動力學方程模擬氮、磷去除規(guī)律，即：

式中：t為反應時間，d；K為一階反應速率常數，d-1；C為t時刻測定的濃度，mg·L-1；C0為初始濃度，mg·L-1。根據公式（1），將所測指標濃度與初始濃度比值的自然對數與反應時間進行線性回歸，得到的降解方程的斜率的負值即為K值（一階反應速率常數）。

采用日變化率描述一天內污染物濃度變化：

式中：X表示日變化率；ΔC為一天內濃度極差，mg·L-1；Cmax為一天內濃度最大值，mg·L-1。

用Origin 9.1 分析數據和繪圖，SPSS 22.0 對數據進行單因素方差分析及Pearson 相關性分析，Matlab 2018a 的DOMFluor 工具箱中PARAFAC 模型分析DOM 三維熒光光譜，通過殘差分析和裂半分析確定DOM 組分，根據其最大熒光強度Fmax確定每個組分的相對含量。

2 結果與分析

2.1 氮磷降解動力學

研究發(fā)現，模擬濕地中對氮、磷的去除滿足一級反應動力學方程，張巖等[12]以7 種植物床分別構建潛流濕地，出水中氮、磷濃度與水力停留時間相關性顯著，氮、磷去除過程滿足一級動力學方程。本研究中，通過一級動力學方程，計算出一階反應速率常數K值（表2）以衡量不同溫度下風車草系統中污染物去除率，K值越大，去除率越高。由表2可知，N組對污染物的去除率均明顯高于L 組，表明溫度對低污染水體氮、磷的去除具有顯著影響（P＜0.01）。常溫下NO-3-N的K值是低溫組的25倍，常溫組TP的K值是低溫組的9倍。

表2 一階反應速率常數K值（d-1）Table 2 First order reaction rate constant K（d-1）

2.2 氮磷去除效果

2.2.1 總氮去除效果

TN 去除率結果見圖2。由圖2 可見，風車草對水中TN 的去除效果較好，N 組的平均去除率比CKN 組高25%，L 組的平均去除率比CKL 組高10%。而且溫度對TN 的去除效果影響顯著，N 組的TN 去除率隨時間漸增，70 h后去除率為82.87%，而L組TN 去除率低于N 組，去除率最高為62.9%，根據一級動力學方程算出N 組風車草對TN 的K值為0.449 3，而L 組的K值僅為0.158 1，說明低溫時TN去除率受到抑制。

圖2 TN去除率變化Figure 2 Variations of TN removal rates

2.2.2 總磷去除效果

TP 去除率結果見圖3。由圖3 可見，N 組TP 去除效果顯著，4 h后風車草對水中TP去除率隨時間推移漸增，由一級動力學方程求得K值為0.502 8，70 h時去除率72.40%，此時系統中TP濃度為0.5 mg·L-1，達一級A排放標準。而低溫環(huán)境下，風車草未能有效去除水中TP，可能是由于溫度抑制了根際微生物磷的礦化吸收。

圖3 TP去除率變化Figure 3 Variations of TP removal rates

風車草根系活力變化見圖4，試驗初期風車草根系活力為12.89 mg·g·h-1（以鮮質量計，下同），常溫下N 組根系活力于72 h 后升高到13.76 mg·g·h-1，而低溫下L 組根系活力隨時間推移顯著降低（P＜0.05），在72 h 時降至5.33 mg·g·h-1。植物根系是微生物活動的重要場所，同時根系分泌物會影響污染物的去除效果，根系活力、根部生長狀況的不同會導致污染物去除率的差異。有研究表明植物根部對低溫的反應比葉片敏感，在8 ℃下水稻根系活力隨處理時間延長而降低[13]。

圖4 風車草根系活力的變化Figure 4 Variations of root activity of Cyperus alternifolius L.

2.2.3 氨氮去除效果

氨氮去除率結果見圖5，N 組的氨氮去除集中在前16 h，氨氮濃度最低為0.5 mg·L-1，去除率94.85%。水體中氨氮主要通過植物吸收、硝化反應等過程去除，風車草自身的中空組織可以輸送氧氣至根系，根系釋放氧氣形成氧化層，利于硝化反應的進行[14]。而L組氨氮最大去除率為39.73%，可能是因為硝化菌對溫度較敏感，低溫下活性受到抑制。

圖5 氨氮去除率變化Figure 5 Variations of NH3-N removal rates

2.2.4 硝態(tài)氮去除效果

硝態(tài)氮去除率結果見圖6，N 組硝態(tài)氮去除率隨時間推移漸增，計算得出K值為0.620 4，在70 h 時N組硝態(tài)氮去除率達85.99%。硝態(tài)氮主要在反硝化菌作用下被去除，研究表明，植物根系通過泌氧使根際出現好氧、缺氧、厭氧區(qū)，利于硝化反硝化作用進行[15]。好氧區(qū)存在于植物根部附近小區(qū)域，其余環(huán)境為缺氧甚至厭氧區(qū)[16]，因此系統中非根際區(qū)域的缺氧利于硝態(tài)氮還原。

圖6 硝態(tài)氮去除率變化Figure 6 Variations of -N removal rates

2.2.5 亞硝態(tài)氮去除效果

亞硝態(tài)氮是氮循環(huán)的中間產物，來自硝化過程中氨氮氧化，之后在反硝化菌作用下被還原為氮氣。亞硝態(tài)氮濃度變化見圖7，0～16 h，常溫下風車草系統中出現亞硝態(tài)氮短暫累積，隨后濃度逐漸下降。結合N組氨氮濃度變化情況（前16 h 氨氮濃度降低較快，隨后氨氮濃度逐漸穩(wěn)定）可知，前16 h 系統中以硝化反應為主，氨氮被氧化為亞硝態(tài)氮，亞硝態(tài)氮在系統中出現短暫積累，之后一段時間內硝化反硝化逐漸達到平衡，亞硝態(tài)氮濃度降低。

圖7 亞硝態(tài)氮濃度變化Figure 7 Variations of -N concentrations

2.2.6 氮磷濃度與去除率的日變化

試驗進水第一天各水質指標濃度及去除率的日變化見圖8，因低溫試驗L組在人工氣候室內進行，環(huán)境較穩(wěn)定，不會受光照強度等外界環(huán)境影響，氮磷去除率變幅較小。而常溫下N組受光照強度影響，風車草對外界環(huán)境的生理響應會發(fā)生變化，進而影響風車草對污染物的吸收、去除。

圖8 TN、NH3-N、-N、TP濃度及去除率日變化Figure 8 Diurnal variation of concentrations and removal rates of TN，NH3-N，-N and TP

日變化率的計算結果表明，N 組TN、TP、NH3-N及-N 濃度日變化率分別為48.52%、40.31%、91.41%、47.15%，均高于L 組。10：00—14：00 風車草對氮磷的去除率增幅最大，原因是隨著光強的增大，風車草光合作用增強，會吸收水中更多的N、P等營養(yǎng)元素用于合成光合代謝產物。

2.3 污染物去除與理化指標的相關性分析

試驗中各組溫度、pH、氧化還原電位（ORP）、電導率（EC）的變化見圖9。經檢驗以上理化指標及TN、TP 去除率均具正態(tài)分布特性，本研究采用Pearson 相關系數分析以上理化指標和TN、TP 去除率的相關性（表3）。TN去除率與電導率的相關系數為-0.773，TP 去除率與電導率的相關系數為-0.990，TN、TP 去除率與電導率均呈極顯著負相關（P＜0.01）。有學者用長苞香蒲凈化工業(yè)廢水時也發(fā)現，植物降解污染物的同時可有效降低污水電導率[17]。

表3 理化指標與TP、TN去除率的Pearson相關系數（r）Table 3 Pearson correlation coefficient between physicochemical index and TP,TN removal rates（r）

圖9 溫度、pH、氧化還原電位（ORP）、電導率（EC）的變化Figure 9 Change of temperature，pH，oxidation reduction potential（ORP），and electrical conductivity（EC）

2.4 溶解性有機質組分分析

用PARAFAC 分析DOM 三維熒光光譜得到4 個熒光組分（圖10），參考已有文獻中A 峰等常見熒光峰的激發(fā)和發(fā)射波長位置（表4），確定4 個組分的熒光峰種類。

表4 常見熒光峰范圍及對應物質Table 4 Range of common fluorescence peaks and corresponding substances

圖10 基于平行因子分析法的熒光組分Figure 10 Fluorescence components based on parallel factor analysis

組分C1（激發(fā)波長為265、395 nm，發(fā)射波長為450 nm）包含2個激發(fā)峰和1個發(fā)射峰，指示紫外類腐植酸[18]，對應傳統意義上的A峰和D 峰；同時組分C4（激發(fā)波長為240、280 nm，發(fā)射波長為400 nm）也指示紫外類腐植酸，是天然水體中較常見的有色溶解有機物組分[21]，其主要為大分子量富里酸；組分C2（激發(fā)波長為260 nm，發(fā)射波長為340 nm）指示長波類色氨酸[22]；組分C3（激發(fā)波長為230、280 nm，發(fā)射波長為335 nm）指示類色氨酸類物質，其主要游離或結合在蛋白質中，可指示完整蛋白質[23]。綜上，系統中DOM主要包含類腐植酸和類色氨酸兩大類。

由各水樣4 個組分的熒光強度百分比（圖11）可見，隨時間推移，N 組中組分C3占比逐漸增加；L組中組分C2 占比最大，且逐漸降低；N、L 組的4 個組分總量均大于CKN、CKL 組，主要是因為植物作用引起系統中DOM 增加。研究表明當植物被移植到污水或培養(yǎng)液中，植物面臨的養(yǎng)分脅迫會造成根系分泌物含量變化以適應新的環(huán)境[24]。

圖11 DOM熒光強度百分比Figure 11 The percentage of four components of DOM

N 組中組分C3 占比較大，且70 h 時與進水相比組分C3 劇增，組分C3 指示類色氨酸物質，而色氨酸可指示微生物生命活動，包括外源污水攜帶的微生物和水體或土壤中原有微生物[25]，L組的組分C3占比均小于N 組是由于低溫下微生物生命活動受抑制。組分C3 含量與TN 去除率的Pearson 相關性分析結果（表5）表明二者呈極顯著正相關。研究表明植物根系分泌物是反硝化的重要有機碳源，為反硝化提供電子供體[26]，因此植物根系分泌的類色氨酸增強了根系微生物生命活動，利于TN的去除。隨時間推移，N組中組分C1類腐殖質占比逐漸增大。通過Pearson相關性分析（表5）可知，組分C4含量與TN、TP去除率均呈顯著正相關，表明組分C4紫外類腐植酸的增加也利于TN、TP的去除。

表5 熒光組分與TN、TP去除率的Pearson相關系數（r）Table 5 Pearson correlation coefficient between fluorescence component and TN,TP removal rates（r）

綜上，常溫下風車草在去除低污染水中氮磷時，系統中DOM 主要包括類腐植酸和類色氨酸，其含量隨處理時間延長而增加。類腐植酸主要來自水生植物和浮游植物的分解，其含量與TN、TP 去除率呈顯著正相關，而類色氨酸來自植物根系分泌物，與TN去除率呈極顯著正相關，常溫下系統中類色氨酸和類腐植酸含量大于低溫條件下，利于水中氮磷的去除。

3 討論

本研究結果表明風車草對低污染水體中氮磷具有較好的凈化效能，且其凈化效果受溫度的影響顯著。朱文婷[27]根據一級反應動力學方程，統計了不同植物在不同季節(jié)對污染物去除的速率常數K值，夏季風車草對TN 去除過程的K值中位數為0.22，TP 為0.32，NH3-N 為0.33，美人蕉、菖蒲、蘆葦、再力花等植物對TN 和TP 的凈化能力均較高（K＞0.3），其研究發(fā)現夏季TP 凈化的K值普遍高于TN，且冬季挺水植物K值較低，為高溫季節(jié)的1/3～1/2。本研究中風車草常溫下對TN 的去除率超過80%；章漣漪等[28]在夏季利用水培植物木耳菜凈化富營養(yǎng)化水，TN 去除率為81.80%；劉建偉等[29]的研究發(fā)現美人蕉、黃菖蒲、水蔥系統在30～35 ℃條件下對TN 的去除率分別為48.8%、70.0%、30.0%；黃德鋒等[30]對風車草和美人蕉濕地系統的研究表明，在溫度較高的10 月（＞25 ℃）TN的去除率分別在75%和60%以上。上述研究表明水生植物可以有效去除水體中TN。根據本研究的試驗結果，水生植物對TN 的去除率受溫度的影響顯著（P＜0.05）。

風車草可以通過根系直接吸收同化水中的無機磷，并將其轉化為自身的ATP、DNA 及RNA 等有機成分。植物根區(qū)為微生物的生存和營養(yǎng)物質的降解提供了必要的場所和好氧厭氧條件。研究表明，濕地植物可以吸收污水中的NH3-N 和-N，以及一些小分子含氮有機物，如尿素、氨基酸等[31]，同時植物可將光合作用吸收的氧輸送到根部，為附著在根部的硝化細菌提供能量，從而促進硝化作用的進行[32]，達到水體脫氮的目的。

本研究表明，溫度對風車草凈化水中氮磷的影響較大，L 組氮磷的去除率顯著低于N 組，這是由于低溫抑制了根系活力，從而影響根系微生物的生命活動。另外，張燕等[33]的研究指出當溫度低于15 ℃時，氨氧化菌（AOB）活性降低，硝化反應速率迅速下降。研究表明27 ℃時的氨氧化速率是13 ℃時的1.68 倍，算得AOB 對溫度的敏感系數為1.051[34]，表明低溫會削弱硝化速率，進而降低氨氮的去除率。反硝化細菌最適生長溫度為20～40 ℃，低于15 ℃時，反硝化速率明顯降低，10 ℃時反硝化速率僅為20 ℃時的1/3，導致水中硝態(tài)氮去除效果不佳[35]。因此，低溫抑制硝化反硝化反應，使水中氮去除率降低。

植物在去除污染物時會分泌不同種類的溶解性有機質，從而影響微生物種群結構和生命活動，本研究中水體DOM 主要包括紫外類腐植酸和類色氨酸，研究表明類色氨酸是風車草、蘆葦、水芹等植物根系分泌物的主要成分[36]，腐植酸類物質主要與水中植物的腐爛程度和降解產物有關[25]，通過Pearson 相關性分析可知，組分C4 含量與TN、TP 去除率均呈顯著正相關，組分C3 與TN 去除率呈極顯著正相關，表明類腐植酸的增加有利于TN、TP 的去除，而植物分泌的類色氨酸有利于水中TN的去除。

孫偉等[37]研究發(fā)現，葉綠素a濃度、溶解性有機碳（DOC）濃度與類腐殖質含量呈顯著正相關。劉瑾瑾等[38]的研究表明，腐植酸可以提高亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的活性，在一定程度上促進硝化反應平衡右移。WANG 等[39]研究發(fā)現腐植酸和氧化還原能力較強的富里酸可促進Fe（Ⅲ）還原，在污染物去除應用中發(fā)揮重要作用。因此，植物分泌DOM 與水體中氮磷去除的關系值得重視。

4 結論

（1）風車草能有效提高低污染水中TN、TP 的去除率，且去除過程符合一級動力學方程。常溫下風車草對模擬污水中TN、TP、氨氮、硝態(tài)氮的去除率分別為82.87%、72.40%、94.85%、85.99%，但低溫環(huán)境會顯著抑制根系活力，影響植物吸收、降解氮磷，導致氮磷去除率較低。

（2）三維熒光光譜分析結果顯示，凈化系統中的DOM 主要包括紫外類腐植酸和類色氨酸兩大類有機物，種植風車草增加了系統中DOM 含量。常溫組DOM 含量隨時間推移漸增，類腐植酸含量與TN、TP去除率呈顯著正相關，因而可通過類腐植酸含量間接反映水中污染物含量；風車草根系分泌的類色氨酸使水中類色氨酸含量比進水增加了約16 倍，增強了根系微生物的生命活動，利于水中氮磷的去除。

（3）本研究僅對風車草短期內凈化低污染水效能進行了探究，其對低污染水的長期處理效果，以及凈化過程中低污染水對風車草根、莖、葉的生理影響還需要進一步探究。