田 嘯 王趁義# 楊 娜 郭煒超 王鳳玲

(1.浙江萬里學院生物與環(huán)境學院，浙江 寧波 315100；2.寧波晟乾環(huán)境技術開發(fā)有限公司，浙江 寧波 315100)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及城市化進程的加快，水體富營養(yǎng)化及黑臭現(xiàn)象加劇，水環(huán)境生態(tài)平衡遭到嚴重破壞，不但影響城市河湖景觀，還會危害人類身體健康[1]。同時，治理水體占用大量的公共資源，阻礙國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。沉水植物是維護水體生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的重要組成部分[2]。苦草(Vallisnerianatans)是沉水植物中的典型代表，耐污耐寒，能在缺氧環(huán)境中正常生長，具有較強的氮、磷吸收能力，且能增加水體透明度，提升水中溶解氧水平，被廣泛用于河湖庫水體的生態(tài)修復中[3]。但水體深于100 cm將嚴重影響苦草植株的生長，同時由于植物凋零腐爛后會引起水體二次污染，而一般的栽培方式只能保證植物的種植面積和數(shù)量，并不能保證后續(xù)植物的養(yǎng)護、植物死亡和凋零后的處理處置，因此選擇種植方式和種植基質是影響水生植物生長與生理狀況、水體生態(tài)修復效果的重要影響因素。

潛水式生態(tài)介質箱是本課題組研發(fā)的一種集成化綜合治理技術裝置，該裝置可根據(jù)受污染水體的水質特點和深度來靈活調節(jié)潛浮深度，解決污染水體深度大、透明度低、不適應于沉水植物生長的問題，實現(xiàn)對各類污染物及營養(yǎng)鹽等多層次、多梯度的吸附利用和有效去除。為更好發(fā)揮沉水植物和生態(tài)介質箱的協(xié)同修復作用，本研究以苦草為受試植物，利用靜態(tài)水培試驗，探究3種種植方式對苦草生長生理形態(tài)特征和水體修復效果的影響，為河湖庫黑臭水體治理提供有效的新技術和試驗依據(jù)，并為構建新型集約化修復方式提供實踐基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

苦草植株的初始平均株高和質量分別為(36.4±0.26) cm、(10.41±0.24) g，試驗前用蒸餾水洗去泥土和枯葉，再植入暴曬一周后的河道污水中馴化1周?？嗖莺秃幽嗑蓪幉汕h(huán)境技術開發(fā)有限公司提供。

試驗水樣采自寧波市鄞州區(qū)某生活區(qū)旁的黑臭河道，水質如下：總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、Ca2+、Mg2+分別為5、15、10、80、2.6、0.92 mg/L，各微量元素均小于0.15 mg/L，pH為6.5～7.5。

試驗所用的構筑材料為亞克力板；基質為外購的沸石、陶粒、活性炭，粒徑分別為15～20、10～15、5～8 mm。

1.2 試驗裝置

潛水式生態(tài)介質箱裝置見圖1，長×寬×高為350 mm×350 mm×250 mm。箱體分為4層，上3層分層放置基質，從上到下依次填充厚度均為50 mm的沸石、陶粒、活性炭；箱體四周、隔離板及管壁中均布有孔徑小于所用基質粒徑的滲水孔；將苦草植入100 mm厚的河泥放入第4層箱底，通過塑料管延伸出箱體；箱體頂部用帶孔塑料板封閉，箱體底部懸掛竹球。

1—箱體；2—浮體；3—隔離板；4—基質；5—河泥；6—沉水植物；7—竹球；8—塑料管圖1 潛水式生態(tài)介質箱示意圖Fig.1 Schematic diagram of submersible ecological medium box

1.3 試驗設計

試驗使用9個160 L水箱，每個水箱均注入100 L河道污水，為排除溶解氧對試驗的影響，對每個試驗組進行不間斷曝氣處理，曝氣量為3 L/min。共設計3組試驗：河泥組(苦草植入河泥中)、基質組(苦草植入基質中)、混合組(苦草植入混合河泥(河泥和基質)中)，每組種植10株苦草，做3個重復取平均值。

試驗于2020年3月28日至4月28日進行，將事前馴化過的苦草植入裝置，試驗水體溫度為16～26 ℃，適應3 d后采樣，每隔7 d采樣一次，共采樣5次，于采集日的10：00采集植物樣本和水面下5～10 cm處的水樣，每次采集100 mL，并用接近水樣水質的人工污水進行補充，維持總體積不變，每次采集的植物樣本為同一株苦草的葉片。試驗結束時測定苦草株高、根系長度、單株干質量、單株鮮質量與植株含水率。

1.4 試驗方法與數(shù)據(jù)處理

利用分析天平稱量單株質量和干質量；皮尺測定株高和根系長度；乙醇提取法測定植物的葉綠素a+b含量，ɑ-萘胺比色法測定植物的根系活力[4]；電導率法測定植物的質膜透性[5]；硫代巴比妥酸法測定植物的丙二醛[6]122。水體中TP、TN、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和pH分別采用《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)、《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(GB 11894—89)、《水質 氨氮的測定 水楊酸分光光度法》(HJ 536—2009)、《水質 高錳酸鹽指數(shù)的測定》(GB 11892—89)及便攜式pH計(MIK-pH5050)測定。

2 結果與討論

2.1 種植方式對植物生長生理的影響

2.1.1 苦草生長狀況

沉水植物通過根莖葉從種植基質和水體中吸收營養(yǎng)物質來供自身生長，河泥中含有氮、磷、鐵和錳等營養(yǎng)元素，基質中營養(yǎng)物質相對于河泥較貧瘠，且基質會吸附水體中的氮、磷元素，因此基質與植物之間存在著競爭關系，不利于苦草的生長。由表1可見，種植方式對苦草的單株干質量與含水率無顯著影響；不同試驗組中苦草的株高和單株鮮質量均依次為河泥組>混合組>基質組，且差異顯著；混合組的苦草根系長度最長，基質組最短。可見，混合組和河泥組環(huán)境更適合苦草扎根，促進植株株高和生物量的增長。

表1 苦草的生長狀況比較1)Table 1 Comparison of growth status of Vallisneria natans

2.1.2 根系活力

根系是植物吸收水分和營養(yǎng)物質的重要器官，根系活力反映了植物吸收氮、磷的能力及生長發(fā)育狀況[7]。經(jīng)過28 d的培養(yǎng)，各試驗組苦草的根系活力依次為河泥組(2.39 mg/(g·h))>混合組(1.83 mg/(g·h))>基質組(1.42 mg/(g·h))，且差異顯著(P<0.05)。河泥組和混合組中含有利于苦草生長所需的營養(yǎng)元素和細菌、真菌分泌的次生代謝產(chǎn)物，可促進植物的根系活力；基質中的營養(yǎng)物質貧瘠，微生物缺乏，不利于植物的扎根生長。

2.1.3 葉綠素a+b

由圖2(a)可知，試驗前14天，苦草對新環(huán)境存在適應階段，各試驗組的葉綠素a+b呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢。之后，各試驗組苦草的葉綠素a+b均呈波動下降趨勢，這是因為苦草表面聚集并附著了微生物，影響植物的光合作用及葉綠素含量[8]。經(jīng)過28 d的培養(yǎng)，各試驗組的葉綠素a+b依次為河泥組(0.725 mg/g)>混合組(0.632 mg/g)>基質組(0.439 mg/g)，且差異顯著(P<0.05)。原因是混合組和基質組中基質對光照進行阻隔，苦草接收到的光照強度降低，直接植入河泥中更利于苦草生長。隨著苦草的生長，植物密度會進一步變大，在試驗中后期，各試驗組苦草的葉綠素a+b均呈下降趨勢。

2.1.4 質膜透性

質膜透性是植物抗逆性生理指標之一，是觀察膜系統(tǒng)受到損壞的重要標志[9]，質膜的損害程度可用相對電導率表示[10]。由圖2(b)可知，試驗前7天，由于苦草初期的移栽與前期的環(huán)境適應導致相對電導率均呈快速上升趨勢；7 d后，各試驗組的相對電導率緩慢變化趨于穩(wěn)定。經(jīng)過28 d的培養(yǎng)后，各試驗組的相對電導率依次為基質組(13.82%)>混合組(11.15%)>河泥組(10.00%)，且差異顯著(P<0.05)。河泥組對苦草的損害程度最小，說明基質的脅迫進一步損害了苦草的質膜。

圖2 種植方式對植物生理生化指標的影響Fig.2 Effects of planting method on physiological and biochemical indexes of plants

2.1.5 丙二醛

丙二醛是植物細胞膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量高低可反映膜脂過氧化作用強弱及質膜損壞程度[6]124。植物通過增加丙二醛分泌量來保護質膜免受損害。由圖2(c)可知，最初因移植受到基質和外界環(huán)境的脅迫，使苦草細胞內電解質外滲量上升，隨著逐漸適應環(huán)境，各試驗組苦草中丙二醛含量減小，第7天丙二醛含量出現(xiàn)了轉折：河泥組的苦草得到來自河泥的營養(yǎng)，丙二醛含量持續(xù)下降，而基質組和混合組的苦草因基質營養(yǎng)貧瘠，且堿性侵害不利植物的扎根生長，致使其丙二醛含量不斷升高，這進一步證實基質的脅迫對苦草有一定的損害。經(jīng)過28 d的培養(yǎng)，各試驗組苦草中丙二醛依次為基質組(14.15 nmol/g)>混合組(12.07 nmol/g)>河泥組(3.41 nmol/g)，且差異顯著(P<0.05)，河泥組更適合苦草生長。

2.2 種植方式對水體修復效果的影響

2.2.1 TP去除率

多孔基質不僅有吸附作用，還能為微生物的生長提供附著載體，促進其代謝作用。由圖3(a)可見，各試驗組水體中TP去除率都呈上升趨勢。試驗前7天，基質組和混合組的TP去除率上升迅速，是因為水體中可溶性磷酸鹽與基質中的Ca2+、Al3+、Mg2+等離子反應，產(chǎn)生了固相沉淀[11]。試驗進行到28 d時，各試驗組TP去除率依次為混合組(46.0%)>基質組(45.1%)>河泥組(11.1%)。河泥組對TP的去除率遠低于另外兩組，說明單一的水生植物除磷作用較弱，除磷主要靠生態(tài)介質箱中的基質吸附或絮凝沉淀實現(xiàn)[12]。

2.2.2 TN去除率

水體中氮元素主要依靠苦草的吸收與同化[13]、基質吸附[14]、根際微生物代謝[15]等作用去除。由圖3(b)可見，各試驗組水體中的TN去除率隨時間延長而不斷升高。當試驗進行到28 d時，TN去除率依次為混合組(54.5%)>基質組(36.1%)>河泥組(21.0%)?；旌辖M在第14～21天有一段明顯的上升趨勢，這是由于混合組中各種基質孔隙中滋生了微生物，形成沉水植物-生物膜系統(tǒng)，同時苦草逐漸適應基質的環(huán)境，開始與基質一起發(fā)揮協(xié)同凈化作用。

2.2.3 氨氮去除率

由圖3(c)可見，在試驗前7天，各試驗組氨氮去除率迅速上升?；旌辖M和基質組對氨氮的去除率遠高于河泥組，這與混合組和基質組中各種基質對氨氮的初期吸附有關；試驗進行到28 d時，各試驗組的氨氮去除率依次為混合組(72.7%)>基質組(61.1%)>河泥組(39.6%)，此時水體中滋生了一些有利于氨氮去除的菌種，如硝化細菌。3個試驗組對水體中氨氮的去除效果存在明顯差異，混合組和基質組對TN和氨氮的去除效果較優(yōu)。

圖3 種植方式對水質指標的影響Fig.3 Effect of planting method on water quality indicators

2.2.4 高錳酸鹽指數(shù)去除率

由圖3(d)可見，各試驗組水體的高錳酸鹽指數(shù)去除率都呈先快速上升，再逐步穩(wěn)定的趨勢。試驗前7天，由于高錳酸鹽指數(shù)的初期濃度較高，通過苦草根系的吸收、基質的吸附以及根際土著微生物膜的代謝等協(xié)同作用[16]，使各試驗組的高錳酸鹽指數(shù)濃度快速下降，試驗21 d時達到穩(wěn)定；到28 d時，河泥組、基質組和混合組中高錳酸鹽指數(shù)去除率基本相近，分別為89.0%、89.9%、91.2%。此時，基質已吸附飽和，出現(xiàn)少量藻類和根系有機分泌物等，使3個試驗組的高錳酸鹽指數(shù)去除率無明顯差異。

2.2.5 裝置生物膜的鏡檢

鏡檢發(fā)現(xiàn)，生物膜中不僅存在硝化菌，還生長了大量的原生動物和藻類，如菌膠團(Corynebacteriummicelles)、輪蟲(Rotifer)、草履蟲(Paramecium)、小球藻(Chlorellavulgaris)、線蟲(CaenorhabditisElegans)、曲型小環(huán)藻(Cyclotella)(見圖4)等，說明該裝置的微生物掛膜性能良好。上述微生物在去除污染物方面發(fā)揮著重大的作用，相對于外來投加的微生物，水體中的土著微生物群能更好地應對水體污染，裝置所用掛膜材料能使土著微生物快速附著成膜，增加裝置對水中TN、TP、高錳酸鹽指數(shù)的處理性能。

圖4 顯微鏡檢查裝置內生物膜中微生物(200倍)Fig.4 Microscopic examination of microorganisms in biofilm in the device (200 times)

3 結 語

(1) 從苦草生長和生理生化角度看，將沉水植物直接植入介質箱底層河泥中對苦草的損害最小，最有利于苦草的生長發(fā)育，其次是混合組，而直接植入介質箱基質中的苦草雖然也能生長發(fā)育，但生長存在抑制和脅迫。從水體凈化效果來看，種植方式對高錳酸鹽指數(shù)的去除無明顯影響，但混合組的水質(TP、TN、氨氮)均優(yōu)于河泥組和基質組，綜合比較，混合組對水體的凈化效果最佳。

(2) 將苦草種植在潛水式生態(tài)介質箱的底層河泥中(傳統(tǒng)的生態(tài)浮床是將苦草種植在河道的河泥中)，雖有利于苦草的生長，但對水體修復效果并不明顯；同時存在河泥和基質雖對苦草的生長有一定的損害，但在總體上卻有利于水體修復效果的提升。因此，生態(tài)介質箱采用混合組“基質+河泥”的方式種植苦草，能充分發(fā)揮苦草和基質的協(xié)同修復和凈化能力。