不同水生植物的污染物净化功能及其泌氧量研究

王 玮，侯宁宁，杨钙仁，李茵茵，凤姜薇，邓羽松，彭晚霞

(广西大学林学院，广西 南宁 530004)

1 材料与方法

1.1 供试植物

选择金鱼藻(Ceratophyllumdemersum，CD)、苦草(Vallisnerianatans，VN)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum，MV)、凤眼莲(Eichhorniacrassipes，EC)、梭鱼草(Pontederiacordata，PC)、再力花(Thaliadealbata，TD)、花叶芦竹(Arundodonaxvar.versicolor，AD)、风车草(Cyperusalternifolius，CA)、美人蕉(Cannaindica，CI)共9种植物为研究对象，植物取自广西南宁某苗圃。每种植物均选取植株和根系大小相近的若干株，人工去除根部泥土，并用清水冲洗后，移至装有营养液的塑料桶中预培植10 d，备用。

1.2 营养液配制

1.3 水培试验设计

试验于2017年8月在广西大学农学院实验基地温室大棚内进行，静态水培试验装置采用塑料桶进行，装置尺寸32 cm×23 cm×30 cm。加入植物前，先向每个水培塑料桶加入营养液12 L，再将经过预水培的植物移入水培塑料桶，植物用量均为25 g(干物质量)；加入植物后，桶内营养液的深度约为25 cm，液位线用记号笔标记。植物含水率及其用量见表2。水培试验开始后，每5 d于上午9:30用注射器采集250 mL营养液并立即测定DO，采样深度为10 cm，采样前将注射器内空气全部排空，采样时尽量减少对水的扰动。而后再采集营养液100 mL，用于其余各项指标的测定。采样后用自配营养液补充检测消耗水量，再用蒸馏水定容至水培开始时的液位线。每个处理设置3个重复，同时设置空白对照，共持续20 d。

表1 营养液基本理化性质

表2 供试植物含水率及株高

1.4 测定项目与方法

1.5 统计分析

1.5.1 植物泌氧量计算 植物泌氧量计算基于以下假设：各植物处理水培液的大气复氧量(进入与溢出量差值)与对照组相等，根据氧气质量平衡原理，则有：

SP=(DOP+CODP-DOCK-CODCK)×V/(M×t)

式中，SP为植物泌氧速率[mg/(kg·d)]；DOP、CODP分别为某植物处理水培液的DO变化量和COD削减量(mg/L)；DOCK、CODCK分别为对照组的水培液DO变化量和COD削减量(mg/L)；V为水培液体积(L)；M为植物生物量(kg)；t为水培时间(d)。

1.5.2 统计与分析 采用SPSS 20.0、Excel 2010进行数据统计与分析，使用SigmaPlot 10.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同水生植物对水体pH值变化及其TN、TP吸收的影响特征

从图1可以看出，不同时间段各水生植物的pH值差异显著。至第10天时，美人蕉、凤眼莲、梭鱼草的pH值下降迅速，金鱼藻和苦草的pH值有上升趋势，最后趋于稳定。花叶芦竹、风车草、狐尾藻、再力花的pH值随着时间的变化上下波动。试验结束时，苦草的pH值显著高于CK(P<0.05，下同)，金鱼藻与CK无显著差异，其余植物的pH值均显著低于CK。金鱼藻的pH均值最高，为6.94；美人蕉pH均值最低，为4.32。

图1 不同处理时间下各系统的pH变化Fig.1 Water pH changes through time under different treatments

图2 不同处理时间下各植物系统的TN浓度变化Fig.2 Variation of plant systems total nitrogen concentration through time under different treatments

从图2可以看出，水生植物对TN均有较好的去除效果，20 d后，TN浓度均明显低于CK处理，至试验结束时，苦草、美人蕉和凤眼莲的浓度降至为0.15、0.11和0.30 mg/L，达到地表水Ⅱ类TN的标准，去除率高达96 %以上，显著高于CK处理；而花叶芦竹的TN浓度降至2.51 mg/L，去除效果最差，仅为68.61 %。但9种植物处理对水体中 TN 的去除能力均显著高于 CK处理(29.36 %)，表明在试验系统中，水生植物能够高效削减水体氮素。

由图3可知，不同水生植物的TP净化能力存在较大差异。试验结束时，9种水生植物的TP去除率范围为10.85 % ～88.16 %，金鱼藻的去除率最低，美人蕉的去除率最高，显著高于金鱼藻。3种沉水植物金鱼藻、苦草和狐尾藻的水体TP含量有所反弹，此后逐渐下降，波动较大，最终TP含量分别为2.54 、2.37和2.38 mg/L，狐尾藻和苦草TP含量低于CK。梭鱼草、再力花和花叶芦竹随着时间变化，TP浓度平缓下降，最后3种植物的浓度分别为1.53、1.43和1.73 mg/L，去除率分别为45.99 %、49.78 %和39.09 %，皆显著高于CK；美人蕉、凤眼莲和风车草的TP浓度始终以较快的速度降低，最终出水浓度分别为0.34、0.64和0.73 mg/L，第20天此3个处理的去除率分别为88.16 %、77.60 %和74.14 %，皆显著高于CK。

2.2 不同水生植物对的去除效果

图3 不同处理时间下各植物系统的TP浓度变化Fig.3 Changes in total phosphorus concentration of the plant systems through time under different treatments

图4 不同处理时间下各植物系统的浓度变化Fig.4 Changes of plant systems ammonia nitrogen concentration through time under different treatments

2.3 不同水生植物的泌氧量、对水中DO和COD含量的影响

由表3可知，试验5 d后，再力花、花叶芦竹和风车草对COD的削减量比较高，分别为28.02、25.41和23.70 mg/L，之后削减量上下波动。至20 d达到COD最大累计削减量，水中COD的总削减量为35.95～45.18 mg/L，去除率均在70 %以上，显著高于CK，CK的去除率为49.75 %。各水生植物培养液DO的变化量呈现先增加后缓慢减少的趋势，但大致趋于稳定。5 d时，培养液DO的变化量基本为负值，高于试验开始时的DO含量6.57 mg/L，梭鱼草、凤眼莲、再力花和花叶芦竹的DO变化量明显高于其它水生植物系统，分别为2.32、2.22、2.11和1.94 mg/L。试验后期，水生植物系统的DO变化量大多为正值且数值变化较小，说明培养液的DO含量正在减少且变化缓慢。至试验结束时，梭鱼草培养液的DO含量最高8.48 mg/L，金鱼藻培养液的DO含量最低6.4 mg/L。

图5 不同处理时间下各植物系统的浓度变化Fig.5 Changes of nitrate nitrogen concentration of the plant systems through time under different treatments

表3 不同水生植物的泌氧速率、DO变化量和COD削减量

不同水生植物的平均泌氧速率存在较大差异，随着时间的变化，植物泌氧速率变化较大，9种水生植物的平均泌氧速率为242.81～485.84 mg/(kg·d)。风车草、花叶芦竹和再力花3种植物的泌氧速率明显高于其他植物，分别为485.84、400.06和388.73 mg/(kg·d)，明显高于金鱼藻、美人蕉和苦草。

2.4 水生植物吸收过程中各指标之间的关系

图6 水体pH与的相关性Fig.6 Correlation between water pH and ammonia, water pH and total phosphorus concentration

表4 各指标之间的皮尔逊相关性分析结果

注：*表示指标之间相关性达到显著水平(P<0.05)；**表示指标之间相关性达到极显著水平(P<0.01)。

Note:*indicates that the correlation between the indicators reached a significant level (P<0.05);**indicates that the correlation between the indicators reached a very significant level (P<0.01).

3 讨 论

水生植物直接吸收水中氮、磷等营养盐用以合成自身生长需要，通过植物收割就能带走营养物质，因此可利用其净化富营养化水体，降低水体富营养化程度[14]。此外植物根系巨大的比表面积有利于微生物附着，根际区域为微生物代谢提供了丰富的微环境，使硝化与反硝化顺利进行。微生物在水生态系统中起到了较为重要的作用，通过微生物的新陈代谢作用可以有效去除水体氮磷、有机物等。成水平等[15]研究表明氮的去除不仅依靠植物的吸收作用，微生物的硝化和反硝化也是重要的去除机制。本研究中植物处理组通过微生物对氮素的转化以及植物的吸收作用，对TN的去除效果随时间逐渐增强。美人蕉和凤眼莲根系极发达，大量微生物可以在根际表面形成生物膜，并能形成良好的微环境，有利于硝化菌和反硝化菌的生长，加速水体中的氮素转化成植物易利用的氮，从而使其TN浓度快速下降；而苦草根系没有挺水植物发达，但徐昇等[6]研究发现苦草对无机氮的同化吸收转换能力强，故而去除率高。刘燕等[16]相关研究证实，凤眼莲和苦草对TN有较高的去除率。Dong Cheol Seo等[17]研究发现微生物同化并不是去除磷的主要途径，主要是依靠植物对磷的吸附沉降以及直接的吸收作用。吴湘等[18]利用软隔离小区试验研究5种不同漂浮植物对富营养化景观水体的净化效果，经过100 d植物处理，凤眼莲处理小区的水质净化效果最好，水体中TP的去除率也最高，本文的研究结果与其一致。

王世和等[22]研究表明水生植物的泌氧速率远高于空气向液面扩散速率，植物的泌氧功能对降解污染物耗氧的补充量远大于由空气扩散所得氧量。植物根系泌氧量与COD的去除效果密切相关[23]，本研究结果与其一致。可见水生植物的泌氧率大小决定了COD的削减量高低，可以将其作为筛选净化能力强的水生植物的一个重要指标。在所选的9种水生植物里，花叶芦竹、再力花、风车草的平均泌氧率较高，说明这3种植物的COD削减量也较高。孙金昭等[24]研究发现，风车草和再力花的COD去除率与COD释放量较高，说明植物对COD的利用率较高，且风车草利用率较再力花略高，这与本研究结果一致。张德喜[25]对7种常见湿地植物净化效果进行研究，其中美人蕉的COD去除率最低。李丽[26]采用柠檬酸钛比色法研究7种植物泌氧能力，其中美人蕉、梭鱼草和风车草泌氧率数量等级基本一致，但与本研究大小关系相反，分析其原因可能是试验在密闭无氧条件下进行，只受植物影响，而本次研究还受其他环境因子的影响。黄永芳等[27]研究发现采用柠檬酸钛比色法测定风车草、梭鱼草和美人蕉根系泌氧量，其大小关系与本研究结果一致。本研究处于开放系统，溶解氧饱和后将不再提高，植物泌氧量达到一定程度会溢出水生植物系统，为了更好地了解植物泌氧，可以在封闭条件下进行泌氧能力的研究。

4 结 论

本研究选取的9种水生植物均适应在污染水体中培植，可有效地吸收富营养化水体中的N、P污染物，各种水生植物对N、P的吸收率均在70 %以上。不同植物的泌氧能力存在一定的差异，不同的水生植物在污水净化中都有它的优缺点，可以根据实际污水情况选用适宜当地生态条件的水生植物。苦草、美人蕉、凤眼莲和风车草对N、P的净化效果较好，可用于氮磷浓度较高的污水中，花叶芦竹、再力花和风车草的泌氧能力及其对耗氧有机物的去除能力较高，适宜种植在高耗氧有机物的污水中。