植物净化低C/N污水时根系DOC释放与氮磷去除规律研究

时间：2024-07-28

唐倩，黄健盛，吴杰，冯含宇，陈双扣

（1.重庆科技学院化学化工学院，重庆，401331；2.重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆，401331）

C/N比是生物法去除废水中污染物（主要是N和P）的关键因素[1-2]。C/N＜8的废水被定义为低C/N比废水[3]。低C/N比易导致废水中的氮磷不能被有效去除，因此可以通过添加碳源方式调整C/N比[4]。一些研究学者通过添加乙酸钠、甲醇等作为外加碳源进行污水的脱氮除磷，并取得了显著效果[5-7]，但该类碳源不仅成本高且甲醇有毒，同时会造成二次污染[8-10]。因此，探索新的碳源或使用替代碳源变得尤为重要。植物修复技术是解决环境污染的一种安全有效的技术[11]，在碳源不足时，植物通过根系分泌有机物（DOC）来维持生态平衡，根系分泌物是根系生长过程中释放到介质中的全部有机物质，根系分泌物作为外部碳源可调节C/N比并提高氮磷去除率[12]。有研究表明，水生植物的根系分泌物不仅能提高缺氮下湿地反硝化能力，且在一定程度上降低了成本[13]。因此，本研究采用具有发达根系和较高经济效益的空心菜[14]作为研究对象，它是通过根系分泌DOC来维持系统营养平衡，可根据根系DOC浓度来分析空心菜的生长和氮磷去除之间的关系，从而为低C/N的低成本处理以及中水回用提供技术建议。

1 材料与方法

1.1 实验材料与方法

本研究选取根系发达、生物量大且净化效果明显的空心菜为功能植物。从市场上购买生物量、个体大小一致的空心菜菜苗，先用自来水清洗根系的泥土，再反复用蒸馏水冲洗，在清水里培养3 d以适应水环境。5 L的塑料桶作为水培装置，用报纸遮住桶身，以免藻类过度生长，各取5株健康的幼苗分别放置在6个桶中，在自然光照下且避雨的场所下进行培养。污水采用人工模拟废水，每4 d换水和测样，每天添加蒸馏水弥补蒸发量。进水浓度设置不同C/N比及不同NH4+/NO3-比，PO43-为3 mg/L，COD用乙酸钠配制，NH4+用氯化铵配制，NO3-用硝酸钾配制，并配制其他营养元素，pH值为6～8，具体如下：

表1 不同C/N下的进水浓度

1.2 指标测定

COD：重

铬酸钾法；NH4+：纳氏试剂分光光度法；NO3-：紫外分光光度法；NO2-：N-（1-萘基）-乙二胺光度法；PO43-：钼锑抗分光光度法。

1.3 生物量及生物量的测定

在实验前，选取个体差异接近的植株测干重并记录，在生长过程中，每周称量植株的鲜重并记录，实验结束后，测量每株植物的鲜重并在80 ℃烘烤箱烘2 d，用电子天平称量植物生物量和根系生物量，为了减小由植株的个体差异带来的影响，生物量的计算方法为动态鲜重（mx）/初始鲜重（m0）。

1.4 根系分泌物的测定

在水培过程中，每4 d定期将植株从塑料桶中取出，用蒸馏水和超纯水将植物根部洗净，在1 L超纯水中培养4 h后测定超纯水中的DOC浓度。溶解性有机碳（DOC）采用岛津TOC-L CPH总有机碳分析仪测定。

2 结果与分析

2.1 植物生长与生物量

如图1a所示，空心菜植物的生长期分为三个阶段：适应期（0～4 d以2.5 cm/d的速率增长），生长期（4～8 d以5.0 cm/d的速率增长）和成熟期（8～20 d不再增加）。在C/N为4：1和NH4+/NO3-为2：1时，植株最高（63.80 cm）；在C/N为3：1和NH4+/NO3-为1：2时，植株最矮（51.60 cm）。如表2，植物在6种浓度梯度下生物量存在显著性差异（p＜0.01）。其中，C/N为4：1及NH4+/NO3-为2：1时，生物量最大，C/N为3：1及NH4+/NO3-为1：2时最小，生物量依次为4.96 g、4.36 g、5.09 g、4.68 g、5.66 g、4.84 g。由此看出，植株的高度和生物量的变化与C/N呈正相关，且NH4+/NO3-为2：1的植株的高度和生物量大于NH4+/NO3-为1：2。

表2 实验结束后植物的干重及根干重

实验结束时，各浓度梯度下空心菜的植株干重及根系干重存在显著差异（P＜0.01），其中C/N为4：1及NH4+/NO3-为2：1这种情况下空心菜的总生物量（15.88 g）和根系生物量最大（4.11 g）。该结果表明，空心菜的总生物量和根系生物量随C/N比的增大而增大且NH4+/NO3-为2：1大于1：2，如图1b所示。

2.2 根系溶解性有机碳（DOC）

根系溶解性有机碳（D O C）如图2 所示。在水培初期（1～8 d），各浓度梯度下空心菜根系分泌DOC逐渐增长且分泌浓度较大，第8 d，各植株分泌浓度均达到最大值，1～6组浓度分别为10.5 mg/L、6.5 mg/L、11.35 mg/L、8.4 mg/L、11.79 mg/L、9.56 mg/L。第8 d后，各浓度梯度下的根系DOC浓度逐渐减少且分泌量比初期小。前4 d植株因受到新环境的胁迫，植物本身的抗逆性使得根系分泌物浓度发生变化，4～8 d植株根系分泌更多的DOC以供植物生长所需，8～20 d植物处于生长缓慢期，所需DOC相对低。该研究表明，根系DOC浓度随C/N比的增大而增大，均表现NH4+/NO3

-为2：1大于1：2，且各浓度梯度下根系DOC浓度呈现显著差异（P＜0.05）。在低C/N比下，植物根系分泌5～21%的可溶性糖，氨基酸和次生代谢产物的光合产物，用于植物的生长和微生物群落的富集[15]。根系分泌物中有机酸使水培系统中pH发生变化，由图3可知，各浓度梯度下，系统pH值均呈现出先下降后上升的趋势，且C/N为4：1及NH4+/NO3

-为2：1时pH值最低，表明根系分泌量最多。

2.3 氮磷去除

如图4为各浓度梯度下空心菜对氮磷的去除效果。如图4a，NH4+的去除率在0～8 d逐渐增加，9～20 d下降。如图4b，NO3-去除在1～8 d均为100%，在8～20 d，NO3-去除NH4+/ NO3-为2：1时均大于NH4+/ NO3-为1：2。这表明，空心菜以NO3-为氮源，在快速生长期时，NO3-被根部完全吸收，在成熟期时，根部所需氮量减少，NO3-去除率在NH4+/ NO3-为2：1时均高于NH4+/ NO3-为1：2。如图4c所示，TN去除量在0～10 d内有增加和减少的趋势，第8天的最大去除效率分别达到61.33%、55.38%、65.63%、59.09%、74.10%和59.99%。由此表明TN去除率与C/N比呈正相关。此外，在NH4+/ NO3-为2：1时，TN去除率高于在NH4+/ NO3-为1：2时。原因在于空心菜根系存在大量硝酸还原酶（NR）及亚硝酸还原酶（NIR），使得NO3-被完全同化[16]，且NH4+为主要氮源，促使空心菜吸收有机酸和养分，因此在快速生长阶段，空心菜需要更多的N元素进行生物量合成[17]。如图4d，PO43-去除率的变化在前8 d从0%上升到70～90%，在8～20 d下降到50%～70%。在第8 d获得最大PO43-去除率为80.50%、71.40%、84.40%、77.90%、88.30%和79.20%。

2.4 根系DOC与生物量、氮磷去除效果的关系

使用最小二乘法探究根系DOC与植物生物量、氮磷去除的影响。如表3至表5为根系DOC浓度对生物量、氮磷去除效果的影响。根系DOC浓度与生物量的相关指数（n）为4，临界值（r0.05）为0.95，当回归自由度为1时，残余自由度为2，F0.05=18.51。根系DOC浓度与生物量呈显著负相关（p <0.05），相关系数分别为-0.987，-0.969，-0.991，-0.979，-0.995和-0.985。随着C/N比增加，NH4+/NO3-为2：1大于NH4+/NO3-为1：2的生长速率。由前面结论可知，空心菜优先吸收NO3-，当NO3-被完全吸收时，根系会分泌DOC以供植物及微生物生长，当表现出NH4+占主要碳源时，在氮胁迫下，空心菜分泌DOC量相对较多，且当C/N比值较大时，根系具有更大的根系分泌浓度。

表3 根系DOC与生物量的回归计算及检验

如表4，表5为根系DOC浓度与氮磷去除的关系，根系DOC与氮磷净化效果相关关系取n=5，临界值r0.05=0.878。当回归自由度为1时，残余自由度为3，F0.05=10.13。由表4可知，根系DOC浓度与氮去除之间存在显著正相关，相关值分别为0.971、0.904、0.986、0.959、0.988和0.961。根系DOC浓度和磷去除的相关值分别为0.915、0.886、0.918、0.889、0.929和0.892。当NH4+/NO3-为2：1时DOC浓度与氮磷去除的相关性比NH4+/NO3-为1：2时更大。这表明在低C/N比废水下，根系DOC决定了污水中氮磷的去除，根系DOC释放浓度越大，氮磷净化效果越显著。在废水和微生物群落中，根系分泌物作为内部碳源促进了氮和磷细菌群落的积累，从而提高氮磷去除效率[18]。此外，从根系释放出较高的DOC增强了磷细菌的活性，促进了磷降解。但是，PO43-在8～20 d的去除率下降，可能是在缓慢生长阶段空心菜根系中释放的磷引起的[19]。因此，根系DOC通过促进根系微生物的降解和植物吸收来影响氮磷的去除。

表4 根系DOC与氮去除的回归计算及检验

表5 根系DOC与磷去除的回归计算及检验