三种水生植物对模拟污水中氮、磷的生物净化效果
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摘要：通过水生植物灯芯草（Juncus effusust L.）、空心莲子草[Alternanthera Philoxeroides（Mart.）Griseb.]和金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）在模拟污水中的培养试验，研究其对模拟污水中总氮、总磷的去除效果，探讨3种水生植物对富营养化水体中污染物的去除能力。结果表明，在模拟的轻度、中度和高度富营养污水中，灯芯草对氮去除率最高（88.5%～94.2%），金鱼藻最低（62.7%～71.2%）;空心莲子草对磷的去除效果最佳（79.5%～94.0%），其次是灯芯草（82.9%～90.1%）。从植物对氮磷的吸收贡献率来看，氮的吸收贡献率呈现富营养化程度不同、植物表现亦不同的状况，轻度、中度和高度富营养污水中，对氮的吸收贡献率从高到低分别是金鱼藻（70.3%）、空心莲子草（65.8%）和灯芯草（38.8%）;金鱼藻在3种不同富营养化程度的污水中对磷的吸收贡献率最高（60.1%～84.8%），其次是空心莲子草（55.6%～70.1%）。综合考虑污水氮磷去除率以及植物对氮磷的吸收贡献率可知，3种植物均适用于轻、中度污水的治理，特别是在中度富营养状况下，3种水生植物都表现出优良的净化能力。
中图分类号：Q948.116 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）20-4835-03
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2014.20.016
Biological Purification Effects of Three Aquatic Plants on N and
P in Simulated Wastewater
WANG Bin， ZHOU Ya-ping
（College of Chemistry，Biology and Materials Science，East China Institute of Technology， Nanchang 330013， China）
Abstract： With the culture experiments of three different water plants Juncus effusust L.， Alternanthera Philoxeroides（Mart.）Griseb. and Ceratophyllum demersum L. in simulated waste water， the removal capacities of total nitrogen， total phosphorus by three aquatic plants were studied. The removal effects of three aquatic plants were investigated. The results showed that the highest removal rate of nitrogen was Juncus effusust L. （88.5%～94.2%） and the lowest rate of nitrogen was Ceratophyllum demersum L.（62.7%～71.2%）. The best removal effect of phosphorus was Alternanthera Philoxeroides（Mart.）Griseb.（79.5%～94.0%） and the secondly removal effect of phosphorus was Juncus effusust L. （82.9%～90.1%） in the mild， moderate and highly eutrophic water. From absorption contribution on nitrogen and phosphorus of the three plants， it was found that the rates of the absorption contribution plants performed on nitrogen present were different in different eutrophication degree water. In the mild， moderate and high eutrophic water， the highest contribution rates of nitrogen were Ceratophyllum demersum L. （70.3%）， Alternanthera Philoxeroides（Mart.）Griseb （65.8%） and Juncus effusust L（38.8%）， respectively. In the three different eutrophic water， the highest contribution rate of phosphorus was Ceratophyllum demersum L.（60.1%～84.8%）， the secondly contribution rate of phosphorus was Alternanthera Philoxeroides （Mart.） Griseb.（55.6%～70.1%）. Considering the removel rates and the contribution rates of nitrogen and phosphorus， three aquatic plants were suitable for mild， moderate wastewater. Especially in moderate rich nutrition water， the three species of aquatic plants had excellent purification ability.
Key words：simulation wastewater;aquatic plant;biological purification;effection
中国水资源人均占有量少，属于水资源紧缺的国家。自上世纪70年代以来，中国的水体富营养化问题日趋严重。利用水生植物治理富营养化水体，由于其具有净化效果好，投资少，运行方便、有利于水生生态系统恢复和重建等特点，已日益受到人们的关注[1]。本试验经过室内盆栽及室内分析检测，通过对比栽培前后水体中3种水生植物中的N、P元素含量的变化，探讨3种水生植物对富营养化水体中污染物的去除能力，旨在为中国富营养化水体生物治理提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
在对江西省抚州市水生植物资源调查研究的基础上，选择常见的3种水生植物灯芯草（Juncus effusust L.）、空心莲子草[Alternanthera Philoxeroides（Mart.）Griseb.]、金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）为本试验的研究对象，供试植物均采自江西省抚州市东华理工大学校内池塘。模拟污水是东华理工大学西湖水，水质初始总氮（TN）为2.4 mg/L，总磷（TP）为0.23 mg/L，加（NH4）2SO4和KH2PO4 配制成不同浓度梯度富营养化水[2]。本试验分为3个浓度梯度[3]，轻度富营养化：总氮22.4 mg/L、总磷1.23 mg/L;中度富营养化：总氮42.4 mg/L 、总磷3.23 mg/L;高度富营养化：总氮62.4 mg/L 、总磷4.23 mg/L。
1.2 试验方法
1.2.1 试验设计 将采集回来的3种植物先用自来水洗净泥土，选择生长状况基本一致的3种植物进行预培养，预培养水为自来水，培养7 d。选用直径×高为25 cm×35 cm的塑料圆桶进行盆栽试验，在塑料桶底部铺设5～6 cm 的细黄沙供水生植物扎根，植入预培养7 d的水生植物并在塑料桶中加入富营养化水2.0 L，开始室内培养试验，试验开始后每天记录温度与湿度，用蒸馏水补充由于植物吸收和蒸发损失的水量，试验周期为30 d[4]。2013年4月初开始，到2013年6月初结束，共2个周期。
1.2.2 指标测定 总氮含量采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，总磷采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法[5]。
1.2.3 数据分析 实验室模拟污水中氮、磷的减少除了污水蒸腾损失和基质固定外，其余主要被植物吸收，因此在一定程度上可以用水中氮、磷的减少量来表示植物的吸收量[2]。为明确3种植物的水质净化能力以及水生植物氮、磷吸收在水质净化过程中的作用，本研究在测定3种植物的株高、生物量、植株氮磷含量、水质氮磷浓度的基础上进行水体氮、磷去除率η1、3种植物氮、磷吸收贡献率η2。
η1=（C1Q1-C2Q2）/C1Q1×100%;（1）
η2=（P2B2-P1B1）/（C1Q1-C2Q2）×100% （2）
式中：C1，C2 和Q1，Q2 分别表示富营养化水质氮、磷的起始、终止浓度（mg/L）和水量（L）;P1 和B1 分别表示起始时植物的氮、磷含量（mg/g）和生物量（g）;P2 和B2 分别表示终止时植物氮、磷含量（mg/g）和生物量（g）[6]。
试验数据采用WPS表格软件分析处理和差异显著性检验[5，7]。
2 结果与分析
2.1 植物对模拟污水中氮的去除效果
从表1可以看出，3种水生植物对3种浓度模拟污水中氨氮的去除率存在一定差异。轻度富营养化下的去除率为62.7%～88.5%，去除率最高的是空心莲子草，金鱼藻最低;中度富营养化下的去除率为65.1%～94.2%，去除率最高的是灯芯草，金鱼藻最低;高度富营养化下的去除率为71.2%～90.2%，去除率最高的是灯芯草，金鱼藻最低。灯芯草、空心莲子草对氮的去除率表现为：中度富营养化>高度富营养化>轻度富营养化;金鱼藻对氮的去除率表现为：高度富营养化>中度富营养化>轻度富营养化。
2.2 植物对模拟污水中磷的去除效果
3种水生植物对模拟污水中的总磷有较高的去除率（表2）。轻度富营养化下磷去除率均在75%以上，去除率最高的是灯芯草，最低的是金鱼藻;中度富营养化下，污水中总磷浓度的增高促进了水生植物对总磷的吸收，总磷去除率均在90%以上，去除率最高的是金鱼藻，最低的是灯芯草;高度富营养化下磷去除率也均在60%以上，去除率最高的是空心莲子草，最低的是金鱼藻。灯芯草磷的去除率表现为：中度富营养化>轻度富营养化>高度富营养化;空心莲子草磷的去除率表现为：中度富营养化>高度富营养化>轻度富营养化;金鱼藻磷的去除率表现为：中度富营养化>轻度富营养化>高度富营养化[8]。
2.3 植物对氮的吸收贡献率
从表3中可以看出，3种植物对氮的吸收贡献率最高为70.3%，最低为23.6%。轻度富营养化情况下贡献率为42.5%～70.3%，贡献率最高的是金鱼藻，最低的为灯芯草;中度富营养化情况下贡献率为35.8%～65.8%，贡献率最高的是空心莲子草，最低的为金鱼藻;高度富营养化情况下贡献率为23.6%～38.8%，贡献率最高的为灯芯草，最低的是金鱼藻。灯芯草、空心莲子草的贡献率表现为：中度富营养化>轻度富营养化>高度富营养化;而金鱼藻贡献率表现为：轻度富营养化>中度富营养化>高度富营养化。
2.4 植物对磷的吸收贡献率
从表4中可以看出，3种水生植物对模拟污水中的磷的贡献率各有差异。轻度富营养化下贡献率均在65%以上，去除率最高的是金鱼藻;中度富营养化下，植物对磷的吸收增强，对模拟污水中的磷的吸收有所增加，贡献率均超过70%，贡献率最高的是金鱼藻，最低的是空心莲子草;高度富营养化下植物对磷的贡献率有所下降，贡献率最高的是金鱼藻，最低的是灯芯草。灯芯草磷的贡献率表现为：中度富营养化>轻度富营养化>高度富营养化;空心莲子草磷的贡献率率表现为：中度富营养化>轻度富营养化>高度富营养化。金鱼藻磷的贡献率表现为：轻度富营养化>中度富营养化>高度富营养化[9]。
3 小结与讨论
3种水生植物对模拟污水中的氮、磷均有一定的去除效果，对不同浓度模拟污水中氮、磷的去除能力表现出一定差异。轻度营养情况下，空心莲子草对氮的去除率最高（89.3%），灯芯草对磷的去除率最高（82.9%），金鱼藻在对氮和磷的贡献率最高（分别为70.3%和84.8%）;中度营养情况下，灯芯草对氮去除率最高（94.2%），金鱼藻对磷的去除率最高（96.6%），空心莲子草对氮的贡献率最高（65.8%），金鱼藻对磷的贡献率最高（82.0%）;高度营养情况下，灯芯草对氮的去除率最高（90.2%），空心莲子草对磷的去除率最高（91.0%），灯芯草对氮的贡献率最高（38.8%），金鱼藻对磷的贡献率最高（60.1%）[10]。结合抚州市污水的污染程度和特点以及根据从不同水域的采样分析结果表明，抚州市的水质污染程度较轻，含氮量在2.0～2.5 mg/L，含磷量在0.02～0.03 mg/L，处于本次试验的轻度富氧化程度状况下[11]，从试验数据中初步得出，除去其他因素影响，从植物对氮磷的吸收贡献率来看，选用水生植物金鱼藻对抚州市污水的处理效果较好。
轻、中度富营养情况下，3种水生植物对氮和磷的去除率较高，达到60%以上，表明这些植物适用于对轻、中度污水的治理，特别是在中富营养情况下，3种水生植物都表现出优良的净化能力;但在高度富营养浓度下3种植物的去除率都明显减弱，表明高浓度污染情况，环境以不利于植物的生长，因此对氮磷的吸附和去除能力明显下降[12]。
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