水生植物对磷吸收的研究

白士新，刘贯一

(河北联合大学建筑工程学院，河北唐山，063009)

0 引言

人工湿地污水处理系统源于对自然湿地的模拟，它与自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，来实现对污水的净化。水生植物一般选用处理性能好、成活率高、抗水性强、生长期长、美观且具有经济价值的植物。通过大量的试验研究，国内外学者发现了许多对富营养化水体具有很好的净化作用的水生植物物种，包括水葫芦、芦苇、香蒲、喜旱莲子草、菹草伊乐藻、水芹菜等。刘淑媛等利用人工基质无土栽培多花黑麦净化污水，发现其对TN、NH3－N、NO3－N、TP、PO4－P等的去除率均达到80%。因此筛选合适的水生植物对人工湿地处理污水具有重要的意义。

1 植物对磷的吸收

磷是植物的必需元素。植物生命活动所需要的能量以及能量的传递与储备都依靠磷酸化合物。污水中磷的存在形态取决于污水中磷的类型，最常见的有磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷酸盐等，能被植物根系直接吸收的磷主要是一价磷酸根离子和二价磷酸根离子，三价磷酸根离子、聚磷酸盐和有机磷酸盐不能或很难被植物根系吸收。其中一价磷酸根离子和二价磷酸根离子被根系吸收是依靠植物通过呼吸作用获得的能量而完成的生理过程。Mcjarmet等［1］采用人工湿地方法处理城市污水的研究表明，污水中大约5%的磷能够被湿地植物吸收利用。刘剑彤等［2］对水稻、皇草和玉米等8种湿地植物进行了去除污水中磷的吸收能力比较研究，结果表明这8种湿地植物均能吸收部分污水中的磷。污水中磷元素被植物根系吸收后，经同化作用可变成植物的ATP、DNA以及RNA等有机成分，通过植物的收割而去除。

2 水生植物对污水的净化机理

2.1 物理作用

水生植物的存在减小了水中的风浪扰动，降低了水流速度，并减小水面风速，这为悬浮固体的沉淀去除，创造了更好的条件，并减小了固体重新悬浮的可能性，另外覆盖在人工湿地上的植物它对稳定人工湿地的土壤也十分重要，因为其稠密的根系阻止了冲蚀缝隙的形成。

2.2 植物的吸收作用

水生植物能直接吸收利用污水中的营养物质，供其生长发育和繁殖的需要，废水中的有机氮被微生物分解与转化，而无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质被植物直接摄取，合成蛋白质与有机氮，再通过植物的收割而从废水和湿地系统中除去，无机磷也是植物必需的营养元素废水中的无机磷在植物吸收及同化作用下可转化成植物的ATPDNA RNA等有机成分，然后通过植物的收割而移去。有根的植物通过根部摄取营养物质，而浮水植物浸没在水中的茎叶，也从周围的水中摄取营养物质。许多根系不发达的沉水植物，例如，金鱼藻属也能直接从水中吸收营养物质，水生植物产量高大量的营养物被固定在其生物体内，当收割后营养物就能从系统中被去除，可以通过在富含氮磷等营养物质的污水中种植，水生植物达到使污水脱氮除磷的目的，在SharonA.Bramwell［3］进行的用凤眼莲净化二级处理出水的试验中发现7天后植物组织中的氮量增加了2.9%磷增加了6.7%。

2.3 植物的富集作用

环境中的重金属和一些有机物并非是植物生长所需要的，并且达到一定程度后，具有毒害作用，对于此类化合物一些植物也演化出了特定的生理机制，使其脱毒。水生植物通常是通过螯合作用［4］来耐受，并吸收富集环境中的重金属，如重金属诱导就可使凤眼莲体内产生有重金属络合作用的金属硫肽［5］，另外由于其线粒体中含有多酚氧化酶，可以通过多酚氧化酶对外源苯酚的羟化及氧化作用，而解除酚对植物株的毒害［6］。所以对重金属和含酚有机物有很强的吸收富集能力。

3 华北地区常见水生植物和特性

3.1 睡莲(Nymphaea alba)

睡莲，又名子午莲。多年生水生花卉。生于池沼中，喜阳光和富含腐殖质的粘土。睡莲花、叶均秀丽，除作观赏外，其根状茎可食用或药用。

3.2 凤眼莲(Eichhornia crassipes)

凤眼莲，又名水葫芦、水浮莲，浮水草本植物。浮生于水面或生长在泥沼之中，大量种植可作饲料，亦作观赏植物，可吸收重金属离子，又是环保植物。

3.3 黄营蒲(Iris pseudacorus)

多年生挺水型水生草本植物。植株高大，叶基生，剑形，花茎高于叶，花黄色，茹果长形，内有种子数粒。既可观叶，亦可观花，是观赏价值很高的水生植物。

3.4 水葱(Softstem bulrush)

水葱，别名管子草、翠管草、冲天草等，多年生挺水植物。植株挺立，生长葱郁，可作为水景布置中的障景或后景，秆可编席子。

3.5 千屈菜(Spiked Loosestrlfe)

多年生挺水宿根草本植物。叶对生或轮生，长穗状花序顶生，花朵多而小。喜温暖及光照充足，通风好的环境，喜水湿，比较耐寒。

3.6 美人蕉(Canna indica)

美人蕉，别名兰蕉、昙华。株高可达100～150 cm，根茎肥大，花大色艳、色彩丰富，株形好，栽培容易。喜温暖和充足的阳光，不耐寒。

4 研究方法及实验过程

本研究准备以几种水生植物和营养液为研究对象，考察这几种水生植物对氮磷的吸收能力，通过水培试验研究比较不同种类水生植物对水中氮磷吸收能力，从而筛选人工湿地系统中水生植物。供试植物筛选原则:本土性，宜培养，根系发达。

(1)供试植物:水葱、水葫芦、黄菖蒲、美人蕉

(2)植物培养:购买的植物幼苗先移入清水中，以恢复在运移过程中受损的根系。2天后将幼苗移入无土栽培营养液中(下表)，经过一周的适应性培养后用于试验。

(g/L)硝酸钙 0.945硝酸钾 0.607磷酸二氢铵 0.115硫酸镁霍格兰和阿农无土栽培通用配方化合物0.493

实验在塑料薄膜罩住的温室内进行，培养皿采用3.5 L的塑料桶，桶外涂有黑色油漆以避免根系剑光，每桶装有3 L水稻标准营养液，将需要固定的植株用塑料泡沫板固定。试验设31 mg/L和15.5 mg/L两个磷水平。试验初期植株比较小，每6天换一次营养液。经过18天的培养后，植株长大，吸收能力增强，为研究植株对氮、磷的吸收能力，将更换营养液的天数缩短为4天、3天、2天、2天，共培养29天，29天后收获植物。培养期间每天调节pH，使其保持在5.0～5.5之间，气温在22～30℃ 范围内。每次更换营养液前，取水样，测3次TN、TP，取平均值，记录数据。

5 结论

本实验采用的无土栽培植物营养液，在一定程度上可以用水中磷元素的减少来代表植物对磷的吸收量。试验初期，两个磷水平下水生植物对P的吸收量较小，因为这个时期植株幼苗较小，吸收能力不强，试验中、后期植株长大，其吸收P的能力增强，吸收量迅速增加。从上图可以看出，在低磷环境下，四种植物对磷的日平均量从开始的10.5～11.3 mg/株·天上升到13.8～14.9 mg/株·天。随着培养时间的延长，植物的日平均吸收磷总体呈上升趋势。培养前期，植物为满足生长需求，吸收大量的磷，这些磷一部分用于植物的生长代谢活动，一部分贮存在植物体内。随着培养时间的延长，植物进入成熟期，对其磷的西秋凉有所下降，同时植物不可以通过根系吸收来获取其生长所需要的磷，还可以直接利用贮存在植物体内的磷。在低水平磷下，水葫芦、黄菖蒲、水葱对磷的累计吸收量较高，分别为82.7 mg/株、82.9.mg/株、82.3 mg/株，而美人蕉对磷的累计吸收量相对较低，为79.5 mg/株。在高磷的水平下，黄菖蒲、水葱对磷的累计吸收量较高分别为202.1 mg/株、202.3 mg/株。而水葫芦和美人蕉相对较低，为192.3 mg/株、197 mg/株。从以上分析结果可以看出，无论供磷水平高低，四种植物中，水葱和黄菖蒲对磷的吸收能力强，而美人蕉和水葫芦相对较弱。

［1］ Mcjarmet C L.Nitrogen and phosphorus tissue content rations in4 1 wetland plants:a comparison acrosshabitatsand functional groupsfJ］.Functional Ecology，1995，9(5):231-238.

［2］ 刘剑彤，丘昌强，陈珠金等.复合生态系统工程中高效去除磷、氮植被植物的筛选研究［J］.水生生物学报，1998，22(1):1-8.

［3］ Sharon A.Bramwell and P.V.Devi Prasad.Performance of a small Aquatic PlantWastewater Treatment System under Caribbean Conditions Journal of EnvironmentManagement.1995，4(3):213-220.

［4］ 王剑虹.麻密植物修复的生物学机制［J］.植物学通报，2000，17(6):504-512.

［5］ 王英彦，熊易，铁锋.用凤眼莲根内金属硫肽检测重金属污染的研究［J］.环境科学报，1994，14(4):421-438.

［6］ 汪敏，郑师章.凤眼莲体内多酚氧化酶的生理生化特性［J］.复旦学报自然科学版，1994，33(2):157-164.