蕹菜对复合污染水体的净化效果研究

饶丹华，何建军，惠阳，耿胜荣，

白婵1，程刚3，鉏晓艳1，李新1，廖涛1

(1.湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所/湖北省农产品辐照工程技术中心，武汉　430064；

2.中国科学院水生生物研究所，武汉　430070； 3.武汉工程大学化学与环境工程学院，武汉　430073 )



蕹菜对复合污染水体的净化效果研究

饶丹华1,3，何建军1，惠阳2，耿胜荣1，

白婵1，程刚3，鉏晓艳1，李新1，廖涛1

(1.湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所/湖北省农产品辐照工程技术中心，武汉430064；

2.中国科学院水生生物研究所，武汉430070； 3.武汉工程大学化学与环境工程学院，武汉430073 )

摘要：针对水体富营养化和重金属复合污染的问题，选用蕹菜，俗名空心菜(Ipomoeaaquatica)作为浮床植物，设置五组不同富营养化水平与重金属Cd、Cr复合污染的水体，研究蕹菜浮床技术修复的效果。结果发现水体总磷、总氮、硝氮、氨氮等含量均明显降低，Cd和Cr含量也有效下降。相对对照组，总磷、总氮、硝氮、氨氮、Cd和Cr去除率提高值分别为19.8%~8.6%、26.1%~13.7%、33.9%~8.6%、21.1%~13.2%、53.6%~41.6%、35.8%~16.5%。蕹菜浮床修复效果明显，并且Cd的去除率提高值与富营养化程度呈正相关性，其余都是富营养化越严重，提高值越低。

关键词：蕹菜；浮床；富营养化；重金属

富营养化污染和重金属污染是水体污染的两大重点课题，由其引发的环境、经济和健康安全问题屡见不鲜，近年来备受关注。对受污水体的治理手段多种多样，早年所用的物理、化学等方法，弊端明显，高耗能，低效率，操作过程复杂，且伴随着一定的二次污染[1- 5]。近年来兴起的生物修复技术用生态治理生态，具有绿色安全、成本低、效果好、操作管理方便等显著优点[6]。目前应用于植物浮床修复水体技术的植物多达80余种，多为一年或多年生水生景观植物[7]，例如香蒲、芦苇、凤眼莲等，水生蔬菜应用相对较少。本实验选用多维管束水生蔬菜——蕹菜(Ipomoeaaquatica)为实验对象，用不同富营养化程度水体模拟室外污染水体，并人工添加重金属Cd和Cr模拟复合污染，研究浮床处理对富营养化和重金属复合污染的修复规律，为蕹菜浮床技术的应用提供一定的理论基础。

1材料与方法

1.1　实验材料

实验蕹菜：由武汉市蔡甸区东方之子生态农庄培育，选取生长健康状况良好、长势均匀、没有损伤、没有黄叶的蕹菜幼苗，于霍格兰培养液中驯化培养7天，使其适应水体生长。开始实验时，蕹菜幼苗平均株高约为10 cm。

实验浮床：由中等密度平整泡沫板作材料，将泡沫板裁剪成每块浮床基质板长宽为50 cm×30 cm。每块泡沫板上按50 cm×30cm的布局均匀打上15个直径约为2 cm的圆孔用来放置蕹菜幼苗，孔间距为10 cm×10 cm。

实验箱：以同种型号的塑料水箱为容器，数目为20个。每个富营养化浓度设有实验组和对照组，均作平行处理，共五组。长:宽:高为70 cm×30 cm×50 cm，每个水箱都安放一个15孔泡沫板作为浮岛床体。实验组的泡沫板上每个孔放置2株蕹菜幼苗，对照组不放置蕹菜。提供充足光照和30℃恒温。

实验水体为自配富营养水体，除氮磷元素不添加其余均按霍格兰培养液配制，氮磷具体配制见表1。

1.2　实验设计

设置5组实验水体，实验组有蕹菜浮床，对照组无蕹菜浮床。根据地表水质标准，浓度1为Ⅲ类水，浓度2为Ⅴ类水，浓度3～浓度5是三种程度富营养化污染水体。各组水体均添加Cd和Cr，使得Cd浓度为1 mg/L(超过Ⅴ类水标准0.01 mg/L)，Cr浓度为1 mg/L(超过Ⅴ类水标准0.1 mg/L)。氮磷等物质浓度设置如表1所示。

表1　五组氮磷浓度梯度设置

以7天为一个周期，从2015年4月15日至2015年5月20日连续测量5次水样中总氮、总磷、氨氮和硝酸盐氮以及Cd和Cr的值。

1.3　实验方法

水中的总磷采用钼酸盐分光光度法测定(GB 11893—89)，水中的总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测量(GB 11894—89)，水中的氨氮采用纳氏试剂分光光度法测量(HJ 535—2009)，水中的硝酸盐氮采用紫外分光光度法进行测量(GB 7493—87)，Cd和Cr含量采用火焰原子吸收法测量[8]。

2结果与分析

2.1　蕹菜生长状况

从实验开始到实验结束，所有蕹菜植株累计死亡3棵，成活率约为100%，死亡植株及时更换成新的健康植株。浮床栽种蕹菜初期，蕹菜普遍出现一定程度萎蔫、倒伏现象，经过3 d的适应与自行恢复便基本重新挺拔、叶片舒展，完全复活。培养10 d后，蕹菜根系均普遍生长旺盛，已经有些新根生成。

实验当中浮板上方的蕹菜长高速度较快，且各实验组长高的速度较类似，只是蕹菜的茎叶粗细厚实程度有差异，故可以统一时间进行采收过高的蕹菜茎叶部分。整个实验过程共采收3次蕹菜，每次都在蕹菜平均株高(不含浮板下面的根部)达到27~35 cm的时间段采收，每次采收后蕹菜平均留茬(不含浮板下面的根部)12 cm左右。首次采收时间在实验第13天，第二次采收在实验第19天，第三次采收在实验第28天。试验结束时蕹菜平均株高(不含浮板下面的根部)达到17~25 cm。总体上，低浓度实验组株高较高浓度组高、长得壮。实验组每次采收完过两三天就可快速长出新芽，随后新芽快速生长增高。

2.2　蕹菜浮床对水体总磷含量的去除效果

实验组和对照组水体总磷的去除率情况如图1所示。

图1　各组水体总磷去除率随时间变化情况Fig.1　The removal rate of total phosphorus in each groupof water bodies according to temporal variations

总磷初始浓度测量平均值从实验组1～实验组5依次为0.30、0.46、0.83、1.22、2.05 mg/L，浓度1的实验组和对照组磷初始浓度均达到Ⅳ类标准，浓度2组也超过Ⅴ类标准。到第五周实验末期，实验组1~实验组5磷元素的终浓度依次为0.12、0.18、0.44、0.75、1.31 mg/L，实验组1和2，对照组1均降到Ⅲ类标准以内，其余各组磷含量也有一定幅度降低。

实验组与对照组总磷含量均呈下降趋势，但实验组磷浓度降低值更为显著，说明没有蕹菜浮床体系的对照组依靠磷元素的沉降也可以降低磷含量，实验组除了磷沉降作用还有植物的除磷作用。如图1所示，跟对照组相比，实验组有着较好的去除率提高值，实验组1~实验组5去除率分别提高19.84%、17.01%、12.06%、10.07%、8.56%。刘晓丹、李军[9]等人研究表明蕹菜对总磷的去除率为97.48%，本实验蕹菜浮床除磷效果不及文献报道，可能原因是本实验所用的蕹菜苗过于幼小，初始株高只有约10 cm，延迟了生长旺盛大量吸收氮磷等物质的时间，在实验时间内没有达到吸收效果的最大化。其次，本实验为重金属富营养化复合污染，水中Cd和Cr对蕹菜造成一定的毒害作用，阻碍了蕹菜的正常生长，抑制了蕹菜根部对水体磷的吸收能力。初始水体磷污染程度越大，蕹菜浮床系统的最终除磷率越低，可能是磷浓度低时，植物为满足自身生长所需吸收了较多的磷，而磷浓度高时，磷的供给超出了植物所需，植物吸收达到饱和，因此总的磷利用率降低。

实验组1和实验组5在第一周去除率提高值小于对照组，原因是栽种的蕹菜根部向水体释放了含磷物质，导致磷含量高于对照组。实验组1浮床体系在实验初期的除磷效果较其他高浓度组较为缓慢，可能是蕹菜根内外浓度差偏小，浓差拉力较小，导致磷吸收缓慢。到后期，蕹菜根部生长旺盛，吸收能力较强，可以较好地自主吸收水体磷元素，因此对磷的去除率升高。

2.3　蕹菜浮床对水体各种氮的去除效果

2.3.1水体总氮含量的去除效果

实验组和对照组水体总氮的去除率情况如图2所示。

图2　各组水体总氮去除率随时间变化情况Fig.2　The removal rate of total nitrogen in each groupof water bodies according to temporal variations

总氮初始浓度测量平均值从实验组1、对照组1，实验组2……对照组5依次为3.05、3.18，4.69、4.76，9.48、10.43，18.68、19.32，24.11、24.90 mg/L，前四组总氮的初始测量值均超出设定值较多，后六组超出不大，各组总氮含量均超过Ⅴ类标准(2 mg/L)。最终到第五周，实验组1～实验组5总氮的终浓度平均值依次为1.11、2.35、5.80、11.76、16.94 mg/L，实验组1的氮含量降低到Ⅳ类标准，其余各组虽说依然超出Ⅴ类标准，但浮氮下降量还是显著的。实验组1～实验组5浮床提高的净去除率依次为26.14%、21.00%、19.45%、18.34%、13.75%。可见总氮含量越高的水体，较之空白对照组，蕹菜浮床体系所产生的去除率越低，说明蕹菜浮床对低浓度富营养化污染水体较为适用，富营养化污染程度过高的水体则效果不明显。

随着时间变化，蕹菜浮床体系对总氮去除率的改变趋势类似总磷的变化趋势。初期实验组2与对照组的差值最大，总氮去除率最高，高浓度组相对较低，实验组1由前期的慢速降低到后期降低速度加快，成为五个污染浓度水平之中除氮效果最好的一组。实验组总氮的降低途径可以是植物吸收，也可以是细菌微生物的分解、硝化-反硝化转化。而对照组属于空白处理，对照组的水体会自然滋生出各类好氧菌、厌氧菌，包括硝化细菌、反硝化细菌等除氮微生物，滋生过程极为缓慢，因此对照组总氮含量依然能够缓慢降低。

2.3.2水体硝酸盐氮含量的去除效果

实验组和对照组水体硝酸盐氮的去除率情况如图3所示。

图3　各组水体硝酸盐氮去除率随时间变化情况Fig.3　The removal rate of nitrate nitrogen in each groupof water bodies according to temporal variations

实验组1和实验组5在前两周去除率低于对照，是由于栽种的蕹菜根部向水体释放的含氮物质超过吸收量，导致磷含量高于对照组。实验组1～对照组5各组的硝酸盐氮平均去除率分别为68.3%、34.4%、59.2%、29.0%、45.9%、29.0%、32.2%、18.3%、33.0%、24.3%，实验组1～实验组5浮床提高的净去除率依次为26.14%、21.00%、19.45%、18.34%、13.75%。水体硝酸盐氮含量越高，蕹菜浮床体系所产生的净去除率越低。

实验组和对照组水体硝酸盐氮的浓度在实验前两周变化较平缓，实验组的优势不明显。两周以后实验组开始加快硝酸盐氮的去除。可能原因是水体中氮元素的去除主要依靠微生物的分解转化(如硝化细菌-反硝化细菌协同作用将氮转化为N2、N2O等挥发组分脱离水体)，而初始实验水体只人工添加无机盐等营养物质，尚无微生物存在或微生物数量极少，反硝化作用不显著。后期因为植物提供的有利微环境，各类细菌微生物大量生长繁殖，反硝化作用较为突出，硝酸盐氮去除加快。以对照组为参照，蕹菜浮床系统对硝酸盐氮的去除率提高值随硝酸盐浓度的减小而升高。

2.3.3水体氨氮含量的去除效果

实验组和对照组水体氨氮的去除率随时间变化情况如图4所示。

图4　各组水体氨氮去除率随时间变化情况Fig.4　The removal rate of ammonia nitrogen in each groupof water bodies according to temporal variations

到第五周，测得水体氨氮的终浓度平均值从实验组1、对照组1……对照组5依次为0.12、0.21，0.17、0.28，0.41、0.57，0.44、0.65，1.18、1.49 mg/L。实验组1～对照组5各组的氨氮去除率分别为72.2%、51.1%，72.4%、55.6%，57.0%、42.4%，64.3%、49.8%，43.9%、30.6%。实验组1水体去除率最高，氨氮含量达到Ⅰ类水体标准，实验组2、实验组3和实验组4水体达到Ⅱ类水体标准，实验组5水体达到Ⅳ类水体标准。对照组水体也处于Ⅱ类到Ⅳ类标准之间，实验组相对对照组优势不大。实验组1~实验组5浮床提高的氨氮净去除率依次为21.06%、16.82%、14.68%、14.43%、13.22%。蕹菜浮床体系所产生的净去除效果与水体氨氮含量呈负相关性。

水体氨氮的去除主要是植物根际的微生物通过硝化作用等生命活动去除，理论上除了植物微生物的作用外还与pH有关，当水体pH值为8～9.3时，氨挥发显著，pH值为7.5～8时，氨挥发不显著，当pH值小于7.5时，氨挥发可以忽略不计[10- 11]。实验过程，水体pH始终保持在蕹菜较适宜的6～7.5之间，故氨氮的减少可以只考虑植物微生物的作用。

与硝酸盐氮的变化趋势不同，实验组和对照组氨氮浓度在实验初期便开始快速下降，后期继续下降，但已渐趋平缓。与对照组相比，蕹菜浮床体系对氨氮去除率的提高效果基本在26.22%～11.42%之间。到第五周时各实验组由实验组1到实验组5的去除率提高值分别为21.06%、16.82%、14.68%、14.43%、13.22%。初始氨氮浓度越小的组，蕹菜体系的修复效果越好。

2.4　蕹菜浮床对水体重金属的去除效果

到实验结束时，各浓度水平水体重金属Cd和Cr的去除率如图5所示。

图5　第35天各组Cd和Cr的去除率Fig.5　The removal rate of Cd and Cr in eachgroup on the thirty-fifth day

实验组和对照组最终Cd和Cr的浓度均有明显降低，尤其实验组去除重金属效果更为显著。实验组1～实验组5在第5周Cd的平均浓度就已分别降至0.057、0.071、0.078、0.093、0.149 mg/L，Cr的平均浓度则分别降至0.215、0.331、0.364、0.422、0.473 mg/L。可以看出，蕹菜浮床体系对Cd和Cr污染水体有良好的净化能力，但各组Cd和Cr的终浓度仍高于水体Ⅴ类标准，处于劣Ⅴ类污染水平，有待进一步去除。实验组和对照组的除Cd率和除Cr率随氮磷浓度升高均呈逐渐降低趋势，说明高富营养化污染对水体利用自净能力或生物作用的修复效果有抑制作用。

相对各自的对照组，实验组1～实验组5对Cd去除率的提高值分别为41.6%、47.9%、49.8%、57.3%、53.6%，随氮磷浓度升高而逐渐提高。相对各自的对照组，实验组1～实验组5对Cr去除率的提高值分别为35.8%、24.1%、31.7%、19.5%、16.5%，随氮磷浓度升高而逐渐降低。浮床体系对Cd的去除效果显然优于对Cr的去除效果。同时，以自身为对照，水体富营养化程度越轻，浮床体系去除Cd和Cr的能力越强。但参照对照组，水体富营养化程度越重，浮床提高的除Cd率逐渐提高，而提高的除Cr率逐渐降低。显然，氮磷含量影响蕹菜修复重金属污染的能力，且影响Cd和Cr的方式不一样，具体机理需要进一步研究。

3结论与讨论

实验表明，蕹菜浮床技术对不同污染水平的水体均能有效进行修复。不同氮磷浓度水平水体之间存在着修复效果的差异，大体上呈现出修复效果与氮磷浓度水平呈负相关性规律，富营养化越严重，蕹菜浮床的修复效果越低。这就表明在实际应用中，蕹菜浮床技术较为适用的水体是轻度富营养化污染水体，高污染水体应用效果不明显。

蕹菜浮床对总磷去除率的提高基本在10%以上，对总氮去除率的提高基本在20%左右，总氮的修复效果比总磷的修复效果好，可能是其不同的去除机制导致的。总磷的去除主要是两方面，一是含磷物质的沉降作用，二是植物对磷元素的吸收富集，供给自身生长需要。总氮的去除途径一是植物的吸收利用，二是水体细菌微生物的分解吸收作用。其中微生物的除氮作用是主要除氮机制，主要途径是微生物的硝化-反硝化途径[12- 13]。显然，氮的去除有微生物这条机制，磷则没有，因此氮的去除效果更好。

实验表明，蕹菜浮床对重金属Cd和Cr去除效果明显，对Cd的去除率达到85.1%以上，对Cr的去除率达到52.7%以上，除Cd效果更好。相对空白对照组，体系对Cd的去除效果在高污染水体中较好，对Cr的去除效果在低污染水体中较好。至于具体机理有待深入研究。

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Study on Purification Effect of Water Spinach on Combined Polluted Water Body

RAO Dan-hua1,3, HE Jian-jun1, HUI Yang2, GENG Sheng-rong1, BAI Chan1,

CHENG Gang3, ZU Xiao-yan1, LI Xin1, LIAO Tao1

(1.Institute of Agro-Products Processing and Nuclear-Agricultural Technology, Hubei Academy of Agricultural Sciences/Hubei

Engineering Research Center for Farm Products Irradiation, Wuhan 430064, China; 2.Institute of Hydrobiology,

Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430070, China; 3.College of Chemistry and Environmental

Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China)

Abstract:To solve the combined polluted water body with eutrophication and heavy metals, water spinach (also known asIpomoeaaquatica) was selected as a floating bed plant in this study. The removal efficiency of water spinach floating bed technology was analyzed in five groups of different eutrophication levels and combined polluted water bodies with heavy metals Cd and Cr. The results showed that the contents of total phosphorus, total nitrogen, nitrate nitrogen, ammonia nitrogen were significantly decreased, and the contents of Cr and Cd were also decreased effectively. Compared with the control groups, the increased removal rates of total phosphorus, total nitrogen, nitrate nitrogen, ammonia nitrogen, Cd and Cr were 19.8%~8.6%, 26.1%~13.7%, 33.9%~8.6%, 21.1%~13.2%, 53.6%~41.6% and 35.8%~16.5% respectively. The removal efficiency of water spinach floating beds was significant. Besides, the increased removal rate of Cd was positively correlated to the eutrophication level, and the increased removal rates of rest pollutants were inversely proportional to the eutrophication level.

Key words:water spinach; floating beds; eutrophication; heavy metal

通讯作者：廖涛，副研究员，主要从事水产品加工与安全研究，E-mail：17418431@qq.com

作者简介：饶丹华(1990—)，女，湖北鄂州人，硕士，主要从事水产品加工与安全研究，E-mail：672629882@qq.com

基金项目：武汉市国际科技合作计划项目(2014030709020314)；湖北省科技支撑计划项目(2014BBA163)；湖北省农业科技创新中心项目(2016-620-007-001)

收稿日期：2015-12-06

中图分类号：X52

文献标识码：A

文章编号：2095-6444(2016)01-0079-05

DOI:10.14068/j.ceia.2016.01.022