8种水生生物对富营养化水体的净化效果

胡凯泉+许振成+曾东

摘要： 选取8种水生动植物，研究其静态条件下在富营养化水体中的生长状况以及各系统单元对水体中氮、磷及有机物的净化效果，并对最优种植和放养密度进行筛选。结果表明，合理的种植和放养密度能提高水体净化效果，挺水植物组和沉水植物组对各水质指标的平均去除率明显高于鱼类组。对水质指标总氮（TN）、总磷（TP）、硝态氮（NO3--N）、氨态氮（NH3-N）、化学需氧量（COD）去除效果比较结果：挺水植物组中综合去除率最好的为风车草，去除率分别为95.55%、98.33%、62.09%、90.37%、58.80%，沉水植物组中狐尾藻对TN、TP、NO3--N、NH3-N、COD的去除率分别为98.63%、98.37%、64.56%、95.35%、58.66%。鱼类组罗非鱼对TN、NO3--N、COD的去除效果较好，去除率分别为47.3%、39.7%、32.03%；鲢鱼对TP去除效果较好，去除率为89.77%；鳙鱼对NH3-N的去除效果较好，去除率为59.78%；罗非鱼对水质指标的TN、TP、NO3--N、NH3-N、COD综合去除能力分别为811.11、106.11、69.72、661.11、1 073.33 μg/（d·g）。

关键词： 水生生物；富营养化；去除能力

中图分类号： X52 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）03-0328-04

水体富营养化问题已被广泛关注[1-2]，水生生物是水环境生态系统的重要组成部分，它们不仅能够对水体和底泥中的氮、磷和难降解有机污染物进行吸收、转化，合成自身物质，从而对富营养化水体起到净化作用，而且还能调节水生态系统的物质循环速度，增加水体生物多样性，控制藻类生长，有效提高水质，改善生态环境[3-10]。因此，水生生物的生态修复是控制水体富营养化的重要环节并且由于其具有效率高、投资少、运转费用低、可实现原位修复和控制污染物等特点，近年来受到国内外广泛关注。本研究通过模拟富营养化水体在静态条件下，对比分析不同水生动植物生长特性、氮磷等营养物质吸收能力等方面的差异，以期为水体富营养化防治控制技术应用中的生物遴选提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试物种

美人蕉、风车草、菖蒲、狐尾藻、金鱼藻、鲢鱼、鳙鱼、罗非鱼，8种材料均取自植物园和鱼苗场，所选取的植物和鱼苗均生长状况良好且性状统一。用清水洗净后，在试验条件下对各物种进行7 d适应性培养。为避免降雨对试验的影响，试验在透明塑料薄膜钢结构棚内进行，试验在32个长77 cm、宽56 cm、高48 cm 的160 L白色塑料桶内进行，试验水体体积为140 L，试验开始时在桶内铺5 cm厚底泥20 kg，试验期间添加纯水来补充因蒸发等原因损耗的水分，以保持水位。供试水体为模拟富营养化状态的水质，TN，TP，NO3--N，NH4+-N，COD浓度分别为30.64、2.19、3.12、2253、60.00 mg/L。

1.2 试验设计

试验分为3个组，分别为挺水植物组（美人蕉A、菖蒲B、风车草C）、沉水植物组（狐尾藻D、金鱼藻E）、鱼类组（鲢鱼F、罗非鱼G、鳙鱼H），挺水植物组设4个培养密度，其他组分别设4个培养密度，挺水植物组分别种4、8、12、16株，以A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C2、C3、C4表示；沉水植物组分别种植5、10、15、20株，以D1、D2、D3、D4，E1、E2、E3、E4表示；鱼类组分别放养2、4、6、8尾，以F1、F2、F3、F4，G1、G2、G3、G4，H1、H2、H3、H4表示；自试验开始时每隔7 d进行采样，采样时间为09：00。

1.3 水质测定方法

水质总磷，钼酸铵分光光度法；水质氨氮，纳氏试剂比色法；水质总氮，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；水质硝态氮，紫外分光光度法；CODCr，重铬酸钾法，测定方法参照《水和废水监测分析方法（第4版）》。去除能力（M）计算公式：

2 结果与分析

2.1 不同物种单元的培养密度净化效果比较

3种挺水植物的组合中各物种单元对于各项水质指标的去除效果见表1，随着试验时间的推移各项水质指标总体呈下降趋势，并存在不同程度的差异，各物种单元不同培养密度的去除效果也存在着明显的差异；各项检测指标的去除效果，美人蕉组、风车草组在试验结束时去除效果都以覆盖率为53%为优。各项检测指标的去除效果沉水植物组试验结束时去除效果以狐尾藻种植密度D2处理较好，为357.14 g/m3，金鱼藻以种植密度E3处理最好，为535.71 g/m3（表2）；试验结束时鲢鱼和鳙鱼以放养密度的F2、H2处理为优，去除效果为为428.57 g/m3，罗非鱼以放养密度G3处理最好，去除效果为642.85 g/m3（表3）。本试验以最优培养密度进行研究。

2.2 不同物种单元对水体TN去除效果

不同组物种单元对于TN去除效果见图1；试验 14 d以后总氮的含量开始显著下降，其中美人蕉、风车草、狐尾藻的去除效果较好，去处率分别为86.84%、95.55%、98.63%，去除能力为29.16、27.75、670.22 μg/（d·g），随试验时间的推移不同物种的净化能力逐渐显现，其中水生动物组TN的去除率为鲢鱼46.02%、罗非鱼47.30%、鳙鱼46.18%，去除能力分别为776.66、811.11、788.33 μg/（d·g），金鱼藻的去除率为57.89%，菖蒲为52.11%，金鱼藻、菖蒲的去除能力 98.7、393.11 μg/（d·g）。硝化细菌和反硝化细菌的数量和活跃程度与温度有密切关系，在高温季节TN的去除效果相对较好。植物的生理代谢活动直接关系到污染物的降解。试验42 d后狐尾藻D2处理所在水体总氮浓度从30.58 mg/L下降至0.42 mg/L，去除率为98.63%，去除能力为670.22 μg/（d·g），而罗非鱼去除率为47.3%，去除能力达到811.11 μg/（d·g），表明评价一种物种的净化效果，应以去除率为主，去除效率或者去除能力作为参考，去除率代表以沉水植物为主的整个生物系统的综合作用效果，是最终能产生的净化效果；而去除效率（增加1 g 鲜量对氮磷的去除量）或去除能力只代表该种沉水植物单位质量的净化能力，会受到环境条件、植物生理生长等因素的制约，所以能力高的物种去除率未必高，净化效果也未必好[11]。

2.3 不同物种单元对TP去除效果

不同物种单元对于试验水体中的总磷含量的去除效果见图3、图4。王丽卿等研究[12]表明，水生植物体系对水体中总磷的去除方式分为2类：一类是水生植物对总磷的直接吸收如美人蕉、菖蒲、风车草、金鱼藻，对总磷的去除率分别为9772%、86.77%、98.33%、94.09%；去除能力分别为1.91、11.95、2.05、45.31 μg/（d·g）。以植物体吸收为主要去除方式，通过叶片、根系等器官大量吸收水体和底泥的可溶性活性磷等。二类是以沉降吸附为主的去除方式如狐尾藻去除率为98.37%，去除能力44.71 μg/（d·g）。在其密集的枝叶及其分泌的助凝物质作用下，能够吸附沉降水体中的悬浮颗粒，在根区和远离根区的底泥中形成有氧和厌氧环境，改变底泥的氧化还原状态，抑制氮磷的释放，促进磷酸盐向底质的吸附转移；鱼类对水体中总磷的去除主要通过同化作用，鲢鱼、罗非鱼、鳙鱼对总磷的去除率分别为89.77%、82.82%、89.14%，对照去除率为6.02%，去除能力分别为119.16、10611、117.22 μg/（d·g）。

2.4 不同物种单元对NO3--N去除效果

由于植物根部呼吸作用较强的原因导致氮磷急剧下降，而后期是否由于水体氮磷含量减少或是植株本身对氮磷含量需求达到饱和而使水体氮磷含量稳定有待于进一步研究。尽管水生植物和微生物都可以作为硝化菌的有效载体，促进水体中硝化作用的增长，但是原水水质的波动以及昼夜温差较大成为生物硝化/反硝化过程的限制因子，因而生物的硝化作用弱。NO3--N 质量浓度缓慢下降，植物的吸收是去除 NO3--N 的主要作用，在试验物种中，风车草、狐尾藻的NO3--N去除效果相对较好，去除率分别为62.09%、64.56%，美人蕉为46.71%、菖蒲为44.1%、金鱼藻为 44.44%、鲢鱼为 39.66%、罗非鱼为39.70%、鳙鱼为41.83%。对 NO3--N去除效能由大到小的依次为狐尾藻、风车草、美人蕉、金鱼藻、菖蒲、鳙鱼、鲢鱼、罗非鱼，去除能力分别为狐尾藻 45.86 μg/（d·g）、风车草0.19 μg/（d·g）、美人蕉1.10 μg/（d·g）、金鱼藻31.77 μg/（d·g）、菖蒲6.3 μg/（d·g）、鳙鱼 74.05 μg/（d·g）、鲢鱼69.77 μg/（d·g）、罗非鱼69.72 μg/（d·g）（图5、图6）。

2.5 不同物种单元对NH3-N去除效果

在原水 NH3-N 负荷较高的情况下，植物对于 NH3-N 去除的效果明显，且持续的时间长，不会出现反弹。如图7、图8显示在各系统中，NH3-N 主要通过挥发、生物硝化反硝化、生物同化吸收 3 种机制去除，而各去除机制的效率都直接或间接地受浮游藻类的影响。尽管氨氮可以通过直接挥发、吸附到底泥等途径从水体中去除，但硝化和反硝化作用才是去除的主要途径。各单元中以狐尾藻对氨氮的去除效果最佳，这主要是因为沉水植物提高了水体中溶解氧浓度，形成的好氧条件有利于氨氮进行硝化作用转化为硝酸盐，利于沉水植物吸收。不同生长体系对水体NH3-N的去除率分别为美人蕉83.94%、菖蒲77.87%、风车草90.37%、狐尾藻 95.35%、金鱼藻72.99%、鲢鱼58.95%、罗非鱼52.91%、鳙鱼59.78%、对照5.17%；去除能力分别为美人蕉15.40 μg/（d·g）、菖蒲105.05 μg/（d·g）、风车草19.06 μg/（d·g）、狐尾藻478.44 μg/（d·g）、金鱼藻362.66 μg/（d·g）、鲢鱼742.77 μg/（d·g）、罗非鱼661.11 μg/（d·g）、鳙鱼752.22 μg/（d·g）（图7、图8）。

2.6 不同物种单元对COD的去除效果

挺水植物、沉水植物、鱼类体系对水体有机物的去除整体呈现下降趋势，但效果不显著。

植物生长前期，不同处理组的 CODCr都逐渐下降，但去除率较低。可能是水生植物虽然去除了水中的营养物质，但整个系统中的有机物并没有消除，只是发生了转化，使得CODCr浓度总体下降不显著。挺水植物组美人蕉、风车草去除效果较好，去除率分别为60.42%、58.8%，菖蒲为37.17%；沉水植物组狐尾藻的去除率为58.66%、金鱼藻为33.92%；水生动物组对CODCr的净化效果不佳，去除率分别为鲢鱼30.77%、罗非鱼32.03%、鳙鱼30.73%，对照组去除率为4.01%；去除能力为美人蕉30.57 μg/（d·g）、菖蒲151.51 μg/（d·g）、风车草33.58 μg/（d·g）、金鱼藻456.22 μg/（d·g）、鲢鱼1037.22 μg/（d·g）、狐尾藻832.66 μg/（d·g）、罗非鱼1 073.33 μg/（d·g）、鳙鱼1 035.00 μg/（d·g）（图9、图10）。

3 结论

试验42 d后挺水植物组、沉水植物组对各水质指标的平均去除率明显高于鱼类组。不同物种单元对试验水体中各项监测指标的去除效果存在一定的差异，以总磷的去除效果最为明显，其次是总氮、氨氮，在不同单元的去除效果中以狐尾藻、美人蕉、风车草对各项水质监测指标的综合去除效果较优。

3种挺水植物均能有效净化富营养化水体，对TN、TP、NO3--N、NH3-N去除率最好的均为风车草，去除率分别为95.55%、98.33%、62.09%、90.37%，去除能力分别为27.75、2.05、1.90、19.06 μg/（d·g），风车草可作为先锋物种。

2种沉水植物中狐尾藻对水体氮磷等营养盐的去除效果显著，对TN、TP、NO3--N、NH3-N、COD的去除率分别为9863%、98.37%、64.56%、95.35%、58.66%，去除能力分别为670.22、44.71、45.86、478.44、832.66 μg/（d·g），狐尾藻为优势物种。

3种鱼类中罗非鱼对TN、NO3--N、COD的去除效果较好，去除率分别为47.30%、39.70%、32.03%，去除能力为811.11、69.72、1 073.33 μg/（d·g）。鲢鱼对TP去除效果较好，去除率为89.77%，去除能力为119.16 μg/（d·g）。鳙鱼对NH3-N的去除效果较好，去除率为59.78%，去除能力为752.22 μg/（d·g）。

参考文献：

[1]刘晓丹，李 军，龚一富，等. 5种水培植物对富营养化水体的净化能力[J]. 环境工程学报，2013，7（7）：2607-2612.

[2]刘利华，郭雪艳，达良俊，等. 不同富营养化水平对挺水植物生长及氮磷吸收能力的影响[J]. 华东师范大学学报：自然科学版，2012（6）：39-45，72.

[3]Collins B S，Sharitz R R，Coughlin D P. Elemental composition of native wetland plants in constructed mesocosm treatment wetlands[J]. Bioresource Technology，2005，96（8）：937-948.

[4]黄 亮，黎道丰，蔡庆华，等. 不同水生植物对滇池入湖河道污水净化效能的比较[J]. 生态环境，2008，17（4）：1385-1389.

[5]黄 亮，吴乃成，唐 涛，等. 水生植物对富营养化水系统中氮、磷的富集与转移[J]. 中国环境科学，2010，30（增刊1）：1-6.

[6]Brix H. Do macrophytes play a role in constructed treatment wetlands？[J]. Water Science and Technology，1997，35（5）：11-17.

[7]王 华，逄 勇，刘申宝，等. 沉水植物生长影响因子研究进展[J]. 生态学报，2008，28（8）：3958-3968.

[8]宋玉芝，杨美玖，秦伯强. 苦草对富营养化水体中氮磷营养盐的生理响应[J]. 环境科学，2011，32（9）：2569-2575.

[9]王 嵩，王启山，张丽彬，等. 水库大型围隔放养鲢鱼、鳙鱼控藻的研究[J]. 中国环境科学，2009，29（11）：1190-1195.

[10]罗固源，郑剑锋，许晓毅，等. 4种浮床栽培植物生长特性及吸收氮磷能力的比较[J]. 环境科学学报，2009，29（2）：285-290.

[11]种云霄. 利用沉水植物治理水体富营养化[J]. 广州环境科学，2005，20（3）：41-43.

[12]王丽卿，李 燕，张瑞雷. 6种沉水植物系统对淀山湖水质净化效果的研究[J]. 农业环境科学学报，2008，27（3）：1134-1139.