16种观赏植物对锦鲤工厂化循环水养殖水体污染物的净化作用研究

贾成霞，辛支明,2，曲疆奇，刘　盼，杨　慕，张清靖

(1北京市水产科学研究所渔业生物技术北京市重点实验室，北京 100068；2 四川农业大学动物科技学院，四川 成都 611130)

生态浮床技术通过种植在载体上的植物对水体污染物进行吸收、吸附等，从而达到净化水质的目的，具有净化效率高、运行维护简单、成本造价低、环境友好、景观效果好等优点[1-2]。近年来该技术被广泛应用于河道、公园、养殖池塘等各类水体的生态修复中[3-6]。浮床植物的筛选是该技术的核心，也是当前研究的重点。由于不同水生植物的生活习性、生长周期、耐水性等不同，生态浮床技术的处理效果在不同水质和环境条件下具有较大差异[7-9]。目前，对生态浮床净水技术的研究及应用报道主要集中于开阔水域水体的修复净化，对工厂化循环水养殖水体的报道较少。

工厂化循环水养殖(简称工厂化养殖)由于养殖密度高、饲料投喂量大、残饲和粪便产出多、有机物污染负荷高，常规的机械设备及物理和生化措施水处理成本较高[10]。生态浮床净化技术不仅可以有效去除水体中污染物，降低整个工厂化养殖系统的污染负荷，而且具有很好的景观效果和环境友好性，能为养殖动物提供良好的生态环境，因此具有较好的应用前景。

针对锦鲤工厂化养殖水体，根据工厂化养殖室内光照强度比开阔水域低、景观效果要求高、养殖环境温度高等特点，对16种常见观赏植物在工厂化养殖条件下的生长状况及植物中总氮(TN)、总磷(TP)、铜(Cu)、锌(Zn)、汞(Hg)和铅(Pb)含量进行了比较，评价了16种植物的净水效果，旨在为锦鲤工厂化循环水养殖水体污染物净化筛选合适的浮床植物，探寻净化效率高、景观效果好、适应能力强的生态浮床净化技术，为该技术在水体污染修复中的推广应用提供参考依据。

1　材料与方法

1.1　试验材料

16种常见观赏植物(表1)来源于河北省廊坊市莲韵苑水生花卉研究所，试验挑选大小均匀、叶面和根部健康的植株。浮床采用聚乙烯泡沫板，规格为100.0 cm(长)× 100.0 cm(宽)× 13.8 cm(高)，考虑到植株大小及光需求等，每个泡沫板上平均分布16个放置孔，孔径7.5 cm，孔间距7.2 cm。

表1　所试植物名称

1.2　试验方法

由于工厂化养殖过程中夏季高温期养殖密度高、饲料投喂量大、污染负荷高，因此试验选择2013年6月13日—10月5日在北京市通州区鑫淼水产总公司工厂化循环水养殖车间内进行。试验车间为封闭式，车间长48.00 m、宽 31.74 m，以砖墙和钢架为主体，四周为可透光的钢化玻璃墙体，顶部亦采用可透光材料。试验期间定时测量车间内光照度，室内光照度约为室外的56%～72%。

工厂化循环水养殖系统由养殖池、竖流沉淀器、全自动上流式超高速聚丙烯滤块过滤器(SDPP高速过滤器)、生物滤池、紫外消毒以及充氧设备组成(图1)。养殖池6个，规格均为4.4 m(长)×3.4 m(宽)×1.2 m(高)，单池水体有效容量约15 m3；采用双通道排水排污装置和竖流沉淀池将部分可沉淀颗粒物分离，然后进入SDPP高速过滤器(过滤精度10 μm，水循环速率为15 m3/h)进一步过滤；生物滤池总体积5 m3，内置悬浮填料2.5 m3；最后经紫外消毒后循环利用；养殖池和生物滤池中利用充氧设备微孔曝气。

图1　工厂化循环水养殖系统工艺流程图

试验期间，每次投喂饲料前对养殖池、竖流沉淀器进行排污，对SDPP高速过滤器进行反冲洗，排污后补加水。养殖品种为锦鲤(Cyprinuscarpio)，初始投放密度为20 kg/m3，每天9:00、13:00和17:00按体质量1%投喂膨化配合饲料。浮床放置于各个养殖池表面，每块浮床上种植16株单一品种植物。试验开始和结束时分别测量植株株高、根长和生物量(湿重)。试验结束时，清洗植物根部后放置在实验室内自然晾干，105 ℃烘30 min后，80 ℃烘干至恒重，称量生物量(干重)，根据文献[11]中的方法对植株中总氮、总磷、汞、铅、铜、锌含量进行测定。

1.3　植物净化能力综合分析与筛选

根据测定的植物生物量湿重和干重以及总氮、总磷、汞、铅、铜、锌含量，分别计算植物水分含量以及总氮、总磷、汞、铅、铜、锌累积量，计算公式分别为：

Cw= (Ww-Wd)/Ww

(1)

Pi=Ci×Wd

(2)

式中：Cw—植物水分含量，%；Wd—植物生物量(干重)，g；Ww—植物生物量(湿重)，g；Pi—单位面积植物体内污染物i累积量，mg/m2;Ci—植物体内污染物i含量(mg/g)。

分别采用Tanner评价法[12]和SPSS聚类分析[13]对16种植物的净化能力进行综合评价。

1.4　统计分析方法

试验数据使用Excel进行整理，采用SPSS16.0软件进行数据显著差异性检验。

2　结果与分析

2.1　植物生长变化情况

试验结束时，16种植物生长正常，植株生长变化情况如表2所示。

表2　植物生长变化情况

16种植物株高分别增加18.4 ～ 129.5 cm，其中花叶芦竹、水生美人蕉、千屈菜和紫叶美人蕉株高增加最多，达到100 cm以上；其次是黄菖蒲、马蔺、鸭脚木、彩叶草，株高增加50 cm以上；其余8种植物中红掌株高增加最小，为(18.4±1.3)cm。16种植物根系生长情况差异较大，鸭脚木、水生美人蕉和黄菖蒲3种植物的根系增长35 cm以上；金钻蔓绿绒、红掌、紫叶美人蕉和千屈菜根系增长20 cm以上；其余9种植物根系分别增长6.6 ～18.0 cm，其中，花叶芦竹、袖珍椰子、金边吊兰和彩叶草根系增长量较小，均低于11 cm。16种植物的含水率范围为67.6% ～ 93.9 %，其中水生美人蕉、金钻蔓绿绒、金边吊兰和紫叶美人蕉的含水率较大，在90%以上；花叶芦竹、袖珍椰子和马蔺含水率相对较低。16种植物生物量(干重)均明显增加，花叶芦竹增加最大，为(63.3±4.8)g；黄菖蒲、水生美人蕉、猫眼竹芋、千屈菜、紫叶美人蕉、马蔺和金边吊兰生物量(干重)增加超过25 g；生物量(干重)增加最少的植物为彩叶草。

2.2　植物中总氮、总磷及重金属含量

16种植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb含量差异较大(表3)。总氮含量范围为0.91% ～2.82 %，含量最高的为莲花竹，与其他植物差异极显著(P<0.01)；其次为黄菖蒲、千屈菜、花叶万年青等；马蔺含量最低，极显著低于其他植物(P<0.01)。总磷含量范围为0.15 % ～ 0.41 %，含量最高的为花叶万年青和红掌，极显著高于其他种类植物(P<0.01)；其次为黄菖蒲、水生美人蕉、鸭脚木等；最低的为马蔺和袖珍椰子。Cu含量范围为3.78 ～ 16.78 mg/kg，含量最高的为花叶万年青，含量最低的为鸭脚木，与其他种类植物差异极显著(P<0.01)。Zn含量范围为1.77 ～ 14.31 mg/kg，含量最高的为千屈菜，极显著高于其他种类植物(P<0.01)，含量最低的为袖珍椰子。Hg含量范围为0.015～0.062 mg/kg，含量最高的为彩叶草，与其他种类植物差异极显著(P<0.01)，含量最低的为金钻蔓绿绒。Pb含量范围为0.07 ～ 0.56 mg/kg，含量最高的为花叶芦竹，含量最低的为花叶万年青，与其他种类植物差异极显著(P<0.01)。

表3　植物TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb含量

注：*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)。下同

2.3　植物污染物累积量及其生物量相关性分析

不同植物单位面积TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累积量见表4。不同植物对TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb的累积量差异较大。花叶芦竹和黄菖蒲对TN、TP的累积量极显著高于其他植物(P<0.01)，其次为千屈菜和水生美人蕉，彩叶草对TN和TP的累积量均最小。千屈菜对Cu、Zn和Hg累积量均最高，花叶芦竹对Pb的累积量极显著高于其他植物(P<0.01)，彩叶草、莲花竹对Cu、Zn的累积量最低，花叶万年青对Hg和Pb的累积量最低。千屈菜对Cu、Zn和Pb的累积量与其他植物比较具有极显著差异(P<0.01)。表5为16种植物TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb累积量与生物量(干重)的一元线性回归方程，分析发现16种植物TN、TP及Pb的累积量与生物量(干重)呈现良好相关性。

表4　单位面积植物TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累积量

表5　植物TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累积量与生物量(干重)相关性分析

注：x表示生物量(干重)；y表示累积量

2.4　植物净化能力评价

分别采用Tanner评价法和SPSS聚类分析对16种植物的净化能力进行了综合评价。Tanner评价分析指标包括生物量(干重)以及TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb累积量，综合评价结果见表6。结果显示，黄菖蒲、花叶芦竹和千屈菜的综合评分最高，水生美人蕉、金边吊兰和紫叶美人蕉的综合评分中等，而花叶万年青、彩叶草、红掌和袖珍椰子的综合评分较低。采用SPSS聚类分析对不同植物的净化能力进行了聚类分析，结果见图2。以聚类重新标定距离10为标准，可将这16种水生植物聚类为3类，净化能力最强的是千屈菜、黄菖蒲和花叶芦竹，其次为水生美人蕉，其余种类净化能力弱。两种评价方法得出的结果基本一致，黄菖蒲、千屈菜、花叶芦竹在两种评价方法中均为净化能力最强的植物，花叶万年青、彩叶草均为净化能力最弱的植物，因此黄菖蒲、花叶芦竹和千屈菜适合作为工厂化养殖水体中的TN、TP以及Cu、Zn、Hg和Pb的潜力净水植物，而且具有景观效果好、维护简单等优点，适宜在工厂化养殖水体净化中推广应用。

表6　植物净化能力Tanner综合评价结果

图2　植物净化能力聚类分析

3　讨论

3.1　不同植物对污染物净化能力差异分析

所试植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb 均被检出，说明16种植物均能吸收富集这些污染物。但是不同植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb的含量差异较大。莲花竹中TN含量最高，但TP却非常低；TP含量较高的花叶万年青和红掌其总氮吸收能力却不高。千屈菜中Cu、Zn、Hg和Pb含量均较高，说明其对这4种重金属均具有良好的吸收富集作用，可以作为重金属去除的潜力净水植物；花叶万年青对Cu具有很好的吸收富集作用，但对Pb的吸收率较低；彩叶草吸收Cu和Hg的作用较强；金钻蔓绿绒吸收Cu作用较强，但对Hg的吸收率较低。对不同污染物含量之间的相关性分析也发现，植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb含量之间无显著相关性，这说明16种植物对TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb的吸收能力不同。因此，在实际应用这些植物进行水体修复时需要结合待修复水体的水质条件和净化目的合理搭配相应的植物品种。4种重金属中Cu含量最高，Zn和Pb次之，Hg含量最低，这可能是由于锦鲤工厂化养殖过程中部分渔药成分，如硫酸铜等的使用造成的，由于Hg属于禁用渔药成分，其主要来源于禁用规定前的池塘污染以及环境本底，因此含量较低。重金属离子毒性大，在环境中不易被代谢，且容易被生物所富集，具有生物放大效应[14]。重金属进入植物体内后大部分可与植物体内的某些蛋白质或多肽结合从而贮存下来[15]，因此可以通过植物的吸收、吸附和根际过滤等作用将水体中的重金属转移，降低其在水体中的含量及对水生生物的毒性作用。然而，植物对重金属的积累不能无限增加，因此在锦鲤工厂化养殖过程中对含Cu渔药的使用应更加谨慎，以免造成进一步的污染，并可根据养殖水体水质情况在浮床植物配置中适当增加对Cu净化能力强的植物数量。

3.2　植物净化能力与生长情况的关系

研究表明，植物可以吸收水体中的无机氮作为自身营养成分合成植物蛋白等有机氮，同时植株将光合作用产生的氧气经通气组织向根区释放氧气，在植物根部形成好氧—缺氧—厌氧的微环境生境，有利于根系周围硝化菌和反硝化菌的共存，从而增强污染物的降解、转化等[16-18]。工厂化循环水养殖由于车间光照比一般露天池塘差，因此会直接影响植物的光合效率以及植物的根部泌氧等[19-21]，进而影响植物及根际微生物对氮、磷等污染物的去除作用。本研究中所试16种植物均能在光照相对不足的环境条件下正常生长。李丽[22]研究发现，光化学量子产量可以反映植物的潜在光合能力，黄菖蒲的实际量子产量较高，说明其具有较好的光合效率。本研究也发现黄菖蒲对光照相对差一些的环境条件较为适应，净化效果相对较好。大型水生植物由于根系较为发达，净水能力强，而根系欠发达的小型水生植物净化能力则较弱[23]。本研究中黄菖蒲、花叶芦竹、千屈菜等大型水生植物植株高大，生长旺盛，具有粗壮的主根和繁茂的不定根，净化效果较好；而彩叶草、红掌、袖珍椰子等植株相对矮小，根系欠发达，净化效果也相对差。从植物中污染物累积量与生物量(干重)之间相关性分析可以看出，生物量是决定植物净化能力的重要因素，污染物含量对累积量的影响较小，生物量大小可以直观地反映出其净化能力。以往的研究也发现，植物的生长特性和株型是影响其净化能力的重要因素，同等条件下植株的生物量越大，其对污染物的吸收、转化和储存能力越强[24]。本研究中黄菖蒲、花叶芦竹、千屈菜等对TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累积量均较高，这些大型植物在试验条件下生长迅速，可以从水体中快速吸收利用氮、磷等对植物生长有效的营养元素并转化为植物生物量，因此净化能力较高。在以工厂化养殖水体净化为目的的生态浮床植物配置中，可以黄菖蒲、花叶芦竹为主要净水植物，并点缀千屈菜、水生美人蕉等，以达到有效去除水体中氮、磷等污染物，并降低水体中重金属含量的目的。在实际应用过程中可定期刈割浮床上部植株，不破坏植物根部，避免由于枯叶造成水体二次污染，保证植物持续净化效果，减少再次种植成本，并利于植物补偿生长[25]。

4　结论

在锦鲤工厂化循环水养殖系统中，16种观赏植物平均株高、根长、生物量(干重)均明显增加，对水体中TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb均有较好的富集去除作用，但不同植物中污染物含量差异较大。花叶芦竹和黄菖蒲对TN和TP的累积量最高，千屈菜对Cu、Zn和Hg累积量均最高，花叶芦竹对Pb的累积量最高。植物中TN、TP和Pb的累积量与生物量(干重)呈现出良好的相关性。研究表明，黄菖蒲、花叶芦竹和千屈菜可作为工厂化循环水养殖条件下生态浮床的潜力净水植物。

□