铜钱草对不同污染负荷模拟污水的净化效果初探

袁 泉，吕巍巍，刘娅琴，周文宗

（上海市农业科学院生态环境保护研究所，上海201403）

随着我国经济的快速发展，大量的工农业污水排入到河流及湖泊中，造成了严重的水体污染问题。污水影响了大气、水体、土壤和生物，对当地生态环境及水质安全造成了很大破坏。生态浮床是一种十分有效的污染水体净化技术，具有处理效果好，建造成本低，运营费用少等优势，在工农业废水治理中得到了广泛的应用［1-2］。浮床植物能够有效吸收水体中的氮、磷、钾等营养盐成分，并能吸附水中的悬浮物质，进而达到降低富营养化、净化水质的目的。目前，在我国大型水库、河流和湖泊等水域所应用的生态浮床技术中已经种植了130多种陆生植物［3］，进行过研究的高等植物就有近80余种［4］。近年来，生态浮床技术也渐渐被应用到养殖水体中，通过浮床净化水质等多种生态功能，达到“鱼菜共生”的目的［5］。其中，被广泛使用的浮床植物有水蕹菜（俗称空心菜）［6］、水芹菜［7］、海马齿［8］等。由于不同植物对各污染物的去除效果不同，这就需要对水生植物自身及其与环境之间的生理生态特征进行研究，以促进生态浮床技术的更好应用。

铜钱草（Hydrocotyle vulgaris L.）为多年生湿生草本植物，其根茎十分发达，生命力较强，生长迅速，是一种水培观赏性植物；适宜生长于河岸、沼泽、湿地中，在我国有大量的培育。研究发现铜钱草对污水有较好的净化作用，可有效去除城市污水中的氮磷等营养盐［9-10］；此外，铜钱草作为水培观赏性植物常被应用于生态沟渠中吸附氮磷营养盐［11-14］。但其作为浮床植物对养殖水体的净化效果鲜少见报道。因此，本试验选取铜钱草作为浮床植物，研究生态浮床对不同污染负荷养殖水体的净化效果，以及水环境中营养物质的时间动态变化规律，旨在为养殖水体的污染负荷削减提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在上海市农业科学院庄行试验站温室内的人工模拟池（水泥池）中进行。每个模拟池规格150 cm×120 cm×100 cm，总容积为1.8 m3，试验用水体积为1.44 m3。铜钱草购自上海市真博花鸟市场，将植物带回室内预培养2周，选择生长发育程度相近的植株开始试验。

1.2 试验设计与方法

在植物（铜钱草）水面覆盖率均为30%的前提下，根据总氮浓度设置5个处理，即原水（河道水，L1）、TN和TP质量浓度分别约为4 mg/L和0.4 mg/L（L2）、8 mg/L和0.8 mg/L（L3）、12 mg/L和1.2 mg/L（L4）、16 mg/L和1.6 mg/L（L5），每处理重复3次，共15个试验单元（小池）。处理后各水体初始指标值见表1。试验用水取自上海市农业科学院庄行试验站温室外面的池塘，根据要求的总氮浓度，在蓄水池内加入一定量的尿素、磷酸二氢钾（化学纯）和猪场废水上清液配制人工污水，然后将人工污水抽到人工模拟池开始正式试验。

表1 试验模拟污水的水质指标Table 1 Quality indexes of experimental water

每个试验单元（小池）用PVC管做成规格90 cm×60 cm×50 cm的框架控制植物水面覆盖率，PVC管上沿打洞灌水使框架漂浮于水面，其表层管高出水面5 cm，框架内置椰丝7 kg（将椰丝用水冲洗干净并且放在清水中浸泡15 d后备用），并用大孔网袋将椰丝包捆，形成90 cm×60 cm×30 cm的方块。椰丝具有面积大、孔径大，能吸附大量微生物等特点，是新一代浮床技术中逐渐推广应用的植物支撑基质之一，其对总氮的净去除率可达56%［15］。每个处理单元表面放捞取后基本滤干表面水的铜钱草2 kg；投放泥鳅5尾，平均体质量为（90.00±2.54）g。

试验周期为49 d，试验期间水温24—27℃。每7 d对每个模拟池固定位置采集水样，采样时间集中在14：00—16：00。水样采集前用HANNA（意大利）水质分析仪现场测定水温、pH、溶解氧（DO）。用1 L容积的塑料瓶灌区水面以下10 cm左右处的水样，带回实验室分别测定总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（）、硝态氮（）、化学需氧量（CODMn）。其中，TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法（A）测定，TP采用钼锑抗比色法测定，采用纳氏比色法测定，采用流动分析仪（AA3）测定，CODMn采用高锰酸钾酸化法测定，具体操作方法参照《湖泊生态调查观测与分析》［16］。

1.3 数据处理与分析

水体营养盐去除率=［（T2-T1）/T1］×100%，其中，T1为初始水体某营养盐的总量，T2为末期水体某营养盐的总量。

利用Excel 2013和SPSS 23.0软件进行统计分析，百分数数据用反正弦转换后进行方差分析；用新复极差检验（SSR检验，即Duncan氏法）对不同处理的平均数进行多重比较；使用Origin 9.0制图。

2 结果与分析

2.1 生态浮床对不同污染负荷水体各营养盐终期去除效率

试验终期的去除率（表2）显示，处理L2—L5的TN去除率均在91%以上，TP去除率均在96%以上，极显著高于水源水L1的TN和TP去除率。随着水体污染负荷的增加，TN、TP终期去除率均上升，但无显著性差异，说明铜钱草对受污染的养殖水体氮、磷营养盐具有良好的去除效果。水源水L1的NH+4-N终期去除率明显高于其他处理组。和CODMn的终期去除率无明显差异。

表2 试验终期生态浮床对不同污染负荷水体各营养盐的去除率Table 2 Pollutants removal effects of different test level at the end of experiment %

2.2 不同污染负荷水体各理化指标的动态变化

如图1所示，各污染水体TN、TP含量随着时间的延长均明显下降，21 d后下降速度减慢。椰丝基质在放入水体初期由于细小碎末向水体中的释放，使得水体磷浓度升高［15］。本试验过程中由于椰丝冲洗比较干净，椰丝初期淋溶物较少，试验过程中没有出现TP先升后降的现象。

整个试验过程中，水源水水体氨氮含量随时间的延长而缓慢下降，其他各处理组氨氮含量均表现出随时间的延长先快速上升后下降的趋势，均在试验后第7天达到峰值，第21天后趋于相对稳定的状态。方差分析结果表明，试验结束后，各组污染水体氨氮含量明显高于L1组（P＜0.05）；L3、L4和L5之间氨氮含量差异不显著。

各处理组硝态氮含量均表现出先上升后下降的趋势，且在第一周有缓慢上升，从第二周开始，处理组L1和L2硝态氮含量开始缓慢下降，处理组L3、L4和L5硝态氮含量则快速上升，达到峰值之后开始下降，第四周之后渐渐趋于稳定状态。结果说明随着水体污染负荷的增大，水体硝化作用有延迟的趋势。试验结束后，各处理组硝态氮含量基本检测不出来。

各处理组CODMn含量均表现出先上升后下降的趋势，第14天达到峰值，试验结束后，各组CODMn含量均显著高于初始浓度，这可能与植物根系分泌物及泥鳅粪便排泄物等过程有关。L1组的CODMn含量要低于其他处理组。

试验开始后，各处理组pH均缓慢下降，一周之后逐渐趋于稳定，在7.0附近振动。L1组pH要显著的高于其他污水组，处理组L3、L4和L5的pH呈弱酸性。溶解氧含量在试验过程中总体呈下降趋势，L1组溶解氧含量要显著低于各处理组，这可能与各处理组营养程度较高，浮游植物较多有关系。第六周之后，各水体溶解氧含量逐渐上升至8 mg/L，说明水质得到了明显改善。电导率均处于上升趋势，但各组之间差异不显著，L1组的电导率要低于其他处理组。

2.3 水体理化指标之间的相关性分析

使用Pearson相关系数分析方法考察各水体理化指标之间的相关性。由表3可知，各水体理化指标之间存在着直接或间接的显著性相关关系。其中，总氮与总磷、氨氮、硝态氮、pH和溶氧呈显著性正相关；总磷与氨氮、pH和溶氧呈显著正相关；氨氮与硝态氮和CODMn之间呈显著正相关；CODMn与pH之间呈显著负相关；pH、溶氧和电导率之间具有两两显著性相关关系；电导率与其他各理化指标之间均呈负相关关系。

图1 不同污染负荷水体各理化指标的时间动态变化Fig.1 W eekly dynam ics of physical and chem ical index of water quality at different test level

表3 水体理化指标之间的相关性分析Table 3 Correlational analysis between physical-chem ical indexes

3 讨论

3.1 铜钱草对养殖水体营养盐的去除效率

试验过程中，铜钱草对CODMn的去除率为负数，即试验结束时CODMn含量较初始浓度高，这在其他浮床植物研究中比较少见。一般浮床植物对CODMn的去除率可达一定的数值，但其试验污水中初始CODMn含量较高，如许国晶等［21］等研究发现组合生态浮床对CODMn初始含量为70 mg/L的养殖水体去除率可达43.98%；杨静美等［22］研究植物生态浮床对水禽养殖污水净化效果中发现CODMn的去除率可达66.12%以上，其初始浓度为500 mg/L。该研究中的养殖用水CODMn初始含量（5.53—6.37 mg/L）不高，处于养殖水体中的正常浓度范围；试验过程中，CODMn含量先上升后下降，终期含量（6.60—7.94 mg/L）亦处于养殖水体的正常浓度范围，一般养殖水体的CODMn含量会随着养殖进程的增加而逐渐上升，该研究表明浮床植物铜钱草对CODMn有一定的净化作用。

综上所述，铜钱草对养殖水体营养盐具有较好的去除效果，其又是花卉植物，具有较高的观赏价值，在现代水产养殖业，尤其是休闲渔业中可作为养殖水体浮床植物的参选物种之一，对于其在养殖水体中的生长特性、操作技术规范等仍需进一步研究。

3.2 铜钱草对水体理化指标动态变化的影响

水质基本上是由与光合作用相关的生物化学过程和同池生物修复过程决定的［23］，水体理化指标的常规监测是认识水环境变化的直接方法。该研究表明各水体理化指标之间存在着直接或间接的显著性相关关系，这种相关关系也表现在各理化指标的时间动态变化当中，而铜钱草在这个过程中通过对营养盐的吸收及其呼吸代谢等作用，对水体理化指标变化产生明显影响。例如，铜钱草通过对N、P营养盐的吸收作用，TN、TP呈不断下降态势；、CODMn含量在试验早期先上升的同时，pH和DO含量不断下降，CODMn与pH呈显著负相关关系，与呈显著正相关。水体pH主要受CO2的影响，CO2又受有机物质氧化分解等的影响［24］，当CODMn值升高，预示着水体中有机物含量上升，有机物氧化分解产生CO2，pH降低，即H+的浓度或活度增大会促进水体的氧化还原反应向正方向进行，则H+与O2反应生成水，使DO降低［24］，这一点从该研究中pH和DO呈极显著正相关关系可以得到证实，而DO降低，水体硝化作用减弱含量则会升高，水质呈现恶化趋势。然而试验后期含量开始下降，说明水质恶化的态势得到抑制和改善，这与TN含量的降低有关，说明铜钱草对水质具有净化作用。pH和DO与其他水体理化指标之间均存在着直接或间接的显著相关性，因此水体pH和DO含量的常规监测，对于水体的修复管理具有重要意义。