8种水生植物对高污染负荷水体除污能力的筛选

许巧玲，汪丽，张凤，王萍

（安顺学院资源与环境工程学院，贵州安顺 561000）

水生植物对污染水体的修复形式主要有人工湿地、净化床、生态浮床、河岸护坡、缓冲带技术等。利用水生植物净化水质因其高效率、低成本等优点在净化过程中发挥了重要作用[1]。其净化机理主要表现在直接吸收利用污水中的营养物质，并为微生物提供较大的附着面积[2]。利用水生植物修复水体过程中植物的去污作用会因为植物种类不同而存在差异。赵丽娜等[3]研究菖蒲和香蒲对总氮（TN）、总磷（TP）和耗氧有机物（COD）的去除率显著高于芦苇。王庆海等[4]发现鸢尾、菖蒲、香蒲、芦竹、扁秆草、千屈菜和芦苇的氮磷去除能力依次降低。黄花鸢尾比睡莲和芦苇具有更强的除氮磷能力[5]。李芳柏等[6]对水中COD、BOD、TP等污染物的净化效果，综合评价是美人蕉＞蕹菜＞水稻＞野生稻。有研究认为植物吸收氮仅占总氮量的20%～30%[7]；植物吸收对总磷去除的贡献率一般在5%～20%[8-9]。即便如此，生态修复中植物的作用仍是不可替代的，有大量研究表明湿地植物在人工湿地处理污水中的重要性[10-16]。因为植物根系可以为硝化反硝化提供好氧和厌氧的交替环境。植物因为根系结构不同，导致栽种植物后对系统中的氧气浓度、污染物氧化能力和pH均会有不同影响。一般情况下净化能力越强，其植物根系也越发达[17-18]，因此在生态修复系统构建过程中，可优先选择根系发达且生长较快的水生植物。影响污染物去除效果除植物种类还有污染物浓度，前人对于污染物浓度与去除效果间的关系做过许多相关研究，普遍认为污染物较低情况下，净化效果较好，污染物浓度较高情况下，其净化效果下降[19-20]。因此，筛选抗高污染负荷的水生植物对处理高浓度污水的生态修复系统中植物品种选择有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

鸢尾（Iris tectorum）、美人蕉（Canna indica）、风车草（Cyperus alternifolius）、铜钱草（Hydrocotyle verticillata）、芦竹（Arundo donax）、再力花（Thalia dealbata）、泽泻（Alisma plantago-aquatica）、水葱（Scirpus validus）8种水生植物均采自月亮湖附近湿地，挑选大小适宜的健康植株，冲洗干净后在自来水中培养10 d作为适应性培养。试验在直径35 cm、高45 cm的塑料桶内进行。人工污水用可溶淀粉、硫酸铵、硝酸钾和磷酸二氢钾进行模拟配制，水质指标为：TN 41～45 mg/L，TP 5.6～6.0 mg/L，COD 323～350 mg/L，DO 6.7～6.9 mg/L，pH 5.9～6.0。

1.2 试验设计

试验在7月进行。每种植物为1个处理，设置3次重复，同时设置不种任何植物对照组。标记每只水桶的液面，以之为标准，定时补足各桶因自然蒸发和植物生理作用所损失的水量。试验时间为1个月，共采集分析样品10次，每次取样量为20 mL，当天测定水质，监测指标为污水中TP、TN、CODcr。根据R=100（Ci-Co）/Ci×100%计算污染物去除效率，其中Ci、Co分别为进出水浓度。处理中污水的DO、pH、ORP、T等环境指标每天现场检测1次。试验结束后采集植物根系，当天检测其根系活力。

1.3 测定项目及方法

TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，TP采用钼锑抗分光光度法测定，CODcr采用重铬酸钾氧化法测定[21]。污水的DO、pH、ORP、T等环境指标采用哈希便携式水质检测仪（HQ14D）检测，根系活力采用α-奈胺氧化法测定[22]。

1.4 数据分析

采用Excel 2000和SPSS 26进行数据处理，数据为平均值±标准差，利用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水生植物在污染水体中的生长情况

试验期间风车草、芦竹每株植物均有新叶长出，颜色鲜艳，植株普遍长高；铜钱草、水葱、鸢尾可以缓慢生长，未出现死亡或萎蔫现象；美人蕉、再力花、泽泻生长受阻，部分叶片出现萎蔫现象。通过测定根系活力（图1），发现风车草＞芦竹＞水葱＞鸢尾＞铜钱草＞美人蕉＞泽泻＞再力花，其中，风车草在高浓度氮磷污水中根系活力显著高于其他植物，说明风车草耐污能力较强，在高负荷污染逆境中生存能力较强。由于植物生理衰亡原因，再力花、泽泻和美人蕉出现不同程度叶片萎蔫，且根系活力较低，说明再力花、泽泻和美人蕉不适用于处理高浓度污染水体。

图1 8种水生植物根系活性

2.2 不同水生植物对水体环境因素的影响比较

从图2和表1可以看出，因为植物种类不同，在高浓度污水中8种植物对水体中的pH、ORP、DO影响有较大差异（P＜0.001）。就植物种类而言，铜钱草对水体中溶解氧水平的提高影响最大，说明铜钱草对恢复重污染水体中溶解氧含量有积极作用。杭州市南应家河工程采用植物修复生态水环境，使水体中溶解氧含量近乎于0提高到4 mg/L[23]，说明选择合适的水生植物对水体复氧有积极作用。该试验中8种植物的pH、ORP、DO呈现极显著差异，说明可以通过筛选不同水生植物改变系统微环境，也间接证明依据污染水体特点选择适宜水生植物的重要性。

图2 8种水生植物在水体中ORP、pH、DO的平均值

表1 8种水生植物对水体ORP、pH、DO影响的差异性分析

2.3 不同水生植物对污染物的净化效果及相关分析

由表2可知，与不种植物的对照相比，8种植物对高浓度污水中的COD、TN、TP都有一定程度的净化效果，其中COD去除率为63.69%～76.53%，TN去除率为46.57%～80.33%，TP去除率为0.22%～85.93%。其中水生植物对TP的去除效果差异较大。就植物种类而言，风车草在高浓度胁迫下对总氮、总磷的去除效果表现最佳。各植物对COD的去除效果均无明显差异（P＞0.05）。该研究中，试验时间为7月，正值供试植物生长旺盛期，与未种植物系统相比，因水生植物存在，对COD、TN和TP的去除率分别可以提高34.89%～47.73%、14.75%～48.51%、0.1%～85.81%，表明植被在除污系统中对污染物去除起重要作用。试验期间美人蕉的除磷效果欠佳，平均去除率仅为0.22%。孙瑞莲等[24]研究发现当污水中COD高于160 mg/L、TN高于30 mg/L、TP高于4 mg/L，宽叶香蒲、茭白、黄花鸢尾产生氧化胁迫作用。该试验中美人蕉可能因为在高浓度污水环境中产生氧化胁迫而导致对总磷吸收能力急剧下降。影响COD、TN和TP净化效果的因素很多，试验分析了pH、DO、T、ORP与水体净化效果的关系（表3），该试验中DO与pH呈现极显著负相关，与ORP呈极显著正相关，且pH、DO、T、ORP与COD、TN和TP的去除表现出不同程度的相关性，说明不同植物因生长特点和代谢不同对水体环境影响不尽相同，其代谢活动中产生的氧气和代谢物质会直接影响微生物生长进而影响到污染物的降解效果。

表2 8种水生植物重污染水体的净化效果 %

表3 净化效果与水体环境因素间的相关分析

2.4 不同水生植物对污染物去除能力聚类分析

通过对污染物去除和根系活力等因素的聚类分析发现，8种水生植物可以分为3个等级，第1级为风车草，说明风车草在高污染胁迫环境中除污能力和抗逆能力最强，可作为高污染水体修复治理的优选植物材料；第2级为水葱和芦竹，在同样条件下的除污能力和抗逆能力仅次于风车草，也可作为高污染水体修复治理的备选植物；第3级为美人蕉、鸢尾、铜钱草、再力花、泽泻，这几种水生植物在高浓度污染水体中生长和除污能力表现欠佳，有可能试验水体污染负荷较高（TN＞40 mg/L，TP≈6 mg/L，COD＞300 mg/L），超过了它们的忍耐阈值，也说明它们不适用于处理此浓度范围的高污染水体，可以作为较低浓度污染或微废水体的修复治理材料。后期可以深入研究这几种水生植物对污染浓度的忍受阈值，为以后工程应用项目中植物材料筛选做更科学和针对性的指导。

图3 8种植物聚类结果

3 结论

通过对根系活力研究发现风车草＞芦竹＞水葱＞鸢尾＞铜钱草＞美人蕉＞泽泻＞再力花，8种植物对水体环境中DO、ORP和pH都有显著影响，且脱氮除磷效果差异显著，直接证明在水体修复中选择植物的重要性。

通过聚类分析发现，8种植物在高负荷污染水体修复和抗逆能力中的表现可分为3个等级：第1级为风车草，可作为高污染水体修复治理的优选植物材料，第2级为水葱和芦竹，可作为高污染水体修复治理的备选植物，第3级为美人蕉、鸢尾、铜钱草、再力花、泽泻，可作为较低浓度污染或微废水体的修复治理材料。研究水生植物在高污染负荷条件下的生长状况和除污表现可为高浓度污染水体（黑臭水体）修复提供更有针对性的科学依据。