不同生长阶段的芹菜与生菜的净水能力比较

高霞婷，宋红桥，张海耿，倪 琦，张宇雷

（中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室，上海 200092）

0 引言

源于人类对健康蛋白来源需求的增加以及捕鱼业的减少，水产养殖业以每年7.9%的速度快速增长[1]。然而，水产养殖业的发展受到土地、水源及环境问题的制约[2-3]，如N、P造成的水体富营养化[4-5]。因此，世界水产养殖业的扩大，需要新技术来加强鱼类生产，同时要求最大限度地恢复养分，减少环境影响。

鱼菜共生系统(Aquaponics)是一种循环式养殖系统(RAS)与水培法种植系统相结合的综合农业技术[6]，是一种创新的并具可持续发展特性的水污染处理技术[7]，其工作原理是养殖水在养殖单元和水培单元之间循环流动，水体中的物质包括鱼粪、残饵等经微生物转化成植物可吸收的营养物质[8-9]。鱼菜共生系统相较于传统的循环水产养殖及土耕种植而言，优点突出，既能够解决水产养殖废水及种植蔬菜的化肥使用所造成的环境污染问题，又能够同时收获鱼类及蔬菜产品[10]，并且系统简单，零排放，用水节约，土地使用量要求低，适合农业生产城镇化和工业化发展需求[11-12]。

鱼菜共生系统的研究始于20世纪70年代，Rakocy等[13-14]和Wang等[15]设计优化了UVI型鱼菜共生系统，生产了优质的罗非鱼和生菜。随后，Pantanella等[16]和Dediu等[17]比较了多种鱼类和植物，如非洲鲶鱼、鲟鱼、盐角草和猪毛菜等，丰富了鱼菜共生适用的产品种类。饲料是鱼菜共生系统中鱼和植物的主要营养来源，其中含有大量的蛋白质，脂肪等营养物质，这些物质经过鱼体的消化和新陈代谢，部分成为生物量，部分排除体外至周围环境中。以氮素为例，通常约25%的氮素被鱼体吸收利用，大部分的氮元素以氨氮的形式被排出体外[18]。氨氮在低浓度下即可对鱼体产生毒性，它可以破坏鱼鳃组织，影响鱼的呼吸机能，进而造成鱼死亡[19]。鱼菜共生系统中，水体中的总氨氮(TAN)包括NH3和NH4+，经氨氧化细菌(AOB)被氧化成 NO2-，NO2-经亚硝化细菌(NOB)，被氧化成NO3-[20]。NH4+和NO3-是可供植物直接利用的氮素形式，其中NO3-是主要形式。而在鱼菜共生系统中，罗非鱼正常生长的TAN和NO2-N安全浓度分别是2.9 mg/L和1.1 mg/L，200 mg/L浓度以下的NO3-N对鱼类生长均无影响[21-22]。因而，控制鱼菜共生系统中的含氮污染物，尤其是TAN和NO2-N的浓度具有重要的意义。磷元素也是鱼类生长的必需元素。水产养殖中的磷元素利用效率不到30%，50%～85%的废弃磷存在于鱼的固体排泄物中[23]。磷作为不可再生资源，研究其回收利用具有重要意义。

目前，鱼菜共生系统中养殖污废的资源化利用是研究热点，尤其氮和磷。植物部分是提高鱼菜共生系统效率的关键，植物的质量与产量也是促进系统经济效益最大化的重要驱动因素[24]。系统中营养物质浓度会直接影响植物的生长状况，因而合适的鱼菜比例对于系统的运行至关重要[25]。蔡淑芳等[26]基于营养液膜(NFT)栽培的鱼菜共生系统研究发现，在养殖水量350 L，养殖密度10 kg/m3，栽培面积1.0 m2规格中，栽培密度为45株/m2的系统氮素转化效率最高。系统的效率还受到不同种植方式的影响，如交叉式种植比序批式种植更能实现营养物质的利用[27]。此外，针对不同植物的污水净化能力研究，主要集中在湿地中的挺水植物对污水中氮磷的净化作用，如袁东海等[28]、刘盼等[29]、徐秀玲等[30]对不同的水生植物的净化能力作了比较，包括石菖蒲、蝴蝶花、紫叶酢浆草和凤眼莲等，发现不同水生植物对氮和磷的吸收效率不同。关秀婷[31]，刘春常[32]等，发现挺水植物在不同的生长阶段对污水的净化效果不同。除了植物之外，微生物也是提高营养物质利用的主要对象之一。Cerozi等[33]通过添加芽孢杆菌(Bacillus.Slap)可以明显促进植物对磷元素的利用。然而，针对不同种类的经济植物及其不同生长阶段对养殖废水中氮、磷的净化能力研究较少，且鱼菜共生系统的经济效益除了鱼类产品，还有赖于有机蔬菜的产出。因此，研究经济植物的水质净化能力具有重要意义。

基于此，本研究在自主设计的实验室规模的浮阀型鱼菜共生系统上，以不同生长阶段的芹菜与生菜作为经济植物试验对象，研究其对氮、磷元素吸收利用的变化特征，为选取具有强净化能力且高经济效益的植物提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验装置

本研究所采用的实验装置如图1所示，装置由养殖系统、竖流沉淀器、生物滤池、蓄水池和水培系统五个部分组成，水体在各组件之间循环运转。根据水位高度，在重力作用下水流从养殖池依次经竖流沉淀器、生物滤池、水培床及蓄水池，然后由蓄水池中的潜水泵提供上升动力，使水体经冷热机组和紫外灯管回到养殖池。

图1 浮阀型鱼菜共生系统装置

养殖池有效载水量300 L，距地面高度1.2 m；竖流沉淀器(14 L)距地面高度1.2 m；生物滤池(300 L)距地面高度1.2 m；水培床两层，栽培面积共1.5 m2，可容纳循环养殖水的有效体积为300 L，上层距离地面0.8 m，下层距地面0.3 m；蓄水池的有效蓄水能力为30 L，其上方设有冷热机组，水温控制在22～25℃，以此避免温度带来的影响；在养殖池和生物滤池中设有增氧装置，可有效维持鱼的健康生存及生物滤器的正常运行。

1.2 实验设计、运行与管理

实验于中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所渔业装备与工程技术中试基地（如东）展开，试验系统构建于养殖车间内，试验时间自2019年3月15日—4月20日，共持续36天。车间配有LED植物生长灯、隔热窗帘等设施。试验期间，室内空气湿度为54%～72%，光照强度为3000 lx。本实验选用3种经济植物，分别为生菜、小芹菜（70日龄）和大芹菜（100日龄），植物种植起始质量约250±12.5 g。选用尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)为养殖鱼类，罗非鱼具有较强的酸碱性、温度、溶解氧(DO)和总氨氮浓度的耐受性。罗非鱼也是一种常见的蛋白质来源。每个养殖池的平均放养密度为20±2.4 kg/m3，共30尾。实验根据生菜、小芹菜及大芹菜分为3组，每组设3个平行。整个试验期间，除了用于补充因蒸发、植物蒸腾和吸收而损失的水，系统不进行水体交换。整套系统试验水流量为0.100 m3/h，循环率为2.4次/d。

本研究，全程进行人工投喂，1天3顿，分别于早上9:00，中午13:00及下午17:00。鱼饲料为市售通威罗非鱼漂浮性饵料，蛋白质含量30%，含水率10%。根据鱼的进食情况，及时调整并记录每次的喂食量。在整个实验过程中，罗非鱼正常生长，未出现死亡。3种经济植物长势良好，也未出现任何病虫害的情况。为了能使系统维持稳定的pH 6.8～7.2，本研究使用KOH:Ca(OH)2质量比为1:2的混合溶液进行调节，并以此作为植物生长所需的K、Ca离子的补充。研究报道，pH通过影响植物根系，对植物的吸收净化能力产生影响[34-35]。每隔2周向系统中添加乙二胺四乙酸二钠铁，使铁含量维持在2.5 mg/L左右以防止植物因缺铁而发黄。

1.3 样品收集与指标测定

试验期间，每天上午8:30，使用YSI一体化测试仪测量养殖池中的水温、溶解氧DO、pH值及电导率EC。长期实验每2天取水样一次，共取样13次。水体取样时间为上午9:00，取水位置为养殖池1/2处。

由于系统中的水体不停流动循环，因此水培床的进出口水质的差异极小，为了能够检测植物的水质净化能力，本研究设置了静态短期实验(24 h)。在实验最后的24 h，关闭每个组件之间的进出水口，每4 h水培床取样一次，共取样7次。取样后24 h内完成水样测定，测定指标为TAN、NO2-N、NO3-N及TP含量。水体TAN含量采用纳式试剂分光光度法；NO2--N含量采用分光光度法；NO3--N含量采用紫外分光光度法；TP采用钼锑抗比色法。

1.4 数据分析

实验结果以各平行样本的均值表示，数据采用Excel 2016、GraphPad Prism 8.3等统计分析软件进行。在24 h静态短期试验中，水质指标去除率计算方法见公式(1)[36]。

式中：A为去除率，%；C0为24 h静态短期试验的初始浓度，单位为mg/L；Ct为每次取样检测的测定浓度，单位为mg/L。

2 结果与分析

2.1 基础水质情况

试验初始根据系统设计，注入自来水，期间系统中的水体循环流动运行36天。试验期内基础水质指标情况如表1所示，系统水温较稳定，平均水温为22.25℃，平均pH 6.70，平均DO为7.10 mg/L，平均EC值为0.41 mS/cm。

表1 基础水质情况

尼罗罗非鱼可耐受的温度范围为16～38℃，最适生长水温为24～32℃。生菜及芹菜的生长适温均为15℃～20℃，且根系发达，适合水培。在鱼菜共生系统中，电导率EC的合适范围为0.3～0.6 mS/cm。由此可知，在试验条件下，罗非鱼、生菜及芹菜均能正常生长。

2.2 长期实验（36天）鱼菜共生系统水体中氮、磷含量的变化

在长期实验（36天）中，TAN、NO2-N、NO3-N及总磷的浓度随时间的变化情况如图2所示。

图2 36天含氮化合物及总磷浓度变化

由图2a可知，在系统运行初期，3种植物的水体中氨氮化合物质量浓度均迅速升高，且都在第6天时，达到最高值，其中种植小芹菜的系统峰值较其余两者低，浓度为4.45 mg/L，生菜和大芹菜分别为5.86 mg/L和6.50 mg/L；随着时间的推移，3组系统的氨氮浓度均明显下降，小芹菜于第14天时达到最低值，浓度为0.21 mg/L，生菜及大芹菜各自于第16天和第18天达到最低值，浓度分别0.49 mg/L和0.56 mg/L；系统运行后期浓度趋向稳定。图2b表明，亚硝酸盐含量在系统运行至第12天时急剧上升，随后增长速度减缓，并在第18天时达到最高值，小芹菜、生菜及大芹菜分别为5.757、6.324和7.460 mg/L；之后急剧下降，小芹菜、生菜和大芹菜分别于第26、28、32天降到低值0.50 mg/L；试验后期，3组系统均小幅降低，并以较低浓度维持发展。图2c显示，水体中硝酸盐含量呈明显的上升趋势，在系统运行初期，硝酸盐浓度增涨较缓，第14天起迅速上升，小芹菜系统于第26天达到峰值21.9 mg/L，生菜与大芹菜系统分别于第28天和第30天达到最高值27.2和31.6 mg/L；而后浓度逐渐降低，但是试验后期又有明显的上升趋势。图2d显示，3种植物系统中的总磷含量在系统运行至第24天时，达到最高值，小芹菜、生菜及大芹菜分别为31.4、32.4及37.1 mg/L，随后短暂下降，自第30天起又出现上升趋势。

2.3 静态短期实验(24 h)鱼-菜共生系统水体中N、P含量的变化

从长期试验的结果图2中可以看出，含有不同植物系统的氨氮、亚硝氮及硝氮的最高浓度均不相同。为了进一步检测不同植物的净化能力，笔者做了24 h的静态短期试验，结果如图3所示。

图3 24 h含氮化合物及总磷浓度变化

由图3可知，静态短期试验中，3种植物水培床的各项含氮污染物浓度持续降低。小芹菜、生菜和大芹菜的TAN初始浓度分别为0.52 mg/L、0.53 mg/L和0.69 mg/L，经24 h净化作用后终浓度依次降低至0.32 mg/L、0.36mg/L和0.57 mg/L；NO2-N初始浓度分别为0.45 mg/L、0.49 mg/L和0.63 mg/L，24 h终浓度为0.33 mg/L、0.41mg/L和0.55 mg/L；NO3-N初始浓度依次为11.8 mg/L、19.2 mg/L和12.0 mg/L，经植物24 h净化吸收后，终浓度降低至4.6 mg/L、11.5 mg/L和10.6 mg/L。由图3可知，3种含氮化合物随着实验时间的延长，浓度逐渐降低，证明3种植物均能够净化吸收氨氮、亚硝氮及硝氮。

为了比较不同植物种类及同种植物不同生长阶段的净化能力，对短期静态试验的氨氮、亚硝氮、硝氮及总磷的去除率进行显著性差异分析，结果如图4所示。由图4a可知，小芹菜对氨氮的净化能力与生菜相比不存在明显差异(P＞0.05)，两者的去除率分别为39.85%和30.79%，但是均显著高于大芹菜的去除率17.76%(P＜0.01，P＜0.05)。图4b显示，三者中对亚硝氮的净化能力小芹菜最强，其24 h的去除率可达到26.33%，显著高于生菜及大芹菜的17.15%和12.93%(P＜0.05)。图4c表明，小芹菜、生菜及大芹菜对硝氮的净化能力分别为61.11%、35.90%及24.66%，三者之间均存在明显差异(P＜0.001)。由图4d可知，生菜对磷的去除率达到62.98%，较小芹菜44.76%(P＜0.05)及大芹菜14.08%(P＜0.05)强，生菜的净化能力最强，并小芹菜和大芹菜之间也存在明显的差异(P＜0.01)。由此可知，不同植物及不同生长阶段的氮、磷吸收能力各不相同。同时，比较3种氮化合物的去除率，发现芹菜和生菜均对硝酸盐的净化能力最强，其次是氨氮，亚硝氮去除率最低。

图4 24 h含氮化合物及总磷的去除率

3 讨论

3.1 植物种类与系统氮、磷化合物浓度的关系

植物生长过程需要多种营养元素，包括氮、磷、钾、钙、铁等，通过吸收作用可以使水体中的元素含量降低，减轻水体的污染程度。已有学者研究了多种植物的水体净化能力。袁东海[28]等研究比较了石菖蒲、灯心草和蝴蝶花的净化能力，其中石菖蒲最强，这与其自身对污水中的氮素吸收同化能力有关。刘盼等[29]比较了紫叶酢浆草、凤眼莲和大漂对水体中氮、磷的吸附能力，结果显示，大漂对富营养化水体的净化效果最为明显，凤眼莲次之。徐秀玲等[30]比较了鸢尾、香蒲及菖蒲的水体净化能力，其中鸢尾对氮、磷的吸收能力都显著高于其余两者。由此可知，大部分的植物研究对象主要集中在水生植物的净化能力，经济植物研究较少。在本实验中，选取了最受大众喜爱的经济植物生菜及芹菜，在净化水体的同时，又能产生额外的经济收益。该两者的最适温度相近，且根系发达适合水培。研究结果显示，芹菜对含氮化合物的净化能力高于生菜。徐晓锋等[37]比较了多种水培经济植物对污水中的磷吸收作用，结果显示生菜经过4个半月的作用，去除率可到99.6%，为6个经济植物之最。这与本研究的结果相似，生菜的除磷能力优于芹菜。

在养殖水体的净化作用过程中，除了植物的吸收作用起效果外，还依赖于生物滤器中的生物转化功能，尤其由硝化细菌介导的硝化作用。本试验中，随着鱼类对饵料的摄入，排出氨氮，系统正式运行。在试验初期进行的第1～6天，生物滤器中的生物膜形成依始，无法及时去除系统中的氨氮，因此氨氮含量迅速积累。本研究中，氨氮平均浓度均高于宋红桥[38]及蔡淑芳[26]等的研究结果，这是由于其水产养殖密度分别为5.65 kg/m3和10 kg/m3，而本研究采取20 kg/m3高密度养殖，因此选择合适的经济植物是达到水体高度净化的主要方式之一。试验中期第8～16天，亚硝化细菌逐渐成熟，将氨氮化合物氧化成亚硝酸化合物，氨氮浓度急剧下降。系统运行至第12天起，亚硝酸浓度急剧积累，维持10～14天后，含量显著下降，此时硝化细菌的硝化作用加强，亚硝酸盐氧化成硝酸盐。从系统运行的第16天起，水体中的硝酸盐逐渐积累，由于植物的吸收同化作用，硝酸盐浓度呈现一定的下降趋势，但到实验末期，经短暂时间的缓和，又出现上升现象，这是由于植物完全成熟后，其吸收能力减弱，因此，硝酸盐又开始逐渐积累。

3.2 植物生长阶段与系统氮、磷化合物浓度的关系

有研究表明，不同生长期的植物对水体中的营养物质吸收净化能力不同。关秀婷等[31]研究植物的不同生长阶段对营养物质的吸收作用，包括芽叶期、花果期、果谢期及死腐期，发现芽叶期时最强。赖闻玲等[39]发现植物对水体中总氮的吸收作用除了与其生物量有关之外，还与根茎比相关，说明总氮的净化能力与植物的生长阶段密切相关。刘春常等[32]研究得出不同的植物及植物的不同生长阶段对污水处理效果都有影响。高岩等[40]研究了不同生长阶段的凤眼莲对总氮的去除率不同，但是总磷没有明显差异。本实验结果表明，70日龄的小芹菜对系统中的氮去除率明显高于100日龄的大芹菜，且对磷的净化作用也较强，这也许是因为不同的植物种类所造成的结果，后续还可通过对更多的植物进行分析加以证明。

4 结论

鱼菜共生系统为蔬菜提供了氮、磷等主要营养元素，选取具有较强吸收能力的蔬菜种类及生长阶段对水体的净化效果有重要意义。对磷的吸收能力，生菜较小芹菜及大芹菜强；对氮的吸收能力，小芹菜较生菜和大芹菜强，且3种含氮化合物中，硝氮的去除率最高。针对不同的净化目的，可选择合适的蔬菜种类，并可通过进一步的研究，选择不同植物按不同比例种植，从而达到最优的氮、磷净化效果。