水深对立体种植沉水植物污染物去除效果的影响

2021-10-25马建中朱宇军

能源环境保护 2021年5期

马建中，黄和，贾利，朱宇军

(中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽合肥 230601)

0 引言

2017年中国生态环境状况公报显示，被监测营养状态的湖泊(水库)中有3.67%处于中度富营养状态，26.61%为轻度富营养[1]。以长期以来一直坚持治理的太湖为例，其绝大多数水体仍处于中度富营养状态。过量排放氮(N)和磷(P)是导致地表水富营养化主要原因，从而引起湖泊和河流生态环境恶化。富营养化导致湖泊由以草为主的多样性藻类湖泊向以蓝藻为主的湖泊转变，导致湖泊生态平衡遭到破坏[2-3]。其中，水体较高的磷浓度被认为是蓝藻爆发的关键因素。

植物修复是一种将过剩营养转化为有价值的植物生物量的简便、廉价、环保的方法。沉水植物作为水生生态系统的主要生产者，已被证明有助于淡水生态系统的稳定并促进周围水体的污染去除，沉水植物可释放化学感应物质抑制蓝藻的生长。此外，它们还为鱼类提供了栖息地，同时减少了由浮游植物引起的水体浑浊，并为细菌、藻类等微生物的生长提供天然底物，形成生物膜或称为附生微生物群落，有效抑制有害藻华的形成，在调节湖泊功能和维持生态平衡方面发挥着重要作用[4]，种植沉水植物已被广泛用于恢复富营养化水体的生态环境。

受生长型影响，不同沉水植物对水深的适应对策和能力之间存在较大差异[6-7]。莲座型植物(如苦草多以生理上的改变，如改变地上/地下生物量来适应水深的变化，而狐尾藻等冠层型植物更倾向于通过形态的改变，如改变茎叶的长度等来响应水深环境的变化[8]。同时水深与水体的多个环境要素(如光照、水温、CO2浓度、压力、溶解氧、风浪、光质和底泥等)密切关联，深刻影响着沉水植物的生长繁殖等环节[9]，但是水深变化对于沉水植物污染物的去除效果却鲜有研究。因此明确各种沉水植物对水深的响应机制，才能通过灵活的水深调控实现植被的机动管理，保障植被的成活率和水域覆盖度。为了研究水位波动对沉水植物形态及污染物去除效果的影响，本研究通过室内模拟实验系统地研究了水位波动和苦草之间的生态响应。

1 实验方法

设计内径380 mm、高1 650 mm的圆柱状无盖有机玻璃桶为反应器(如图1)，在400 mm和800 mm处分别设置一个取水口用于取样，50 mm处设一个出水口用于实验结束后排水。反应器内水体深度均为1 580 mm。设计内径340 mm、高150 mm的无盖有机玻璃桶作为栽种盆，并设置深度为80 mm的石英砂作为固定基质。反应器侧面使用铝箔纸进行遮光处理。

图1 水深实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of water depth experiment device

选取苦草和黑藻两种沉水植物作为实验材料，每组种植一定量的沉水植物(每组苦草共(29.94±0.71)g，约12株，株平均鲜重(2.45±0.27)g，平均叶长(22.4±0.8)mm，平均根长(6.4±1.5)mm；每组黑藻共(30.41±0.73)g，10株，株平均鲜重(3.02±0.33)g，平均茎长(53.2±6.2)mm，平均根长(7.0±1.4)mm)。反应器设定0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 m五个水深梯度(以基质上表面为准)。实验用水取自无锡望虞河，取水时间为2020年9月19日，水样取回后置于冷藏柜子中保存，每日取用分析量约为100 mL。为防止取回水样变质，通过检测水质TOC和254 nm吸光度的变化判定。水体中CODMn采用国标化学需氧量测定方法(GB 11914—89)，总氮和总磷分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894—89)和过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法(GB 11893—89)。

2 结果与讨论

2.1 沉水植物去除CODMn效果对水深的响应

CODMn是影响水质的重要指标之一，控制自然水体中的CODMn含量是提高自然水体水质的重要保障。由图2可知，苦草和黑藻对水体中有机物(CODMn)的去除率不高。在苦草生长的第0～12天，水体有机物的含量略有下降，但后期又回升。在黑藻组，种植后的0～4天内，水中的CODMn含量略有上升，这是沉水植物对新环境的适应。在第4～16天CODMn含量开始下降，且降低的速度较快，这是因为沉水植物经过了饥饿培养后对营养物质的过量吸收。而第16天后CODMn的含量又开始增加，是由于沉水植物释放胞外聚合物[10]，且此时部分沉水植物开始凋亡。在第16天，0.6 m和1.5 m水深组的CODMn均降低至10 mg·L-1之下，达到《地表水环境质量标准(GB 3838—2002)》(以下简称GB 3838—2002)中规定的Ⅳ类水高锰酸盐指数标准(CODMn≤10 mg·L-1)。而在16～24天内CODMn含量又开始上升。整个周期内水体中CODMn含量呈不规则波动，且两种沉水植物对水中CODMn的去除效果均不明显。两种沉水植物在24天的实验时间内，在1.5 m的水深内对COD的去除效率都达到50%，相比于0.9 m以上水深大约提高了15%。但是水深对苦草和黑藻的各自CODMn去除效果差异影响并不明显。

图2 沉水植物系统的CODMn变化Fig.2 Changes of CODMn in the submerged plant system

利用扫描电镜(SEM)研究了不同水深条件下苦草叶片表面生物膜的形态如图3所示。

5组均苦草叶片吸附了大量的微生物，但表面生物膜从分布上来看并不均匀。水深0.6 m和1.5 m组的生物膜在视觉上微生物和相关的衍生有机物数量较多。苦草叶片表面吸附了大量的颗粒，包括蓝藻以及球菌、芽孢杆菌等细菌。造成这种现象的原因有两个。首先，天然水体中含有蓝藻等众多的微生物，之前的研究也表明，高营养含量会导致浅水湖泊大型沉水植物附生藻类过度生长。其次，细菌等微生物表面化学基团的静态累积使得它们容易附着在苦草叶片之上。

采用TOC法测定苦草叶片表面微生物及其衍生有机物的含量，如图4。不同水深下，苦草叶片表面生物膜的生物量及表面有机物的量差别不大。0.9 m和1.5 m组TOC含量略高于其他组，分别达到2.53 mg·g-1和2.72 mg·g-1鲜重，与SEM图像结果基本一致。

2.2 沉水植物去除总氮效果对水深的响应

作为引起水体富营养化的重要元素之一，控制天然水体中的N对于控制水体富营养化具有重要的意义。不同水深下苦草和黑藻对水体中总氮(TN)的去除效果如图5所示。由图可知，五种水深下的TN实验当天起开始减少，期间略有波动氮总体呈下降趋势。苦草在0～12天内对TN的去除速度略大于12～24天。苦草组在12天后，除0.3 m组外其余水深组的TN均低于1.0 mg·L-1，达到GB 3838—2002中的Ⅲ类水标准(TN≤1.0 mg·L-1)。苦草沉水植物系统在水深0.3 m以下对总氮的去除效果要约提高13%。黑藻组的TN从第0天开始下降，同样地虽然TN含量略有波动但整体呈下降趋势。黑藻组0～16天内对TN的削减速度大于16～24天。且在0.6 m和0.9 m组在16～24天内TN都低于1.0 mg·L-1，达到GB 3838—2002中的Ⅲ类水标准(TN≤1.0 mg·L-1)。黑藻沉水植物系统在0.3 m以下对总氮的去除效果约提高20%，相比苦草，水深对黑藻去除总氮的提升效果更为明显。

图5 沉水植物系统的总氮变化Fig.5 Changes of total nitrogen in the submerged plant system

2.3 沉水植物去除总磷效果对水深的响应

不同水深下苦草和黑藻对污水中总磷(TP)的去除效果如图6所示。

图6 沉水植物系统的总磷变化Fig.6 Changes of total phosphorus in the submerged plant system

苦草组地表水体中TP的含量在接种后的第4天才开始下降，4～8天内迅速下降，8～24天内上下波动。在8～24天，苦草0.9 m组的TP均低于0.05 mg·L-1，水质达到动态平衡。在12～24天，黑藻0.9 m和1.2 m组的TP均低于0.05 mg·L-1，达到GB 3838—2002中的Ⅲ类水标准(湖泊TP≤0.05 mg·L-1)。以上实验结果表明沉水植物立体种植对污染水体的总磷去除效果显著，去除效率可达到60%，但水深对沉水植物的总磷去除效果影响相比于总氮去除并不明显。

2.4 沉水植物形态对水深的响应

如图7(a、b)所示，24天后苦草的叶长随水深的增加呈增加趋势，在水深1.5 m处苦草的平均叶长出现最大值为24.0 cm。由于叶长随水深增加的幅度很小，因此水深对苦草平均叶长的影响是微弱的。造成这种现象的原因是苦草无茎或仅有匍匐茎而黑藻具有细长的茎，当环境水位增加时，黑藻会通过调节茎的长度来调整株高从而适应环境的变化[10-11]。如图7(c、d)所示，苦草的根长先随水深的增加而增加，在水深0.9 m处达到最长12 cm后在1.2 m处骤降又在1.5 m处回升至11 cm。黑藻的根长随着水深的增加呈先增加再减小的趋势。在0.3～1.2 m之间，黑藻的根长逐渐增长，在水深1.2 m处，黑藻的根长可到11 cm，增幅约83%。但在水深1.5 m处黑藻根长增幅减小至43%。