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人工曝气对睡莲的生理生长及脱氮除磷的影响

时间:2018-08-12 16:00作者:admin打印字号:

人工曝气对睡莲的生理生长及脱氮除磷的影响
卢晓明 赵丰 陈建军 黄民生 鄢光瑜
(华东师范大学资源与环境科学学院,上海 200062)
Effects of Artificial Aeration on Physiological Characteristic and Growth of Nymphaea tetragona and N and P Removal from Polluted River Water                         
LU Xiao-ming ZHAO Feng CHEN Jian-jun HUANG Min-sheng YAN Guang-yu 
School of Resources and Environment Sciences, East China Normal UniversityShanghai 200062
摘要:测定了6个各水培有10棵睡莲的净化槽(曝气、非曝气各设3个平行)的植物叶片叶绿素(Chl)含量、可溶性蛋白(SP)含量与植物根组织过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性及对应的净化槽出水水质,测定了植物根、茎、叶的长度、氮磷含量、生物量、根密度及分蘖数量,另设空白槽对照(CK),研究了长期曝气对睡莲生理生长及脱氮除磷的影响。结果表明:曝气影响了植物的生理生长,曝气槽植物的根、茎、叶长度分别较非曝气槽植物短20.97 cm、4.30 cm、3.33 cm,曝气槽植物根组织POD、CAT活性分别较非曝气槽植物根高0.0927 U/(g •min)、0.3043 mg/(g•min),而非曝气槽植物叶片Chla、Chlb、SP含量分别较曝气槽植物叶片高0.3249 mg/g、0.1219 mg/g、8.6506 mg/g;曝气影响植物的氮磷吸收、生物量、根密度及分蘖数量,曝气槽植物根、茎、叶组织的氮磷含量分别较非曝气槽植物根、茎、叶低4.88 g/kg与1.01 g/kg、6.87 g/kg 与 1.26 g/kg、7.62 g/kg与1.39 g/kg;曝气影响净化槽的脱氮除磷,曝气槽出水DO浓度较非曝气槽高1.51 mg/L,而TN、NH4+-N、TP、溶P去除率分别较非曝气槽出水低4.62%、8.65%、14.01%、28.29%。
关键词:曝气;黑臭河水;睡莲;生理特性;脱氮除磷  
中图分类号:X1
AbstractNymphaea tetragona was hydroponic cultivated in 6 tanks (with and without aeration of three parallel) with same planting density of 10, to investigate its physiological characteristics (POD and CAT for roots, Chl and SP for leaves) and growths and main physical and chemical traits of effluents. Roots densities and tillers in tanks and biomass and N and P contents of plants tissues including roots, stems and leaves were analyzed. Another tank without plant was prepared for control (CK). Effects of aeration on physiological characteristics and growths of plants and N and P removals from polluted river water were analyzed. Results showed aeration affected physiological characteristics and growths of plants. Lengths of roots, stems and leaves of plants at non aeration exceeded aeration by 20.97 cm, 4.30 cm and 3.33 cm. POD and CAT activities of roots tissues at aeration exceeded non aeration by 0.0927 U/(g •min) and 0.3043 mg/(g•min), while Chla, Chlb and SP contents of leaves was lower than non aeration by decreasing 0.3249 mg/g, 0.1219 mg/g and 8.6506 mg/g, respectively. Aeration influenced roots densities and tillers in tanks and biomass and N and P absorption of plants. N and P contents of roots tissues were higher at non aeration than aeration by increasing 4.88 g/kg and 1.01 g/kg. Similarly, N and P contents increased 6.87 g/kg and 1.26 g/kg for stems tissues, 7.62 g/kg and 1.39 g/kg for leaves. Aeration affected N and P removals from polluted river water. DO concentration of effluents at aeration exceeded non aeration by 1.51 mg/L, while TN,
上海市科委重点项目“中心城区河流水质改善与生态修复技术研究”(062312019)资助 第一作者简介:卢晓明,1970~,男,汉族,浙江永嘉人,华东师范大学环境科学专业在读博士,主要研究方向:废水生物治理工程。
NH4+-N, TP and soluble P removals was lower by decreasing 4.62%, 8.65%, 14.01% and 28.29%, respectively.
Keywords: aeration;heavy polluted river water;Nymphaea tetragona;physiological characteristics;nitrogen and phosphorus removals
引言( Introduction)
河道黑臭是我国城市河网的普遍现象[1]。溶解氧含量不足是水体黑臭的根本原因。对河流水体进行人工曝气复氧研究在国外已经开展了20多年[2]。河道曝气复氧技术从 60 年代起就被很多国家应用于河道治理[3]。国内外研究表明:人工曝气复氧是治理污染河道的一种有效工程措施[3-4]。近年来,植物浮床在污染河道生态修复工程中已得到广泛应用。由施工实践得知,当浮床植物距离水车式增氧机(型号为YC-2.2-6, 2.2 kW, 清水充氧量3.80 kg/h)过近(约10m左右以内)时,曝气对植物生长影响明显,而当距离达30 m左右以外时,则影响较小,可见,污染河道进行人工曝气复氧时,除了已大量报道的正面效应[3-4]外,其实曝气气流在一定条件下(如气流流速过大、曝气机与水生植物定植位置的间距过近、连续曝气的时间过长,等)将对浮床植物产生一定影响,由于这些植物的裸露根系很可能受曝气气流引起的水流冲击影响,目前国内外此方面还鲜见报道。此外,研究水生植物生理特性在污染水体中的变化规律,从而采取措施提高其对污水逆境的适应能力,达到更经济有效地净化污水,是水生植物处理污水领域的一个研究新方向[5]
通过现场运用观赏水生植物睡莲处理城市黑臭河水,曝气气流速率设为30 L/min并保持长期连续曝气(180 d),初步探讨了曝气对睡莲的生理生长及脱氮除磷的影响, 旨为进一步合理开发观赏水生植物在城市黑臭河道修复工程中的应用提供基础数据。
1 材料与方法(Materials and methods)
1.1 装置构建与植物培养 
工业河是位于上海普陀区桃浦镇境内的一条断头浜,常年重度污染,水体黑臭,水质属劣五类。采样当天河水水质:COD,168.43~185.75mg/L;BOD5,61.32~67.43 mg/L;NH4+-N,29.82~33.16mg/L;TN,50.47~52.69mg/L;溶P,0.143~0.145mg/L;TP,0.227~0.239mg/L;pH,7.9~8.5。
试验装置(图1)由1个平衡水箱(上部1500 mm×1000 mm,下部1450 mm×950 mm,深600 mm)和7个塑料净化槽(上部1240 mm×620 mm,下部1150 mm×550 mm,深760 mm)构建成。平衡水箱设有溢流管用来平衡水位,使7个净化槽的进水分配均匀。河水通过水泵送入平衡水箱,经水箱上设置的固定出水管流入净化槽。各净化槽末端的出水管高程将槽内水深控制在0.6 m。每个净化槽中间用隔板隔开,留出离槽底高约20 cm的过流断面,以防槽内河水短流。各净化槽连续进、出水,水力停留时间(HRT)设为8 h。曝气采用浙江森森实业有限公司生产的ACO-004型电磁式空气泵(60 L/min),曝气槽曝气气流设为30 L/min。选取大小均匀的睡莲幼苗(高约10 cm)(购于上海泽龙生物工程有限公司),分别在6个塑料槽(曝气、非曝气各设3个平行,sk为非曝气槽,ska为曝气槽)中各水培10棵,从睡莲幼苗开始培养到整个试验结束始终直接采用来自黑臭河道的黑臭河水,另设空白槽对照(CK),水培180 d(08-2-26~08-8-24)。为降低或避免气候变化对试验分析的干扰,整个试验装置设在露天现场,且周边无高大建筑、树木,使整个装置处在相同气候条件下。
Fig. 1 Sketch of plant purifying-tanks
1.2 供试植物样、水质监测 
08年8月24日,晴,气温26 ℃-34.2 ℃,在各净化槽生长旺盛的植物(均有2片或2片叶以上)样中分别随机选定7棵, 从每棵选定植株上采取根(须根)、叶片(最上叶)各0.40 g;从每个净化槽出水口处采集对应的水样,用标准方法[6]进行水质分析;用卷尺与游标卡尺测定选定植株的根(主根)、茎、叶(最上叶)长度,各取均值;测定植物生物量(干重)与各净化槽的植物根密度及分蘖数,各取均值。
1.3 植物根、茎、叶的氮磷含量及叶片叶绿素含量的测定
    经过自然风干的植物样,于80℃下烘48h至恒重,烘干的植物材料先用硫酸-高氯酸消化,然后分别采用靛酚蓝比色法、钼锑抗比色法测定氮磷[7];叶绿素(Chla、Chlb)含量的测定, 按照Heged等[8]提出的方法进行,作以下改进:取0.05 g植物叶片加入80%丙酮溶液,浸提24 h后分光光度计测定浸提液的吸光值,单位为mg/g。
1.4 酶液提取
分别取0.30 g 植物新鲜叶片与根组织在预冷的磷酸盐(pH7.8)中匀浆,4℃下13000 r/min 离心30 min,上清液即为酶液提取液。
1.5 可溶性蛋白(SP)含量及酶活性测定
根据Bradford的考马斯亮兰法测定SP含量[9],用牛血清蛋白作标准曲线,单位:mg/g。CAT活性测定采用Rao等[10]紫外分光光度法, 以D240值每减少0.1为一个活性单位。POD活性测定采用愈创木酚法[11], 以每min光密度变化表示酶活性大小,以D460值每增加0.1为一个活性单位, 单位为U/(g •min) 。
1.6 数据分析
测定每个净化槽中7棵植物的待测指标,以1个槽为独立单位分别取得各指标的均值,然后以3个平行槽的所得均值分别为各个对应指标的三个平行样数据。利用SPSS 15.0 分析软件中的独立样本的t 检验法对数据进行分析。
2 结果与分析(Results and analysis)
2.1 曝气对睡莲生理生长的影响
表 1  曝气对睡莲生理生长的影响
Table 1 Effects of aeration on physiological characteristics and growths of Nymphaea tetragona
均值    根长(cm)   茎长(cm)   叶长(cm)   POD(U/(g•min))  CAT(mg/(g•min))             
非曝气 42.36±4.13a  35.27±3.51a  7.67±0.83a  0.1816±0.0257a  0.6287±0.1082a      
曝气   21.39±2.46b  30.97±2.40b  4.34±0.51b  0.2743±0.0371b  0.9330±0.1124b     
 
均值            SP              Chla              Chlb    植物分蘖数量  根密度
(mg/g)           (mg/g)            (mg/g)      (/槽)    (根/m2
非曝气   41.5818±9.7495a   1.5720±0.1094a   0.4906±0.0232a   117±13a  619±58a
曝气     32.9312±5.6921b   1.2471±0.0885b   0.3687±0.0163b    45±5b    221±21b
注:a、b 分别代表差异显著性(Independent-samples t test, P < 0.05),下文表同。
结果表明:曝气影响睡莲的生理生长。曝气槽睡莲的根、茎、叶长分别较非曝气槽睡莲短;曝气槽睡莲根组织POD、CAT活性分别较非曝气槽睡莲高0.0927 U/(g•min)、0.3043 mg/(g•min),而非曝气槽植物叶片Chla、Chlb、SP含量分别较曝气槽植物高0.3249 mg/g、0.1219 mg/g、8.6506 mg/g;非曝气槽植物的分蘖数量约为曝气槽植物的2.6倍,是由于曝气引发的水流持续冲击影响了植物根系的正常生长,从而影响了植物的分蘖繁殖。
2.2 曝气对睡莲根、茎、叶氮磷含量及生物量的影响
表2 曝气对睡莲氮磷含量及生物量的影响
Table 2 Effects of aeration on N and P contents and biomass of Nymphaea tetragona
平均含量(g/kg)N:根      茎            叶      P:   根          茎         叶         
曝气     11.95±1.12a  16.25±1.35a   18.51±1.52a    1.40±0.19a  1.92±0.16a  2.18±0.26a          
非曝气   16.83±1.75b  23.12±1.97b   26.13±2.01b    2.41±0.27b  3.18±0.27b  3.57±0.31b
 
 
均值    含水率(%): 根            茎           叶    生物量(g/棵)  根         茎叶  
曝气               94.3±2.2a     95.5±2.3a    96.1±2.4a                 14.37±0.36a  1.89±0.06a
非曝气             92.6±1.8a     93.1±1.8a    93.4±1.9a                 19.75±0.44b  2.47±0.08b
 
曝气影响睡莲根、茎、叶的氮磷含量及生物量。曝气槽睡莲根、茎、叶的氮磷含量分别较非曝气槽植物根、茎、叶低4.88 g/kg与1.01 g/kg、6.87 g/kg 与 1.26 g/kg、7.62 g/kg与1.39 g/kg,这是由于曝气气流引发的水流冲击影响了植物根的生长,使根吸收的氮磷量减少,导致根组织的氮磷含量下降,影响氮磷由根向茎、叶的输送,导致茎、叶组织的氮磷含量下降。又由于非曝气槽植物比曝气槽植物高大(表1),生物量也略大,而两者含水率差异不显著,因此,就植物而言,曝气槽植物的蒸腾吸收氮磷效果较非曝气槽植物差。
2.3 曝气对净化槽出水水质的影响
表3 曝气对净化槽出水水质的影响
Table 3 Effects of aeration on water qualities of the effluents
均值   溶P去除率  NH4+-N去除效率 DO   pH值   水温   COD去除率 TP去除率 TN去除率
(%)          (%)    (mg/L)        (℃)      (%)       (%)      (%)
曝气槽    8.68        29.63    2.48   8.1   29.6     48.32     29.29    26.51
非曝气槽  36.97       38.28    0.97   7.9   28.4     60.65     43.30    31.13
对照槽    5.71         3.86    0.13   8.4   31.1      6.45      6.82     3.46
 
曝气槽出水DO浓度较非曝气槽出水高1.51 mg/L,而COD、TN、NH4+-N、TP、溶P去除率分别较非曝气槽低12.33%、4.62%、8.65%、14.01%、28.29%。雒维国[12]等研究指出水生植物吸收的氮在污水的总去氮率中仅约占17%左右,大部分氮去除是依靠微生物的分解、转化来完成。水生植物主要通过蒸腾吸收来去除污水中的可溶性氮磷[12-13]。曝气槽磷去除率较低是由于曝气减弱了磷的沉淀去除途径以及曝气气流引发的水流冲击影响植物的蒸腾吸收;曝气槽氮去除率略低是由于曝气影响了植物的蒸腾吸收,且影响了植物生长,导致根长及根密度明显下降(表1),影响了根表面生物膜中的微生物(如亚硝化细菌、硝化细菌)总量,因此,虽然曝气槽中DO浓度明显高于非曝气槽,但氮去除率仍略低于非曝气槽;非曝气槽的pH较低是由于较高的NH4+-N去除率引起。非曝气槽COD去除效果较好是由于槽中植物根表面积总和明显大于曝气槽(由比较两类净化槽的植物根长与根密度可得知),使根表面生物膜中的异养型微生物总量较多,导致污染物的降解、转化作用较明显,同时污染物的自然沉降作用也强于曝气槽。
3 讨论(Discussion)
长期曝气影响睡莲的光合、蒸腾作用。运用睡莲处理黑臭河水时,曝气槽睡莲叶片叶绿素含量低于非曝气槽睡莲,是由于曝气气流引起的水流冲击影响了睡莲的裸露根系生长,进而对睡莲的正常生理代谢产生影响,使其叶片叶绿素的合成能力减弱,导致叶片叶绿素含量下降,而植物叶片叶绿素含量与有效光合速率之间关系密切,因此曝气影响了睡莲的光合作用,影响了光合代谢产物SP的含量。同时,曝气也影响了睡莲的蒸腾作用。由于曝气槽睡莲根、茎、叶组织的氮磷含量低于非曝气槽睡莲,而含水率差异不显著(表2),且非曝气槽睡莲较曝气槽睡莲高大(表1),说明曝气槽睡莲在相同时间里从污水吸收的可溶性氮磷较非曝气槽睡莲少,也就表明了曝气槽睡莲的蒸腾吸收能力较非曝气槽睡莲弱,因此,曝气影响了睡莲的蒸腾作用。氮磷是植物生长的必需养分,因此,长期曝气影响了睡莲的生长(表1)。
长期曝气影响睡莲的氮磷吸收。污水中的氨态氮是水生植物组织中氮的重要来源[14]。有关研究[15]表明,植物根对无机态氮(NH4+-N,NO3--N)的吸收是不同的, 在二者同时存在时,NH4+-N优先被吸收。磷的吸收主要靠根从污水中吸收,由根运输到茎叶。影响根对营养(N、P)吸收的重要因子是根的表面积、内部结构及污水性质[14]。本试验中,虽然曝气槽污水DO浓度明显高于非曝气槽,约为2.56倍(表3),一定程度上使植物根系表面生物膜上亚硝化细菌、硝化细菌更有利于分解、转化NH4+-N[3-4],但是,曝气明显影响了植物生长,导致根长及根密度明显下降,使非曝气槽植物的根明显比曝气槽植物的长,约为1.98倍(表1),同时非曝气槽植物根密度约为曝气槽植物的2.80倍(表2),导致两类净化槽植物根表面积总和差异显著,从而使植物根表面生物膜中的亚硝化细菌、硝化细菌总量明显不同,且曝气也影响了植物对污水中的可溶性氮磷的蒸腾吸收,最终导致曝气槽出水NH4+-N去除率仍略低于非曝气槽出水。可见,长期曝气影响睡莲根的氮磷吸收,影响氮磷由根向茎叶的输送,使茎叶的氮磷含量下降,使其氮磷积累低于非曝气槽睡莲。
长期曝气影响睡莲的抗性酶活性。酶与植物的生理状况联系紧密。逆境胁迫可引起植物细胞内超氧自由基增加而导致氧化胁迫[16], 但是植物细胞内存在抗氧化酶系统清除这些自由基,以避免或减轻受伤害。CAT、POD是是细胞抗氧化酶系统的主要成员,在清除活性氧和阻止活性氧形成方面起着重要协同作用[17]。POD在植物体内普遍存在,参与多种生理活动,对各种逆境胁迫反应灵敏,与植物抵御各种逆境有相当关系[18]。水生植物的生长状况主要取决于水质、底泥性质及水文条件,由于本试验采用水培方式进行植物培养,因此没有底泥因素的干扰,而曝气槽曝气气流引起的水流冲击在某种意义上相当于改变了净化槽中的微观水文条件。曝气引发的水流对水生植物的裸露根系进行长时间持续冲击,很可能对植物根系(尤其对那些幼嫩须根)产生损伤,影响植物的正常生长,而植物对这种影响做出生理响应,表现出叶片叶绿素、SP含量的下降与根组织POD、CAT活性的增强。近年来,已有相关研究[19-20]表明,POD在植物的损伤愈合中起着重要作用,与植物细胞的生长及组织的再生过程有关,在愈伤组织中分布较多。这种水生植物抗性酶活性由于受曝气影响而增强的现象与李宗辉[5]等报道的人工湿地水生植物经污水长期浸泡后根组织POD活性增强的现象产生的机理不同,后者是由于植物吸收了大量可溶性污染物引起的。
4 结论(Conclusions)
睡莲在黑臭河水中生长良好,但人工曝气在一定条件下影响其生理状况及氮磷吸收。曝气槽睡莲较非曝气槽睡莲矮小,同时生物量、分蘖数、根密度下降;曝气槽睡莲根组织POD、CAT活性较非曝气槽睡莲强,叶片Chla、Chlb、SP含量较非曝气槽睡莲低;曝气槽睡莲根、茎、叶组织内氮磷含量分别较非曝气槽睡莲低;曝气槽出水COD、TN、NH4+-N、TP、溶P去除率分别低于非曝气槽出水。
 
 
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