不同动、植物组合对衡水湖水体净化作用研究毕业论文.doc

密 级 公 开 学 号 _学院毕业论文不同动、植物组合对衡水湖水体净化作用研究论文作者：指导教师：系别：专业年级：提交日期：答辩日期：张东艳：不同动、植物组合对衡水湖水体净化作用研究V毕业论文学术承诺本人郑重承诺：所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不存在抄袭情况，论文中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。作者签名： 日 期： 毕业论文使用授权的说明本人了解并遵守_学院有关保留、使用毕业论文的规定。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文的原件或复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公开论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文及相关资料。作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 论文题目：不同动、植物组合对衡水湖水体净化作用研究摘 要：本文以空心菜、木耳菜两种植物和鲫鱼为试验对象，研究了不同动、植物组合及单一植物对衡水湖富营养化水体中总氮(TN)、总磷(TP)的净化效果。结果表明，空心菜+鲫鱼组合对富营养化水体净化效果好，试验进行15d时，空心菜+鲫鱼组合对总氮、总磷的去除率分别为9.58%、42.86%。木耳菜+鲫鱼对总氮、总磷的去除率分别为8.88%、37.14%；两组单一植物组净化效果相对较差。本研究以期为衡水湖富营养化水体的生态修复及当地的经济发展提供理论依据。关键词：衡水湖；富营养化；水生植物；鲫鱼；总氮；总磷Title: The Study of Different Combinations of Animals and Plants on Water Purification of Hengshui LakeAbstract: Eutrophicated water purification were studied on the removal of total nitrogen( TN) and total phosphorus (TP) of the water in Hengshui lake in this paper.The test object includes two aquatic vegetable : Ipomoea aquatica, Gynura cusimbua and the Carassius auratus .The results indicated that the combination of Ipomoea aquatica and Carassius auratus had the best effect for purifying eutrophicated water. After incubation of 15 day, its removal rate for TN,TP were 9.58%, 42.86%. Another combination (Gynura cusimbua and Carassius auratus) also had better effect than the other two single hydrophyte, and its its removal rate for TN,TP respectively were 8.88%,37.14%. It would provide a theoretical basis for ecologicalrestor -ation that the eutrophic water in Hengshui Lake and local economic development.Key words: Hengshui Lake; Eutrophication; Hydrophytes; Carassius auratus; Total nitrogen; Total phosphorus目 录摘 要IAbstractII1 绪论12 材料与方法22.1材料与方法22.1.1 主要仪器和药品22.1.2 试验材料22.1.3 试验方法22.2 检测指标和测定方法32.3 净化能力的评价方法32.4 数据处理33 结果与分析43.1 水样中各指标初始浓度43.2 动植物的生长状况43.3 TN的净化效果分析43.4 TP的净化效果分析63.5 动植物对TN、TP去除效果的差异84 讨论9参考文献10致 谢11III2012级生物科学专业毕业论文1 绪论衡水湖湿地位于河北省衡水、冀州、枣强的交界地带，是华北平原重点自然保护区之一，其完整的湿地生态系统主要以淡水湿地和国家、级鸟类为保护对象，是物种繁衍的基因库，生物多样性较为丰富。但是由于附近居民环保意识较差,将含有大量重金属的工业废水直接排进湖中，对水质造成直接污染。虽然自保护区成立以来为保护湿地生态环境，已将衡水湖附近工厂迁走，但由于多年环境污染，加之仍有个别附近居民将小型作坊及生活污水偷排入湖的现象，因此湖水中仍有污染物残留。另外衡水湖的水源供给主要靠外流域调水，沿途环境不一，造成水质复杂多变；同时，由于水体相对静止，水流交替缓慢，均会影响衡水湖的水质。此外，临近的106国道穿梭不息的机动车辆及越来越多的游人均加速了对衡水湖湿地的污染，这些因素都将导致衡水湖生物多样性降低，久而久之，使湖水渐渐处于富营养化状态。水体的富营养化主要是由于人类活动的影响，大量的氮、磷等植物营养物质进入水流交换缓慢的湖泊，所引起的水质恶化、藻类快速繁殖等，从而严重影响鱼类和其他生物生存的现象1。其本质原因是水生生物难以适应富营养化水体环境，部分生物大量死亡，生物多样性下降，造成生态系统自我调节、自我更新能力的降低，并最终导致水生生态系统的破坏和环境问题的进一步加剧2。因此在控制污染源的同时，运用生态系统自身自我调节能力实施有效净化措施，在此基础之上发展特色产业，有效引导地区产业结构的调整，从而改善湿地生态环境，建立稳定、和谐与良性循环的衡水湖生态系统。近年来，国内外都在致力于研究能够可持续、稳定地改善地表水质质量、增加水生生态系统多样性的最好的方法。众多研究表明，对于长期受到污染的交替缓慢的水体，要从根本上解决问题，在控制污染源的同时，还应采取措施净化受污染的水体，后者不仅耗资小，而且见效快、效益高。在水体中培植植物，依靠植物生长过程中吸收富营养化水体中氮、磷等植物性营养元素，具有成本低、能耗小、治理效果好、对环境扰动小及易于管理等优点，且有较高的经济和景观效益3。水生植物是湖泊生态系统的初级生产者，它们不仅可以吸收、转化水体中的氮、磷和难降解的有机污染物，以合成自身物质，使富营养化得到净化，而且还能调节水生生态系统的物质循环速度，降低藻类繁殖速率，增加水体生物多样性，从而有效改善水质质量。水体富营养化作为生态问题,只依靠植物或动物来解决,很难见效。本文利用较高经济价值的水生蔬菜和滤食性鱼类的组合,构建小型生态系统,对静态富营养化水体进行生态修复研究4，研究其对富营养化水体的净化效果,从而选取较为高效且具有提高经济价值的水生动植物组合,为富营养化水体的净化研究及发展特色农业提供参考和基础资料。2 材料与方法2.1材料与方法2.1.1 主要仪器和药品主要仪器：紫外分光光度计、蒸汽灭菌器、具玻璃磨口塞比色管、天平、吸管、试管、烧杯、容量瓶、锥形瓶、酸式滴定管、移液管、吸球、窗纱、塑料箱等。 主要试剂：去离子水、氢氧化钠、盐酸、硝酸、浓硫酸、硝酸钾、过硫酸钾、过硫酸钾、酒石酸锑钾、磷酸二氢钾、抗坏血酸、钼酸铵等。2.1.2 试验材料通过查阅大量资料并且深入实地调查和比较，本着实用性、强净化性和可操作性等的原则，选择了具有较高生态、经济价值的2种常见的水生蔬菜：木耳菜（Gynura cusimbua）和蕹菜（Ipomoea aquatica）。蕹菜又名空心菜，旋花科番薯属一年生或多年生草本植物，直根系，在每节除腋芽外，易形成不定根，须根较发达，再生能力强，有较强的耐污性能。木耳菜为落葵科落葵属，一年生蔓生草本植物，可用于水培，钙、铁等元素含量甚高，营养丰富，是一种常见蔬菜。本试验所用的2种水生经济植物空心菜和木耳菜均在温室培养以待试验。选用生长状态良好的植株，根、茎、叶、嫩芽齐全且性状统一。试验期间，植物根全部浸泡于水体中。试验用动物选择滤食性鱼类鲫鱼(Carassius auratus)，鱼身平均长度为5cm左右。这种鱼类在室内模拟试验中有个体小、生活力强的优点。 供试水体取自衡水湖。2.1.3 试验方法本试验采用两种水生植物和鱼类进行搭配组合，设置1个空白对照组和4个不同处理组合共5组，其中每一个处理中植物数量为60株, 每一株植物茎长均在15-25cm之间，鲫鱼的数量为8尾，鱼身平均长为5 cm。具体组合设置如下：处理一，空心菜60株处理二，空心菜60株+鲫鱼8尾处理三，木耳菜60株处理四，木耳菜60株+鲫鱼8尾对照组，湖水，（无植物、无鲫鱼）试验采用自然光照在温室进行，温度在20 左右。试验中盛放植物的容器为50cm( 长) 30cm( 宽) 40 cm ( 高) 的塑料整理箱，试验水体体积为50 L5，采用厚度约1.5 cm 的聚乙烯塑料泡沫板为载体。试验水体取自衡水湖污染较重区域。水样在使用前，除去藻类和杂质，确保每个处理起始条件一致。植物培养一段时间待长到20cm左右时，移栽至实验室人工模拟的自然水环境中驯养7d，使植物从土培到水培有一个适应过程，植入试验水体之前用蒸馏水冲洗干净并用吸水纸吸干，以减少误差。2.2 检测指标和测定方法试验开始前测定水样各项指标的起始浓度。试验开始后每隔5 d取水样分别测定总磷、总氮含量和水温，取样时间安排在下午2点，共测3次，试验周期为15 d。试验测定指标和方法：水质总磷：钼酸铵分光光度法(GB/T 11893-1989)；水质总氮：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB118894-1989)6。试验同时测定水温。2.3 净化能力的评价方法所测指标的去除率/%= (C0-C1)/C0100%其中C0为水质指标的初始浓度，C1为取样时水质指标的浓度。2.4 数据处理采用Microsoft Excel 2003软件对数据进行处理并对数据进行差异显著性分析，然后绘制成图表。3 结果与分析3.1 水样中各指标初始浓度供试水体取自衡水湖污染较重区域，其主要污染来源有人为污染、 雨水径流污染及底泥中内源性营养物的释放。指标含量见表3-1，依据地表水环境质量标准(GB3838-2002)7中指标的标准限值，属于V类水。表3-1 水样及地表水V类水质量金属含量供试水体指标含量指标总氮/（mg/L）总磷/（mg/L）含量4.280.35V类标准2.00.2从表3-1中可以看出所取衡水湖水样中TN、TP含量均高于环境质量标准，说明衡水湖该区域湖水已呈富营养化状态。3.2 动植物的生长状况 从试验开始至结束时，鲫鱼生存状况良好，存活率达100%，且体长都有增加。2种水生植物（空心菜、木耳菜）生长情况有较大差别。与木耳菜相比，空心菜的生长情况相对较好，处理一和处理二中植物平均存活率都达95%以上，而且均有新长出的嫩芽，部分老叶有发黄的现象。木耳菜平均存活率在90% 95%之间，而且有新叶长出，叶片色泽嫩绿，接触水面的老叶有轻微的腐烂。经过分析，造成这些差异的原因可能是植物主要靠其根系吸收营养来生长，空心菜属直根系但须根较发达，可大量吸收营养元素，且茎叶较少接触水面，因此植物体死亡较少；木耳菜属直根系，须根不发达，且部分老叶片漂浮于水面，与水体接触面积较大，在水体流动基本静止的情况下这些叶片极易腐烂或导致植株死亡，从而直接影响植物的生长状况及存活率。3.3 TN的净化效果分析不同的单一植物和水生动植物组合的净水试验开始以后，每隔5d，测定各组试验水体的总氮(TN)含量，每组每次测3次，取平均值，并按照标准曲线及公式计算，绘制各组水体的TN含量表。试验前后TN含量对比表如表3-2所示。表3-2不同处理水体试验前后TN含量变化处理组试验前水体中总氮含量/(mg/L)5d后试验水体总氮含量/(mg/L)10d后试验水体总氮含量/(mg/L)15d后试验水体总氮含量/(mg/L)去除率/100%空心菜4.284.094.003.967.48空心菜+鲫鱼4.284.003.923.879.58木耳菜4.284.144.074.035.84木耳菜+鲫鱼4.284.033.963.98.88对照组4.284.264.244.182.34由表3-2可以看出，各试验水体中的TN含量均有所降低。比较各组对试验水体TN的去除效果，其中处理二（空心菜+鲫鱼）的去除效果最好,在试验结束时，TN浓度达到3.87 mg/L，对TN的去除率为9.58%。而其他组对TN的去除率稍低。根据数据结果绘制各组试验水体的TN浓度变化曲线（图3-1,图3-2）。图3-1 不同植物组对TN的净化效果图3-2 不同动植物组合对TN的净化效果由以上比较可以看出，各组对TN的去除率从高到低依次为：处理二处理四处理一处理三对照组。由此可以得出，水生植物和滤食性鱼类组成的简单生态系统中对于TN的去除能力较好8，其中空心菜+鲫鱼组的去除效果最好，而只有单一植物的两个处理组对于水体中TN的去除效果较不明显。其原因是，空心菜须根较发达，水体中的N元素一方面可以通过植物根系吸收和鱼类的选择性捕食，使N元素在营养级中自生产者向上传递，然后通过水生动植物的收获、收割等输出过程使N元素脱离水体的营养循环；另外，微生物和微型动物也会附着或栖息在水生植物群落中，而含氮有机物分解所产生的氨态氮主要通过硝化和反硝化细菌的硝化作用和反硝化作用的连续作用而去除，这也是系统中N去除的主要途径9。在本试验中,对照组N的去除效果与各组合表现为一致性，是由于该组与其他组试验水体中都存在微生物，通过微生物的的硝化-反硝化作用来脱氮。从图1各组TN浓度变化可以看出，各组TN浓度试验前中期都有明显的降低趋势，试验后期TN浓度的降低不太明显，在试验进行10天以后，气温有所下降，平均气温为18左右，观察到各组植物的部分老叶开始枯黄，伴随着部分植物老叶变黄现象，植物的生长代谢也相对变慢，对TN的吸收速率也减小。有实验研究表明，水生植物吸收的氮、磷等营养物质，在植物枯黄死亡后，会随着植物的腐烂分解重新释放出来，而这一过程是植物生理和环境多重因子相互作用的结果10-11。3.4 TP的净化效果分析经过室内模拟的小型生态系统的水体净化处理后，测定各试验组中水体的TP浓度，各组水体TP浓度变化如表3-3所示。表3-3不同处理水体试验前后TP含量变化处理组试验前水体中总磷含量/(mg/L)5d后试验水体总磷含量/(mg/L)10d后试验水体总磷含量/(mg/L)15d后试验水体总磷含量/(mg/L)去除率/100%空心菜0.350.30.270.2528.57空心菜+鲫鱼0.350.250.220.242.86木耳菜0.350.310.290.2820.0木耳菜+鲫鱼0.350.280.240.2237.14对照组0.350.340.330.3111.43比较各组对试验水体TP的处理效果，在试验进行15d时，其中空心菜+鱼和木耳菜+鱼的组合对TP的处理效果最好，其各自的处理浓度分别达到0.2mg/L和0.22mg/L，TP的去除率分别为42.86%和37.14%。而只有单一植物的空心菜组、木耳菜组对试验水体的TP去除率稍低一些，其处理的试验水体在试验结束时TP浓度分别为0.25 mg/L、0.28 mg/L，TP的去除率分别为28.57%和20.0%。试验期间各组对TP的去除率从高到低依次为：空心菜+鱼组合木耳菜+鱼组合空心菜组木耳菜组。4组处理对试验水体中的TP都有去除效果，随着植株净化水体时间的延长，TP去除逐渐升高，但在试验后期去除率逐渐减小，不同处理组对水体中TP的去除能力有明显的差异（图3-3,图3-4）。图3-3不同植物组对TP的净化效果图3-4不同动植物组对TP的净化效果对以上试验结果分析可知，单一的植物组对试验水体TP的去除率低于水生植物和滤食性鱼类组合的小型生态系统组合，而在水生动植物组合的处理中，处理二空心菜+鲫鱼组合对TP的处理能力最好。空白对照组TP的去除效果与各组表现一致，是因为对照组与其他试验组都在同一温度、光照等外界条件下，水体中的微生物也可以吸收P元素。水生植物大量吸收水体中的P元素，一方面水生植物通过植物根系吸收可溶性活性磷(SRP), 合成核酸、核苷酸、磷脂及糖磷酸酯等植物细胞的组成成分；另一方面，水生植物也为聚磷菌等微生物提供附着空间8。从图3-3、图3-4中各组TP浓度变化趋势可以看出，在试验进行的前8d，各组对TP均有不同程度去除，在随后的几天各组水体TP浓度趋于平稳，同时在11月3日以后，各组的水生植物均有一定程度的枯黄或腐烂，致使植物释放少量P到水体中，所以在试验后期，各组的TP浓度趋于平稳。3.5 动植物对TN、TP去除效果的差异试验表明，动植物组合对P元素的去除效果总体上比N元素好。研究表明12，即使在较低含磷量的水体中，水生植物也能较好地去除水中的总磷。这可能是由于磷元素的去除方式较单一，主要以磷酸盐的形式被植物吸收而去除。而氮的去除有很多种不同的方式，其中微生物对氮的分解是除氮的主要去除方式，这也只是去氮方式之一。其他去氮方式还有植物吸收、吸附，还有沉降氨化硝化和反硝化。在厌氧或者缺氧的情况下，总氮中有60%95%是通过反硝化去除的，而植物和藻类的吸收只有1%34%13。4 讨论水生动植物组合可有效地净化衡水湖富营养化水体：(1) 由水生植物和滤食性鱼类组成的小型生态系统对富营养化水体中的TN、TP都具有较好的去除效果，其对富营养化水体的净化效果优于只有单一植物的净化效果。鲫鱼在水体中的搅动作用可促进植物对氮、磷的吸收4，可有效控制水华的发生14。 (2) 在5个处理组中，总的来说处理二（空心菜+鲫鱼）对水体中TN、TP的去除效果较好，其原因是空心菜根系发达，且在每节除腋芽外，可长出不定根，再生能力强。根系不仅是植物重要的吸收器官，也是氨基酸、激素等植物生长所需重要物质的合成器官15。植物在水中能形成发达的根系，并在根部形成独特的水体植物根系微生物生态系统16，其对营养元素能够直接吸收。 (3) 在水生植物和滤食性鱼类组成的小型生态系统中，随着温度的变化应及时打捞枯黄和死亡的叶片或植株，以防微生物的分解作用而使植株富集的N、P元素再次返还湖水中。因此，运用水生动植物净化湖水时，后期要适时收割打捞,一方面是促进其更好的生长，以更大程度的净化湖水，另一方面是避免植物枯黄、死亡后残体沉积湖底，造成水体的再次污染。(4) 利用水生植物尤其是水生蔬菜净化水不仅可以收到显著的环境效益, 也可通过发展特色农业促进衡水湖周边区域的经济可持续发展。参考文献1 史丹.我国湖泊富营养化问题及防治对策J.资源开发与市场,2005,21(1) :17.2 牛明改.水体富营养化藻类资源竞争与种群演替规律的初探D.苏州:苏州大学,2004.3 周小平,王建国,薛利红.浮床植物系统对富营养化水体中氮、磷净化特征的初步研究J.应用生态学报,2007,2005,16(11) :2199-2203.4 张伟,韩士群,郭起金.凤眼莲、水花生、鲢鱼对富营养化水体藻类及氮、磷的去除作用J. 江苏农业学报,2012,28(5):1037-1041.5 任文君,田在锋,宁国辉,等.4种沉水植物对白洋淀富营养化水体净化效果的研究J