（环境工程专业论文）浮萍对不同氮素形态和水平的代谢响应.pdf

中文摘要 摘要 随着我国经济和社会的快速发展，由氮磷引起的水体富营养化的程度越来越 严重，已经成为治理水体污染的难题。虽然传统的污水处理技术工艺成熟，处理 效果理想，但造价和运行管理费用昂贵，限制其广泛应用，尤其是在小城镇、乡 村等经济水平较差地区。近年来，浮萍修复水体技术具有能耗非常低、对污水中 氮磷去除效率高和适应性广泛等优点，在国内外被认为是一种最佳的革新技术， 逐渐成为国内外环境领域研究的热点之一。前期的研究主要侧重浮萍优势品种的 筛选、浮萍对不同污水的处理效果以及浮萍的资源化利用，但是缺少对于富营养 化限制因子氮素在浮萍处理系统中的迁移、转化的机理以及浮萍体内代谢酶的活 性与氮素去除的关系的研究。 本试验以浮萍( l e m n am i n o r ) 为对象，研究了浮萍对不同氨氮( n h 4 + 一n ) 浓 度( 0 5 6 m g l ) 的吸收特征以及不同n h 4 + - n 浓度对浮萍氧化应激反应的影响，还 考察了不同浓度和不同形态氮素( n h 4 + - n 和n 0 3 - n ) 对浮萍的生理状况的影响， 对认识浮萍净化水体的机理具有重要意义，也为浮萍生态修复技术的推广和应用 提供一定的理论依据和技术支持。主要研究结论如下： 1 1 浮萍对n h 4 + - n 的吸收动力学特性可用m i c h a e l i s m e n t e n 方程( m m 方程) 来描述，通过回归方程得到最大吸收速率为0 0 7 3 3m g g f w h ，亲和力常数为 1 4 4 0 9h 。随着n h 4 + - n 浓度的增加，浮萍体内可溶性蛋白( s p ) 、叶绿素和过氧 化物酶( p o d ) 活性均呈现先增大后减少的趋势，在3 m m o l l 时达到最大；超氧 化物歧化酶s o d 和丙二醛( m d a ) 含量则呈现出先降低再升高的变化特征，在 3 m m o l l 时达到最低值。试验表明，浮萍在0 5 至3 m m o l ln h 4 + - n 浓度范围均能 正常生长；当n h 4 + - n 浓度大于3 m m o l l 时，浮萍虽然表观生长正常，但酶学指 标却表明n h 4 + - n 对浮萍产生了胁迫效应，此时s o d 活性的大小可以用于指示浮 萍受到高浓度n h 4 + - n 胁迫的程度。 2 1 随着培养时间的延长，浮萍吸收培养液中n h 4 + - n 用于合成自身生长所需 的物质，使其生物量增加：浮萍对n h 4 + - n 的吸收速率及其增长速率均呈现出先增 加后降低的趋势，并与浮萍体内的叶绿素、s p 含量和谷氨酰胺合成酶( g s ) 活性 变化趋势一致。在不同的初始浓度下，n h 4 + - n 浓度对浮萍体内光合色素影响不大： 随着初始浓度的增加，刺激浮萍体内g s 活性的增加，进而提高了浮萍对n h 4 + - n 的同化能力，促进氨基酸和s p 的合成。根据相关性分析可知：浮萍体内s p 与叶 绿素含量存在极显著正相关关系；低浓度n h 4 + - n 浓度处理下，浮萍体内s p 含量 与生物量呈现显著负相关关系；高n h n + - n 浓度处理下，浮萍体内g s 活性与叶绿 重庆大学硕士学位论文 素含量之间呈显著或极显著正相关关系。 3 ) 随着培养时间的延长，浮萍吸收培养液中n 0 3 - n 使其生物量增加；浮萍对 n o f - n 的吸收速率及其增长速率呈现出先增加后降低的趋势；浮萍体内硝酸还原 酶( n r ) 活性发生显著变化，而叶绿素、s p 含量和g s 活性变化不显著。高的初 始浓度可诱导n r 活性的提升，促进光合色素的合成，但对s p 和g s 活性影响不 大。相关性分析结果表明：浮萍体内叶绿素与s p 含量关系密切；高n 0 3 。n 浓度 利于提高n r 活性，促进浮萍体内s p 和叶绿素的合成。 关键词：浮萍，吸收特征，氧化应激，同化，酶活性 本学位论文的研宄工作在“国家科技重大专项( 2 0 0 9 z x 0 7 1 0 4 0 0 2 ) 和重庆市环 境保护局环保科技计划项e i ( 2 0 1 1 第1 2 号) 资助下完成，在此对提供经费资助的 机构表示感谢。 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y i nc h i n a ，t h e d e g r e eo f e u t r o p h i c a t i o nc a u s e db yn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw h i c hh a sb e c o m et h ep r o b l e mo f w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o li sm o r ea n dm o r es e r i o u s t oc o n v e n t i o n a ls e w a g et r e a t m e n t t e c h n o l o g y , a l t h o u g ht h e i rp r o c e s s e sa r em a t u r ea n ds a t i s f a c t o r y , t h ec o s t so fo p e r a t i o n a n dm a n a g e m e n ta r e e x p e n s i v e ，l i m i t t e d t h ew i d e ra p p l i c a t i o n ，e s p e c i a l l yt ot h e u n d e v e l o p e dr e g i o n s ，i n c l u d i n gs m a l lt o w n sa n dv i l l a g e s i nr e c e n ty e a r s ，d u c k w e e d r e s t o r a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h eh o t t e s ti s s u e si nt h ee n v i r o n m e n tf i e l df o r l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g he f f i c i e n c ya n dw i d ea d a p t a b i l i t y t h i sn e we c o l o g i c a l t e c h n o l o g yi sr e g a d e d t ob ea ni n n o v a t i o na n dp o p u l a ra r o u n dt h ew o r l d t h es c r e e n i n g ， u p t a k er a t e sa n dr e s o u r s eu t i l i z a t i o no fd i f f e r e n td u c k w e e ds p e c i e sw e r ei n v e s t i g a t e di n t h ep r e v i o u sr e s e a r c h e s t h e r ew e r ef e ws t u d i e sa b o u tt h en i t r o g e n m i g r a t i o na n d t r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s mi nd u c k w e e dt r e a t m e n ts y s t e m ，a sw e l la st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nm e t a b o l i ce n z y m ea c t i v i t i e sa n dn i t r o g e nr e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c s t h ea b s o r b t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n do x i d a t i v es t r e s sr e a c t i o no fd u c k w e e d ( l e m n a m i n o r ) t oa l n m o n u m ( n h 4 + - n ) w a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h ei m p a c t so fn i t r o g e ns p s c i e s a n dc o n c e n t r a t i o n so nt h ep h y s i o l o g i c a ls t a t u so fd u c k w e e dw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r , t a k i n ga c c o u n tt oi n d i c a t et h ep u r i f i c a t i o nm e c h a n i s mt ow a s t e r w a t e ra n dp r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h e a p p l i c a t i o no fd u c k w e e dr e s t o r a t i o n t e c h n o l o g y t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ek i n e t i c a b s o r b t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd u c k w e e dt on h 4 + - nc o u l db e i l l u s t r a t e dw i t ht h em i c h a e l i s m e n t e ne q u a t i o n ( m - me q u a t i o n ) a c c o r i n gt ot h ef i t t i n g r e s u l t so fm me q u a t i o n ，t h em a x i m u ma b s o r p t i o nr a t ew a s0 0 7 3 3m g g 吖f w h “a n d t h ea f f i n i t yc o n s t a n tw a s1 4 4 0 9h t h eg r o w t ho fd u c k w e e dc o u l db ei n f l u e n c e db y d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fn h 4 + - n w i t hi n c r e a s i n go fc o n c e n t r a t i o n ，t h ec h a n g e so f s o l u b l ep r o t e i n ( s p ) ，c h l o r o p h y l la n dp e r o x i d a s e ( p o d ) a c t i v i t yw e r ei n c r e a s e df i r s t l y a n dt h e nd e c r e a s e d ，a n dt h em a x i m u mv a l u ew e r ea l la p p e a r e da t3 m m o l l b u tt h e c h a n g e so fs o da c t i v i t ya n dm d a w e r ej u s to p p o s i t e ，w i t ht h em i n i m u mv a l u ea t 3 m m o l l w h e nt h ec o n c e n t r a t i o n0 fn h 4 + - nc h a n g e df r o m0 5t o3 m m o l l ，d u c k w e e d c a ng r o wn o r m a l l y b u tt h ei n d i c a t o r so fe n z y m o l o g ys h o w e dt h a td u c k w e e dh a d a n t i o x i d a t i v er e s p o n s et on h 4 + - n ，e s p e c i a l l yt oh i g h e rc o n c e n t r a t i o nt h a n3 m m o l l s o da c t i v i t yc a nb eu s e dt oi n d i c a t et h es t r e s sb yt h eh i g hc o n c e n t r a t i o no fn h 4 + - nt o l l i 重庆大学硕士学位论文 d u c k w e e d 2 ) w i t ht h ei n c r e a s eo ft i m ec u l t u r i n gi ns o m en i - h 十- nt r e a t m e n tc o n c e n t r a t i o n s ， t h eb i o m a s so fd u c k w e e dw e r ei n c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s i n go fc o n c e n t r a t i o n ；t h e u p t a k er a t et on i - h 十- na n dg r o w t hr a t eo fd u c k w e e dw e r es h o w e dt ob et h es a m et r e n d ， i n c r e a s i n gf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s i n g t h ec h a n g e so fc h l o r o p h y l l ，s pa n dg l u t a m i n e s y n t h e t a s e ( g s ) a c t i v i t ya l s o s h o w e dt h es a m e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e c o n c e n t r a t i o n o fn h 4 十- na n dp h o t o s y n t h e t i cp i g m e n to fd u c k w e e dw a sn o ts i g n i f i c a n t ， b u tg sa c t i v i t yw a si n c r e a s e dw i t hs t i m u l a t i o no f h i g hn h 4 十- n ，w h e r e a st h em e t a b o l i s m t on i - h + - nw a ss p e e du pa n dt h es y n t h e s i st oa m i n oa c i d sa n ds pw e r ep r o m o t e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fc o r r e l a t i o na n a l y s e s ，t h e r ew a sas i g n i f i c a n tp o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e ns pa n dc h l o r o p h y l l s i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e ng s a c t i v i t ya n dc h l o r o p h y l li nh i g hc o n c e n t r a t i o nw a so b s e r v e d ，a sw e l la st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ns pa n db i o m a s si nl o wc o n c e n t r a t i o n 3 ) w i t ht h ei n c r e a s eo ft i m ec u l t u r i n gi ns o m en 0 3 nt r e a t m e n tc o n c e n t r a t i o n s ， t h eb i o m a s so fd u c k w e e dw e r ei n c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s i n go fc o n c e n t r a t i o n ；t h e u p t a k er a t et on o s - na n dg r o w t hr a t eo fd u c k w e e dw e r es h o w e dt ob et h es a m et r e n d ， i n c r e a s i n gf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s i n g ；n i t r a t er e d u c t a s e ( n r ) a c t i v i t yi nd u c k w e e d c h a n g e ds i g n i f i c a n t l y ，w h i l et h e r ew a sl i t t l ec h a n g e st oc h l o r o p h y l l ，s pc o n t e n ta n dg s a c t i v i t y h i g hi n i t i a l c o n c e n t r a t i o n sl i m i t t e dt h ee n h a n c e m e n to fn ra c t i v i t y ，a n d p r o m o t e dt h es y n t h e s i so fp h o t o s y n t h e t i cp i g m e n t s ，w h e r e a st h ea d v e r s ee f f e c tt os p a n dg sa c t i v i t yw a sl i t t l e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fc o r r e l a t i o na n a l y s e s ，ac l o s e c o r r e l a t i o nb e t w e e ns pa n dc h l o r o p h y l lw a so b s e r v e di nt h i ss t u d y t h en r a c t i v i t y c o u l db ei m p r o v e db yh i g hn o s - nc o n c e n t r a t i o n ，w h i l et h es y n t h e s i so fc h l o r o p h y l l a n ds pi nd u c k w e e d w a sp r o m o t e d k e y w o r d s ：d u c k w e e d ，a b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，o x i d a t i v es t r e s s ， a s s i m i l a t i o n ，e n z y m ea c t i v i t y t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la n d m a n a g e m e n tt e c h n o l o g ym a j o rp r o j e c t so fp r c h i n a ( 2 0 0 9 z x 0 7 1 0 4 0 0 2 ) a n d t h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to f c h o n g q i n g e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb u r e a ui np rc h i n a ( 2 0 11 - 1 2 ) i v 1 绪论 1绪论 联合国环境规划署( 马经安等2 0 0 2 ) 对全球水体富营养化程度进行了调查， 结果显示：在全球范围内，大约有3 0 以上的湖泊和水库均存在水体富营养化现 象，不过各地区产生水体富营养化的程度不同，在温度高且干燥的地区尤为严重。 在我国“十一五”期间，周生贤指出虽然受污水体的治理取得了一些显著成效， 但是水环境的安全仍然面临着威胁。调查结果显示，在七大水系中，劣v 类的水 质断面就超过了2 0 ，国家重点监控的部分湖库和河流频繁发生水体富营养化现 象。大部分的湖泊、水库水域虽然还能满足我国用水的多种要求，但是由于人类 活动的负面影响，水体富营养化已经影响了各类水体功能的应用，特别是导致了 城市的水体饮用水源供水障碍，有时还会影响人类饮水安全。 随着我国经济和社会生活水平的快速发展，由氮磷引起的水体富营养化的程 度越来越严重，己成为水污染控制的难题。传统的污水处理工艺主要包括活性污 泥法、氧化沟和生物滤池等技术，虽然这些技术比较成熟，处理效果也比较理想， 但是它们的造价和运行管理费用比较昂贵，从而限制了它们的广泛应用，尤其是 在小城镇、乡村等经济水平较差地区的应用。自2 0 世纪7 0 年代以来，许多研究 者们以大型的水生植物为研究对象，进行了污水处理和水体修复的研究应用。在 众多水生植物中，浮萍是被研究应用较多的种群之一。大量实际工程的研究结果 显示，浮萍的生长和利用几乎不受地区的限制，即使在工业废水中它也能生长， 还能为动物提供饲料，净化受污的水资源，为土壤干瘠地区的人们提供更多的可 以饮用的水体，是一种经济有效且可行的绿色方法，已成为国内外环境研究领域 的热点之一。 1 1 浮萍在水体修复中的研究 在水生生态系统中，水生植物处在初级生产者的位置，能发挥许多生态功能， 如：对水体中n 、p 、k 等营养物质进行短期的储存，对水体中的污染物进行净化， 还可以对藻类的生长产生抑制作用以及对水中其他水生生物的代谢有一定的促进 作用。 浮萍是一种水生的漂浮植物，繁殖速度快，能够富集水体中很多种物质，如 氮、磷等营养物质及重金属、有机农药等有毒有害物质。浮萍的应用潜力很强， 不仅可以修复富营养化的天然水体，还能处理高氮、磷含量的生活污水和工业废 水。浮萍广泛的分布在江河、湖泊等各种水体中，具有非常强的水体修复功能， 在水体污染的防治中应用价值很大。用浮萍来修复受污染水体的技术为浮萍修复 重庆大学硕士学位论文 技术。 1 l 浮萍的生理学特征 浮萍的形态特征 浮萍是一种显花植物，在植物分类上为单子叶植物纲( m o n o c o t y l e d o n ) ，为泽 泻目的一个科。浮萍科是一种单子叶植物纲被子水生植物，草本，无茎或叶，植 株d j 小型的叶状体组成，叶状体漂浮在水面或者沉入水面下，有根或者无根。根 据中国植物志( 2 0 0 4 ) 中的记载，浮萍为漂浮或者沉水的小草本植物。它的茎 不发育，而以圆形或卵圆形的小叶状体的形式存在，叶状体的长径均不超过l c m ； 它的叶状体呈现绿色，扁平状，背面强烈的凸起。叶不存在或者退化为细小的膜 质鳞片而位于茎的基部。根为丝状，有的无根。浮萍大约拥有4 个星期的生命周 期，在这期间它至少可以繁殖1 0 - 2 0 次；浮萍通常以出芽生殖进行无性繁殖，且 繁殖速度较快，很少开花且进行有性生殖，花有l 雌蕊，2 雄蕊。 浮萍的种类及分布情况 浮萍科一共包括浮萍属( l e m n a ) 、紫萍属( s p i r o d e l a ) 、无根萍( 微萍) 属( w o l f f f i a ) 和无根萍( 扁无根萍) 属( w o f f i e l l a ) 4 属。它广泛分布在世界各地，大约一共有 4 0 多个种。b e r g m a n n 等人( b e r g m a n ne ta 1 ，2 0 0 0 ) 从全球各地采集了约1 0 0 0 种 浮萍，于美国北卡罗来纳州大学的环境生物技术实验室内保存。在我国发现了3 属7 种浮萍，在长江地区就存在3 属5 种。 浮萍的生长环境 浮萍一般生长繁殖在无风无波的水环境中，在静止或缓流的水面上漂浮生长。 它主要生长于池塘、水田、沟渠和湖泊等水体的表面上。浮萍一般在水温2 5 3 0 下繁殖旺盛，因此浮萍通常生长在一些气候温暖的地区，但是由于浮萍对温度有 极高的耐受性，在极端的气候条件也可以生存，所以全世界温带和热带区域也均 有广泛的分布。在正常气温下，浮萍的内生椭圆形的冬芽在冬季将要死亡之前， 会脱离母体沉入到水底，等到翌年春天再浮出水面，在发芽成新株。 浮萍的组成成分 浮萍体内的蛋白质和氨基酸含有非常丰富，而且体内淀粉的含量也非常丰富， 并含有少量其他化学成分( 凌云等1 9 9 9 ) 如黄酮类化合物质( 抗衰老) 、胡萝卜素、 叶黄素、醋酸钾、氯化钾、脂类化合物以及碘、溴等物质。 1 1 2 浮萍在水体修复中的去除机理概述 浮萍生长的水体中，随着与水面距离的增加，水体中氧含量降低，一般可以 分为好氧层、兼氧层和厌氧层，分别对应拥有好氧、兼氧、厌氧的微生物群落。 在浮萍水体修复系统中，各种污染物的净化需要依靠浮萍和微生物俩者共同完成。 因为浮萍的根系很少，向水中释放的氧气很少；且浮萍生长在水体表面，能妨碍 1 绪论 空气中的氧气向水体中扩散，所以浮萍塘的好氧层一般都比较浅，约只有在浮萍 生长的水面以下l o c m 的深度。好氧层下面是兼氧层，再向下则是厌氧层。由于浮 萍的根系较小，为微生物提供的附着面积较小，所以浮萍塘内的微生物主要是以 悬浮状态存在( a 1 - n o z a i l ye ta 1 ，2 0 0 0 ) 。浮萍塘内主要依靠微生物来降解有机物。 研究发现在浮萍塘中尽管好氧微生物群可以降解一些有机物，但厌氧微生物群降 解了大部分的有机物( v e r m a a te ta l 。，1 9 9 8 ) 。 在浮萍塘中，氮的去除主要有4 个过程( 种云霄等，2 0 0 6 ) 。( 1 ) 浮萍的吸收富 集作用。浮萍可以利于吸收水体中的n 、p 等营养物质以及重金属离子、农药和其 他人工合成有机物等有毒物质，把它们同化为自身结构的组成物质，使其富集、 固定在体内，减少水体中污染物的数量。当浮萍收获后，其吸收的污染物质随之 转运出水生生态系统，从而达到了净化水体的作用。( 2 ) 随固体颗粒物的沉降。当 水流缓慢经过浮萍塘时，浮萍的根系会粘附或吸附不溶性胶体和悬浮状颗粒而使 其沉淀下来。( 3 ) 微生物的降解。在好氧区n h 4 + - n 在硝化细菌作用下发生硝化反应， 在厌氧区主要依靠反硝化细菌的作用将有机物降解为氮气并释放到大气中。这样， 浮萍根部的污染物就会被微生物分解利用或经生物代谢降解过程而去除。( 4 ) 氨的 挥发。 1 1 3 浮萍在水体修复中的特点 相比于其它水处理技术而言，浮萍处理系统具有能耗低、效率高、适用性广 等优势。浮萍对水体有富氧的作用，微生物群体可以正常的生长，不需要再额外 的对污水进行曝气，减少了曝气系统的应用，所以浮萍系统的能耗非常低。其他 大型的水生植物收获的时候不仅需要大量人力物力资源，收获以后还要对其进行 打碎处理以减小占地体积。与之相比，浮萍只需用网把它们捞起来，然后自然风 干即可以了。而且收获后的浮萍还可以作为动物的饲料、堆肥的原料、酒精的原 料。由于浮萍对水体中氮磷的吸收速率比较高，所以浮萍系统对氮磷的去除效果 也比较高。同时，浮萍对b o d 、t s s 、重金属也有较好的去除效果。由于浮萍完 全覆盖水面，对蚊虫和臭气也有比较良好的抑制效果。浮萍可以处理多种污水， 可以在多种气候条件下生活，也可以在多种反应器中生长，所以浮萍系统的适应 性比较广，全世界范围内都可以见到浮萍系统的身影，它尤其适合于经济不发达 的发展中国家。浮萍治理受污染水体的优势如下： 生长快速 浮萍的叶状体能够进行光合作用，是浮萍的主要结构，因此浮萍体内具有较 强的新陈代谢活性。在适宜的环境条件下，浮萍生长速率较高。一些研究表明， 青萍( l e m n am i n o r ) 在温度2 4 和光照1 2 h 的条件下其生物量4 d 增加了1 倍( h a r v e y e ta 1 ，1 9 7 3 ) 。在自然条件下，r e d d y 等人( 1 9 8 7 ) 的研究结果统计显示，北美地区 重庆大学硕士学位论文 浮萍的年干重( d w ) 生产力为6 - - 2 6t a h m 2 。o r o n 等人( 1 9 8 6 ) 也曾经报道，在污 水中生长的浮萍相对生长速率可以达到o 1 0 - 0 3 5g g d ，相当于每2 - 7d 浮萍生 物量即可增加一倍。浮萍和其他水生植物生长速率比较见表1 1 。 表1 1 水生植物生长速率 t a b 1 1g r o w t hr a t eo f a q u a t i cp l a n t s 植物名称生长速率 浮萍 芦苇 金鱼藻 水葫芦 5 5t ( d w ) h a 。y r ；生长速率为o 1 o 3 5 9 g 。d 8 5t ( d w ) h a y r 最高生长速率为0 0 2 5gd w g d 1 0 9t ( d w ) h a ) ，r 环境适应能力好 浮萍可以生长的范围十分广泛，具有较强的环境适应性。在自然条件下，浮 萍可以生长的温度范围较大。浮萍可以在5 7 的低水温( b u d d h a v a r ae ta 1 ，1 9 9 1 ： o r o ne ta 1 ，1 9 8 6 ) 和i - 3 的低气温( b r i xe ta 1 ，1 9 8 9 ) 环境中可以缓慢的生长。 在更低的温度下，浮萍通过冬芽沉到池塘底部，进入休眠状态，直到水温回升后 再浮上水面。其最适合的生长温度为2 3 - 2 5 。当温度达到3 0 以上时，浮萍生 长开始受到抑制；叶片变黄，生长速率下降。浮萍可以适应的p h 的范围也很广泛； 例如 浮萍可以在p h 为4 5 7 5 的水体环境中生存，只有p h 大于1 0 时，浮萍的生 长才会受到抑制( z i r s c h k y e ta 1 ，1 9 8 8 ) 。 浮萍对污水中的氨氦( n h 4 + - h i ) 、重金属和有机农药等有害物质也都具有较高 的耐受性，因此它们能在多种类型的污水环境中生长繁殖( c a i c e d oe ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 污水中的非离子态氨( n h 3 ) 对浮萍具有毒害作用，它很容易穿过植物细胞，会造 成植物体的新陈代谢发生紊乱。所以，污水中n h 3 的浓度是影响浮萍耐污能力的 关键。研究结果表明，n i - 1 3 浓度超过2 m g l 时，紫萍会受到毒害作用，而n h 4 + n 的浓度在高于4 6 m g l 时，浮萍生长开始受到影响( 种云霄等，2 0 0 4 ) 。亚硝态氮 ( n 0 2 一n ) 和硝态氮( n 0 3 - n ) 浓度对浮萍一般不产生毒害作用。在农村地区的 露天粪池中可以见到其表面都生长着浮萍，可见浮萍的耐污能力很强。 浮萍在自：然界中拥有较强的竞争能力。原因之一是它具有高的繁殖速率；原因 之二是它生长在水体表面，对水面造成覆盖，能够有效的抑制其他的沉水植物和 藻类的光合作用。浮萍与其他净化污水的水生植物的环境适应能力( g i d e o no r o n ， 1 9 9 4 ；t h o m a se at 1 ，1 9 9 5 ) 比较详见表1 2 。 4 1 绪论 表1 2 水生植物对环境的适应能力 t a b 1 2e n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t yo f a q u a t i cp l a n t 植物名称 适应能力 浮萍 芦苇 金鱼藻 水葫芦 适应性较强，耐寒，耐污性不如水葫芦，但也能耐受高浓度的污水。 不耐寒，但是可以在弱碱性的水体中存活。 耐寒 对温度感应非常敏感，耐寒性比较弱；耐污能力较强。 氮磷的吸收能力强，氮磷含量高 r e d d y ( 1 9 8 7 ) 等人的研究结果显示，浮萍对氮素的吸收速率为3 5 0 1 2 0 0 k g ( n ) h a y r ，对磷的吸收速率为1 1 6 - - 4 0 0k g ( p ) h a y r 。研究结果表明，污水中的氮 磷浓度会直接影响浮萍对氮磷的转移速率，氮磷的转移速率会随氮磷浓度升高而 加快( t r i p a t h ie at 1 ，1 9 9 1 ) 。也就是说，污水氮磷浓度越高，浮萍的吸收能力随之 增强，反之亦然。浮萍体内n 、p 含量较高，一般高于其他的水生植物，但是生长 在不同污染程度水体中的浮萍体内n 、p 含量会有一些差异。水生植物体内的n 、 p 含量见表1 3 。 表1 3 水生植物体内的n 、p 含量 t a b 1 3 n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n t e n t so fh y d r o p h y t e s 营养成分高 印万芬( 1 9 9 8 ) 总结了浮萍与其他用于污水净化的水生植物营养成分比较( 见 表1 4 ) 。结果显示，浮萍体内粗蛋白和粗脂肪含量较高，而粗纤维则较其他水生 植物低。这说明了浮萍不仅营养价值较高，而且容易被家禽消化吸收。还有一些 重庆大学硕士学位论文 学者认为浮萍的植物体没有根茎的结构使得浮萍木质素和纤维素的含量仅占干重 的2 7 和1 0 。浮萍作为含有高营养价值的污水处理植物，引起了世界各国研究 人员的关注。p a u ls k i l l i c o n 等人( 1 9 9 3 ) 研究了一些优化浮萍品种的营养成分，其 中粗蛋白含量占干重的3 5 以上，但是粗纤维含量只有干重的5 1 5 。更有意义 的是，浮萍体内蛋白质中的必需氨基酸( e e a ) 含量比其他植物高，含量甚至接 近动物蛋白。此外，浮萍体内的色素和微量元素的含量也比较高。 表1 4 浮萍与其他水生植物的主要营养成分 t a b 1 4m a i nn u t r i e n tc o n t e n t so fd u c k w e e da n do t h e ra q u a t i cp l a n t s 易于收割和利用 浮萍是漂浮在水面上生长的一种水生植物，没有根茎结构，所以收割它们非 常简单，不需要特殊得工具，也不需要太多得人力，只需要用网把它从水体中捞 上来即可。收获以后的浮萍可以直接喂鱼和家禽，也可以风干以后作为饲料和药 材。因此浮萍既易于收割，收割以后又易于处理。浮萍与其他水生植物收获方式 和利用情况比较见表1 5 。 表1 5 水生植物收获方式及用途 t a b 1 5 h a r v e s t i n gm e t h o d sa n du s e so f a q u a t i cp l a n t s 植物名称收获方式和利用情况 浮萍 芦苇 金鱼藻 水葫芦 己收获，用网捞出或机械采集。可作为饲料、药材和堆肥，用途较广。 采集难，用刀收割，劳动强度大。可以作为造纸原料和建筑材料。 难收获。收获以后可用做药材或肥料。 难收获，用刀收割。对金属富集高，不可直接作为饲料，可用作堆肥。 1 1 4 浮萍在污染水体生态修复中的应用 与其他许多处理受污染水体的方法相比，浮萍修复技术拥有无法比拟的优点， 因此无论是在废水的处理上还是水体的生态修复上，都已经引起了人们的广泛关 注。浮萍最早的应用是回收畜牧污水的氮磷营养盐，之后开始逐渐用于处理氧化 6 1绪论 塘或其他处理系统的出水、化粪池的废水、生活污水、食品和肥料的工业废水及 含有重金属或有机农药的工业废水等。 一些学者研究了利用浮萍处理稀释的或者人工模拟的养猪废水，研究表明浮 萍可以有效去除其中的氮磷。b e r g m a n n 等人( 2 0 0 0 ) 用筛选出的优质品种浮萍 ( l e m n am i n o r8 6 2 7 ) 处理稀释5 0 的养猪废水，结果显示处理效果良好，t k n 、 n h 4 + - n 、t p 和p 0 4 3 _ p 的去除率分别达到了8 3 、10 0 、4 9 和31 。c h e n g 等 人( 2 0 0 2 ) 用筛选出的优质浮萍( s p i r o d e l a p u n c t a t a7 7 7 6 ) 和( l e m n a m i n o r8 6 2 7 ) 分别处理人工模拟的养猪废水，研究结果表明，s p i r o d e l ap u n c t a t a7 7 7 6 对污水中 氮的浓度去除速率为0 9 5 5m g l h 一，对磷的浓度去除速率为0 1 2 9m g l h - 1 ，浮 萍的产量大约为3 1 9 2k gd w h a l - d ；l e m n am i n o r8 6 2 7 对污水的氮的去除速率为 2 1 1g m - 2 d ，对磷的去除速率为0 5 9g m - 2 d ，浮萍的产量为2 9 0k gd w h a q d 一。 c h a i p r a p a t 等人( 2 0 0 5 ) 用浮萍( s p i r o d e l ap u n c t a t a7 7 7 6 ) 处理人工模拟的养猪废 水，研究结果表明其对t n 和t p 的去除速率分别达到了8 0 2 0m g m - 2 d 。和2 1 4 3 m g m - 2 d ，浮萍产量约为1 8 7gd w m - 2 d 。 还有学者对浮萍处理系统处理生活污水做了研究，研究结果显示该系统具有 较高的处理效果。a l a e r t s 等人( 1 9 9 6 ) 在室外构建了浮萍处理系统，用于处理生 活污水，研究结果显示4 年来浮萍系统对c o d 的去除率可高达9 0 9 7 ，对k t n 和t p 的去除率在7 4 7 7 范围之间；出水中k t n 的浓度可低至2 7m g l ，t p 的 浓度可至0 4m g l 一，浮萍产量可达5 8 1 2 0 0k gd w - h a l d 。e 1 s h a f a i 等人( 2 0 0 7 ) 使用浮萍处理系统处理经过u a s b 处理后的生活污水，研究结果显示该系统处理 效果较好：c o d 、b o d 和t s s 的去除率分别可达9 3 、9 6 矛n9 1 ，氨氮、t k n 和t p 的去除率分别可达9 8 、8 5 和7 8 ，还可完全去除污水中的大肠杆菌，浮 萍产量可达1 3 8k gd w h a d 一。h a m m o u d a 等人( 1 9 9 5 ) 利用浮萍( l e m n a g i b b a ) 处理经过河水稀释的生活污水，试验结果表明t n 和t p 的最高去除率分别可达到 9 5 8 和9 6 2 。k o r n e r 等人( 1 9 9 8 ) 用l e m n ag i b b a 处理生活污水，结果显示对 污水中c o d 的去除率在7 4 7 8 之间。o z e n g i n 和e l m a c i 等人( 2 0 0 7 ) 研究了用 l e m n am i n o r 处理生活污水，结果表明l e m n am i n o r 对污水中的c o d 、t n 和t p 的去除率范围分别为7 3 8 4 、8 3 8 7 幂n7 0 8 5 。s u t t o n 和h a r o l d ( 1 9 7 7 ) 、v a n d e rs t e e n ( 1 9 9 9 ) 以及r a n ( 2 0 0 4 ) 等人都对浮萍处理生活污水做了研究，结果均 显示浮萍系统有良好的净化效果。 一些研究还表明浮萍对悬浮物( t s s ) 的去除具有效果良好，是由于藻类塘出 水中含有藻类，所以t s s 往往不能达到污水排放标准，而浮萍覆盖水体表面限制 了光线穿透水面，可以有效抑制藻类的生长，从而降低了藻类塘出水中的t s s 。 浮萍还可以用于处理其他处理系统的出水，以降低出水中的氮磷的含量，提升水 7 重庆大学硕士学位论文 质。s h o r t 等人( 2 0 0 7 ) 研究了浮萍对氧化塘出水水质的改善，结果表明了，浮萍 改善了氧化塘出水中的t s s 、