沉水植物对水中氮、磷的去除效果.pdf

化 工 进 展 2012 年第 3 1 卷第 1 期 C H E M IC A L IN D U ST RY A N D EN G IN E ER IN G PR O G R E SS 2 17 沉水植物对水 中氮 磷 的去除效果 左奇丽 李子燕 杨晓玲 刘开庆 杜 亮 杜谨宏 邱 莉 姜 浩 昆明理工大学环境科学与工程学院 云南 昆明 650093 摘要 通过静态模拟试验 研究了水蕴草 Elodea densa Planc h Casp 1 金鱼藻 Ceratoph Ilum demersum L 绿菊 Cabom ba c arli ni ana 3 种沉水植物在不同营养浓度条件下 中 富 超富和胁迫浓度 对水中氮 磷的 去除效果及其生物量的变化 结果表明 在不同营养浓度条件下 3种沉水植物均能去除水体中的氮 磷营养物 质 其中 在前 3种营养条件下金鱼藻对水中的TN 有较好的去除效果 水蕴草在胁迫营养浓度条件下对水中氮 的脱除效果较好 水蕴草在 4 种条件下对水中的 TP 有较好的去除效果 尤其是在超富营养和胁迫浓度条件下 去除效果远远好 于其它两种植物 关键词 沉水植物 富营养化 氮 磷 去除效果 中图分类号 X 703 文献标志码 A 文章编号 1000 66 13 2012 01 0217 05 R em o v a ls o f n i tro g en an d p h o sp h o r u s i n th e w ater b y su b m erg ed h y d ro p h y te s 一 一 一 Z U O Q i li LI Zi yan YAN G X i aoli n LIU K ai qi ng D U L i ang D U Ji nhong Q IU L i JIA N G H ao Fac ulty ofEnvi ronm ental Sc i enc e and E ngi neeri ng K unm i ng U ni versi ty of Sc i enc e and T ec hnology K u nm i n g 6 50 0 93 Y urm an C hi na A b stra c t T hrou gh stati c si m u lati on test th ree k i nd s o f subm erged p lant i n c lu di ng E l0dea d ensa P la nc h C asp C eratop hy llum d em ersu m L C a bom ba F anw o rt w ere stu di ed T h ey w ere hi gh ly effic i ent i n rem ovi ng to tal ni og en T N total p ho sp hor T P T h e c h an g e of th e b i om ass at the d i ff erent nutri ti on al levels w as also i n vesti gated T he nu tri ti on al lev els w ere desc ri b ed by m esotrop hi c c onc entrati on eutr oph i c c onc entrati on hy perb oli c c on c entrati on an d stress c onc entrati on T he researc h resu lts i nd i c ate that three k i n ds o f su bm erg ed hy drop hytes are c ap able of rem ov i n g n i tr ogen and ph osph orus eff ec ti vely at the d i fferen t nu tri ti on al lev els i n th e w ater A t m esotr oph i c c onc en trati on eu troph i c c on c entr ati on and h yperb oli c c onc entrati on C era top hyllum dem ersum L sh ow ed w ell T N rem ova1 em c i enc y i n the w ater E 0dea densa P lanc h C asp show ed w ell rem oval effic i enc y on both T N an d T P i n th e w ater at th e d i ff erent n utri ti onal lev els A t h yp erbo li c c onc en tr ati on and str ess c on c entrati on nutri ti on al 1ev els the rem ov al effi c i enc y of E lod ea d ensa P lanc h C asp i S hi gh er th an C eratop hy llum dem ersu m L an d C a bom ba F anw o rt K ey w ord s subm erged hydrop hytes eu tro phi c ati on ni trogen pho sp ho ru s rem oval effi c i enc y 随着经济的快速发展 水体富营养化问题 已经 成为全球性 的环境问题 其修复的关键在于降低水 体 中氮 磷的含量 1 在治理富营养化水体的多种 措施中 水生植物以其 良好的净化效果 独特的经 收稿 日期 2011 06 29 修改稿 日期 20 11 08 30 第一作者 左奇丽 1985一 硕士研究生 研究方向为矿业废弃地 生态恢复 E m ai l zuoqi li 000 163 c onq 联系人 李子燕 博士 教 授 研 究 方 向 为 污 染 控 制 矿 业 废 弃 地 生 态 恢 复 E mai l li zi yan3891 si na c orn 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 化 工 进 展 2012 年第 3 1 卷 济效益 低耗 高效 简单易行 以及有利于重建和 恢复 良好的水生生态系统等特 点 2 得到国内外 的 广泛研究和应用 并取得可观 的成果 沉水 植物由于其根 茎 叶均完全浸没于水中 是一种 完全的水生植物 j H 它在光合作用时释放氧气于 水体中 这对富营养化水体 自净作用至关重要 因 此 沉水植物在水生态系统中占据重要的地位 因 此 富营养化水体 中沉水植物的恢复与重建已成为 水域生态学研究的重点内容之一L1 本研 究在前期对金鱼藻 黑藻 绿菊 水蕴草 研究的基础上选取 了水蕴草 金鱼藻 绿菊进行了 室内研究 以水体的净化百分率对氮 磷的去除率 作为比选依据 分析 了其对氮 磷的净化能力 1 材料 与方法 1 1试验材料 水蕴草 E lodea densa P lanc h Casp 金鱼藻 C eratophyllum dem ersum L 绿 菊 Cabom ba c arli ni ana 均购于云南省 昆明市世博花鸟市场 购 回后将其放置于实验室的去离子水中驯化 48 h 选 取生长均匀 良好的植株作为试验材料 1 2试验设计 取 2 L 的烧杯 15 个 编号 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 和 1 2 3 4 5 在 1 2 3 4 5 号烧杯 中分别放入大小相似生长 良好的水蕴草 约 25 g 1 号烧杯为空白试验 作为对照 在 1 2 3 4 5 号烧杯中分别放入大小相似生长 良好 的金鱼藻约 25 g 1 号烧杯为空白试验 作为对照 在 1 2 3 4 5 号烧杯中分别放入大小相似 生长 良好 的绿菊约 25 g 1 号烧杯为空 白试验 作 为对照 各种植物分别在中度营养 富营养 超 富营养和胁迫营养浓度下培养 每天用蒸馏水补充 蒸发的水分 试验周期为 12 天 试验温度为室温 分别在第 1 2 3 4 5 7 8 10 11 12 天测 定水 中的总氮 TN 总磷 TP 含量及植物生 物量 分别将水蕴草 金鱼藻 绿菊放在 2 L 的烧 杯中 试验水体为 2 0 L 试验模拟的 4 种不 同浓度 水体见表 1 1 3测定方法 161 TN 采用碱性过硫酸钾消解一 紫外分光光度法 TP 采用过硫酸钾消解 氯化亚锡分光光度法 生物 量 的测定是把植物用滤纸吸干水 称其鲜重 表 1不同营养浓度 2 1 L 单位 m gm 2结果与分析 文中各图均为扣除空 白背景值后的值 仅仅是 沉水植物对水中 TN TP 的去除情况 在计算各种 沉水植物对水中 T N TP 的累积去除率时 都 已经 减去空 白水样的值 2 1植物对水中 T N 的去除 图 l 图 3 表明 在各营养浓度条件下 3 种 沉水植物对水中TN 的去除效果 TN 去除是由于 水体中的 N H4 N 一部分通过植物吸收和挥发作用 去除 大部分则是通过硝化作用和反硝化作用 的连 续反应去除 在各营养浓度条件下 3 种沉水植物 对水中的 TN 均有一定的去除效果 在中度营养 富营养和超富营养浓度下 水蕴草 金鱼藻 绿菊 图 l 水蕴草对各富营养化水体中的 TN 的去除 图2金鱼藻各富营养化水体中的TN 的去除 如 加 m O 蓬料篮 g N 上廿 霞褂榭 姗 躐譬N l d 茛麟 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 1 期 左奇丽等 沉水植物对水中氮 磷的去除效果 219 装 旃 30 2 0 岛 苔 廿lO 簧 操 0 槲 略 岛 廿 霞 时间 天 图3 绿菊对各富营养化水体中T N 的去除 图5 富营养浓度下植物对 TP 的去除 对水中的 TN 均有相 同的去除能力 试验进行到第 12 天时 水蕴草 金鱼藻 绿菊对水 中 TN 的累积 去除率分别为 29 0 29 3 29 5 41 1 41 0 39 7 和 28 3 27 9 26 1 在胁迫浓度条件 下 3 种沉水植物对水中 TN的去除能力有很大的 差别 试验进行到第 l2 天时 水蕴草 金鱼藻 绿 菊对水中 TN的累积去除率分别为 34 31 6 25 1 在此浓度条件下 水蕴草对水中的 TN 表现 出很好的去除能力 由此说 明随着浓度增加 水蕴 草对水中 TN 的去除能力不断增强 金鱼藻 绿菊 对水中 TN 的去除能力不断减弱 2 2植物对水中 T P 的去除 水生植物对磷的去除发挥重要作用 一方面水 生植物通过 同化作用去除磷 即通过植物根系吸收 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组成 另一方面 水生植物表 面为聚磷菌等微生物提供 附着空问 沉水植物的茎 叶和表皮都与根一样具有吸收作用 且皮层细胞含 有叶绿素 有进行光合作用的功能 这种结构对水 体 中氮 磷等具有 良好的吸收作用n 由图 4 图 7 所示 在不同营养浓度条件下 3 种沉水植物对水中的 T P 均有一定的去除效果 其 槲 妊 g 岳 靛 趔 图4 中度营养下植物对 T P 的去除 褂 岛 山 导 靛 槲 噩 骺 岛 山 廿 J 襄 趔 图6超富营养浓度下植物对 TP 的去除 图7胁迫浓度下植物对 TP 的去除 中水蕴草 的去除效果最好 尤其是在强富营养和胁 迫浓度条件下 水蕴草对水 中 T P 的去除效果远远 好于其它两种沉水植物 由图 4 所示 在中度营养浓度条件下 试验进 行到第 2 天时 水蕴草对水中 T P 的累积去除率为 100 此时金鱼藻 绿菊对水中 TP 的累积去除率 分别为 69 47 说明水蕴草对水中 T P 的去除 速度快 去除率高 随着时间的延长 试验进行到 第 6 天时 金鱼藻对水 中T P 的累积去除率为 100 此时绿菊对水中 TP 的累积去除率为 83 试验进 行到第 12 天时 绿菊对水中 TP 的累积去除率缓慢 增加到 100 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 220 化 工 进 展 20 12 年第 31 卷 由图 5 所示 在富营养浓度条件下 在试验的 前 4 天 3 种沉水植物对水体中的 T P 具有相同的去 除能力 其对水中TP 的累积去除率分别为 67 2 62 8 64 3 试验进行到第 7 天 水蕴草 金鱼 藻 绿菊对水中 TP 的累积去除率分别为 92 70 74 由此说明水蕴草对水中 TP 的去除速度快 试验进行到第 lO 天时 水蕴草对水 中 TP 的累积去 除率为 100 此时金鱼藻 绿菊水 中 TP 的累积去 除率分别为 83 76 说明水蕴草对水中 TP 的 去除率高 随着时间推迟 试验进行到第 12 天时 金鱼藻 绿菊对水中 TP 的累积去除率分别为 90 82 由上述可知 在富营养浓度条件下 3 种沉 水植物对水中的 TP 的去除效果依次为 水蕴草 金鱼藻 绿菊 由图 6 所示 在超富营养浓度条件下 3 种沉 水植物对水中 TP 的去除能力差别很大 水蕴草对 水中 TP 的去除效果远远好于其它两种沉水植物 试验进行到第 4 天时 水蕴草对水中 T P 的累积去 除率为 78 8 此时金鱼藻 绿菊的对水中 TP 的 累积去除率分别为 24 9 35 由此说明水蕴草 对水中TP 的去除速度比金鱼藻 绿菊对水中TP 的 去除速度快 试验进行到第 10 天时 水蕴草对水中 TP 的累积去除率达到了 100 此时金鱼藻的累积 去除率分别为 62 53 说明水蕴草对水中 T P 的去除率 比金鱼藻 绿菊对水中 TP 的去除率高 在此浓度条件下 水蕴草对水中的 TP 表现 出很好 的去除能力 金鱼藻 绿菊对水中 T P 的去除能力 不断降低 由此说明水蕴草具有抗超富营养浓度的 能力 由图 7 所示 在胁迫浓度下 3 种沉水植物对 水 中 TP 的去除能力有明显的差别 试验进行到第 4 天时 水蕴草对水 中 T P 的去除速度为 55 而此 时金鱼藻 绿菊的去除率分别为 26 23 由此 说明在胁迫浓度下 水蕴草对水中 TP 的去除速度 比金鱼藻 绿菊对水中 TP 的去除速度快 3 种沉水 植物对水中 TP 的累积去除率均缓慢增加 试验进 行到第 12 天时 水蕴草对水 中 TP 的累积去除率达 到了 100 此时金鱼藻 绿菊对水中 TP 的累积去 除率分别为 44 37 说明水蕴草对水中 T P 的 去除率 比金鱼藻 绿菊对水中 TP 的去除率高 在 此浓度条件下 水蕴草能大量 的吸收水体 中的 TP 正常生长 而金鱼藻 绿菊表现出对营养成分吸收 能力下降 水质恶化 金鱼藻部分叶片发黄 绿菊 部分叶片脱落等症状 从而可知水蕴草的抗胁迫能 力 强 综上所述 在各种营养浓度条件下 3 种沉水 植物对水中的 T P 均有一定的去除效果 其去除效 果依次为 水蕴草 金鱼藻 绿菊 在各种营养浓 度条件下 对比 3 种沉水植物可知 水蕴草对水中 的 T P 表现出去除速度快 去除率高 抗胁迫能力 强等特点 随着浓度的增加 水蕴草对水中的 T P 均具有很好的去除能力 而金鱼藻 绿菊对水中 TP 的去除能力随浓度的增加而不断降低 2 3不同营养浓度下各种沉水植物生物量的变化 在不同营养浓度条件下 3 种沉水植物生物量 的变化情况见表 2 在各营养浓度条件下 3 种沉水 植物的生物量都有所增加 但水蕴草生物量增加量 均小于金鱼藻 绿菊生物量的增加量 其中在中度 营养浓度 富营养浓度和强富营养浓度条件下 3 种沉水植物中水蕴草生物量的增加量最小且远远小 于金鱼藻 绿菊生物量的增加量 水蕴草的增加幅 度也远远小于金鱼藻 绿菊的增加幅度 在胁迫浓 度条件下 金鱼藻 绿菊表现出对营养成分吸收能 力下降 金鱼藻部分叶片发黄 绿菊部分叶片脱落 从而使生物量增加量有所降低 但还是大于水蕴草 生物量 的增加量 由此说明 水蕴草能大量吸收富 营养化水体中的氮磷营养物质但其生物量增加量 小 从而可为应用水生植物净化水质提供一种有效 的沉水植物 表2不同营养浓度条件下各种植物生物量的变化 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 1 期 左奇丽等 沉水植物对水中氮 磷的去除效果 221 3 结 论 1 在不同的营养浓度条件下 3 种沉水植物 均能去除水体 中的氮 磷营养物质 2 对比 3 种沉水植物发现 水蕴草表现出 对环境适应性较强 除氮除磷效果显著等特 点 尤 其是其表现 出对水体中的 TP 具有去除速度快 去 除率高 抗胁迫能力强等优势 3 在各种营养浓度条件下 水蕴草均能正 常生长 在胁迫浓度条件下 金鱼藻 绿菊表现出 对氮磷营养成分吸收能力下降 水质恶化 金鱼藻 叶片变黄 绿菊部分叶片脱落等症状 4 在各种营养浓度条件下 水蕴草具有生 物 量增加量小 除氮除磷效果显著等特点 从而 可为利用植物修复不 同浓度富营养化水体提供理 论依据 参考文献 1 李顺鹏 环境生物学 M 北京 中国农业出版社 2002 443 444 2 A rnlg M elzer A quati c m ac rophytes as tools for lake m anagem ent J H y d ro b i o log i a 19 9 9 3 9 5 3 96 18 1 190 3 宋海亮 吕锡武 稻森悠平 水生植物床预处理富营养化水源水 中试研究 J 给水排水 2004 30 8 8 12 王海珍 陈德辉 王全喜 水生植被对富营养化湖泊生态恢复的 作用 J 自然杂志 200 1 24 1 33 36 葛滢 王晓月 常杰 不同程度富营养化水中植物净化能力比较研 究 环境科学报 1999 19 6 690 692 Iy en ga r S S M a rten s D C M iller W P D i stri b u ti o n an d p la nt avai labi li ty of soi l zi ne fr ac ti ons J Soi l Sc i enc e Soc i ety of A m eri c an Journal l981 45 3 735 739 贺锋 吴振斌 水生植物在污水处理和水质改善中的应用 J 植 物学通报 2003 20 6 641 647 童 昌华 杨 肖娥 濮培民 富营养化水体的水生植物净化试验研 究 应用生态学报 2004 15 8 1447 1450 王 国祥 濮培民 张圣照 等 人工复合生态系统对太湖局部水 域水质的净化作用 J 中国环境科学 1998 18 5 410 4 14 李文朝 富营养水体中常绿水生植被组建及净化效果研究 J 中 国环境科学 1997 17 1 53 57 李睿华 管运涛 何苗 等 河岸芦苇 茭白和香蒲植物带处理 受污染河水中试研究叨 环境科学 2006 27 3 493 497 张荣社 李广贺 周琪 等 潜流湿地中植物对脱氮除磷效果的 影响中试研究fJ 环境科学 2005 26 4 83 86 刁正谷著 中国水生杂草 M 重庆 重庆出版社 1990 刘建康 高级水生生物学 M 北京 科学出版社 1999 E w el J R estorati on i s the U lti m ate Test of E c ology Theory M In R estorati on E c ology C am bri dge U ni versi ty P ress 1987 3 1 33 国家环境保护总局 水和废水监测分析方法编委会 水和废水监 测分析方法 M 第 4版 北京 中国环境科学出版社 2002 吴振斌 邱东茹 贺锋 等 水生植物对富营养水体水质净化作用 研究 J 武汉植物学研究 2001 19 4 299 304 tl 上接第 56 页 N i ga m J N E th an o l pro du c ti on fro m w h e at straw he m i c ellu lo se hydrolysate by P i c hia stip i ti s J B i otec hno1 200 1 87 1 17 27 王永伟 王异静 张五九 生物质原料稀酸预处理水解液中发酵 抑制物研究进展 J 酿酒科技 2009 184 10 9 1 94 M arti n M D elg en es J P M o letta R et a1 B i om as s d eg rad ati on p rod u c ts aff ec ti n g xy lo se ferm en tati on b y P i c h i as tip i ti s a nd C a n d i da shehatae C B i om ass E nergy Ind Envi ron E C C onf 1992 13 3 2 13 36 A n d o S A rai I K iy o to K et a1 Ide nti fi c a ti o n o f a ro m ati c m o n om e rs i n steam exp lo d ed p o plar an d th eir i n fl u en c e on eth an o l ferm en tati on by Sac c harom yc es c erevi si aeIS Ferm ent Tec hnoL 1986 64 56 7 57 0 N i sh i k a w a N K S utc li ff e R S ad dler J N T h e i n fl u en c e o f li gn i n de grad atio n pro du c ts o n x y lo se ferm en tati on b y K leb si ella p neum oni ae J App 1 M i c robi o1 B i otec hno1 1988 27 549 552 T ah erza de h M J G u sta fsso n L N i k lasso n C et a 1 P hy si o lo g i c al eff ec ts of 5 hydroxym eth ylfurfural on Sac c harom yc es c erevisi ae J App 1 M i c robi o1 B i otec hno1 2000 53 70 1 708 P alm q v i st E B ar b el H ah n H ag erd a1 F erm en tati on o f li gn o c e llulosi c hydrolysates II i nhi bi tors and m ec hani sm s of i nhi bi ti on J B i o R eso u rc e T e c hn o log y 2 0 0 0 74 2 5 3 3 刘爱平 许学书 樊行雪 利用酵母生物转化植物纤维为酒精的 研究进展 J l生物技术通讯 2004 15 2 193 196 Jo n sso n L J P alm q v i st E N i lve bran t N O et a1 D eto x i atc ati o n o f w o o d hy d ro ly sate s w i th la c c a se an d p erox i d ase fr om th e w h i te ro t fungus Tram etes versi c olor J App1 M i c robioL B i oW ehnoL 1998 4 9 6 9 1 6 9 7 张兰波 高效代谢木质纤维素稀酸水解物产酒精并降解毒性物质 菌种分离及其发酵特性 D 北京 首都师范大学 2007 P a lm q v i st E H ahn H a gerd al B G alb e M et a1 T h e e