田螺和水培蔬菜组合协同净化富营养化水体的研究

1、田螺和蔬菜组合协同净化富营养化水体的研究报告学生：张彤彤指导老师：邢浩春 焦云红1 研究背景和意义1.1 富营养化水体的净化和修复方法水体污染主要有有有机好氧性污染、化学毒物污染、石油污染、化学毒物污染、富营养化污染、放射性污染、治病微生物污染6种类型。而我国水体污染主要表现为“富营养化”8。故针对水体富营养化，我们提出了以下净化方法，包括物理净化方法、化学净化方法和生物技术净化方法。物理方法：主要包括水动力循环循环、疏浚底泥、外源控制等9。通过这些方法可以减弱藻类的繁殖条件或使藻类沉淀于水体。水动力循环循环是指通过水体循环，增加水中溶解氧，使污染物质氧化速度加快，以达到净化目的。疏浚底泥是从

2、湖岸返回湖内的水用明矾处理，去除其中的氮磷，以控制有害藻类的生长，并加深水深深度来控制其他水生植物的生长。但此法会对水底生态系统造成一定破坏，使用此法后需对底部生态系统进行修复，方法费用相对较高。外源控制是指通过严格控制工业废水和生活污水的排放，严格控制化肥农药使用量和使用时间等，来控制外源性污染，但此法不能从根本上治理污染问题10。化学方法净化水体主要是通过同价化学灭藻剂来杀死藻类。但由于水中会出现耐药的藻类，因此灭藻剂的品种需频繁更替，这样对环境的污染也会不断增加，故方法有很大的弊端，不适宜长期采用11。生态修复技术就是在水域中人为地建立起一个完整的生态系统，无需外在干预，整个生态系统能适

3、应外界环境，处在原始的生态平衡状态，实现自身物质循环，保持水体的良好状态11。是一种投资少、效益高，发展潜力大的新兴技术。1.2动植物及组合浮床净化水体的应用研究生物浮床技术将水生植物或部分陆生植物固定在浮床上，通过植物根部分泌氧气和对水中氮、磷及颗粒物质的吸附过滤等机理，来净化水质和控制水体富营养化的一种新型生态修复技术12。传统的浮床技术只涉及植物对水体的净化和修复效果，其效果单一，而动植物组合浮床技术则增加了水生动物单元，提高了其对污染物的去除效果，具有广泛的应用前景。研究表明，植物有助于浮床系统形成良好的溶解氧浓度梯度分布、使系统的水流流态更接近于反应器的理想推流流态以及通过根系的过滤

4、沉积作用去污等，所以植物是浮床发挥净化作用的关键13。梁淑轩等14通过对香蒲和芦苇的试验，证明了高密度的香蒲对水质净化有更明显的净化效果。冯燕等15采用了香根草对富营养化水体进行试验，研究表明，单独采用浮床香根草可以去除富营养化水体氮磷，并且如果香根草与光合细菌组合后对水质净化会有更好的效果。此外杨涓等16的研究表明，多种植物组合能更好地对水体进行净化，因为每种水生植物各有其特点，使用生态组合能使它们互相取长补短，使之保持较为稳定的净化效果。水生植物净化机理有3点：（1）水生植物根系发达，可吸收水中氮、磷，当水生植物被运送出水生生态系统时，被吸收的营养物质随之从水体中输出，从而净化水体1718

5、。（2）水生植物通过植株枝条的气体传输，将光合作用产生的氧气输送至根系。一部分供植物呼吸作用，一部分通过根系向根区释放扩散到周围缺氧环境中。（3）水生植物可为微生物提供栖息场所，而微生物能加速截留在根系周围的有机胶体或悬浮物的分解矿化，并且水生植物根部能够分泌促进噬磷、氮细菌生长的物质，从而间接提高净化率。卢晓明等19的研究表明，河蚌、螺蛳对富营养化水体中的COD、氮、磷等有一定的去除效果。背角无齿蚌以水中的有机颗粒和浮游藻类为食物来源，且易于收集，存活率高，因此常常被运用于富营养化水体的治理中20。冯燕等的研究表明，鱼类与香根草的组合浮床较无鱼类的组合浮床对氮磷有更好的去除效果。国内外的实践

6、也证明，适当养经过选择的鱼类，可以有效地控制藻类和其他水生植物繁殖21。李雪娟、和树庄等22通过对螺、蚌的研究发现，放养螺、蚌对水体中的TP、NH3-N及COD的净化效果明显，对水体生态的修复有一定的改善作用。底栖动物净化机理有2点：（1）底栖动物可摄食绿藻、裸藻，并由此消除污染水体中的藻类、有机碎屑等污染物。（2）有学者认为贝类的存在促进了沉积物营养盐物质的矿化等化学反应进程，生物沉积作用可以减少养殖区的有机负荷和营养负荷，在一定程度上阻断了营养盐物质的循环，抑制水体的富营养化，从而起到改善和净化水质的作用23。水生植物能吸收水体中的营养物质来满足植物体本身的生长发育需要，其吸收同化速率与植

7、物的生长速度、水体营养物的质量浓度呈正相关24。传统的生物浮床技术主要依靠水生植物吸收氮、磷等营养物和有机物质，其作用单一。刘海洪等25的研究发现，在夏秋两季，三角帆蚌和空心菜组合生态浮床比普通植物浮床对NH4+-N、TN、CODMn的平均去除率有大幅度的提高李伟等26也在普通生物浮床的基础上构建了水生动物单元，以河蚬和空心菜为组进行了试验，结果表明该组合比普通生态浮床具有较好的抗水质波动能力，适用于处理富营养化严重的水源。蒋斌等27将水芹菜、三角帆蚌和人工介质组合进行浮床试验，发现此生态浮床较传统浮床的氮、磷及叶绿素a去除效果有明显提高。由此可见，生态组合浮床在富营养化水体水质改善方面，可发

8、挥更完善的净化作用。1.3 人工浮床制作及布置技术要点人工浮床又称人工浮岛、生态浮岛，是一种像筏子似的人工浮体，可在浮体上栽培水生植物并放在水中。浮床的制作是浮床试验中不可忽略的一步。陈国贤28在对室外水体上种植蔬菜的优势及技术要点研究中，采用了厚度为3cm的聚苯乙烯栽培板，宋祥甫等29在浙江省开展的自然水域无土栽培水稻研究中，则采用了5cm厚的聚苯乙烯泡沫板；泡沫板上种植孔径可在3cm左右，孔间距可依据不同蔬菜调整；浮床框架可采用较粗的竹子（若选用竹子，则其直径应在6cm以上30）、角铁或PVC管，一般来说，浮床的边长15m不等，考虑到搬运性、施工性和耐久性，23m的比较多，形状上四边形的居

9、多，且各单元之间留有一定间隔，相互用绳索链接，这样可防止由波浪引起的撞击破坏31。固定好框架后，内部以较细的竹子或PVC管按照15cm的宽度依次固定在框架上。在把小塑料管按照1015cm的距离，用尼龙扎带固定在竹架上。浮床制好后则可把浮床固定在选好的水面上。浮床布设应在距离池塘边2m处，在养鱼的池塘种菜，水面上栽种的蔬菜面积最多占整个池塘水面的10%一方面保证池塘水体菜的养分供应。菜苗移栽到浮床上以后，无需再施肥，因为水体富营养化聚集的营养素足够做水上植物的肥料。浮床上植物不能种植太高，否则难以固定，容易折断，而且很容易因为受风力使得浮岛倾斜、沉没32，并且，当植株长高时，也应适时刈割，防其高

10、度过高。此外浮床的维护应经常检查浮床连接固定情况，并确保环境确保温度的适宜，若在大风天气，则要及时紧固浮床，防止被风吹翻28。1.4 邯郸市河道水体现状沁河是邯郸主城区的一条河流，发源于邯郸西部山区，后在孟仵桥与滏阳河交汇，2008年邯郸市沁河园建成，院内散步有道、亲水有台，是市民休闲娱乐的好场所。邯郸市另一主要河流滏阳河，上世纪70年代后曾一度严重污染，成为令人提及掩鼻的臭水沟，自1999年以来，邯郸市投巨资陆续对南湖至北湖的河段进行综合整治，取得了一定的效果。 浮床技术中动植物组合尤其是底栖动物和水培植物组合净化水质有诸多优点，其成本低，运营管理容易，且动植物组合浮床技术则增加了水生动物单

11、元，提高了其对污染物的去除效果，具有广泛的应用前景。但是对于底栖动物和水培植物组合浮床对邯郸市水体的净化还未见报道。本试验就是通过对底栖动物田螺和水培蔬菜（降糖草、小白菜和菠菜）进行不同种类的组合，比较不同组合对水体中磷的去除效果、固体悬浮颗粒物的滤除效果及溶解氧的改善效果等，以寻求协同净化水质效果较好、经济价值高、食用安全性强的生物组合，为邯郸市湖泊、河流、景观水体等水质净化和修复提供理论依据和参考。2研究内容传统的浮床技术只涉及植物对水体的净化和修复效果，其效果单一，而动植物组合浮床技术则增加了水生动物单元，提高了其对污染物的去除效果。本研究拟采用本地常见的用于污水修复的底栖动物田螺和水培

12、蔬菜（降糖草、小白菜和菠菜）进行不同种类的组合，比较不同组合对水体中氮磷的去除效果、固体悬浮颗粒物的滤除效果及溶解氧的改善效果等，以寻求协同净化水质效果较好、经济价值高、食用安全性强的生物组合，为邯郸市湖泊、河流、景观水体等水质净化和修复提供理论依据和参考。3 技术路线制定计划，拟定试验方法购买降糖草、小白菜、菠菜、田螺查阅文献资料，购买浮床材料准备实验药品仪器、制作浮床驯化降糖草、小白菜、菠菜、田螺(降糖草+田螺)(小白菜+田螺)(菠菜+田螺)(田螺)(空白)设组合测定水样各指标，观察动植物生长状况，检测水中浮游生物变化记录数据评价4种组合协同净化水质效果取水样4.实验方案4.1材料处理：4

13、.1.1购买：购买田螺72只；购买菠菜、降糖草、小白菜各4kg。4.1.2试验前处理：菠菜、小白菜、降糖草：将其清洗根系上附着的土壤后，原水中预培养2周，然后选取生长良好，且相对均匀的植株晾干，并均匀分散于各浮床。田螺。试验前将田螺在清水中放置2天，将脏物吐净，选取大小相近的田螺清洗晾干，放置于浮床下的网中。4.1.3试验地点：在邯郸学院后花园池塘内进行试验。4.2试验设计：共设5个处理。实验组3个：田螺+小白菜、田螺+降糖草、田螺+菠菜。对照组1个：田螺。空白对照组1个。4.3 实验步骤4.3.1制作浮床：每个泡沫板的大小为30cmx30cm，种植孔径为3cm左右；用聚乙烯薄膜帷帐和PVC管

14、围起1mx1m水体区域，并固定于水中，建4个这样的区域；在此区域用PVC管隔出30cmx100cm的横格，再用细毛竹隔成30cmx30cm的小格，并将浮床放置于此。4.3.2动植物投放：需种植蔬菜的实验组每个浮床上种4株蔬菜；用窗纱制作成网，共计制作45只网，套于浮床下方，需投放田螺的实验组每只网投放2只田螺。4.3.3指标测定：待浮床稳定后，采用改进后的国标法测定水中总氮、总磷、叶绿素A、悬浊度的含量，测量小白菜、油菜和降糖草的株高及根长，称河蚌的重量；用光学显微镜检测水中的藻类和浮游动物的种类。以后每5天进行一次，共6次检测。4.3.3.1总氮的测定：分别配制氢氧化钠溶液和过硫酸钾（分析纯

15、）溶液，待氢氧化钠降至室温后混匀，配好碱性过硫酸钾溶液。取十支比色管分别加入0.0，0.10，0.30，0.50，0.70，1.00，3.00，5.00，7.00,10.00mL 的硝酸盐氮标准使用液，加10mL水置于比色管中，加入5ml碱性过硫酸钾，塞紧磨口塞用纱布及棉线扎紧瓶塞，以防弹出。将比色管至于高压灭菌锅中，待温度升到120124后消解40min，冷却，拿出比色管放置室温。加（1+9）盐酸1ml，用无氨水加至25ml刻度线，混匀；取出部分溶液于10mm的石英比色皿中，在紫外分光光度仪上，以无氨水作参比，分别在波长为220nm和275nm处测定吸光度，按A=A2202A275计算出校正

16、吸光度A（实验中所有器皿都需用（1+9）的盐酸清洗）。Aa=Aa2202Aa275 Ab=Ab2202Ab275 Ar=AaAb式中：Aa220-标准溶液在220nm波长的吸光度 Aa275-标准溶液在275nm波长的吸光度 Ab220-零浓度（空白）溶液在220nm波长的吸光度 Ab275-零浓度（空白）溶液在275nm波长的吸光度按Ar值与相应的NO3-N含量（g）绘制标准曲线测定水样中总氮的含量，按照上述方法测定水样并计算出含氮总量。4.3.3.2总磷的测定取样品25mL于具塞刻度管（或者锥形瓶）中，准备消解。过硫酸钾消解：向试样中加4mL 50g/L过硫酸钾，将具塞刻度管的盖塞紧后，用

17、一小块纱布和棉线将玻璃塞扎紧，放在大烧杯中置于高压蒸汽消毒器中加热，待压力达1.1kg/cm、相应温度为120时，保持40min，然后停止加热。待压力表读数降至零后，取出放冷。然后用水稀释至标线。绘制标准曲线：在7个已标记的具塞刻度管中，依次分别加入0.00mL、0.50mL、1.00mL、3.00mL、5.00mL、10.00mL和15.00mL。磷标准工作溶液，其所对应的氨氮含量分别为0.0g、1.0g、2.0g、6.0g、10.0g、20.0g和30g，加水至标线。加入1.0mL抗坏血酸溶液，摇匀，30s后再加入2.0mL钼酸盐溶液，充分摇匀。放置15min后，在波长700nm下，用10

18、mm的石英比色皿，以水作参比，测量吸光度。以空白校正后的吸光度为纵坐标，以其对应的磷含量（g）为横坐标，绘制校准曲线。测定消解后的样品、空白对照的吸光度：向装有待测液的具塞刻度管中加入1.0mL抗坏血酸溶液，摇匀，30s后再加入2.0mL钼酸盐溶液，充分摇匀。放置15min后，在波长700nm下，用30mm比色皿，以水作参比，测量吸光度（实验中所有器皿都需用（1+9）的盐酸清洗）。4.3.3.3叶绿素A的测定以离心或过滤浓缩水样,在抽滤器上装好乙酸纤维滤膜,倒人250ml体积的水样进行抽滤,水样抽完后,继续抽1一2min,以减少滤膜上的水分。取出带有浮游植物的滤膜，放入具塞刻度管中，加入5滴1

19、碳酸镁溶液和8一10ml丙酮(纯度90%，下同)，充分研磨，提取叶绿素a。用离心机（3500r/min）离心10min。将上层清液倒入25ml的容量瓶中，再用丙酮洗23次，离心，将上清液再转人容量瓶中，用丙酮定容为25mll,摇匀。将上层清液放入分光光度计,用10mm光程的比色皿,分别读取75onm、663nm、645nm、63onm波长的吸光度,并以丙酮作空白吸光度测定，对样品吸光度进行校正。4.3.3.4悬浊度的测定试剂除非另有说明，分析时均使用符合国家标准或专业标准分析纯试剂，去离子水或同等纯度的水。无浊度水(超纯水）；浊度标准贮备液：1g100mL硫酸肼溶液（称取1.000g硫酸肼(N

20、2H4)H2SO4溶于水，定容至100mL），10g100mL六次甲基四胺溶液（称取10.00g六次甲基四胺(CH2)6N4)溶于水，定容至100mL）；浊度标准贮备液：吸取5.00mL硫酸肼溶液与5.00mL六次甲基四胺溶液于100mL容量瓶中，混匀。于253下静置反应24h。冷后用水稀释至标线，混匀（此溶液浊度为400度，可保存一个月)。吸取浊度标准液0.00，0.50，1.25，2.50，5.00，10.00及12.50mL，置于50mL的比色管中，加水至标线。摇匀后，即得浊度为0.4，10，20，40，80及100度的标准系列。于680nm波长，用10mm比色皿测定吸光度，绘制校准曲线

21、。吸取50.0mL摇匀水样无气泡，如浊度超过100度可酌情少取，用无浊度水稀释至50.0mL，于50mL比色管中，按绘制校准曲线步骤测定吸光度，由校准曲线上查得水样浊度（实验中用到的所有器皿都用（1+9）的盐酸清洗）。结果表述：浊度（度）=A(B+C)/C式中：A稀释后水样的浊度，度；B稀释水体积，mL；C原水样体积，mL。4.3.3.5测量小白菜、菠菜和降糖草的株高及生长状况（是否长新根）；用实验用电子台秤称田螺的重量。4.3.3.6用光学显微镜检测水中的藻类和浮游动物的种类。4.4标准曲线的回归方程及相关系数：根据改进的国标方法配制需要的溶液，用紫外分光光度仪进行测定吸光度值，得到各项指标的标准曲线线性相关性并进行分析。4.5统计分析：用生物统计学原理和statistic统计软件对数据进行分析。5研究中遇到的问题及解决办法分析5.1购买动物由于冬季水产品市场已经很难找到田螺，所以我们从网上购买田螺，由于邯郸属于淡水区域，在买田螺时一定从淡水区买，并且需要个体大小差不多大。5.2购买植物我们购买的蔬菜为大棚蔬菜，而大棚蔬菜直接种到水环境中可能会不适应，所以我们将蔬菜在原水中预培育了两周，即取了后花园池塘的水对蔬菜进行驯化。5.3制作浮床 制作浮床时，我们先用竹竿建立了1mx1m的框架，用聚乙烯塑料布围起以隔离水域，后发现竹竿较细，易折断，所以决定采用PVC管制作框架，PVC