人工湿地中水生植物对氮磷的吸收作用研究进展

作者:未知

  【摘 要】近年来,我国水体富营养化问题日益加重,人工湿地中的水生植物能够很好地去除富营养化水体中的氮磷,而且材料易得,景观效果好,得到了广泛应用。本文阐述了不同生活型水生植物对氮磷的去除效应、机制及差异,并对进一步研究提出展望,希望对人工湿地中水生植物的应用有一定的指导意义和理论价值。
  【关键词】人工湿地;水生植物;氮磷
  富营养化是目前地表水面临的重大环境问题之一。一般来说,湖泊富营养化可分为自然富营养化和人类富营养化两类。自然富营养化过程在地质时期发生得非常缓慢,但人类活动可大大加快自然营养化进程。目前,湖泊和水库的加速营养化已成为世界性的环境问题,水体的富营养化代表水质的严重退化,导致生态完整性、可持续性丧失,并影响水生生态系统的安全使用。我国水体富营养化情况十分严重,根据《2017年中国环境现状报告》(MEPC,2018),在109个重点湖泊(水库)富营养化监测中,贫营养的9个,中营养的67个,轻度富营养的29个,中度富营养的4个。中国五大淡水湖泊中有三个富营养化,即太湖、滇池和巢湖。由此可见,封闭水体的富营养化已成为我国严重的亟待解决的问题。
  了解如何控制和治理水体的富营养化,是全球为了促进可持续发展面临的一个紧迫的问题,目前水体的富营养化处理技术主要涉及物理、化学和生物方法。然而物理方法如清除底泥等,成本太高且不能从根本上治理水体的富营养化;化学方法需要向水体中投入大量的化学试剂,有造成二次污染的风险;生物方法具有最小的副作用,利用水生植物、动物、微生物的协同代谢,吸附水体中的过量营养物质,且运行成本低,具有景观效益,因此近年来生物治理方法被大量的开发利用。
  1、湿地植物对氮磷的吸附效应
  1.1水体中氮磷的存在形式及吸附路径
  氮以有机态和无机态两种形式存在于废水中,有机氮主要包括氨基酸、尿素、尿酸、嘌呤、嘧啶等形式,无机氮主要包括铵(NH4+)、亚硝酸盐(NO2-)、硝酸盐(NO3-)、一氧化二氮(N2O)及溶解于水中的氮气或其他氮元素。有机氮的去除主要通过氨化作用和硝化作用,反硝化作用是人工湿地中TN去除的主要机制。植物的存在能大大提高氮的去除性能,它们能够为根际微生物提供附着表面和氧气,增强硝化作用;同时水生植物通过光合作用固定的碳能优化有机物去除和反硝化过程。进入湿地的含磷化合物主要包括颗粒磷、溶解有机磷和无机磷酸盐,主要通过底泥、水生植物、微生物3条平行途径进行迁移转化。由于不同种类的植物对氮磷的吸收能力不同,对富营养水体净化效果存在较大差异。目前,挺水植物和沉水植物的多数种类被广泛用于高浓度氮磷污水的治理,漂浮植物、浮叶植物多用于净化氮磷污染程度低的水体。
  1.2挺水植物对氮磷的吸附效应
  挺水植物是构建人工湿地的主要类型植物,能够拦截过滤、同化吸收污染物,同时具有生命周期比藻类、浮水植物长,容易通过收割去除氮磷等优点,在人工湿地中得到了大量的应用。常用的挺水植物有芦苇、菖蒲、宽叶香蒲、灯芯草,水葱等。商侃侃等比较了花叶芦竹、旱伞草、再力花、香蒲、芦苇5种常见挺水植物对低污染水中氮磷的净化效果。结果表明,与对照相比,这5种挺水植物对NH3-N、TN、TP净化效果显著,但不同植物间处理效果差异不显著。通过植物收割去除TN的大小顺序为:旱伞草>芦苇>再力花>花叶芦竹>香蒲,去除TP的大小顺序为:旱伞草>再力花>芦苇>花叶芦竹>香蒲。从积累效率来看,大小顺序均为芦苇>再力花>旱伞草>花叶芦竹>香蒲。在选择处理低污染水人工湿地植物时,虽然需要选择高氮磷积累量的物种,但更应选择具有高氮磷积累效率的物种。樊开青等选取芦苇、水葱、水花生、香蒲和慈姑5种挺水植物为研究对象,通过室内静水试验、分析比较了它们对重度营养化水体氮磷指标的去除效果,结果表明这5种植物在富营养化水体中生长良好,均能不同程度地降低水体中氮磷类污染指标,但对不同指标的净化效果不一样。其中对总氮的去除能力大小排序为香蒲>芦苇>水花生>慈姑>水葱;对铵态氮的去除能力大小排序为:水花生>香蒲>芦苇>慈姑>水葱;对硝态氮去除能力大小排序为:水花生>芦苇>慈姑>水葱>香蒲;对总磷的去除能力大小排序为:水花生>水葱>慈姑>香蒲>芦苇;对磷酸盐的去除能力大小排序为:芦苇>水葱>慈姑>水花生>香蒲。在工程实践中可根据富营养化水体的实际污染情况,选择合适的水生植物进行修复。
  1.3沉水植物对氮磷的吸附效应
  由于沉水植物整株浸没于水中,其根、茎、叶均能吸收氮磷等营养物质,虽然单株生物量小,但往往能够覆盖在治理段底部,总生物量大,对氮磷的去除量也更大。应用去除水体中氮磷的沉水植物主要有菹草、苦草、马来眼子菜、微齿眼子菜、伊乐藻、黑藻、金鱼藻、狐尾藻等。潘保源等研究了轮叶黑藻、金鱼藻和狐尾藻对水体氮磷的净化效果,发现對总氮的去除能力从大到小依次为轮叶黑藻>金鱼藻>狐尾藻,对总磷的去除能力从大到小依次为轮叶黑藻>狐尾藻>金鱼藻,轮叶黑藻适合于氮磷浓度较高水体的净化且去除效率最好,是很好的水体净化沉水植物。金树权等[8]研究了轮叶黑藻、苦草、金鱼藻、穗状狐尾藻、微齿眼子菜5种宁波乡土沉水植物后也发现轮叶黑藻对TN、TP的去除率最高,不同沉水植物处理的水质TN、TP去除率变化范围分别为63.8%~83.1%和49.2%~70.8%,均显著高于空白处理的39.9%和36.9%。在低温条件下,大聚藻和香菇草能够正常生长,金鱼藻基本停止生长,黑藻出现部分腐烂现象,而且大聚藻和香菇草对TN、TP的平均净化率也要显著高于金鱼藻和黑藻,因此大聚藻和香菇草可作为冬季低温条件下净水工程的优选沉水植物。
  1.4漂浮植物对氮磷的吸附效应
  由于难以控制漂浮植物生长规模和适宜的盖度,发挥最佳水体净化效果,用于处理氮磷污水的漂浮植物种类较少,凤眼莲的应用最为广泛。凤眼莲对氮、磷去除率分别为50%~78.46%和68.16%~89.56%,水芙蓉对氮、磷去除率分别为57.58%~76.87%和72.28%~76.47%,莲花竹对氮、磷去除率分别为0.60%~10.80%和2.48%~10.04%。凤眼莲和水芙蓉对氮磷的去除效果比较好。何娜等比较了包括大薸、凤眼莲在内的漂浮植物和挺水植物去除氮磷的效果,结果发现漂浮植物对氮磷的吸收贡献率明显高于挺水植物。   1.5浮叶植物对氮磷的吸附效应
  和漂浮植物相似,浮叶植物在处理氮磷污水的应用也相对较少,主要有睡莲、水罂粟、四角菱等,且多与其他植物配合应用。吴湘等[10]研究了3类水生植物对池塘养殖废水中氮磷的去除效果,在相同条件下脱氮除磷效果最好的是挺水植物芦苇,浮叶植物浮叶四角菱脱氮效果较好, 除磷效果较好的是沉水植物金鱼藻。蔡佩英等在不同浓度的模拟污水中培养9种水生植物,发现在低浓度下,荷花对总氮的去除率最高,达到48.75%。荇菜能显著降低上覆水体中NH4+-N、TN以及PO43-P、TP的水平,同时由于植物的生长对藻类具有克制作用,使水体中藻类的数量降低,提高水体透明度,改善水质。
  1.6不同植物搭配对氮磷的吸附效应
  目前大量研究集中在筛选出氮磷净化率最高的单一水生植物物种,然而在工程实践中如果采用单一物种修复富营养化水体会出现系统波动性大、抗逆性抗蟲性差、水质净化效果不稳定等问题,多种物种以及多种生活型水生植物的有机组合能提高小生境生物多样性,增强人工湿地的抗逆和抗干扰能力。一般条件下多种植物组合对污染物的净化效果更好,然而,不同的植物配置和实验条件会导致净化效果不同,有的植物配置后对污染物的净化反而起抑制作用。因此最优的植物搭配组合和适用条件还需要深入研究和探讨。刘足根等分别以水菖蒲、狭叶香蒲、金鱼藻、穗花狐尾藻4种沉水-挺水植物为先锋种两两镶嵌组合,最终确定了穗花狐尾藻+狭叶香蒲的镶嵌组合为不同生活型水生植物组合净化氮磷效果最优模式。李淑英等[13]选择三种耐污性极强的水生植物:慈姑,挺水植物;大薸,漂浮植物;穗状狐尾藻,沉水植物,进行两两镶嵌组合和三种同时使用,结果表明,永生植物镶嵌组合后对富营养化水体中的TN和TP去除效果明显,并且能够长期维持此净化效果;三种水生植物镶嵌组合后对富营养化水体中的TN、TP的去除效果最好,最大去除率分别达到70.13%和99.32%。
  2、湿地植物对氮磷的去除机制
  2.1湿地植物对氮的去除机制
  植物的生长繁殖需要营养,能够有效地吸收水体中的营养物质,可以通过收割成熟的植物来净化水质,对营养物质如总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、磷酸盐(PO43-)的去除有着积极作用。大量研究表明,植物的吸收作用与植株的生物量及根系的发达程度密切相关。崔丽娟等发现植物体内N、P的积累量主要与植物的生物量存在线性相关,生物量对氮、磷积累量的影响大于植物体内氮、磷浓度的影响,这一结果与蒋跃平等的研究结果一致,所以生物量可作为选择人工湿地植物的一个重要指标。此外,发达的根系也有利于污染物的去除,例如美人蕉根面积大,须根很长,对氮磷有较好的去除能力。
  事实上,在人工湿地中,植物直接吸收作用去除的氮仅占20%~30%,大部分(60%~70%) 通过反硝化作用被微生物去除,因此,湿地植物的直接吸收作用不是去除氮的主要机制。植物根系的表面积为微生物提供附着的位置并为各种微生物的生长创造微环境,微生物的硝化-反硝化作用一直被认为是人工湿地脱氮的主要途径。硝化作用 (Nitrification) 是指首先由氨氧化菌将氨氮氧化成亚硝态氮, 然后再被硝化菌氧化成硝态氮的过程 (NH4+→NO2-→NO3-);反硝化作用(Denitrification)指反硝化菌通过多步反应将硝态氮最终还原为氮气的过程 (NO3-→NO2-→NO→N2O→N2)。厌氧氨氧化菌驱动的厌氧氨氧化过程也作为一种新的微生物脱氮途径在人工湿地去除氮研究中受到越来越多的关注。在大多人工湿地的微生物群落中, 细菌数量最多, 放线菌数量次之, 而真菌数量则最少。其中, 细菌中具有脱氮功能的氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量均处于较高水平,该特点使得人工湿地具有良好的脱氮效果。杜刚等研究表明,栽种植物能够增加人工湿地的微生物数量,人工湿地微生物数量与TN去除率显著正相关,栽种植物能够改善人工湿地微生物数量与TN去除率之间的关系。同时湿地植物通过光合作用产生的氧气通过根系在根区周围形成氧化态的微环境,有植物的湿地生态系统比无植物的湿地生态系统氧气浓度更高,氧化能力更强,根系泌氧可通过促进硝化作用显著促进铵态氮的去除。目前, 人们对人工湿地微生物的研究已从传统的间接功能性测定发展到分子水平有研究表明, 氮转化速率与编码氮转化关键酶的基因存在着明显的定量响应关系,人工湿地内部氮转化过程之间存在多种耦合机制, 氮转化速率受制于多种氮转化菌群和功能基因的联合作用。
  2.2湿地植物对磷的去除机制
  基质吸附、水生植物的吸收和微生物作用是废水除磷的3条平行途径,3条途径对磷去除的贡献大小为:基质>水生植物≥微生物 (短期结果) ,水生植物>基质≥微生物 (长期结果)。水生植物吸收的磷含量不多,但却对水体中磷的去除有很大贡献,一方面,植物根区的微氧化环境, 有利于有机磷被微生物降解为无机磷,无机磷是植物生长必需的营养元素,可被植物吸收利用形成卵磷脂、核酸及ATP等,然后通过植物收割去除;另一方面, 由于植物具有庞大的根系, 磷可以通过底泥吸附而沉淀。郭万喜等研究发现浮水植物如青萍和紫萍吸收的磷主要来自于上覆水, 而沉水植物如黑藻和水花生吸收的磷直接来自于沉积物。根据以往的研究报告,通过底物积累去除磷占磷输入量的36.2-87.5%,而植物和微生物吸收约占1.3-26.4%,且含Ca和Fe的基质可通过Ca、Fe与PO43-反应而发生沉淀,因此认为底物络合沉淀是人工湿地中磷去除的关键机制。然而,当修复水体中磷的浓度降低到一定值,已被底泥基质吸附的部分磷可能会重新释放到水体中,因此通过底泥对可溶磷的沉淀作用不能完全将磷从水体中去除。
  具有解磷能力的微生物有很多,其中优势种有:不动杆菌属 (Acinetobacter) 、气单胞菌属 (Aeromonas) 和假单胞菌属 (Pseudomonas),有机磷和磷酸盐沉淀磷主要是通过这些菌的协调作用转化为溶解的磷酸盐, 从而被植物体吸收利用,无机磷化合物也能得到分解和转化。此外,植物根系分泌的分泌物,能够促进磷细菌生长,从而间接提高净化速率。研究结果表明,根土表面解磷微生物数量>根际土解磷微生物数量>本体土解磷微生物数量。
  3.展望
  利用水生植物构建人工湿地能够有效地治理富营养化水体,同时具有经济性和良好的景观效果,目前在工程实践中得到了广泛地应用。由于不同水生植物去除氮磷效果差别很大,水质条件以及搭配方式不同也会影响去除氮磷的效果,而单一水生植物的筛选及对富营养水体氮磷的去除效果已被大量研究,建议进一步研究的内容包括:研究不同水质条件下的不同生活型水生植物的最优配置,建立水生植物数据库,更好地指导工程实践,提高人工湿地的生物多样性和景观多样性;植物-微生物的协同作用是水体去除氮磷的主要方式,而水生植物去除氮磷的净化机制的研究相对较少,在分子水平上仍需进行进一步的研究;人工湿地的维护需要进一步考虑,及时收割打捞水生植物,以期达到最好的水质净化效果。另外,由于收割后的水生植物吸收了大量的污染物,如何处理这些植物也是需要考虑的问题。
  【参考文献】
  [1] 李强坤,胡亚伟,孙娟. 农业非点源污染物在排水沟渠中的迁移转化研究进展[J]. 中国生态农业学报, 2010. 18(1):210-214.
  [2] 商侃侃,张国威,万吉尔. 潜流人工湿地处理低污染水对植物生长的影响[J]. 净水技术, 2018. 37(09):120-125+131.
  [3] 樊开青,王其娟,汪伟. 5种挺水植物净化富营养化水体氮磷效果的比较[J]. 江苏农业科学, 2011. 39(6):598-599.
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