全 文 ：第 32 卷　第 7 期
2010 年 4 月
武　汉　理　工　大　学　学　报
JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vol.32　No.7
　Apr.2010
DOI:10.3963/ j.issn.1671-4431.2010.07.026
梭鱼草生理状况日变化与污水脱氮除磷的关系
卢晓明1 ,陈建军2 ,赵　丰2 ,张 　勇2 ,林剑波2 ,黄民生2
(1.温州科技职业学院 , 温州 325006;2.华东师范大学资源与环境科学学院 ,上海 200062)
摘　要:　测定了 9 个梭鱼草净化槽(栽植密度:5棵 、10 棵 、20 棵)的植物根 POD、CAT 活性与叶片可溶性蛋白(SP)、叶
绿素(Chl)含量及对应水质的日变化 ,测定了不同净化槽植物的形态大小 、分蘖数 、根密度 、生物量 、氮磷积累 , 探讨了植
物生理日变化与污水脱氮除磷的相关性及栽植密度的影响。结果表明:植物根 POD、CAT 活性 、叶片 Chla、Chlb 、SP含量
与净化槽出水溶 P 、NH+4 -N 去除率间呈正相关;较高栽植密度槽植物的分蘖数 、根密度较大 , 植株较高大 , 生物量 、氮磷
积累较高 , 叶片 Chla、Chlb、SP 含量与净化槽出水溶 P 、NH+4 -N去除率较高 ,而根 POD、CAT 活性较弱;随着阳光增强 ,植
物根 POD、CAT 活性增强 , 叶片 SP、Chla、Chlb 含量及净化槽出水溶 P、NH+4 -N去除升高;叶片 Chla、Chlb、SP含量及净化
槽出水 DO 日变化呈双峰型 ,峰值约在 12:00 pm 、14:00 pm;在 10:00 am ～ 14:00 pm ,植物根 CAT 、POD活性 、叶片Chla、
Chlb 、SP含量及净化槽出水溶 P、NH+4-N 去除率高于其他时段。
关键词:　黑臭河水;　梭鱼草;　生理特性;　日变化;　脱氮除磷
中图分类号:　X 171 文献标识码:　A 文章编号:1671-4431(2010)07-0103-05
Correlation Between Diurnal Variation of the Physiological
Status of Pontederia Cordata and Nitrogen and Phosphorus
Removals of the Polluted Water
LU X iao-ming1 , CHEN Jian-Jun2 , ZHAO Feng2 , ZHANG Yong2 , LIN J ian-Bo2 , HUANG Min-sheng2
(1.Wenzhou Vocational College o f Science &Technology , Wenzhou 325006 , China;
2.School o f Resources and Environment Sciences , East China Normal University , Shanghai 200062 , China)
Abstract:　Pontederia cordata w as cultivated in 9 tanks w ith various planting densities (densities:5 , 10 , 20)to investig ate
diurnal v ariation of phy siological status of the plants including peroxidase(POD)and catalase(CAT)activities of the roots , sol-
uble proteins(SP), chlorophy ll(Chl)contents of the leaves and main physical and chemical traits of the effluents.Morphologi-
cal dimensions , tillers , roo ts densities , biomass and nitrogen(N)and phosphorus(P)accumulation of the plants are measured.
Co rrelation betw een diurnal v ariation of the physiological status of the plants and N and P removals of the effluents is analyzed ,
and effects of planting densities are researched.Results show POD and CAT activities of the roots , Chla , Chb and SP contents
of the leaves have po sitive correlations with NH
+
4 -N and soluble P removals of the effluents.In the tanks with higher planting
densities , the plants are higher and bigger , and have mo re tillers , roo ts densities , biomass and N and P accumulation , higher
Chla , Chb and SP contents o f the leaves and NH+4-N and soluble P removals of the effluents , w hile POD and CAT activities of
the roo ts declined.With stronger sunlight , POD and CAT activities of the roots , Chla, Chb and SP contents o f the leaves ,
NH+4 -N and soluble P removals of the effluents all increase.Chla , Chlb and SP contents of the leaves and the outlet DO show
double-peak styles at about 12:00 pm and 14:00 pm.In 10:00 am ～ 14:00 pm , CAT andPOD activities o f the roo ts , Chla ,
Chlb and SP contents of the leaves , NH+4 -N and so luble P removals of the effluents all exceeded the other times at the day.
Key words:　heavily polluted river w ater;　Pontederia cordata;　phy siological traits;　diurnal variation;　nitrog en and
phosphorus removals
收稿日期:2009-11-04.
基金项目:国家科技重大专项(2008ZX07317-006)和上海市科委重点项目(062312019).
作者简介:卢晓明(1970-),男 ,博士.E-mail:xm155@sina.com
　　水生植物的生理状况与污水处理效果紧密相关。目前研究植物净水效果的报道较多[ 1 , 2] ,但同时考察
其生理状况的尚少。植物体内 POD 、CAT 活性与逆境耐性密切相关[ 3] ,叶绿素(Chl)、可溶性蛋白(SP)含量
与光合作用关联紧密 ,而光合泌氧直接关联污水净化。植物栽植密度是运用植物净水技术处理污染河水时
必须妥善解决的重要问题 。研究植物生理的自然变化规律与水质变化的相关性可为污染河道生态修复提供
理论依据 。该研究运用梭鱼草现场处理城市黑臭河水 ,探讨了植物生理状况日变化与污水脱氮除磷的关系 ,
分析了栽植密度对植物生理特性及脱氮除磷的影响 ,旨为开发观赏水生植物修复城市黑臭河道提供参考 。
1　材料与方法
1.1　装置构建与植物培养
工业河为位于上海市普陀区桃浦镇境内的一条断头
浜 ,水体黑臭 ,水质属劣五类。试验装置(见图 1)由 1 个
平衡水箱(上部 1 500 mm ×1 000 mm ,下部 1 450 mm ×
950 mm ,深 600 mm)和 10个净化槽(上部 1 240 mm ×
620 mm ,下部 1 150 mm×550 mm ,深 760 mm)组成。平
衡水箱设有溢流管用来平衡水位 ,使 10 个槽进水均匀 。
各槽末端出水管高程将槽内水深控制在 0.6 m 。每个槽
中间用隔板隔开 ,留出离槽底高约 20 cm 的过流断面 ,以
防槽内河水短流 。各槽连续进 、出水 ,水力停留时间(HRT)设为 8 h 。选取高约 10 cm 的梭鱼草幼苗(购于
上海泽龙生物工程有限公司),分别在 3个净化槽中水培 5棵(k1/ 4)、10棵(k1/2)、20棵(k1/1),每个栽植密度
各设 3个平行槽 ,另设空白对照(CK),水培 162 d(2008年 2月 26日 ～ 2008年 8月 6日)。为避免气候对试
验分析的干扰 ,整个装置设在露天现场 ,且周边无高大建筑 、树木 ,使整个试验装置处在相同气候条件下 。
1.2　植物样 、水质监测与光强测定
2008年 8月 6日 ,晴 ,气温 28 ～ 37.8 ℃。在各净化槽生长旺盛的植物(均有 2片或 2片叶以上)样中分
别随机选定 5棵 ,按不同时间(8:00 am;10:00 am ;12:00 pm ;13:00 pm;14:00 pm;16:00 pm;18:00 pm)从
每棵选定植株上采取须根 、最上叶片各 0.400 g;从各净化槽出水口处采集对应时间的水样 ,用标准方法[ 4]分
析水质;用 TPS-1便携式光合测定仪测定对应时间的光强;用卷尺与游标卡尺测定选定植株的主根 、茎 、最
上叶片长度 ,各取均值;测定植物生物量(干重)与各净化槽的植物根密度及分蘖数 ,各取均值 。
1.3　植物根 、茎叶的氮磷含量与叶片 Chl含量及酶液提取
经过自然风干的植物样 ,于 80 ℃下烘 48 h至恒重 。烘干的植物材料先用硫酸-高氯酸消化 ,然后分别
采用靛酚蓝比色法 、钼锑抗比色法测定氮磷[ 5] ;用 Heged等[ 6]提出的方法测定 Chl(Chla ,Chlb)含量 ,作以下
改进:取 0.05 g 植物叶片加入80%丙酮溶液 ,浸提 24 h后分光光度计测定浸提液的吸光值;取 0.3 g 植物新
鲜叶片在预冷的磷酸盐(pH 7.8)中匀浆 ,4 ℃下 13 000 r/min 离心 30 min ,上清液即为酶液提取液。
1.4　SP含量与酶活测定及统计分析
根据 Bradford的考马斯亮兰法测定 SP 含量[ 7] ,用牛血清蛋白作标准曲线。CAT 活性测定采用 Rao
等[ 8]紫外分光光度法。POD活性测定采用愈创木酚法[ 9] 。利用 SPSS 15.0 软件分析植物生理变化与污水
脱氮除磷的相关性 ,One-way ANOVA 以及独立样本的 t 检验法分析不同槽植物的生理特性差异。
2　结果与分析
2.1　不同栽植密度净化槽的植物生理状况日变化
研究发现 ,同一天中植物生理状况随着阳光强弱变化(表 1)而发生相应变化(图 2 ～ 图 4),植物栽植密
度也对植物生理特征产生影响(表 2)。
表 1　阳光日变化
测定时间 8:00 10:00 12:00 13:00 14:00 16:00 18:00
阳光/[ μmol·(m2·s-1] 759 1 256 1 647 1 998 1 806 1 042 687
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　　植物根 POD 、CAT 活性与叶片 SP 、Chla 、Chlb含量与阳光强弱呈对应变化 。在 10:00am ～ 14:00pm ,植
物根 POD 、CAT 活性与叶片Chla、Chlb 、SP 含量高于其他时段;植物叶片 Chla 、Chlb 、SP 含量日变化呈双峰
型 ,峰值约在 12:00pm 、14:00pm , 13:00pm 左右由于植物午休影响 ,其含量减少。较高栽植密度槽的植物根
POD 、CAT 活性较低 ,而叶片 SP 、Chla 、Chlb含量较高 ,植物形态 、分蘖数量 、根密度较大 ,植株生物量 、氮磷
含量较高 。较高栽植密度槽的植物泌氧总量较多 ,导致污水 DO 较高 ,利于兼 、好氧微生物分解 、转化污染
物 ,使植物受污水胁迫较轻 ,利于生长。栽植密度影响植物生理的差异显著性检验见表 3。
表 2　不同净化槽的植物部分生理特性比较
均值 根/ cm 茎/cm 叶/cm 根密度(根·槽-1) 分蘖数/槽 生物量/(g·棵-1) 氮/(g·kg -1) 磷/(g·kg-1)
k1/4 17.2 56.5 13.4 986 196 24.37 17.91 2.45
k1/2 22.7 68.2 16.8 1 453 288 30.68 23.02 3.21
k1/1 25.5 74.5 18.6 1 587 316 33.51 26.13 3.57
　　表 1 与图 2 ～ 图 4表明 ,植物根 POD 、CAT 活性与 SP 、Chla、Chlb 含量与阳光强弱呈对应变化。在
10:00 ～ 14:00 ,植物根 POD 、CAT 活性与叶片 Chla 、Chlb 、SP 含量高于其他时段;植物叶片 Chla 、Chlb 、SP 含
量日变化呈双峰型 ,峰值约在 12:00 、14:00 ,13:00左右由于植物午休影响 ,其含量减少。图 2 ～ 图 4与表 2
可得出 ,较高栽值密度槽的植物根 POD 、CAT 活性较低 ,而叶 SP 、Chla 、Chlb含量较高 ,植物形态 、分蘖数量 、
根密度较大 ,植株生物量 、氮磷含量较高 。较高栽植密度槽的植物泌氧总量较多 ,使污水 DO 升高 ,利于兼 、
好氧微生物分解 、转化污染物 ,使植物受污水胁迫较轻 ,利于生长 。通过检验栽植密度影响植物生理的差异
显著性 ,得到表 3 。
表 3　栽植密度对植物生理特性的影响
均值 SP/(mg·g-1) Chla/(mg·g-1) Chlb/(mg·g-1) POD/ [ U·(g·min-1)] CAT/ [ mg·(g·min-1)]
k1/4 60.42±18.95a 1.755 7±0.172 3a 0.458 5±0.056 3a 0.106 1±0.022 3a 0.690 7±0.144 0a
k1/2 69.09±18.95a 1.805 5±0.152 9a 0.526 8±0.088 7ab 0.093 3±0.024 6a 0.653 8±0.117 2a
k1/1 86.74±22.27a 1.913 6±0.156 8a 0.561 6±0.092 5b 0.072 6±0.022 4a 0.559 3±0.123 6a
　　注:a 、b分别代表差异显著性。
2.2　不同栽植密度净化槽的水质日变化
该试验发现 ,植物栽植密度与阳光强弱日变化都对净化槽中水质产生影响 ,结果如图 5 ～ 图 7所示 。图
5 ～图 7表明 ,净化槽出水 DO 、TP 、溶 P 、TN 、NH+4 -N去除率与阳光强弱呈对应变化 ,而pH 变化相反;在 10:
00am ～ 14:00pm ,它们的均值均高于其他时段 ,而 pH 略低;在 13:00pm 左右 , NH+4 -N 、溶 P 去除率均值较
高 ,由于此时阳光较强 ,导致通过植物蒸腾吸收而去除的可溶性氮磷增多。除氮率变化与雒维国等的研究结
果类似[ 10] ;DO 日变化呈双峰型 ,峰值约在 12:00pm 、14:00pm , 13:00pm 左右由于植物午休影响 , DO 下降。
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较高栽植密度槽的出水 DO与 TP 、溶 P 、TN 、NH+4 -N 去除率较高 ,由于槽中植物蒸腾效应明显 ,泌氧总量较
多 ,导致通过微生物(亚硝化细菌 、硝化细菌)作用与植物蒸腾吸收而去除的氨氮 、溶磷较多 ,pH 下降。
3　讨　论
随着阳光强弱变化 ,植物根 POD 、CAT 活性 、叶片 Chla、Chlb 、SP 含量与净化槽出水 DO 、溶 P 去除率 、
NH
+
4 -N 去除率间呈正相关 。以 k1/4槽为例 ,对植物生理日变化与污水脱氮除磷的相关性进行分析(表4),植
物叶片Chla 、Chlb 、SP 含量与净化槽出水 DO 为高度线性相关 ,净化槽出水溶 P 、NH+4 -N 去除率变化与植物
根 POD 、CAT 活性变化关系密切。同理 ,k1/2 、k1/1槽植物生理日变化与污水脱氮除磷间存在类似相关性 。
表 4　植物生理变化参数与黑臭河水 DO及脱氮除磷的相关性
参数 Chla含量 Chlb 含量 POD活性 CAT 活性 SP含量 出水 DO NH+4-N 去除 溶 P去除
Chla含量 1 0.994＊＊ 0.851＊ 0.650 0.904＊＊ 0.928＊＊ 0.887＊＊ 0.854＊
Chlb 含量 1 0.864＊ 0.678 0.933＊＊ 0.945＊＊ 0.879＊＊ 0.890＊＊
POD 活性 1 0.911＊＊ 0.878＊＊ 0.884＊＊ 0.975＊＊ 0.898＊＊
CAT 活性 1 0.765＊ 0.722 0.834＊ 0.860＊
SP 含量 1 0.989＊＊ 0.820＊ 0.968＊＊
出水 DO 1 0.849＊ 0.937＊＊
NH+4-N 去除 1 0.819＊
溶 P去除 1
　　注:＊, ＊＊分别表示 0.05和 0.01水平显著。
随着阳光增强 ,梭鱼草叶片Chla、Chlb含量升高 ,光合作用增强 ,叶片 SP 含量升高 ,根部泌氧增多 ,导致
污水 DO升高 ,这种由于植物泌氧而导致污水 DO升高的现象与王传海[ 11]等研究苦草影响污水 DO 的结果
类似;另一方面植物蒸腾作用增强[ 10] ,从污水中吸收更多的可溶性污染物离子(如 NH+4 [ 10] 、PO3-4 [ 12] 等),
导致植物体内产生更多氧自由基 ,使其根 POD 、CAT 表现出更强活性 ,同时导致净化槽出水溶 P 、NH +4 -N 去
除率升高 ,pH 下降 ,这种 pH 下降的机理与苦草影响污水 pH 的机理不同[ 11] ,苦草通过光合作用吸收水中
CO2 而使水体 pH升高 ,而梭鱼草通过蒸腾吸收水中 NH +4 -N 使水体 pH 下降 ,此外 ,水温升高也促使植物根
POD 、CAT 活性增强[ 13] 。同理 ,随着阳光减弱 ,植物生理特性与水质间出现对应变化 。可见 ,随着阳光变
化 ,水生植物通过改变体内 Chla 、Chlb 、SP 含量及 POD 、CAT 活性等生理特性 ,响应外围生境变化 。由于较
强阳光导致较高的污水脱氮除磷(图 5 ～图 7),因此在城区黑臭河道修复中 ,适宜选择无高大建筑遮荫的河
段定植植物。
栽植密度影响植物生理状况与污水脱氮除磷 。随着栽植密度增加 ,植物受黑臭河水胁迫较轻 ,生长较
好 ,脱氮除磷也较明显;而栽植密度较低时 ,植物生理状况受影响较大 ,脱氮除磷也略差。植物根 POD活性
对水质变化的响应与李宗辉[ 14]等的研究结果类似 。基于水培的植物幼苗数量的倍数差异 ,比较 k1/ 2槽与
k1/1槽的植物分蘖数可知 ,过密栽植影响了植物的分蘖繁殖(见表 2),虽然就单棵植物而言 ,较高栽植密度槽
植物的生长优于较低栽植密度槽植物 ,植株生物量 、氮磷积累也较高(见表 2)。比较不同槽的脱氮除磷 ,k1/ 4
槽与 k1/1槽差异较明显 ,而 k1/2槽与 k1/1槽较接近(图 5 ～ 图7),可见 ,k1/2槽的栽植密度较合理。因此 ,在污
染河流生态修复中 ,应根据实际情况进行适量定植植物 。
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4　结　语
净化槽出水溶 P 、NH+4 -N去除率与植物根 POD 、CAT 活性 、叶片 Chla、Chlb 、SP 含量间呈正相关 。植物
叶片 Chla 、Chlb 、SP 含量日变化呈双峰型 ,峰值约在 12:00pm 、14:00pm;在 10:00am ～ 14:00pm , 植物根
POD 、CAT 活性与叶片 Chla 、Chlb 、SP 含量及净化槽出水溶 P 、NH +4 -N 去除率高于其他时段。较高栽植密度
槽的出水 DO与 TP 、溶 P 、TN 、NH +4-N 去除率及植物叶片 SP 、Chla 、Chlb含量较高 ,植物根密度较高 ,植株较
高大 ,生物量较大 ,氮磷积累较多 ,而根 POD 、CAT 活性较弱 ,植物分蘖繁殖减弱 。
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