全 文 ：第 32 卷　第 12期
2010 年 6 月
武　汉　理　工　大　学　学　报
JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vo l.32　No.12
　Jun.2010
DOI:10.3963/ j.issn.1671-4431.2010.12.020
长期曝气下梭鱼草的生理响应及脱氮除磷变化
卢晓明1 ,赵　丰2 ,陈建军2 ,黄民生2 ,耿　亮2
(1.温州科技职业学院生态环境研究所 , 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 6 个各水培 10 棵梭鱼草的净化槽(曝气 、非曝气)的植物生理特性及对应的净化槽水质 , 研究了曝气对
梭鱼草的生理特性及净化效果的影响 , 另设空白槽对照(CK)。结果表明 , 曝气下植物根 、茎 、叶的长度较短 , 叶片 Chla、
Chlb 、可溶性蛋白(SP)含量分别较非曝气下叶片低 0.187 7 mg/ g、0.084 7 mg/g 、17.36 mg/ g , 而根组织过氧化物酶
(POD)、过氧化氢酶 CAT 活性分别较非曝气下植物根高 0.014 6 U/(g·min)、0.309 5 mg/(g·min);曝气下植株的氮 、磷
含量及生物量分别比非曝气下植株低 0.87 g/kg、0.35 g/kg 与 2.13 g/棵;曝气槽植物的分蘖数 、根密度较高;曝气槽
COD、NH+4 -N 去除率较非曝气槽高 12.73%、8.31%,而溶 P去除率较非曝气槽低 24.86%。
关键词:　曝气;　梭鱼草;　生理特性;　净化效果
中图分类号:　X 1 文献标识码:　A 文章编号:1671-4431(2010)12-0084-04
Physiological Responses and Nitrogen and Phosphorus Removals
Variations of Pontederia Cordata Under Long Period Aeration
LU X iao-ming1 , ZHAO Feng2 , CHEN J ian-jun2 , HUANG Min-sheng2 , GENG Liang2
(1.Wenzhou Vocational College of Science & Technology ,Wenzhou 325006 , China;2.School of Resources and Environment
Sciences , East China Normal University , Shanghai 200062 , China)
Abstract:　Pontederia co rdata w as hydroponic cultiv ated in 6 purify ing-tanks(with and w ithout aeration)with same planting
density of 10 , to investigate phy siological traits o f the plants and the main physical and chemical traits of the effluents.Effects
of aeration on physiological traits of the plants and purifying efficiencies of the purify ing-tanks during treatment for heavily pol-
luted w ater w ere comparatively analy zed , another tank without plant fo r control(CK).Results showed aeration affected physi-
ological traits of the plants.Roo ts , stems and leaves leng ths of the plants at aeration were sho rter than the non aeration.Chla ,
Chlb and SP contents of leaves were low er than the non aeration by decreasing 0.187 7 mg/ g , 0.084 7 mg/g and 17.36 mg/g.
While POD and CAT activities of roo ts tissues at aeration exceeded the non aer ation by 0.014 6 U/(g ·min) and
0.309 5 mg/(g·min).N and P accumulation and biomass of the plants w ere higher at non aera tion than the aeration by in-
creasing 0.87 g/kg , 0.35 g/kg and 2.13 g/ plant.T illers and roots densities at aeration w ere more than the non aeration.COD
and NH+4-N removals of the effluents at aeration exceeded the non aera tion by 12.73% and 8.31%, while soluble P removals
were lower by declining 24.86%.
Key words:　aeration;　Pontederia cordata;　physio logical characteristic;　purifying efficiency
收稿日期:2010-01-04.
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
　　河道黑臭是我国城市河网的普遍现象 ,溶解氧含量不足是水体黑臭的根本原因 。国内外研究表明 ,人工
曝气复氧是治理污染河道的一种有效工程措施[ 1 ,2] 。近年 ,植物浮床在污染河道生态修复工程中已得到广
泛应用。污染河道进行曝气复氧时 ,除了大量改善水质方面的报道[ 1 , 2]外 ,曝气在一定条件下将对浮床植物
的生理特性产生影响 ,目前此方面还鲜见报导 。试验通过运用梭鱼草现场处理城市黑臭河水 ,曝气气流速率
设为 30 L/min ,且连续曝气 135 d ,初步探讨了曝气对植物生理特性及脱氮除磷的影响 , 旨在为合理开发观
赏植物在城市黑臭河道修复工程中的应用提供理论依据。
1　材料与方法
1.1　装置构建与植物培养
工业河为上海普陀区桃浦镇境内的一断头浜 ,
水体黑臭 。装置(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 7个净化槽(上部 1 240 mm ×620 mm ,
下部 1 150 mm×550 mm ,深 760 mm)构建成 。水
箱设有溢流管用来平衡水位 ,使 7 个槽的进水均
匀。河水通过水泵送入水箱 ,经其上设置的固定出
水管流入净化槽 。各槽末端的出水管高程将槽内
水深控制在 0.6 m 。每个槽中间用隔板隔开 ,留出
离槽底约 20 cm 的过流断面 。水力停留时间
(HRT)设为 8 h。曝气采用浙江森森实业有限公司
生产的 ACO-004型电磁式空气泵(60 L/min),气
流设为 30 L/min 。选取均匀的梭鱼草幼苗(高约
10 cm ,购于上海泽龙生物工程有限公司),分别在 6个槽(hk 、hka为非曝气 、曝气槽)中各水培 10棵 ,另设空
白槽对照(CK),水培 135 d(2008-02-26 ～ 2008-07-10)。
1.2　供试植物样 、水质监测
2008年 4月 26日 ,晴 ,气温 19 ～ 29 ℃,在各槽生长旺盛的植物样中随机选定 7 棵 ,依次采取其中每棵
选定植株的最上叶片 、须根各 0.400 g;从每个槽出水口处采集对应水样进行水质分析 ,采用标准方法[ 3] 。然
后 ,收获选定的植物样 ,用卷尺与游标卡尺测量植株的根(主根)、茎 、叶(最上叶)长 ,各取均值。统计各槽的
植物分蘖数与根密度 ,各取均值。
1.3　植物组织的氮磷含量与生物量及叶片叶绿素(Chl)含量
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[ 4] 。测定植物根 、茎叶的生物量(干重)。Chl含量的测定 , 按
Heged等[ 5]提出的方法进行 ,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 。
1.4　酶液提取与可溶性蛋白(SP)含量及酶活性测定
分别取0.30 g 新鲜叶片与根组织在预冷的磷酸盐(pH7.8)中匀浆 ,4 ℃下 13 000 r/min离心30 min ,上
清液即为酶液提取液 。根据 Bradford的考马斯亮兰法测定 SP 含量[ 6] ,用牛血清蛋白作标准曲线。CAT 活
性测定采用 Rao 等[ 7]紫外分光光度法。POD活性测定采用愈创木酚法[ 8] 。
1.5　数据分析
利用 SPSS 15.0 分析软件中的独立样本的 t 检验法对数据差异显著性进行分析。
2　结果与分析
2.1　曝气对植物生理特性的影响
由表 1可知 ,曝气下植物根 、茎 、叶的长度较短;叶片 Chla 、Chlb 、SP 含量较低;而根 POD 、CAT 活性较
高。植物分蘖数量较多 ,由于非曝气槽植物较高大 ,遮挡了阳光对幼株的照射 ,影响了幼株的光合碳同化 ,而
85第 32卷　第 12 期　　　　卢晓明 , 赵　丰 ,陈建军 , 等:长期曝气下梭鱼草的生理响应及脱氮除磷变化　 　　　　
曝气槽植物较矮小 ,幼株较易获取阳光 。曝气槽根密度较高 ,源于曝气下较多分蘖幼株。
表 1　曝气对植物生理特性的影响
均值 根长/ cm 茎长/ cm 叶长/ cm POD/(U·(g·min)-1) CAT/(mg·(g·min)-1)
非曝气 12.3±1.3a 38.2±3.9a 7.9±0.8a 0.048 4±0.009 9a 0.487 5±0.111 0a
曝气 9.0±0.8b 24.3±2.3b 6.8±0.7b 0.063 0±0.015 1a 0.797 0±0.203 9a
(表 1 续)
均值 SP/(mg·g-1) Chla/(mg·g-1) Chlb/(mg·g-1) 植物分蘖数量/个 根密度/(根·m-2)
非曝气 71.86±20.30a 1.884 8±0.206 2a 0.583 1±0.046 3a 154 910
曝气 54.50±13.66a 1.697 1±0.327 3a 0.498 4±0.050 9a 189 1 138
　　注:a 、b分别代表差异显著性;下文表同。
表 2　曝气对植物组织氮磷积累的影响
平均含量/(g·kg-1) N P 生物量/(g·棵-1) 含水率/ %
曝气 3.86±0.35a 0.98±0.06a 8.79±0.23a 96.7±2.5a
非曝气 4.73±0.42b 1.33±0.12b 10.92±0.31b 95.5±2.3a
　　表 2说明 ,曝气下植株的氮磷含量及生物量较低。
2.2　曝气对污水净化效果的影响
表 3　曝气对污水净化效果的影响
均
值
COD去除
率/ %
溶 P去除
率/ %
TP 去除
率/ %
NH+4 -N去
除率/ %
TN 去除
率/ %
DO/
(mg·L-1) pH 值
水温/
℃
曝气槽 43.55 18.83 16.60 29.61 26.65 2.31 7.9 25.2
非曝气槽 30.82 43.69 46.66 21.30 20.13 0.59 8.1 25.9
对照槽 6.24 5.62 6.53 3.57 3.27 0.12 8.4 27.3
　　曝气槽 DO 浓度 、COD 、TN 、NH+4 -N去除率比非曝气槽分别高出 1.72 mg/L 、12.73%、6.52%、8.31%,
而 TP 、溶 P 去除率分别低于非曝气槽 30.06%、24.86%。虽然曝气槽植物的氮磷积累较低 ,但是 ,曝气槽
TN 、NH+4 -N 去除效率却较高 ,由于曝气使 DO升高 ,利于植物根区微生物转化 NH+4 -N[ 3 , 4] ,因此微生物在污
水的氮去除中占主导作用[ 9] 。同时 ,较高的 DO 使异养微生物代谢增强 ,利于 COD 去除 。植物主要是通过
蒸腾吸收来去除污水中的可溶性氮磷[ 9 ,10] 。曝气下 , TP 、溶 P 去除率较低是由于曝气减弱了磷的自然沉降
以及曝气引发的水流冲击影响植物的蒸腾流吸收 。曝气下 pH 较低是由于较高的 NH+4 -N去除率所致 。
3　讨　论
曝气影响植物的光合 、蒸腾 。曝气下植物叶片 Chl含量较低 ,是由于曝气引起的水流冲击影响植物裸露
根的生长 ,使根吸收的氮磷量减少 ,导致植株的氮磷积累下降 ,从而影响植物的生理生长 ,使叶片 Chl的合成
能力减弱 ,Chl含量下降 ,而 Chl含量与有效光合速率之间关系密切 ,因此曝气影响了植物光合及其代谢产
物SP 。由于曝气下植物氮磷含量较低 ,而含水率差异不明显(表 2),且非曝气下植物较高大(表 1),说明曝
气下植物在相同时间里吸收的可溶性氮磷较少 ,也就表明曝气下植物的蒸腾吸收较弱 ,因此 ,曝气影响了植
物蒸腾。
曝气影响污水的氮去除。污水中的氨态氮是植物组织的养分氮来源[ 11] 。N 、P 的吸收与根表面积 、内部
结构及污水性质相关[ 11] 。曝气影响植物根的生理特性(表 1),影响其氮磷积累(表 2),因此 ,曝气影响植物
对氮磷的吸收。由于非曝气槽植物的根比曝气槽植物的根长 ,约为 1.37倍(表 1),但曝气槽植物根密度约
为非曝气槽植物的 1.25倍(表 2),因此曝气槽植物根的总表面积与非曝气槽植物根的总表面积差异不会很
显著 ,又曝气槽 DO浓度约为非曝气槽的 3.92倍(表 3),所以 ,曝气槽根区微生物更有效转化 NH+4 -N[ 1 , 2] ,
导致曝气下 TN 、NH +4-N 去除率较高。
86　　　　　　　　　　　　　　　　　　武　汉　理　工　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　2010 年 6 月
曝气影响植物的抗性酶活性。污水胁迫引起植物细胞内超氧自由基增加。抗性酶 CAT 、POD起协同清
除和阻止活性氧形成[ 12] 。POD在植物体内普遍存在 ,与植物抵御逆境有相当关系[ 13] 。植物的生长状况主
要取决于水质 、底泥性质及水文状况 ,由于此次试验采用水培进行植物培养 ,因此没有底泥因素的干扰 ,而曝
气引起的水流冲击相当于改变了曝气槽中植物的微观水文状况 。水流对植物的裸露根进行长时间持续冲
击 ,影响根(特别是那些幼嫩的须根)的生长 ,而植物相应做出生理响应:Chl、SP 含量下降而 POD 、CAT 活性
增强 。
4　结　论
a.曝气下 ,植株较矮小 ,但分蘖数量 、根密度增加;根组织 POD 、CAT 活性较强 ,而叶片 Chl 、SP 含量较
低;根 、茎 、叶的氮磷积累及生物量较低 。
b.曝气下 , COD 、TN 、NH+4 -N去除率较高 ,而 TP 、溶 P 去除率明显较低。
参考文献
[ 1] 　陈　伟 , 叶舜涛 ,张明旭.苏州河河道曝气复氧探讨[ J] .给水排水 , 2001 , 27(4):7-9.
[ 2] 　徐　续 , 操家顺.河道曝气技术在苏州地区河流污染治理中的应用[ J] .水资源保护 , 2006 , 22(1):30-33.
[ 3] 　国家环境保护总局.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.
[ 4] 　董　鸣 , 王义凤 ,孔繁志 , 等.陆地生物群落调查与分析[ M] .北京:中国标准出版社 , 1996.
[ 5] 　Heged A , Erdei S , Horvath G.Comparative Studies o f H2O2 Detoxifying Enzymes in G reen and Greening Barley Seedling un-
der Cadmium Stress[ J] .Plant Sci , 2001(160):1085-1093.
[ 6] 　Bradfo rd M M.A Rapid and Sensitive Method for the Quantitation of M icrog ram Quantities of P ro tein U tilizing the Principle
of Protein-dye Binding[ J] .Anal Biochem , 1976(72):248-254.
[ 7] 　Rao M V , Paliy ath G , Ormrod D P.Ultraviolet-B Radiation and Ozone-induced Biochemical Changes in the Antioxidant En-
zymes of Arabidopsisthaliana[ J] .Plant Phy siol , 1996(110):125-136.
[ 8] 　张志良.植物生理学实验指导[ M] .北京:高等教育出版社 , 1990.
[ 9] 　雒维国 , 王世和 ,黄　娟 , 等.植物光合及蒸腾特性对湿地脱氮效果的影响[ J] .中国环境科学 , 2006 , 26(1):30-33.
[ 10] 　宋克敏.植物的磷营养:磷酸盐运转系统及其调节[ J] .植物学通报 , 1999 , 16(3):251-256.
[ 11] 　范国兰 , 李　伟.穗花狐尾藻(Myriophy llum spicatum L)在不同程度富营养化水体中的营养积累特点及营养分配对策
[ J] .武汉植物学研究 , 2005 , 23(3):267-271.
[ 12] 　Kaufmann J A , Bickford P C.Free Radical-dependent Changes in Constitutive Nuclear Factor Kappa B in the Aged Hip-
pocampus[ J] .Neuro report , 2002 , 13(15):1917-1928.
[ 13] 　Li J , Zu Y G.Generation of Activated Oxygen and Change of Cell Defense Enzyme Activity in Leaves of Ko rean Pine
Seedling Under Low Temperature[ J] .Acta Bo tanica Sinica , 2000 , 42(2):148-152.
(上接第 69页)
[ 3] 　Wang Yanfu , Jiang Juncheng , Zhu Dezhi.Full-scale Experiment Research and Theo retical Study for Fires in Tunnels with
Roof Openings[ J] .Fire Safety Journal , 2009(44):339-348.
[ 4] 　Charters D A , McIntosh A C.Tunnel Fire Safety Assessment[ C] //P roceeding of A siaflam 95 Conference.Hong Kong:[ s.
n.] , 1995:77-86.
[ 5] 　Chen Xiaojun.Simula tion of Temperature and Smoke Distribution of a Tunnel F ire Based on Modifications of Multi-lay er Zone
Model[ J] .Tunnelling and Underg round Space Techno logy , 2009(23):75-79.
[ 6] 　Sho rab Jain , Shashi Kumar , Surendra Kumar , et al.Numerical Simulation of Fire in a Tunnel:Comparative Study of CFAST
and CFX Predictions[ J] .Tunnelling and Underground Space Technolo gy , 2008(23):160-170.
[ 7] 　冯　炼 , 张发勇.具有横通道的双洞公路隧道火灾数值模拟研究[ J] .地下空间与工程学报 , 2008 , 3(2):329-332.
87第 32卷　第 12 期　　　　卢晓明 , 赵　丰 ,陈建军 , 等:长期曝气下梭鱼草的生理响应及脱氮除磷变化