全 文 ：第 7 卷 第 6 期 环 境 工 程 学 报 Vol ． 7，No ． 6
2 0 1 3 年 6 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Jun ． 2 0 1 3
青萍(Lemna minor L．)对氮磷的吸收特征
刘 明 黄 磊 杜 刚 郭劲松 高 旭*
(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045)
摘 要 以西部地区优势浮萍品种青萍为实验对象，研究了青萍对不同浓度硝态氮和磷酸盐的吸收特征。结果表明，
硝态氮浓度在 1 ～ 10 mg /L范围内，青萍对硝态氮有较好的吸收效果，M-M方程可以较好地描述硝态氮浓度与青萍对硝态
氮的吸收速率之间的关系，通过M-M方程拟合得到青萍对硝态氮的最大吸收速率为 0． 1167 mg /(g FW·h) ，亲和力常数为
6． 9274。磷酸盐浓度在 0． 1 ～ 1． 0 mg /L范围内，青萍对磷酸盐也有较好的吸收效果，二次多项式回归可以较好地描述青萍
吸收速率与磷酸盐浓度的关系，回归方程得到青萍对磷酸盐的最大吸收速率为 0． 0193 mg /(g FW·h) ，对应磷酸盐浓度为
0． 6 mg /L。
关键词 青萍 硝态氮 磷酸盐 吸收
中图分类号 X703． 1 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2013)06-2045-06
Uptake characteristics of nitrate and phosphate by Lemna minor L．
Liu Ming Huang Lei Du Gang Guo Jinsong Gao Xu
(Key Laboratory of Eco-Environment in Three Gorges Reservoir Region，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400045，China)
Abstract As an advantage variety of duckweeds in the western region of China，Lemna minor L． was used
to study its uptake kinetics of nitrate and phosphate． Results showed that Lemna minor L． had good ability to ab-
sorb nitrate (NO －3 -N) ，when the latter’s concentration was 1 ～ 10 mg /L． Relationship between concentration
and uptake rate of NO －3 -N could be illustrated with the Michaelis-Menten (M-M)equation． According the ob-
tained results of M-M equation，the maximum uptake rate of NO －3 -N was 0． 1167 mg /(g FW·h)while the af-
finity constant was 6． 9274． Lemna minor L． also played important roles to absorb orthophosphate (PO3 －4 -P) ，
when the latter’s concentration was 0． 1 ～ 1． 0 mg /L． The relationship between concentration and uptake rate of
PO3 －4 -P could be illustrated with two polynomial regressions． The maximum uptake rate of PO
3 －
4 -P obtained by
polynomial regression was 0． 0193 mg /(g FW·h) ，where the concentration was 0． 6 mg /L．
Key words Lemna minor L．;nitrate;phosphate;uptake
基金项目:国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAJ25B09)
收稿日期:2012 － 02 － 25;修订日期:2012 － 03 － 14
作者简介:刘明(1986 ～) ，男，硕士研究生，主要从事废水处理理论
与技术。E-mail:liuming0817@ 163． com
* 通讯联系人，E-mail:gaoxu@ cqu． edu． cn
近年来，随着西部地区经济的发展，多数小城
镇的饮用水源地受到污染，威胁居民用水安全。
青萍作为一种漂浮植物，具有生长快速、环境适应
能力强、氮磷吸收速率快、易收获及易资源化等特
征。在处理污水方面，最早被用于回收畜牧污水
的氮磷营养盐［1-3］，后开始逐渐用于处理生活污
水［4-6］、氧化塘或其他处理系统的出水［7，8］、化粪池
废水［9］、食品和肥料工业废水［10，11］及含有重金属
的工业废水［12，13］等。国外很多学者［6，14，15］在实验
室或室外条件下用青萍处理不同种类的污水，也
均获得了良好的效果。由于青萍处理系统的能耗
极低且收获的青萍可通过资源化利用进一步降低
处理成本，所以它非常适合于经济欠发达地区受
污染水体的修复。
由于不同地域对青萍的污水适应能力、温度的
耐受能力、生物的产量等有显著的影响［14］，所以有
必要针对待修复区域的优势浮萍品种———青萍，研
究其在污水处理处理过程中的生理特性及氮磷污
染物的去除特征。本试验选择西部地区的优势品
种青萍为考察对象，研究青萍在低营养盐浓度条
件下对硝态氮和磷酸盐的吸收特征，以期为将来
青萍应用于西部地区受污染水体修复提供一定的
理论依据。
环 境 工 程 学 报 第 7 卷
1 材料和方法
1． 1 实验青萍及培养
以筛选出的本地优势品种—青萍为供试材
料，采集于重庆市万州区鹿山河。青萍从野外采
集回实验室后，先用清水清洗去掉杂质，接着用
2%的次氯酸钠溶液清洗 5 次，以去除附着在青萍
上的细菌、藻类和其他微生物［16］。经过预处理的
青萍在改良的 Hoagland 培养液［17］中放大培养以
适应环境，为后续的实验提供纯种的青萍。实验
温度为(23 ± 2)℃、光照强度为(3 000 ± 300)lx、
日照时间为 16 h /d。
1． 2 青萍对氮磷的吸收特征
本实验选择 1 /10 改良的 Hoagland 原液(即:不
加氮磷营养盐的培养液)作为所有实验的底液。在
进行硝态氮吸收实验时，设置硝态氮浓度梯度为 1、
2、3、5 和 10 mg /L，磷酸盐浓度为 8 mg /L。对于磷
酸盐吸收实验，根据 Krner 等［18，26］的研究结果，磷
酸盐浓度从 1 mg /L 增加到 2 mg /L 时，青萍对磷酸
盐的去除速率随浓度增加而出现显著下降，当磷酸
浓度大于 2 mg /L后保持稳定。所以本实验设定磷
酸盐浓度梯度为 0． 1、0． 2、0． 3、0． 5 和 1． 0 mg /L，硝
态氮浓度设置为 10 mg /L。青萍在含有以上不同营
养盐水平培养液中驯化 14 d后开始实验，在 100 mL
烧杯中加入 100 mL含有不同浓度营养盐的培养液
和 0． 15 ～ 0． 3 g 鲜重的青萍，在控制温度(23 ±
2)℃、光照强度(3 000 ± 300)lx条件下进行 N、P 吸
收实验。按 0、2、4、6、8 h 的时间梯度进行取样，检
测水样中 N、P营养盐的浓度，每个取样时间点设 3
个平行样。
1． 3 水质检测及青萍鲜重称量方法
实验所有涉及的水质指标检测包括 NO －3 -N、
PO3 －4 -P，其中 NO
－
3 -N采用紫外分光光度法，TP采用
钼酸盐分光光度法。由于青萍鲜重并无统一规范的
测量方法，本实验参考文献［1，19］并加以改进，改
进后的方法如下:用滤水网斗将需测定鲜重的植物
从水中捞起，自由滤水 5 min，然后将青萍平铺放置
在垫有吸水纸的滤纸上，吸水 5 min，立即用精度为
0． 0001 g的电子天平称重。
1． 4 实验分析方法
实验数据通过 Origin V8． 0 整理作图，采用
PASW Statistics 18． 0 软件对试验数据进行统计和回
归分析。对象之间的差异性分析采用单因素 ANO-
VA分析方法。
2 结果与讨论
2． 1 青萍对不同浓度硝态氮的吸收特征
2． 1． 1 青萍对不同浓度硝态氮的吸收速率
实验配液硝态氮浓度随时间的变化趋势见图
1。硝态氮的浓度随时间呈现下降趋势，对浓度和时
间做线性拟合发现它们之间有较好的线性关系，所
有浓度对应拟合 r2 值均高于 0． 9。根据线性方程的
斜率(浓度去除速率)、培养液体积及青萍鲜重
(FW)可以求出单位鲜重青萍在各浓度下的硝态氮
吸收速率，各浓度硝态氮对时间的线性回归方程、参
数及青萍比吸收速率的统计分析见表 1。
根据 Zimmo 等［20］和 Alaerts 等［21］的研究，青萍
系统中 N 去除途径包括:反硝化、挥发和吸收。硝
态氮没有挥发性，且根据预实验结果显示，有青萍覆
盖的培养液中 DO 值不小于 4 mg /L，培养液中不易
发生反硝化，所以吸收是硝态氮浓度的降低的主要
原因。在青萍系统中，青萍、藻类和微生物(主要集
中于青萍根系表面和池壁上的生物膜中)都会吸收
无机氮。实验所用为纯种培养的青萍，实验过程也
没有观察到有藻类生长，烧杯壁上也无生物膜形成，
所以可以忽略藻类和微生物的影响。根据 El-Shafai
等［6］和 Al-Nozaily 等［22］对青萍系统中氮的物料平
衡的研究，在低浓度营养盐条件下，青萍对氮的吸收
表 1 青萍对不同浓度 NO －3 -N的吸收速率
Table 1 Uptake rate of Lemna minor L． to NO －3 -N with different concentrations
硝态氮浓度
(mg /L) 线性回归方程 r
2 实验液体积
(mL)
青萍鲜重
(g)
浓度去除速率
(mg /(L·h) )
比吸收速率
(mg /(g FW·h) )
1 y = 1． 0372 － 0． 0379x 0． 97 100 0． 3 0． 0379 0． 0127
2 y = 1． 7648 － 0． 0708x 0． 98 100 0． 3 0． 0708 0． 0236
3 y = 2． 6872 － 0． 0720x 0． 92 100 0． 2 0． 0720 0． 0360
5 y = 4． 8687 － 0． 1774x 0． 93 100 0． 3 0． 1774 0． 0526
10 y = 9． 2885 － 0． 1347x 0． 99 100 0． 2 0． 1347 0． 0673
6402
第 6 期 刘 明等:青萍(Lemna minor L．)对氮磷的吸收特征
图 1 NO －3 -N浓度随时间的变化
Fig． 1 Changes of NO －3 -N concentration with time
可以占 TN去除的 99%。所以可以认为青萍吸收是
硝态氮浓度降低的最主要原因。
由于青萍经过驯化后，其对营养盐的吸收速率
在一段时间内可以保持稳定，之后随营养盐浓度下
降和时间的推移，吸收速率可能会发现变化。本实
验周期较短，经过驯化的青萍能够以稳定的吸收速
率去除培养液中的硝态氮，故表现为硝态氮浓度随
时间呈现线性递降趋势。
2． 1． 2 青萍对硝态氮的吸收特征
根据图 2 发现，吸收速率随硝态氮浓度有对数
上升的趋势，对硝态氮浓度和青萍吸收速率做 M-M
方程拟合，拟合曲线见图 2。在本实验数据范围内，
青萍对硝态氮的吸收速率与硝态氮浓度的关系用
M-M方程拟合程度较好，回归方程为 y = 0． 1167x /
(6． 9274 + x) ，r2 = 0． 98(n = 5)。通过拟合得到青萍
对硝态氮的最大吸收速率为 Vmax = 0． 1167 mg /(g
FW· h) ，青萍对硝态氮的亲和力常数为 k =
6． 9274。硝态氮浓度可以影响青萍的吸收速率，根
据方差分析结果，青萍对不同浓度硝态氮的吸收速
率差异极显著(P ＜ 0． 01)。沈根祥等［23］研究了 Spi-
rodela oligorrhiza在不同硝态氮浓度(14、28、42、56、
70 和 84 mg /L)条件下的吸收速率，结果显示吸收
速率与硝态氮浓度对 M-M 方程也有较好的拟合程
度，他们拟合得到的M-M方程为 y = 0． 176x /(7． 123
+ x) ，r2 = 0． 98(n = 6) ，最大吸收速率为 Vmax =
0． 176 mg /(g FW·h) ，青萍对硝态氮的亲和力常数
为 k = 7． 123。可以看出，硝态氮浓度越大，青萍对
硝态氮的最大吸收速率越大，亲和力常数也越大。
图 2 青萍吸收速率与 NO －3 -N浓度的关系
Fig． 2 Relationship between uptake rate of Lemna minor L．
and concentration of NO －3 -N
2． 2 青萍对不同浓度磷酸盐的吸收特征
2． 2． 1 青萍对不同浓度磷酸盐的吸收速率
磷酸盐浓度随时间的变化趋势见图 3，培养液
中磷酸盐的浓度随时间呈现下降趋势，对浓度和时
间做线性拟合发现它们之间有较好的线性相关性，
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环 境 工 程 学 报 第 7 卷
图 3 PO3 －4 -P浓度随时间的变化趋势
Fig． 3 Changes of PO3 －4 -P concentration with time
所有浓度的拟合 r2 值均高于 0． 9，表明在 8 h 内，青
萍以稳定的去除速率去除培养液中的磷酸盐。根据
线性方程的斜率(浓度去除速率)、培养液体积及青
萍鲜重(FW)可以求出单位鲜重青萍在各浓度下的
磷酸盐吸收速率，各浓度磷酸盐对时间的线性回归
方程、参数及青萍比吸收速率的统计分析见表 2。
Al-Nozaily等［22］认为，青萍吸收、微生物吸收、
与阳离子反应形成沉淀、底泥吸收、有机物吸附是青
萍系统中磷的去除途径。本实验忽略微生物的影
响，培养液中没有有机物，也没有观察到有沉淀，所
以青萍吸收是磷酸盐去除的最主要原因。
2． 2． 2 青萍对磷酸盐的吸收特征
由图 4 可以看出，青萍对磷酸盐的吸收速率对
磷酸盐浓度先增大然后出现下降。对磷酸盐浓度和
青萍吸收速率做 M-M方程拟合，发现青萍的吸收速
率对磷酸盐浓度的 M-M方程拟合程度较差，回归方
程为 y = 0． 0169 x /(0． 0938 + x) ，r2 仅为 0． 23，这表
明 M-M方程完全不能描述方程青萍对不同浓度磷
酸盐吸收。由于青萍对磷酸盐的吸收速率有先增大
后降低的趋势，所以对磷酸盐浓度和青萍吸收速率
做二次多项式回归，回归结果显示，二次多项式回归
可以极好的反应青萍吸收速率与氨氮浓度的关系，
回归方程为 y = 0． 0011 + 0． 0606x － 0． 0503x2，r2 =
0． 99;通过回归方程求出青萍对磷酸盐的最大吸收
速率为 0． 0193 mg /(g FW·h) ，对应的磷酸盐浓度
为 0． 6 mg /L。
图 4 青萍吸收速率与 PO3 －4 -P浓度的关系
Fig． 4 Relationship between uptake rate of Lemna minor L．
and concentration of PO3 －4 -P
高浓度磷酸盐对青萍没有毒害作用［24］，但是在
高浓度磷酸盐条件下，青萍的生长、磷含量和对磷酸
盐的吸收较低浓度时均有所下降。Song 等［25］研究
了水体中磷含量对 Lemna minor 和紫背浮萍(Spi-
rodela polyrhiza)生长的影响，包括:叶片数量、鲜重、
8402
第 6 期 刘 明等:青萍(Lemna minor L．)对氮磷的吸收特征
表 2 青萍对不同浓度 PO3 －4 -P的吸收速率
Table 2 Uptake rate of Lemna minor L． to PO3 －4 -P with different concentrations
磷酸盐浓度
(mg /L) 线性回归方程 r
2 实验液体积
(mL)
青萍鲜重
(g)
浓度去除速率
(mg /(L·h) )
比吸收速率
(mg /(g FW·h) )
0． 1 y = 0． 1035 － 0． 0096x 0． 99 100 0． 15 0． 0096 0． 0064
0． 2 y = 0． 2004 － 0． 0173x 0． 97 100 0． 20 0． 0173 0． 0116
0． 3 y = 0． 3046 － 0． 0222x 0． 98 100 0． 20 0． 0222 0． 0148
0． 5 y = 0． 5188 － 0． 0371x 0． 98 100 0． 30 0． 0371 0． 0186
1． 0 y = 1． 0081 － 0． 0338x 0． 95 100 0． 30 0． 0338 0． 0123
蛋白质含量、根系长度、过氧化物和过氧化氢含量，
结果显示，青萍可以在磷酸盐浓度为 0． 01 ～ 50 mg /
L的范围内生长，其中在 0． 5 ～ 5 mg /L 范围内的生
长情况优于其他浓度，即青萍在低浓度磷酸盐条件
下生长得更好。Edwards 等［9］研究了磷酸盐浓度对
青萍磷含量的影响，结果显示，青萍磷含量不会随着
磷酸盐浓度增长而一直增长。磷含量的最大值出现
在磷酸盐浓度为 0． 6 ～ 0． 8 mg /L 左右时，当磷酸盐
浓度小于 0． 6 mg /L时，青萍磷含量随磷酸盐浓度增
长而增长;当磷酸盐浓度大于 0． 8 mg /L 时，青萍磷
含量随磷酸盐浓度的增长反而下降。Krner
等［18，26］研究了总磷浓度(1、2、4、10 和 14 mg /L)对
Lemna gibba总磷吸收速率的影响，结果显示，在 4 d
的时间内各总磷浓度随时间按指数(y = ze － kt)趋势
减小，其中 k值(去除系数)可以反映青萍对总磷的
去除速度，k值越大，对总磷的去除速度越快。总磷
浓度从 1 mg /L上升到 2 mg /L 时，青萍对总磷的去
除系数(k)出现急剧下降;总磷浓度大于 2 mg /L
后，青萍对总磷的去除系数(k)一直稳定在一个较
低的值。但是 Krner 等［18，26］并没有研究青萍在总
磷浓度小于 1 mg /L 时，磷浓度与青萍去除速率
的关系。
综上所述，在总磷浓度 1 ～ 2 mg /L之间，青萍对
总磷的去除速率出现急剧下降。而总磷浓度大于
0． 8 mg /L 后，青萍磷含量随总磷浓度的增大而减
小;且总磷在此浓度范围内，青萍生长不受影响。由
此可知，青萍对总磷的去除速率出现急剧下降对应
了青萍磷含量的降低，而不影响青萍的生长，表明青
萍对磷的吸收速率与体内磷含量有密切关系。青萍
体内存储磷是为了在营养盐不足时仍然可以继续生
长，如果环境的营养盐充足甚至过量时，青萍不需要
存储太多的磷而体内的磷含量可能发生降低，对磷
的吸收速率自然减慢，所以青萍对总磷的去除速率
出现急剧下降时对应了青萍磷含量的降低。根据
Edwards等［9］对青萍磷含量和总磷浓度的关系研究
结果来看，总磷过量浓度临界值在 0． 6 ～ 0． 8 mg /L
之间。根据 Krner 等［18，26］对青萍磷吸收速率和总
磷浓度关系的研究结果来看，能推断出总磷过量浓
度临界值小于 1 mg /L。而本实验得到的总磷过量
浓度临界值在 0． 6 ～ 0． 7 mg /L之间。
3 结 论
M-M方程可以较好地描述青萍对硝态氮的吸
收速率与硝态氮浓度之间的关系，通过 M-M方程回
归后，得到青萍最大吸收速率为 Vmax = 0． 1167 mg /
(g FW·h)。
当磷酸盐浓度小于 0． 6 mg /L时，青萍对磷酸盐
的吸收速率随浓度增长而增大;当磷酸盐浓度大于
0． 6 mg /L后，青萍对磷酸盐的吸收速率随磷酸盐浓
度增长而减小。通过二次多项式回归得到青萍对磷
酸盐的最大吸收速率为 0． 0193 mg /(g FW·h)。这
是因为青萍在高浓度磷环境下不需要存储多余的
磷，导致青萍对磷的吸收速率出现下降。
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