全 文 ：第 5卷　第 5期 环境 工 程学 报 Vol.5 , No.5
2 0 1 1 年 5 月 ChineseJournalofEnvironmentalEngineering May2 0 1 1
蕹菜对富营养化水体的氮磷去除
及吸收动力学研究
张亚娟 1　刘存歧1　李洪波2　吴亦红 2　王亚斌 3
(1.河北大学生命科学学院 ,保定 071002;2.河北省环境科学研究院 , 石家庄 050051;3.保定市环境监测站 ,保定 071002)
摘　要　以蕹菜(Ipomoeaaquatica)为材料 ,采用改进的常规耗竭法 ,对氨氮 、硝酸盐氮和无机磷的吸收动力学特性进
行了研究。通过室内静态实验测定了蕹菜对富营养化水体的氮磷去除效率。用 Michaelis-Menten方程来描述蕹菜对氨氮 、
硝酸盐氮和无机磷的吸收速率与溶液浓度的相互关系。结果表明:蕹菜对氨氮 、硝酸盐氮和无机磷的最大吸收常数 Vmax为
23.59、2.88和 1.52 μmol/(gFW· h),亲和力常数 Km为 1.90、10.94和 0.97 μmol/L, 可见蕹菜对氨氮的吸收速率和亲和力
均高于硝酸盐氮 , 对无机磷的吸收速率较小;蕹菜对富营养化水体总氮 、氨氮 、总磷和有机磷的去除率分别为 38.13%、
44.85%、63.77%和 53.95%;蕹菜对受试水体表现了良好的适应性和净化能力。
关键词　蕹菜　氨氮　硝酸盐氮　磷　吸收动力学
中图分类号　X524　　文献标识码　A　　文章编号　1673-9108(2011)05-1057-05
Nitrogenandphosphorusremovalperformanceandkinetics
absorptionbyIpomoeaaquatica
ZhangYajuan1　LiuCunqi1　LiHongbo2　WuYihong2　WangYabin3
(1.CollegeofLifeSciences, HebeiUniversity071002, China;
2HebeiProvincialAcademyofEnvironmentalSciences, Shijiazhuang050051, China;
3EnvironmentMonitoringInstitueofBaoding, Baoding, Hebei071002, China)
Abstract　Theabsorptionkineticsofammonium, nitrateandphosphorusbyIpomoeaaquaticawerestudied,
afterthatammonium, nitrateandinorganicphosphorusremovalfromeutrophicwaterwasexaminedunderindoor
staticsimulationexperimentalcondition.Therelationshipbetweentheuptakerateandtheconcentrationwasde-
pictedusingtheMichaelis-Mentenequation.Thepurposesofthisstudyweretoprovideascientificfoundationfor
theremovalmechanismofammonium, nitrateandinorganicphosphorusfromwater.Theresultsshowedthatthe
maximumvelocities(Vmax)ofabsorptiononammonium, nitrateandinorganicphosphoruswere23.59, 2.88and
1.52μmol/(gFW·h), theMichaelisconstant(Km)were1.90, 10.94and0.97μmol/L.Theresultsofstatic
stateremovalsofTN, NH+4 -N, TP, DOPbyI.aquaticawere38.13%, 44.85%, 63.77% and53.95%, re-
spectively.ItisprovedthatI.aquaticacouldbeusedtopurifytheeutrophicatedwaterbody.
Keywords　Ipomoeaaquatica;ammonium;nitrate;nitrite;phosphorus;kinetics
基金项目:保定市科技局指导计划项目(09ZF086);国家 “水体污染
控制与治理 ”科技重大专项(2008ZX07209-007-06)
收稿日期:2010-12-29;修订日期:2011-01-28
作者简介:张亚娟(1978～ ),女 ,硕士 ,讲师 ,主要从事湿地生态学方
面的研究工作。 E-mail:zyj0212@sina.com
　　水体中氮磷浓度升高导致的富营养化已成为全
球性的环境问题 ,降低水体和底泥中的氮 、磷含量成
为水体修复的关键问题。国内外关于富营养化水体
的治理主要采用物理 、化学及生物修复技术 [ 1-2] ,其
中利用水生植物富集氮 、磷是治理 、调节和抑制水体
富营养化的有效途径 。水生植物不仅可以直接吸收
利用水中的营养物质和重金属等有害物质 ,还可通
过其根际微生物的分解作用净化水体 。凤眼莲 、水
花生和大薸等植物虽对水体有很好的净化效果 ,但
利用途径较少 ,还会带来二次污染。因此 ,选取一些
人类可以直接利用的 、能高效净化水质的经济作物
已成为水体污染植物修复中亟待解决的问题。蕹菜
又称空心菜 ,为一年生活多年生草本植物 ,有很强的
耐高温和耐污性能 ,同时也有很高的经济价值 。它
可以一次栽种多次采收 ,这对净化污水 、将营养盐不
断的从污水中输出而不致造成水体二次污染卓有成
环 境 工 程 学 报 第 5卷
效 。操家顺等[ 3]利用人工浮床技术 ,在苏州苗家河
重污染河道中种植水蕹菜 ,可以有效净化污染水体
和抑制藻类暴发 。
吸收动力学是将 Miehaelis-Menten方程应用到
植物对介质中离子吸收动态过程的一种理论 ,在阐
述植物尤其是栽培植物营养物质吸收特性方面的应
用已十分普遍[ 4-6] 。有关水生植物在环境污染修复
中的相关动力学研究鲜有报道 。本文以酶促反应动
力学理论为基础 ,开展蕹菜对不同形态氮的吸收动
力学研究 ,对进一步明确蕹菜对废水中氮的净化作
用的机理和确定污染修复工程中铵态氮与硝态氮的
负荷均具有理论和实际意义。
1　实验部分
1.1　实验材料
实验用蕹菜采自农田 。选择生长健壮大小一致
的蕹菜移于清水中培养 5d,以恢复受损根系。之后
先用自来水 、后用蒸馏水洗净于 Hogland营养液中
培养 3周。每 4d更换营养液 ,调节营养液的 pH为
7.0,并且在培养期间向营养液中加入微生物抑制剂
C16H18NaN3O4S(MERCK)100 mg/L以排除微生物
的影响 。
1.2　实验方法
1.2.1　蕹菜对氨氮 、硝酸盐氮和无机磷的吸收动力
学实验
实验前将生长健壮大小一致的蕹菜用超纯水冲
洗干净 ,转入用超纯水配置的 0.1 mmol/L的硫酸钙
溶液中 ,在其中饥饿培养 2 d,以排除自由空间中残
留的 NH+4 -N、NO-3 -N对实验的影响 。实验期间室
温为 20 ～ 25℃,水温 18 ～ 21℃。
蕹菜对氨氮和硝酸盐氮的吸收动力学实验采用
改进常规耗竭法 [ 7] , 用硫酸钙作为支持溶液
(0.10 mmol/L),用超纯水和分析纯 NH4Cl、KNO3
配置 NH+4 -N和 NO-3 -N的吸收溶液 ,分 8个处理 ,每
个处理中放置蕹菜 10株 ,浓度分别为(0、0.1、0.25、
0.5、0.75、1、1.5和 2 mmol/L)。吸干蕹菜根表面的
水分后直接放于含不同浓度氨氮溶液 300mL的烧
杯(用黑色纸包裹)中 ,加入 C16H18 NaN3O4S(MER-
CK)100 mg/L抑制微生物的生长 , 调节 pH值为
6.0。每个处理重复 3次 。最后把各处理转移到培
养箱中进行实验 ,培养箱温度设为 25℃,光照强度
为 4 000lx。 4h后 ,将蕹菜取出 ,吸干根部表面的水
分后称量蕹菜鲜重并记录 。根据吸收前后氨氮浓度
的变化量 ,计算单位质量在单位时间内的氨氮净吸
收速率 。采用 Michaelis-Menten动力学方程求出吸
收动力学参数 Vmax(最大吸收速率)和 Km(表观米氏
常数)。
蕹菜对无机磷的吸收动力学实验同样采用改进
常规耗竭法 ,无机磷吸收溶液的浓度同为 0、0.1、
0.25、0.5、0.75、1、1.5和 2 mmol/L,实验设计同上。
1.2.2　富营养水中氮磷的去除
所用的实验用水直接取自河北省白洋淀 ,实验
在 20 cm×30 cm的水族箱中进行。每个实验箱中
放置 18L水。实验时间 2010年 10月 28日至 11月
15日 ,共 18 d。设置对照组和实验组 ,每组 2个重
复 ,实验组放置预培养好的大小均匀的蕹菜 7株
(每升水生物量 3.66±0.36 g)。温度为 18±2℃,
在自然光照下进行。每 2 d采水样测定水中总氮 、
总磷 、氨氮和有机磷的含量 。为了使实验与自然状
态更符合 ,本实验不添加水量 ,通过称水质量来换算
所观测指标的总量 ,参照文献 [ 8]来计算去除率:去
除率(%)=(C0· V0 -Ci·Vi)÷(C0· V0)×100%
式中 C0为初始水样的浓度 , V0为初始时的体
积 , Ci为第 i天的水样浓度 , Vi为第 i天的水体积 。
实验用水水质指标为:TN1.74 mg/L, NH+4 -N1.61
mg/L, TP0.21 mg/L, DOP0.15 mg/L和 CODMn 34
mg/L,水质指标参照 GB3838-200,属于Ⅴ类水。
1.2.3　氨氮 、硝酸盐氮和磷的测定方法
水样中氨氮浓度测定采用纳氏试剂显色分光光
度法测定[ 9] ,硝酸盐浓度测定采用紫外分光光度法
测定[ 10] ,磷浓度测定采用钼锑抗比色法测定 [ 10] 。
1.2.4　数据统计及分析
结果处理采用 SPSS和 SigmaPlot9.0软件。
2　实验结果与分析
2.1　蕹菜对氨氮 、硝态氮和无机磷的吸收动力学
特征
蕹菜对氨氮吸收速率与溶液浓度相互关系曲
线 ,采用 Michaelis-Menten方程描述(图 1)。蕹菜对
氨氮的吸收速率随溶液浓度的增加而增大 ,氨氮浓
度为 0 ～ 1mmol/L范围内 ,吸收速率随着浓度的升
高而显著增加 ,超过这一浓度范围 ,吸收速率增加缓
慢 ,并逐渐的趋于饱和 。
图 2是蕹菜硝酸盐氮吸收速率随溶液浓度的变
化曲线 , 其拟合 Michaelis-Menten酶动力学模型 。
蕹菜对硝酸盐氮的吸收速率随溶液浓度的增加而增
1058
第 5期 张亚娟等:蕹菜对富营养化水体的氮磷去除及吸收动力学研究
大 ,氨氮浓度大于 1.5 mmol/L,吸收速率增加缓慢 ,
并逐渐的趋于饱和。
图 3　蕹菜吸收无机磷的动力学曲线
Fig.3　Kineticscurveofinorganicphosphorus
uptakebyI.aquatica
图 3是蕹菜无机磷的吸收速率随溶液浓度的变
化曲线 ,其拟合 Michaelis-Menten酶动力学模型 。蕹
菜对无机磷的吸收速率随溶液浓度的增加而增大 ,
无机磷的浓度为 0 ～ 1 mmol/L范围内 ,吸收速率随
着浓度的升高而显著增加 ,超过这一浓度范围 ,吸收
速率增加缓慢 ,并逐渐的趋于饱和。蕹菜对氨氮 、硝
酸盐氮和无机磷的吸收动力学参数见表 1。
表 1　蕹菜吸收氨氮 、硝酸盐氮和无机磷
的动力学参数
Table1　Kineticparametersofammonium, nitrateand
inorganicphosphorusabsorptionbyI.aquatica
营养盐
类型 动力学方程
Vmax
(μmol/
(gFW· h))
Km
(μmol/L)
NH+4 -N V=23.59C/(1.90+C) 23.59 1.90
NO-3 -N V=2.88C/(10.94+C) 2.88 10.94
DIP V=1.52C/(0.97+C) 1.52 0.97
2.2　蕹菜对富营养水中氮磷的去除
2.2.1　植物的生长状况
蕹菜在供试白洋淀水中生长良好 ,能很好的适
应污水环境 ,成活率 100%。实验开始 2周内植株
生长迅速 ,枝叶挺拔 ,叶片翠绿;2周后 ,叶片开始出
萎蔫 ,枯黄;到实验结束时每株植物上都开始有枯黄
的叶子 。实验期间植物的生长状况见表 2。
表 2　实验期间植物生长状况
Table2　GrowthofI.aquaticain
experimentalwater
生长期 株高(cm) 根长(cm) 生物量(g)
实验初始 41.60±4.04 9.60±2.22 65.83±6.66
实验结束 73.80±9.26 10.90±1.02 79.88±8.93
增长 32.20±6.06 2.10±0.82 14.05±4.28
2.2.2　蕹菜对水中氮磷的去除
图 4显示蕹菜对供试白洋淀水体中的 TN、
NH+4 -N、TP和 DOP的去除率。可见 ,蕹菜对水中的
N、P均有一定的去除效果 ,对水中的 TN去除率可
达到38.13%,对总磷的去除率可达到 63.77%,去
除率实验组均高于对照组 。表明蕹菜对水中的 N、P
有明显的去除。
图 4　蕹菜对水体总磷 、有机磷 、总氮和氨氮的去除效果
Fig4　RemovalefectofTP, DOP, TNandNH+4 -N
byI.aquatica
1059
环 境 工 程 学 报 第 5卷
3　讨　论
3.1　蕹菜对氨氮 、硝态氮和无机磷的吸收动力学
特征
吸收动力学是将 Miehaelis-Menten学说及其方
程应用到解释植物对介质中离子吸收动态过程的一
种理论 。植物根系吸收营养离子的动力学特性主要
是通过吸收动力学参数(Km和 Vmax)来描述 , Km表
示载体对离子的亲和力 , Km越小 ,载体对离子的亲
和力越高 , Vmax表示的最大吸收速率 ,与载体数目及
其在运转过程中的效率有关[ 8] 。它是研究植物元
素吸收的重要方法 ,为描述养分吸收特性 、阐明吸收
速率的机理 、鉴定和筛选吸收高效的植物品种提供
了有利的手段[ 11] 。
蕹菜可去除污染水体中的氮 ,有效净化污染水
体和抑制藻类暴发 ,而且应用于生产 ,可以取得良好
的经济 、社会和环境效益的目的 [ 12] ,其对氨氮和硝
酸盐氮的吸收动力学尚未见报道。蕹菜对氨氮和硝
酸盐氮的吸收速率和亲和力存在很大差异 ,其对氨
氮和硝酸盐氮的最大吸收速率分别为 23.59和
2.88μmol/(gFW· h),米氏常数分别为 1.889和
10.941 μmol/L,表明蕹菜对氨氮的最大吸收速率和
亲和力均大于硝酸盐氮 ,说明在水体中氮的浓度较
低时 ,蕹菜优先吸收氨氮 。目前有关水生蔬菜吸收
动力学的报道较少 ,胡绵好等 [ 13] 研究了水芹 (Oe-
nanthejavanica)和豆瓣菜(Nasturtiumoficinalc)对氨
氮和硝酸盐氮的吸收动力学 ,水芹的 Vmax和 Km分别
为 31.35、 16.45 μmol/(h· kgFW)和 0.0069、
0.0025 mmol/L,豆瓣菜的 Vmax和 Km分别为 13.60、
10.21 μmol/(h· kgFW)和 0.028、0.085 mmol/L。
在动力学研究中 ,底物浓度较高时 ,对物质的吸收决
定于最大吸收速率 ,而底物浓度较低时 ,先吸收何种
物质 ,将取决于底物与植物的亲和力 , Km值越高亲
和力越小。由此可见不同的水生蔬菜对氨氮和硝酸
盐氮的吸收能力存在显著差异 ,在较高浓度下水芹
菜对氨氮和硝酸盐氮的吸收能力要略高于蕹菜 ,但
氨氮浓度较低时 ,蕹菜的亲和力要高于水芹和豆瓣
菜 。此外 ,常会庆等 [ 14]研究了 3种水生植物黄花水
龙(JusiaeastipulaceaOhwi)、伊乐藻(Elodeanutal-
li)、凤眼莲(Eichhorniacrassipes)对于铵氮和硝态氮
吸收动力学特征 ,结果表明漂浮植物黄花水龙和凤
眼莲具有较大的吸收速率 Vmax,更适合作为先锋植
物对污染严重的富营养化水体进行前期的修复治
理 ,而伊乐藻在低浓度下对氨氮和硝酸盐氮具有更
强的亲和能力 ,适合对轻度污染的水进行治理 。沈
根祥等 [ 15]应用浮萍也做了相关研究 ,表明浮萍在氮
浓度较低时优先吸收氨氮 ,与本研究结果类似 。
蕹菜对无机磷的吸收动力学常数 Vmax为 1.52
μmol/(gFW· h), 远小于其对氨氮的最大吸收速
率 ,蕹菜对无机磷的 Km为 0.97 mg/L,说明其在低
浓度下对无机磷的亲和力较高 。蕹菜对磷的吸收动
力学与其它植物也存在差异 ,刘强等 [ 16]研究了空心
莲子草 (AlternantheraphiloxeroidesGriseb)、凤眼莲
(EichhorniacrasioesSolms)、碎米莎草 (Cyperusiria
L)和空心菜(Ipomoeaaquatica)4种水生植物根系磷
吸收动力学特性 ,其 Vmax分别为 75.30 μg/(gFW·
h)、68.80μg/(gFW·h)、38.70μg/(gFW· h)、和
36.40 μg/(gFW· h), Km分别为 1.06 mg/L、0.95
mg/L、0.25 mg/L和 1.67mg/L。结果表明 ,不同植
物对磷的吸收也存在种属差异性 ,其中空心菜与蕹
菜为同种植物 , Vmax结果差异是由于使用单位不同 ,
本试验经转换后 Vmax为 47.12 μg/(gFW· h),高于
刘强的研究结果 ,可能是由于实验用蕹菜处于不同
的生长时期 。
3.2　蕹菜对水中氮磷的影响
蕹菜在供试白洋淀水中保持较强的生命力 ,生
长良好 ,新生叶叶色鲜绿较大 ,株高和生物量增加明
显 。实验结束后 ,蕹菜的株高 、根长和生物量分别增
加了 77.40%、21.86%和 21.36%。在实验初期植
物增长较快 ,但在后期部分叶片出现枯黄 、萎蔫 ,可
能是由于水中营养供应不足而减缓了植物的生长。
实验结果表明 ,蕹菜对水中的 N、P具有良好的
去除效率。其对 TN、NH+4 -N、TP和 DOP的去除率
分别可达到 38.13%、44.85%、63.77%和 53.95%。
但对照组的 N、P含量也相应降低 ,可能是由于实验
用水直接取自白洋淀 ,水中浮游生物的存在影响了
实验结果。氮磷是植物生长所需的营养物质 ,蕹菜
通过自身生长吸收水中的 N、P物质 ,其发达的根系
及其根系微生物分泌大量的酶 ,也会加速水体中大
分子污染物的降解过程 ,使水质得到净化[ 17] 。李欲
如等[ 18]研究水蕹菜对苏州重污染水体中的 TN、
NH+4 -N和 TP的去除率分别为 92.9%、 93.9%和
94.3%,明显高于本实验结果 ,可能是由于其实验温
度为30℃,是水蕹菜的最适生长条件 ,另一方面与
实验用水的初始 N、P浓度相关。
1060
第 5期 张亚娟等:蕹菜对富营养化水体的氮磷去除及吸收动力学研究
4　结　论
(1)蕹菜对 NH+4 -N吸收的最大速率(Vmax)明显
大于对 NO-3 -N和 P吸收的 Vmax值 ,而对 P的亲和力
明显大于 NO-3 -N,略大于 NH+4 -N。
(2)在供试的白洋淀水体中 ,蕹菜成活率可达
100%,生长能力很强。对 TN、NH+4 -N、TP均有明显
的去除效果 。
由此可见 ,开展多种水生植物对不同形态氮磷
吸收动力学研究 ,对进一步明确它们对水体中氮磷
的去除机理 ,并针对不同营养特征的富营养化水体
在进行生态修复工程中水生植物的选取等方面均具
有理论和实践意义 。蕹菜在富营养水体中生长旺
盛 ,生命力强 ,对水中 N和 P有明显的去除效率 ,因
此可作为白洋淀净化处理的优良生物材料之一 。
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