全 文 ：环境及营养条件对稀脉浮萍和紫背浮萍氮磷含量的
影响
种云霄1 , 2 , 胡洪营1 , 钱易1
(1.清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点实验室 , 北京　100084;2.华南农业大学资源环境学院 ,广州
510642)
摘要:以稀脉浮萍和紫背浮萍为对象 , 对在不同光照 、温度和培养液氮磷浓度等条件下生长的生物量氮和磷含量的系统分析 ,
研究了环境营养条件对氮和磷含量的影响.结果表明紫背浮萍和稀脉浮萍氮含量主要受培养液中氮浓度和温度的影响 ,低氮
浓度和低温均可导致氮含量降低 ,氮浓度超过 3 mg·L-1 ,温度高于 25℃时氮含量基本保持稳定;光照强度变化对这 2 种浮萍
的氮含量基本没有影响.紫背浮萍和稀脉浮萍磷含量会受培养液中磷浓度 、温度和光照的影响.低温和低光照可导致磷含量
降低 ,温度超过 25℃, 光照高于 8 000lx 时 2 种浮萍磷含量则基本保持稳定;这 2 种浮萍的磷含量均随培养液中磷浓度增加而
增加直至达到饱和 ,它们之间的关系可以用 Monod 方程来描述 ,其中紫背浮萍饱和磷含量高于稀脉浮萍.
关键词:浮萍;氮磷;氮磷转化;污水
中图分类号:X710.1　文献标识码:A　文章编号:0250-3301(2005)05-0067-05
收稿日期:2004-12-16;修订日期:2005-03-20
基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(G1999945711)
作者简介:种云霄(1974～ ),女 ,博士 ,主要研究方向为水污染治理生
态技术.
Effect of Environment and Nutrient Factors on the Content of Nitrogen and
Phosphorus in Two Duckweeds Species:Spirodela polyrrhiza and Lemna
aequinoctialis
CHONG Yun-xiao1 ,2 , HU Hong-ying 1 , QIAN Yi1
(1.Environmental Simulation and Po llution Control State Key Joint Laboratory , Department o f Environmental Science and
Engineering , Tsinghua University , Beijing 10084 , China;2.Depar tment of Environmental Science and Engineering , South China
Agricultural University , Guangzhou 510642 , China)
Abstract:Effects of temperature , lig ht density , nitrogen level and phosphorus level of medium to the content o f two species Spirodela
poly rrhiza and Lemna aequinoctialis were researched.The results showed that the content of nitrogen in two species kept constant
w hen the concentration of nitrogen was higher than 3 mg· L-1 and temperature higher than 25℃.It decreased under low er
concentrations of nitrogen and lower temperature.Photon flux density had no effect on it.But w eak photon flux density and low
temperature led to reduce the content of phosphorus of duckweed.The content of phosphorus in two duckw eed species kept constant
w hen photon flux density w as higher than 8 000 lx and temperature higher than 25℃.The relationship between the content of
phosphorus and concentrations of phospho rus in medium could be described by Monod model.The saturated phospho rus content of
S pirodela polyrrhiza was higher than Lemna aequinoctialis.
Key words:duckw eed;nitrogen and phospho rus;nutrient discovery;w astewater
　　大量氮磷等营养物质的排入 ,可导致水体发生
严重的富营养化.而大型水生植物的生长可以吸收
转化水中的氮磷等营养物质.近年来 ,为了能够高效
低耗地控制水体的富营养化 ,研究开发以大型水生
植物为主的生态工程技术脱除与转化水中的氮磷正
在成为水处理领域的热点[ 1～ 4] .浮萍科植物是一个
漂浮生长在水流相对平缓的湖泊 、河湾水面上的高
等水生植物类群 ,它们的叶状体和根都可从水中直
接吸收氮磷等营养物质[ 5] .已有研究表明浮萍科植
物具有较高的氮磷含量和较快的生长速度 ,并且其
个体较小 ,易管理和打捞[ 6 , 7] ,因此 ,在转化氮磷的
生态工程中 , 它们已成为具有重要应用潜力的类
群[ 8～ 10] .
浮萍种类的氮磷含量是对水中氮磷转化能力的
重要指标 ,而植物体的氮磷含量往往易受环境及营
养条件的影响[ 11] .对浮萍科植物的研究也表明在不
同的环境条件下 ,其氮磷含量亦有明显不同[ 5] .本
文以在我国常见的稀脉浮萍和紫背浮萍为研究对
象 ,系统的分析了主要的环境及营养条件对氮磷含
量的影响 ,以期在生态工程中的实际应用提供科学
的依据.
第 26卷第 5期
2005 年 9 月 环　　境　　科　　学ENVIRONMENTA L SCIENCE
Vol.26 , No.5
Sep., 2005
DOI :10.13227/j.hjkx.2005.05.013
1　材料与方法
1.1　萍种及培养条件
(1)稀脉浮萍(Lemna aequinoctialis)和紫背浮
萍(Spirodela polyrrhiza)　采自云南滇池附近湿
地 ,带回实验室后用经过曝气生物滤池处理的生活
污水(pH:7 ～ 8 ,COD:10 ～ 50 mg·L-1 , NH3-N:5 ～
10 mg·L-1 , NO3-N:20 ～ 30 mg·L-1 , TP:3 ～ 5
mg·L-1)驯化培养 ,生物量大量扩增后用作试验材
料.驯化培养条件:温度 26℃～ 30℃, 光照 2 000 ～
3 000 lx ,光暗时间比为 16h/8h.
(2)培养液　以人工培养液(组成见表 1)为基
础 ,其中 pH 、氮 、磷水平按具体实验设计进行调整.
表 1　人工培养液组成[ 12]
Table 1　The composit ion of art ificial culture
化学试剂 浓度/mg·L -1
NH4NO3 20
CaCO 3
1) 15
MgSO 4·7H2O 50
K 2HPO 4 40
FeSO 4·7H2O 50
Na2-EDTA 1
H3BO3 1.42
MnSO 4·7H2O 1.54
ZnSO4·7H2O 6.59
Na2MoO 4·2H2O 2.52
CuSO 4·5H2O 0.39
CoSO 4·7H2O 0.09
1)CaCO 3 用浓盐酸溶解;培养液 pH 用 KOH 调节
　　(3)培养装置　光照培养箱 ,哈尔滨东联生产 ,
容积:280L ,光照强度可调整范围 0 ～ 15 000lx ,温度
可调整范围:5℃～ 50℃.培养实验光暗时间比均设
定为 16h∶8h.浮萍培养容器为 250mL 的塑料烧杯
(底部面积约 0.035m2), 每个烧杯放入培养液
200mL ,培养开始时每个处理样均放入生长状态相
同的叶片 ,紫背浮萍湿重 0.5g ,稀脉浮萍湿重 1g.
1.2　不同影响因素下的培养实验
1.2.1　紫背浮萍和稀脉浮萍在不同氮浓度下的
培养
实验以人工培养液为基础 ,氮的浓度分别调整
为1 、3 、5 、7 、10mg·L-1;分为 2个系列:氨氮和硝酸
盐氮 ,由 NaNO3 或 NH4Cl配置.设定光照强度为:
8 000 ～ 8 500lx ,温度为 25℃,利用 6mol·L-1 KOH
或HCl将培养液调整至 2种浮萍各自最适生长的
pH范围 ,稀脉浮萍为 5.5 ～ 6.5 ,紫背浮萍为 6.5 ～
7.5[ 13 , 14] .2种浮萍在每个 N 浓度下生长 6d 适应
后 ,开始每 3d换一次培养液并弃去死亡后沉入水底
的叶片.为使 2种浮萍完全适应培养条件 ,培养持续
30d.然后将浮萍叶片捞出沥干水分 ,放入 80℃烘箱
中烘干 24h.
1.2.2　紫背浮萍和稀脉浮萍在不同磷浓度下的
培养
实验仍以完全培养液为基础 ,磷的浓度分别调
整为 0.1 、0.3 、0.5 、1 、3 、5 mg·L-1由 NaH2PO4 配
置;氮设定为硝酸盐氮 ,浓度为 10 mg·L-1;光照强
度设定 8 000 ～ 8 500lx ,温度为 25℃.其他实验过程
与 1.2.1相同.
1.2.3　紫背浮萍和稀脉浮萍在不同光照强度下的
培养
光照强度共设定 5个范围 500 ～ 1 000lx , 2 000
～ 2 500lx ,4 500 ～ 5 000lx ,8 000 ～ 8 500lx ,10 000 ～
15 000lx ,温度设定为 25℃.实验仍以人工培养液为
基础 ,其中氮调整为 10 mg·L-1硝酸盐氮.其它实验
过程与 1.2.1相同.
1.2.4　紫背浮萍在不同温度下的培养
在我国的浮萍种类中 ,紫背浮萍是对温度的耐
受范围最宽的 1 种 ,在南北各地均有生长[ 15] .本研
究中 ,选取紫背浮萍作为温度影响的研究对象.实验
温度条件共设定 7 个点:10℃、15℃、20℃、25℃、
30℃、33℃(气温 35℃), 35℃(气温 40℃),以培养液
中的水温为准.光照强度设定为 8 000 ～ 8 500lx ;实
验仍以人工培养液为基础 , 其中氮调整为 10
mg·L-1硝酸盐氮.其它实验过程与 1.2.1相同.
1.3　氮磷含量的分析测定方法
1.3.1　氮含量测定
(1)样品处理　不同培养条件下的烘干叶片被
取出放入研钵中研磨成粉末状 ,每个条件下均称取
1 ～ 3mg 样品 3份 ,利用元素分析仪测定氮含量.
(2)实验所用主要仪器及试剂　美国 EAI公司
的 Ce-440型元素分析仪及配套的分析天平.标准有
机样品:乙酰苯胺.
(3)测定程序　分别称取标准样和浮萍待测样 ,
样品量 1 ～ 3mg ,置于燃烧管中 ,放入元素分析仪样
品槽.设定燃烧炉温度 975℃, 氦气流速 180
mL/min ,氧气流速 15mL/min ,由仪器利用示差热
导法自动完成样品中氮含量测定.
1.3.2　磷含量测定
(1)样品处理　不同培养条件下的烘干叶片被
放入研钵中研磨成粉末状 ,每个条件称取 0.2g 样品
68 环　　境　　科　　学 26 卷
3份 ,放入 300mL 磨口三角烧瓶中 ,加入 5mL 浓硫
酸(98%,分析纯), 上面覆盖直径 10cm 的玻璃漏
斗 ,利用 1 000W 电炉在通风橱中加热消解 ,直至消
解液成透明无色 ,冷却后用高纯水稀释并定容到
50mL的容量瓶中.然后取少量样品(1 ～ 5mL)利用
等离子发射光谱(ICP)测定其中的磷浓度.
(2)实验所用主要仪器　美国 Leeman LABS 公
司的 Prodigy 型电感耦合等离子体光谱仪.
(3)采用标准曲线法由仪器自动完成待测消解
液中磷浓度的测定.
1.3.3　数据处理
每个条件下的 3个重复样品测得氮磷浓度数据
取平均值 ,并将其换算成干重的百分比.
2　结果与讨论
2.1　培养液氮浓度对浮萍氮含量的影响
当培养液氮浓度在 1 ～ 3 mg·L-1范围内时 , 2
种浮萍氮含量随氮浓度增加而增加 ,而当氮浓度高
于 3 mg·L-1 ,氮含量基本维持在一定水平不变.紫
背浮萍在 1mg·L-1氮浓度中 ,氮含量约为干重的
5.2%,当氮浓度超过 3 mg·L-1 ,则氮含量维持干重
的在 5.7%～ 6%之间.稀脉浮萍在氮 1 mg·L-1时
氮含量最低为干重的 5%左右 , 当氮浓度超过 3
mg·L-1时 ,氮含量在干重的 5.5%左右;相同氮浓
度下 ,在氨氮中生长 2种浮萍的氮含量略高于硝酸
盐氮中的.2种浮萍相比较 ,紫背浮萍氮含量略高于
稀脉浮萍(图 1).
图 1　紫背浮萍和稀脉浮萍氮含量随培养液氮浓度的变化
Fig.1　Content of nit rogen in Spirodela polyr rhiza and
Lemna aequinoct iali s cultivated in media w ith
di fferent concentrat ions of nitrogen
水中氮浓度达到 3 mg·L-1时 ,稀脉浮萍和紫背
浮萍植物体氮含量即达到最大 ,为干重的 5.5%左
右.有研究报道[ 5] ,水中氮浓度为 4 mg·L-1左右可
使生长的小浮萍和另 1种浮萍种类 Lemna gibba 的
氮含量达到最大 ,范围在干重的 5%～ 6%,这与本
研究中 2种浮萍的结果基本一致.在许多富营养的
实际污水中 ,氮浓度均超过 5 mg·L-1 ,由此看来 ,这
2种浮萍在这些实际污水中生长时 ,其氮含量将比
较稳定 ,约在干重的 5.5%左右.
2.2　培养液磷浓度对浮萍磷含量的影响
2.2.1　浮萍磷含量随磷浓度的变化特点
图 2是稀脉浮萍和紫背浮萍磷含量随磷浓度的
变化.从图 2 看出 , 在磷浓度 0.1 mg ·L-1 ～ 5
mg·L-1范围内 , 2种浮萍磷含量随磷浓度增加而增
加直至饱和.其中稀脉浮萍在磷浓度达到 5 mg·L-1
时磷含量趋于饱和 , 此时约为干重的 0.6% ～
0.8%.紫背浮萍则是在磷浓度 5 mg·L-1磷含量仍
有进一步增加的趋势.由图也可以看出 ,在磷浓度低
于 3 mg·L-1时 ,稀脉浮萍磷含量高于紫背浮萍的含
量 ,磷浓度高于 3 mg·L-1时 ,则相反 ,紫背浮萍高于
稀脉浮萍的.
图 2　稀脉浮萍和紫背浮萍磷含量随磷浓度的变化
Fig.2　Con tent of phosphorus in Lemna aequinoct iali s
and Sp irodela polyrrh iza cultivated in media w ith dif ferent
concent ration of phosphorus
　　通常情况下 ,在植物体内 ,90%的磷储存于细胞
的液泡中 ,根据生长代谢的需要 ,液泡中的磷再进入
细胞质中.细胞质中的磷 ,主要是满足细胞的生长分
裂及各种生理功能的发挥 ,其含量基本稳定.而液泡
中的磷含量受环境中磷含量的影响比较大 ,会随外
界磷浓度增高 ,逐渐的积累和储存[ 17 , 18] ,直至达到
饱和.从本研究结果来看 ,稀脉浮萍的饱和磷含量较
低 ,在低的磷浓度下就可很快的达到饱和 ,而紫背浮
萍饱和磷含量则比较高 ,需要高的磷浓度下才可达
到饱和 ,这表明不同的浮萍种类积累磷的能力也有
695 期 环　　境　　科　　学
所不同 ,在应用中可根据实际情况选用适用的种类.
2.2.2　浮萍磷含量与水中磷浓度的关系
浮萍体内磷的量随水中磷浓度呈现了明显得上
升饱和特点 ,本研究尝试以 Monod 方程经验式(1)
来反映它们之间的关系.
aP = aPmax cPkWP +cP (1)
aP :浮萍磷含量 , aPmax :浮萍磷的饱和含量 , cP:水中
磷浓度 , kWP :浮萍磷含量的半饱和常数.
利用上述模型对本研究中不同磷浓度中紫背浮
萍和稀脉浮萍磷含量的数据进行回归拟合 ,表 2 是
拟合的结果.由表可以看出 , 2种浮萍模型拟合相关
系数均达到了 0.97以上 , F 检验的值也非常高 ,表
明此模型比较适用于描述浮萍植物体积累磷的量与
水中磷浓度的关系 ,因此在实际应用中根据水中磷
浓度 ,可尝试利用此模型计算浮萍的磷含量.
表 2　稀脉浮萍和紫背浮萍磷含量与磷浓度关系的模型
Table 2　The relationship model betw een the content of phosphorus in
Lemna aequinoctialis and Spirodela polyrrhiza and phosphorus level
品种 a Pmax/ % k WP R F 检验 n
稀脉浮萍 0.82 0.55 0.97 223 6
紫背浮萍 2.31 6.75 0.98 513 6
2.3　光照强度对氮磷含量的影响
图 3是紫背浮萍和稀脉浮萍氮含量随光照强度
的变化.由图 3可以看出 ,2种浮萍氮含量随光照强
度变化基本不变 ,保持 5.5%左右 ,由图 1的实验结
果可知 , 5.5%已接近 2 种浮萍的饱和氮含量 ,这表
明氮的供应充分情况下 ,光照强度降低或升高不会
影响浮萍组织氮含量.
图 3　稀脉浮萍和紫背浮萍氮含量随光照强度的变化
Fig.3　Content of nit rogen in Lemna aequ inoct ial is and Spirodela
polyrrhiza cul tivated in media w ith various photon f lux densit ies
　　图 4是稀脉浮萍和紫背浮萍磷含量随光照强度
的变化.从图 4看出 ,2种浮萍的磷含量随光照强度
增加而增加.其中在光照强度 8 000lx 时 ,稀脉浮萍
磷含量即达到最大 ,紫背浮萍仍有进一步增加的趋
势.相同光照强度下 ,紫背浮萍的磷含量高于稀脉
浮萍.
图 4　稀脉浮萍和紫背浮萍磷含量随光照强度的变化
Fig.4　Con tent of phosphorus in Lemna aequinoct iali s
and Sp irodela polyrrh iza cultivated in media w ith dif ferent
photon flux densi ties
在本部分的研究中 ,培养液中的磷浓度为 7
mg·L-1 ,但在低的光照强度下 , 2种浮萍的磷含量
仍比较低 ,与图 2中较低的磷浓度下含量接近.这表
明尽管培养液中磷供应充足 ,若光照强度降低仍会
导致浮萍体内积累磷的量减少.这可能与磷参与植
物光合作用的能量传递和物质转移有关[ 16] ,当光照
强度降低使光合作用减弱 ,可能也降低了其中磷的
代谢强度 ,相应地使植物组织所需磷减少.
2.4　温度对氮磷含量的影响
图 5 是紫背浮萍氮磷含量随温度的变化.从图
可以看出 ,在温度低于 25℃时 ,紫背浮萍氮磷含量
明显降低.其中在 15℃时氮含量只占干重的 2.5%
左右 ,磷含量只占干重的 0.2%,高于 25℃时氮含量
　　　　　　
图 5　紫背浮萍氮磷含量随温度的变化
Fig.5　Content of nit rogen and phosphorus in Sp irodela
polyrrh iza cultivated in media w ith diff erent temperature
70 环　　境　　科　　学 26 卷
基本不变 ,磷含量则略有下降.可见低温会同时导致
浮萍氮磷含量的降低 ,这可能是由于细胞膜上的转
运酶活性降低 , 从而不利于浮萍对氮磷的吸收
所致[ 17] .
3　结论
　　(1)紫背浮萍和稀脉浮萍氮含量主要受培养液
中氮浓度和温度的影响 ,低氮浓度和低温均可导致
氮含量降低 ,氮浓度超过 3 mg·L-1 ,温度高于 25℃
时氮含量基本保持稳定;光照强度变化对这 2 种浮
萍的氮含量基本没有影响.
(2)紫背浮萍和稀脉氮含量磷含量会受培养液
中磷浓度 、温度和光照的影响.低温和低光照可导致
磷含量降低 ,温度超过 25℃,光照高于 8 000lx 时 2
种浮萍磷含量则基本保持稳定;这 2种浮萍的磷含
量均随培养液中磷浓度增加而增加直至达到饱和 ,
它们之间的关系可以用 Monod方程来描述.其中紫
背浮萍饱和磷含量高于稀脉浮萍 ,因此在水中磷供
应充足情况下 ,紫背浮萍磷含量总是高于稀脉浮
萍的.
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