全 文 ：收稿日期:2005-05-24
基金项目:科技部863项目支持(2003AA601030)
作者简介:马牧源(1981—),女,北京人,在读硕士,研究方向为污染生
态与修复。E-mail:mamuyuan@mail.nankai.edu.cn
联 系 人:孙红文 E-mail:sunhongwen@nankai.edu.cn
农业环境科学学报 2006,25(2):448-452
JournalofAgro-EnvironmentScience
黄花鸢尾对富营养化水体净化的试验研究
马牧源,王 兰,孙红文
(南开大学环境科学与工程学院,天津 300071)
摘 要:利用黄花鸢尾(Irispseudoacorus)对含盐和氮磷较高的水体进行富营养化控制研究。结果表明,黄花鸢尾对于总氮、亚硝酸
盐、硝酸盐等营养盐有较好的去除效果,水体中的硝酸盐变化趋势与溶解氧相同,氨氮变化趋势与溶解氧相反。黄花鸢尾可以有效
地控制水中的叶绿素a,种植黄花鸢尾的水体中叶绿素a仅为对照的1/168,说明黄花鸢尾可以有效抑制藻类的繁殖生长。同时,种
植黄花鸢尾能抑制水体pH值的提高,降低盐度,提高透明度,对改善水质有很好的效果。黄花鸢尾对营养盐的去除主要是通过植
物根际微生物的作用。通过MPN(mostprobablenumber)法测定黄花鸢尾植物群落的分布可以看出,其根际的氮循环菌最为密集,由
根际向外呈递减趋势。
关键词:黄花鸢尾;富营养化水体;氮循环菌
中图分类号:X52 文献标识码:A 文章编号:1672-2043(2006)02-0448-05
近年来,水体富营养化已成为全球性的重大水环
境污染问题。目前,我国大部分城市湖泊水体都出现
了富营养化现象,引起了广泛的重视。国内外就控制
湖泊水体富营养化问题进行了许多研究和实践,试图
采用多种方法进行控制,主要包括截污、清淤、投加化
学药品和生态工程等[1]。由于理化控制方法往往成本
高、效果不好且对生态环境具有潜在危险等原因,越
来越多的学者在控制富营养化时强调生物作用。
“生物调控”(biomanipulation)的概念是上个世纪
70年代提出的,强调整体生态系统管理,通过利用水
生高等植物或浮游动物来控制水体富营养化现象[2],
PurificationofEutrophicatedWaterbyIrisPseudoacorus
MAMu-yuan,WANGLan,SUNHong-wen
(ColegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NankaiUniversity,Tianjin300071,China)
Abstract:Irispseudoacoruswereusedtocontrolpolutionofeutrophicatedwaterwithhighsalinityinthisstudy.Irispseudoacoruswerecul-
turedinaphytoremdiationsysteminsertedintoapolyfoamplatethatfloatedinuppertankfiledwith60Lreclaimedwatercontaininghigh
salinityandnutriments.Thecontensoftotalnitrogen(TN),totalphosphorus(TP),nitratenitrogen,nitrousnitrogen,andammonianitrogen
Chl-aweretestedduringgrowthofIrispseudoacorus,comparedwiththetankwithoutplants.Inaddition,determinationofdistributionand
roleoffournitrogencyclebacteriaemployedthemostprobablenumber(MPN)method,includingammonifyingbacteria,denitrifyingbacteria,
nitrosobacteriaandnitrobacteria.TheresultsshowedthatIrispseudoacorushadahighabilitytoremovetotalnitrogen(TN),totalphosphorus
(TP)andnitratenitrogen.TheremovalratesofTNandTPenhanced60.3%and107.9%,respectively,comparedwiththetankwithoutplants.
Theremovalrateofnitratenitrogenwas94.6%.NitratenitrogenwouldhavebeenaddwhenDOhadadded,butammonianitrogenwasre-
versedofDOschange.IrispseudoacorusnotonlycouldefectivelyremoveChl-a,Chl-ainthewaterwithIrispseudoacoruswasonly1/168
ofthewaternoplants,butalsocouldenhancetransparence,keeppHandimprovewaterquality.Mostprobablenumber(MPN)methodwas
employedtodeterminethedistributionoffournitrogencyclebacteria,includingammonifyingbacteria,denitrifybacteria,nitrosobacteriaand
nitrobacteria.TheresultsshowedtheMPNvaluesofnitrogencyclebacteriawereverydenseinrhizosphereanddecreasedfromrhizosphereto
outside.
Keywords:Irispseudoacorus;eutrophicatedwater;nitrogencyclebacteria
第25卷第2期 农 业 环 境 科 学 学 报
并充分发挥各种动、植物之间的食物链关系,消耗或
降低水体中的营养物质,达到净化水质的目的,是投
资少,见效快、行之有效的方法。因此,近几年生物调
控措施,特别是高等植物修复技术成为我国水体富营
养化控制发展最快的一种手段,但是对于其去污机理
的研究还需要加强[9]。
本研究针对高盐度富营养化水体的污染防控,首
先筛选出耐高盐度的水生植物,并对其控制水体营养
元素及抑制藻类生长的作用过程和机理进行了研究,
旨在为沿海地区高盐度水体的富营养化防控提供有
效途径。
1 材料与方法
1.1试验材料
黄花鸢尾,别名黄菖蒲,拉丁名为Irispseudoa-
corus,鸢尾科鸢尾属。黄花鸢尾为多年生挺水型水生
草本植物,植株高大,有肥粗根状茎;叶基生,剑形,叶
长60~120cm,中脉明显;花期5~6月。黄花鸢尾适应
性强,在15℃~35℃温度下均能生长,10℃以下植株停
止生长,耐寒,喜水湿,能在水畔和浅水中正常生长,
也耐干燥,喜含石灰质弱碱性土壤。
试验用水取自天津泰达经济技术开发区人工景
观河道,该河道水源为经过连续微滤膜处理的二级出
水,为了避免水体产生富营养化现象,在该水域将施
行生态控制工程。试验用水中含总氮12.41mg·L-1、总
磷1.714mg·L-1,根据水体富营养化评价标准,属于极
度富营养化水体。盐度为0.6%,较一般河流高出很
多。
1.2试验方法
首先将植物放在试验用水中进行驯养3周,使其
逐渐适应高盐水体,当植物生长状况良好时移入试验
用的培养箱中。
试验温度(20±5)℃,采用 60L的半透明储物箱,
将黄花鸢尾固定在厚度约为 1.5cm的泡沫板上,在
试验用水中培养,泡沫板覆盖面积约占水面的1/2。试
验共进行20d,每5d取样1次,试验期间,用蒸馏水
补充蒸发水量,并设空白箱对照。每次测定水样中与
富营养化相关的水质参数,测定指标及方法见表1,每
个指标作2个重复。
试验期间采集根际菌,在距植物根部2cm、10cm
表1 测定项目及方法[4]
Table1Compoundsrequiredmeasurementsandtheemployedanalyticalmethods
及未种植物的空白箱水样,用MPN法测定氮循环菌
数目。分别配制硝化、亚硝化、氨化及反硝化细菌培养
基,调节 pH值,分装于长 150mm、直径 14mm的试
管中,并在氨化及反硝化培养基中加入小倒管,121℃
下灭菌20min。每个水样作5~6个10倍系列稀释,每
支试管中接种水样或稀释水样各1mL,每一稀释度
做5个平行。在(28±1)℃条件下,氨化细菌、反硝化细
菌培养 15d,硝化和亚硝化细菌培养 30d,以红石蕊
试纸、纳氏试剂、格里斯(Griess)试剂、二苯胺试剂、醋
酸-硫酸亚铁试剂等检测各种形态氮的产生和消失情
况。查MPN表,用下式计算样品中的细菌数量n(MPN)
·L-1:
n(MPN)=MPN指数×[10(mL)÷接种量最大的一管
样品量(mL)]×1000[3]
2 结果与分析
2.1黄花鸢尾对水中营养盐的去除效果
2.1.1对总氮和溶解性总氮的去除效果
黄花鸢尾对富营养化水中的总氮和溶解性总氮
具有很好的去除效果,20d后,对照的 TN和 DTN的
自然去除率为18.4%和18.9%,黄花鸢尾培养箱中的
去除率为29.5%和39.3%,去除率分别提高了60.3%
和107.9%。从绝对数值上看,黄花鸢尾培养箱中的
TN、DTN分别比对照少了1.38mg·L-1和2.44mg·L-1,
减少量是很明显的,见图1。其中,DTN下降得更快,
这是因为溶解性总氮是主要被植物吸收利用的部分。
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图3 黄花鸢尾对硝态氮及氨氮的去除效果及与溶氧
变化趋势比较
Figure3Removalratesfornitratenitrogen,ammonianitrogen
andDOintheeutrophicatedwaterbyIrispseudoacorus
表2 水质及黄花鸢尾对pH、DO、电导率、盐度、叶绿素a的影响
Table2EfectofIrispseudoacorusonpH,DO,conductance,salinityandChl-a
12-22 12-27 01-01 01-06 01-11
12.5
10
7.5
5
浓
度
/m
g·
L-
1
日期/M-D
黄花鸢尾TN
黄花鸢尾DTN
对照TN
对照DTN
在对照中,1月1日后总氮与总溶解氮有大幅度的下
降,这主要是由于在这几天对照箱中藻类大量繁殖,
吸收了水体中的氮造成的。
2.1.2对总磷和溶解性总磷的去除效果
黄花鸢尾种植箱及对照中,水中总磷和溶解性总
磷的消散动力学见图2。在试验初期,黄花鸢尾培养
箱与对照中磷的去除效果,没有明显差异。在1月1
日以后,对照中总磷与溶解性总磷下降速度反而较鸢
尾培养箱中更快,这主要是因为在1月1日到3日期
间,对照箱中藻类大量繁殖,到 1月 10日,叶绿素 a
含量增加到169.02mg·L-1,而黄花鸢尾培养箱中叶绿
素a含量仅占对照的1/168,正是由于藻类对水中P
的吸收,使得对照中TP和DTP下降更快,见表2。
图1 黄花鸢尾对总氮及溶解性总氮的去除效果
Figure1Removalratesfortotalnitrogenanddissolvabletotal
nitrogenintheeutrophicatedwaterbyIrispseudoacorus 12-22 12-27 01-01 01-06 01-11
8
1.4
1
0.6
浓
度
/m
g·
L-
1
日期/M-D
黄花鸢尾TP
黄花鸢尾DTP
对照TP
对照DTP
图2 黄花鸢尾对总磷及溶解性总磷的去除效果
Figure2Removalratesfortotalphosphorusanddissolvabletotal
phosphorusintheeutrophicatedwaterbyIrispseudoacorus
2.1.3对硝态氮和氨氮的去除效果
黄花鸢尾培养箱中,硝酸盐氮的去除效果很好,
其含量远远低于对照,15d后,其含量仅占对照的
5.4%,这可能是由于硝态氮是最活跃的氮的形式,所
以能更快地被去除。在1月5日以后黄花鸢尾培养箱
中硝酸盐氮又有明显上升,这可能是由于该培养箱中
溶氧迅速提高引起的。
黄花鸢尾培养箱中,氨氮的去除率在15d后达
到47.9%。通过图3中,氨氮,硝酸盐氮与水中溶氧变
化趋势比较,可以看出,硝态氮与溶解氧变化趋势相
同,而氨氮与溶解氧变化趋势相反。
2.1.4对亚硝态氮的去除效果
对照中,亚硝酸盐含量逐渐升高,而黄花鸢尾培
养箱中始终维持在较低的水平,说明黄花鸢尾对富营
养化水中亚硝酸盐去除效果明显,见图4。可能是植
物根际微生物作用的结果,硝化菌使亚硝酸盐转化为
马牧源等:黄花鸢尾对富营养化水体净化的试验研究450
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硝酸盐。
2.2黄花鸢尾对其他水质指标的影响
黄花鸢尾对其他水质指标的影响见表2,它能快
速提高水体透明度,约 3d左右就可见效,对照中透
明度较低,有很多悬浮物和气泡,在12d左右藻类迅
速猛增,覆盖整个水面。由于植物生长需要消耗氧气,
所以黄花鸢尾培养箱中溶解氧都较对照中低,另一方
面黄花鸢尾能通过光合作用释放氧气,所以溶解氧在
两个作用的影响下在生长期中呈现不规则变化。在对
照中,pH随时间而升高,而黄花鸢尾培养箱中,pH低
于对照,这说明黄花鸢尾可以有效抑制水中 pH值快
速增长,这是由于对照箱中因藻类快速生长迅速消耗
水体中的CO2而使pH值增加,由于黄花鸢尾有效控
制了藻类的生长,使得黄花鸢尾培养箱中pH值可以
维持在相对较低的水平。同时,黄花鸢尾还能降低水
中的盐度,虽然对照中盐度也在下降,这主要是由于
自然沉降和器壁吸附的原因,而黄花鸢尾培养箱中盐
度降低速度要快于对照,在黄花鸢尾根部偏上的地方
有结晶盐析出。
黄花鸢尾培养箱中叶绿素均维持在比较低的水
平上,经过20d的试验期,对照中叶绿素a的含量为
植物培养箱中的168.5倍,说明黄花鸢尾对于抑制藻
类生长具有重要作用。导致植物培养箱中叶绿素a值
低的原因可能有2个:(1)光的影响,由于光是藻类生
长的重要因素,而黄花鸢尾在水面形成了一定程度的
遮盖,限制了光的射入,有效地控制了藻类的繁殖生
长。(2)植物分泌物常常含有抑藻成分,可以限制藻类
的爆发[6]。
2.3水中氮循环细菌的水平分布
植物对富营养化水体控制途径主要包括 3个方
面:水生植物利用发达的根系吸收水中的营养盐,用
于自身的生长;水生植物发达的根系对氮磷等营养盐
的吸附;水生植物根际活跃的微生物不断进行氮循
环,使氮以氮气、氨气或 N2O的形式释放的空气中。
三种途径中,微生物的作用贡献最大[7、8]。所以本文还
测定了植物根系的微生物分布,见图5。
黄花鸢尾培养箱内,根际处氮循环菌与敞水区比
较,氨化菌高4~5个数量级,亚硝化菌和硝化菌都高
出3~4个数量级,反硝化菌也高出 2~3个数量级;根
际处氮循环菌数量最为密集,随着取样点与浮板的距
离的增加,氮循环菌数量呈下降趋势。氮循环菌数目
在一定程度上可以反映硝化反硝化强度,由此可以看
出由于黄花鸢尾植物群落的存在,提供了一个适宜氮
循环菌生长的好氧——厌氧微环境,更利于氮循环的
进行,有效地增加了水体中的氮循环菌,使得微生物
的硝化反硝化作用更为强烈,从而使水体中的氮可以
得到有效的去除[6]。
3 结论
(1)黄花鸢尾可以有效抑制藻类爆发。试验20d
后,黄花鸢尾培养箱中的叶绿素a浓度只有对照箱的
1/168。
(2)黄花鸢尾对试验水中的总氮、溶解性总氮去
除效果较为明显,其中,溶解性总氮下降更为明显,这
是因为溶解性总氮是主要被植物吸收利用的部分。黄
花鸢尾对于硝酸盐氮的去除效果很好,其含量远远低
于对照,15d后,其含量仅占对照的 5.4%;氨氮的去
除效率在15d后达到 47.9%。而且水体中硝酸盐氮
的变化趋势与溶解氧相同,氨氮含量变化与溶氧趋势
相反。黄花鸢尾培养箱中亚硝酸盐氮一直维持在较低
的浓度,并未像对照逐渐升高。
(3)对于总磷,初始时黄花鸢尾培养箱下降略快,
但在1月1日后,对照下降速度更快一些,这主要是
由于1月1日到3日期间,对照箱中藻类大量繁殖,
藻类吸收利用了水体中的磷造成的。
图4 黄花鸢尾对亚硝态氮的去除效果
Figure4Removalratesfornitrousnitrogenintheeutrophicated
waterbyIrispseudoacorus
图5 根际氮循环菌水平分布
Figure5Distributionofnitrogencyclebacteriaaroundtherootof
Irispseudoacorus
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(4)黄花鸢尾可以有效改善水体透明度,抑制pH
值增加,降低盐度,有效改善水质,使其更利于植物生
长,使得生态系统处于良性循环状态。
(5)黄花鸢尾根际处氮循环菌数量最为密集,随
着取样点与浮板距离的增加,氮循环菌数量呈下降趋
势。说明黄花鸢尾提高了水体中硝化反硝化作用强
度,更利于水体中的氮的去除。
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