人工濕地處理高氨氮廢水中植物的耐受性

龔娟　王宇暉　趙曉祥　宋新山

摘要：選擇人工濕地中常用的挺水植物美人蕉和鳶尾作為受試植物，配制不同氨氮濃度的模擬廢水進行培養，每隔一段停留時間測試植株生理指標，以期得到植株的氨氮耐受性特征。研究脯氨酸、丙二醛、超氧化物歧化酶、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度等表征植株耐受性指標的變化。結果表明，美人蕉葉片中脯氨酸和丙二醛含量均隨氨氮脅迫時間的延長呈現先增高后降低的趨勢，說明植株對氨氮的脅迫具有一定的適應性。鳶尾葉片中兩種物質的含量均明顯高于美人蕉。氨氮濃度為200 mg/L時，美人蕉SOD活性變化很小，而鳶尾則呈現先增高后降低的趨勢；隨著氨氮濃度升高，美人蕉和鳶尾葉片的SOD活性都呈先升高后降低的趨勢，但鳶尾葉片SOD活性無法恢復到初始水平，SOD系統遭到損害。低濃度氨氮對美人蕉凈光合速率具有明顯的促進作用，且蒸騰速率呈現先升高后下降的趨勢。表明在低氨氮濃度情況下，美人蕉表現出較強的耐受性。鳶尾凈光合速率和蒸騰速率均有所下降，植物生長受到抑制。研究結果表明，美人蕉對高氨氮具有更強的耐受性，是人工濕地處理高氨氮廢水時較為理想的濕地植物。

關鍵詞：人工濕地；氨氮；植物生理指標；濕地植物

中圖分類號：X173；X52 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0534-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.007

The Tolerance of Plants to High Concetration of Ammonia in Wastewater by Constructed Wetland

GONG Juan， WANG Yu-hui， ZHAO Xiao-xiang， SONG Xin-shan

（College of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620，China）

Abstract： Two commonly used emergent plants for constructed wetland including Canna and Iris were used to be stressed by the configuration of simulated wastewater with different concentrations of ammonia. Plant physiological indicators were determined at fixed residence time intervals to obtain ammonia tolerance characteristics of the two plants. The plant tolerance indexes were proline， malondialdehyde， superoxide dismutase， photosynthetic rate， transpiration rate and stomatal conductance. The results showed that the contents of proline and MDA in Canna increased with prolonged stress time of ammonia at first and then decreased， indicating that Canna had a certain flexibility of ammonia nitrogen. The contents of proline and MDA in Iris were significantly higher than that of Canna. SOD activity of Canna changed little when the concentration of ammonia nitrogen was 200 mg/L， while the index of Iris increased at first and then decreased. As the concentration of ammonia nitrogen increased， the SOD activity of Canna and Iris increased at first and then decreased. While the SOD activity of Iris was not able to be restored to original level， indicating that the SOD enzyme system was compromised. The photosynthetic rate of Canna was significantly promoted when the concentration of ammonia nitrogen was low. The transpiration rate increased at first and then decreased， showing that Canna had stronger tolerance than Iris had when the concentration of ammonia nitrogen was low. Canna had a stronger tolerance to high concentration of ammonia nitrogen. It was the ideal wetland plants for constructed wetland to treat high concentration of ammonia nitrogen in wastewater.endprint

Key words： constructed wetland； ammonia nitrogen； physiological index of plant； wetland plant

隨著水體富營養化問題的日益嚴重，廢水中氨氮的排放標準也越發嚴格，如何有效地去除廢水中的氨氮，是目前亟待解決的問題[1，2]。人工濕地是近年來興起的一種生態處理方法，具有氮磷去除能力強、基建運行費用低、耐沖擊負荷等優點，被廣泛應用于生活污水、工業廢水、石油開采廢水、養殖廢水治理等領域[3，4]。2010年，國家環保部發布了《人工濕地污水處理工程技術規范》，標志著人工濕地技術在國內的應用受到廣泛的重視和推廣。

濕地挺水植物是人工濕地主要組成部分，是濕地處理系統最明顯的生物特征[5]。人工濕地脫氮是通過濕地植物吸收、微生物硝化-反硝化、基質吸附、氨揮發等，其中主要是硝化-反硝化過程去除[6]。有研究表明，植物吸收、存儲僅占總氮去除量的10%左右[7]。但是，植物根系則具有很強的輸氧作用，能夠為微生物提供充足的氧氣，并且能分泌有機質為微生物提供生長條件[8，9]。基質內部形成好氧區、缺氧區和厭氧區，滿足硝化和反硝化作用的順利進行[10]。然而，高濃度氨氮對植株具有脅迫作用，氨氮濃度過高，對植物細胞產生滲透脅迫，破壞植物細胞內自由基代謝平衡，導致膜脂過氧化，使膜系統受到傷害；同時影響正常光合作用，植株生長受到抑制。因此，研究常見人工濕地植物對氨氮的耐受性，有助于對濕地植物的選擇，有利于人工濕地處理高氨氮廢水的連續性和有效性。此外，植物根系還能在介質中形成許多間隙，減少介質封閉性，加強介質的水力傳輸能力[11]。

因此，以人工濕地中常見的美人蕉和鳶尾作為受試植物，研究植株在高氨氮脅迫作用下生理指標的變化響應，通過對比研究，以期得到植物對高氨氮的耐受性，為人工濕地處理高氨氮廢水植物選擇提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料

美人蕉和鳶尾植株均采自上海市松江區東華大學校園，美人蕉選取株高30～35 cm的幼苗，鳶尾選擇分蘗數為5～6個的幼苗，采集時植物長勢良好。采用長×寬×高為50 cm×35 cm×30 cm的透明塑料箱，基質填充平均粒徑為0.3～0.6 cm的石英砂，填充高度16 cm。植株種植密度為：美人蕉（4株/箱）、鳶尾（8株/箱）。采用稀釋10倍的Hoagland營養液培養2周，控制液面高度為16 cm，待植物長勢穩定。試驗時，通過添加硫酸銨調節氨氮濃度。研究中，氨氮濃度梯度分別為0、200、400、600、800 mg/L。植物生長過程中，每周添加相應氨氮濃度的營養液，滿足植物對水分的需求。每隔1周對每組植株進行相關的生理指標測定。

1.2 方法

研究采用脯氨酸、丙二醛、超氧化物歧化酶、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度來表征氨氮對植株的脅迫程度。游離脯氨酸測定采用茚三酮比色法，SOD測定采用氮藍四唑（NBT）光化還原法，丙二醛測定采用硫代巴比妥酸法[12]，光合作用、氣孔導度、胞間CO2濃度指標測定采用LI-6400 XT型光合作用測定儀測定（美國LI-COR公司）。

2 結果與分析

2.1 不同濃度氨氮脅迫對植物脯氨酸含量的影響

植物受到逆境脅迫時，細胞會主動形成一些滲透調節物質，以提高溶質濃度，降低水勢，細胞就繼續從外界吸水，從而保證植物正常生長。脯氨酸（Proline，Pro）是最有效的滲透調節物質之一。圖1結果表明，脅迫初期，美人蕉和鳶尾葉片中脯氨酸的含量都隨著水中氨氮濃度的升高而逐漸增加，且鳶尾葉片的脯氨酸含量明顯高于美人蕉。脅迫1周氨氮濃度為200 mg/L時，鳶尾葉片脯氨酸含量為73.38 μg/g，美人蕉為48.63 μg/g；脅迫1周氨氮濃度為400 mg/L時，鳶尾葉片脯氨酸含量為120.29 μg/g，而美人蕉則為56.79 μg/g；水中氨氮濃度為600 mg/L時，脅迫1周后測定鳶尾葉片中脯氨酸含量高達149.875 μg/g，是氨氮脅迫前的8.2倍，美人蕉葉片的脯氨酸含量為72.54 μg/g，是氨氮脅迫前的4.5倍。美人蕉和鳶尾葉片的脯氨酸含量都隨脅迫時間呈現先增高后降低的趨勢，二者均在第五周開始趨于穩定。

2.2 不同濃度氨氮脅迫對植物丙二醛含量的影響

由圖2可知，受氨氮脅迫前，美人蕉葉片中MDA含量約為0.40 μmol/g，鳶尾葉片的MDA含量約為1.11 μmol/g。受氨氮脅迫初期，美人蕉和鳶尾葉片中MDA的含量都隨著水中氨氮濃度的升高而逐漸增加，這與魯敏等[13]關于4種濕地植物受污水脅迫的生理生化特性鑒定結果一致。鳶尾葉片的MDA含量明顯高于美人蕉，但美人蕉MDA含量的增加幅度稍高于鳶尾。水中氨氮濃度為600 mg/g時，脅迫1周后測定鳶尾葉片中MDA含量高達1.60 μmol/g；美人蕉葉片中MDA含量為1.02 μmol/g。美人蕉和鳶尾葉片的MDA含量都隨脅迫時間呈現先增高后降低的趨勢，且美人蕉葉片的MDA含量能夠迅速下降并于第3周趨于穩定，而鳶尾葉片的MDA含量下降緩慢，此后趨于穩定。在高氨氮脅迫下，植株體內膜脂過氧化作用加快，增加植物體內活性氧，影響膜功能，破壞膜結構，從而使丙二醛含量增加。MDA的增加在一定程度上可以表征植株細胞膜脂過氧化的程度，細胞受到一定程度的損傷。但總體上，鳶尾更容易受到氨氮的脅迫，植株受損程度相對嚴重。

2.3 不同濃度氨氮脅迫對植物超氧化物歧化酶活性的影響

當植物受逆境脅迫時，體內會積累大量的活性氧，從而破壞細胞膜結構。植物將利用細胞內活性氧清除系統來清除不斷產生的有害活性氧來保護光合器官、膜及生物功能分子。SOD是一種清除超氧陰離子自由基的酶，通過測定SOD活性，可考察植物對氨氮脅迫的防御能力。圖3結果顯示，美人蕉和鳶尾體內SOD活性因外環境中氨氮脅迫發生不同程度的變化。氨氮濃度為200 mg/L時，美人蕉的SOD活性變化很小，隨著氨氮濃度升高，SOD活性變化很明顯。脅迫一周，當氨氮濃度分別為400、600 mg/L時，美人蕉SOD活性為276.54、306.17 U/g，且其SOD活性到第7周恢復到初始水平。鳶尾葉片的SOD活性隨著氨氮濃度的增高呈現先增高后下降的趨勢。當氨氮濃度為400、600 mg/L時，SOD活性最高達345.68和390.12 U/g，且其SOD活性無法恢復到初始水平，說明SOD系統遭到損害。由此可知，美人蕉比鳶尾對高氨氮廢水的耐受性更強。endprint

2.4不同濃度氨氮脅迫對植物凈光合速率的影響

光合作用是植物合成物質和蓄積能量的基礎。植物凈光合速率越大，說明植物的同化作用能力越強。通過測定不同濃度氨氮脅迫下植物葉片的凈光合速率，表征植物在該逆境下的耐受性能，為挑選濕地植物提供依據。由圖4可知，當氨氮濃度為200 mg/L脅迫2周時，美人蕉葉片的凈光合速率由脅迫前的10.05 μmolCO2/（m2·s）增加至14.72 μmolCO2/（m2·s），凈光合速率增加幅度很大。當氨氮濃度為400 mg/L時，凈光合速率也較不添加氨氮的高，而當氨氮濃度增加至600 mg/L時，植株葉片的凈光合速率與不添加氨氮的植株葉片的凈光合速率相差不大，說明低濃度氨氮對美人蕉葉片的凈光合速率有明顯的促進作用。脅迫初期，氨氮對鳶尾葉片的凈光合速率有十分明顯的抑制作用。隨著脅迫時間的延長，氨氮濃度為200 mg/L人工配制廢水中栽種的鳶尾凈光合速率先降后升再降，其凈光合速率于第五周高于種植于不添加氨氮的水環境的鳶尾，這可能是因為鳶尾經過一段時間適應了較低濃度的氨氮廢水，而低濃度的氨氮能夠為鳶尾提供生長所需的氮，因而凈光合速率有小幅度升高。但是，當氨氮濃度為400、600 mg/L時，鳶尾葉片的凈光合速率隨脅迫時間的延長先降后升再降，但始終低于不添加氨氮的空白對照組，表明美人蕉比鳶尾對氨氮的耐受性更佳。

2.5 不同濃度氨氮脅迫對植物蒸騰速率的影響

植物吸收水分與吸收營養物質之間是相互促進的，植物的日蒸騰量可作為人工濕地凈化工程植物選擇的一個重要的指標[14]。由圖5可知，氨氮脅迫前，美人蕉葉片的蒸騰速率遠高于鳶尾葉片，美人蕉的蒸騰速率為2.28 mmol H2O/（m2·s）左右，而鳶尾的蒸騰速率為0.22 mmol H2O·/（m2·s）左右。氨氮濃度為200和400 mg/L時，隨著脅迫時間的延長，美人蕉葉片的蒸騰速率先上升后下降，再后趨于穩定，第1周美人蕉葉片蒸騰速率分別為2.67和2.94 mmol H2O/（m2·s）。當氨氮濃度升高為600 mg/L時，美人蕉的蒸騰速率下降。鳶尾葉片的蒸騰速率與氨氮濃度之間的關系與美人蕉不同。鳶尾葉片的蒸騰速率受不同濃度氨氮脅迫影響均呈現下降趨勢。氨氮濃度為200、400、600 mg/L時，1周后鳶尾葉片的蒸騰速率分別為0.12、0.14、0.09 mmol H2O/（m2·s），并于第3周后趨于穩定。

2.6 不同濃度氨氮脅迫對植物氣孔導度的影響

由圖6可知，氨氮脅迫前，美人蕉葉片的氣孔導度約為0.11 molH2O/（m2·s），鳶尾葉片的氣孔導度約為0.03 molH2O/（m2·s）。氨氮脅迫開始后，美人蕉葉片的氣孔導度隨著脅迫時間的延長呈現先增高后降低的趨勢，且氨氮濃度為200 mg/L條件下種植的美人蕉葉片的氣孔導度變化最大，在脅迫后第3周達到最大值，約為0.41 molH2O/（m2·s）。氨氮脅迫初期，鳶尾葉片的氣孔導度迅速降低，且氨氮濃度越高，氣孔導度降低幅度越大。氨氮濃度分別為400、600 mg/L時，第2周測定的氣孔導度最低，分別為0.009 molH2O/（m2·s）和0.005 molH2O/（m2·s）。此后，隨著脅迫時間的延長，鳶尾葉片的氣孔導度緩慢上升并逐漸趨于穩定。

2.7 不同處理對植物胞間CO2濃度的影響

CO2是光合作用反應的底物，是植物光合作用的限制因子之一，對植物光合作用的生理生化過程起決定性作用，因此胞間CO2濃度的高低可以作為判斷光合作用潛在能力的一項指標。圖7結果表明，隨著氨氮脅迫的開始，美人蕉葉片的胞間CO2濃度呈現先增高后降低的趨勢，且它在氨氮濃度為200 mg/L時最高，在脅迫第3周時為290.91 μmol CO2/mol。美人蕉葉片的胞間CO2濃度隨時間延長降低，當氨氮濃度為600 mg/L時，至脅迫第十周葉片胞間CO2濃度最低，為147.18 μmol CO2/mol。鳶尾葉片的胞間CO2濃度則隨著氨氮脅迫時間的延長呈現先降低后升高的趨勢，且在第3周達到最低值。此時，氨氮濃度為200、400、600 mg/L下種植的鳶尾葉片的胞間CO2濃度分別為162.13、103.22、67.12 μmolCO2/mol。脅迫6周后，鳶尾葉片的胞間CO2濃度逐漸趨于穩定。

3 結論與討論

美人蕉和鳶尾葉片中脯氨酸、丙二醛的含量都隨著水中氨氮濃度的升高而逐漸增加，且鳶尾葉片的含量明顯高于美人蕉。氨氮濃度為200 mg/L時，美人蕉的SOD活性變化很小，隨著氨氮濃度升高，SOD活性變化明顯，且可以恢復到初始水平。鳶尾葉片的SOD活性隨著氨氮濃度的增高呈現先增高后下降的趨勢。當氨氮濃度為400、600 mg/L時，SOD活性無法恢復到初始水平，說明SOD系統遭到損害。美人蕉的凈光合速率和蒸騰速率遠大于鳶尾。美人蕉在200和400 mg/L時的凈光合速率高于不添加氨氮的水樣下栽培的美人蕉，但在600 mg/L的濃度下則受到抑制。而氨氮對鳶尾葉片的凈光合速率有十分明顯的抑制作用。氨氮脅迫開始后，美人蕉葉片的氣孔導度和胞間CO2濃度隨著脅迫時間的延長呈現先增高后降低的趨勢，而鳶尾葉片的氣孔導度和胞間CO2濃度則呈現先降低后升高的趨勢，但始終低于不受氨氮脅迫的植株。通過兩種植物的生理生化特征對比可知，美人蕉對氨氮的耐受性更佳，是人工濕地系統處理高氨氮廢水的理想工程植物。

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