蕹菜對復合污染水體的凈化效果研究

饒丹華，何建軍，惠陽，耿勝榮，

白嬋1，程剛3，鉏曉艷1，李新1，廖濤1

(1.湖北省農業科學院農產品加工與核農技術研究所/湖北省農產品輻照工程技術中心，武漢　430064；

2.中國科學院水生生物研究所，武漢　430070； 3.武漢工程大學化學與環境工程學院，武漢　430073 )

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蕹菜對復合污染水體的凈化效果研究

饒丹華1,3，何建軍1，惠陽2，耿勝榮1，

白嬋1，程剛3，鉏曉艷1，李新1，廖濤1

(1.湖北省農業科學院農產品加工與核農技術研究所/湖北省農產品輻照工程技術中心，武漢430064；

2.中國科學院水生生物研究所，武漢430070； 3.武漢工程大學化學與環境工程學院，武漢430073 )

摘要：針對水體富營養化和重金屬復合污染的問題，選用蕹菜，俗名空心菜(Ipomoeaaquatica)作為浮床植物，設置五組不同富營養化水平與重金屬Cd、Cr復合污染的水體，研究蕹菜浮床技術修復的效果。結果發現水體總磷、總氮、硝氮、氨氮等含量均明顯降低，Cd和Cr含量也有效下降。相對對照組，總磷、總氮、硝氮、氨氮、Cd和Cr去除率提高值分別為19.8%~8.6%、26.1%~13.7%、33.9%~8.6%、21.1%~13.2%、53.6%~41.6%、35.8%~16.5%。蕹菜浮床修復效果明顯，并且Cd的去除率提高值與富營養化程度呈正相關性，其余都是富營養化越嚴重，提高值越低。

關鍵詞：蕹菜；浮床；富營養化；重金屬

富營養化污染和重金屬污染是水體污染的兩大重點課題，由其引發的環境、經濟和健康安全問題屢見不鮮，近年來備受關注。對受污水體的治理手段多種多樣，早年所用的物理、化學等方法，弊端明顯，高耗能，低效率，操作過程復雜，且伴隨著一定的二次污染[1- 5]。近年來興起的生物修復技術用生態治理生態，具有綠色安全、成本低、效果好、操作管理方便等顯著優點[6]。目前應用于植物浮床修復水體技術的植物多達80余種，多為一年或多年生水生景觀植物[7]，例如香蒲、蘆葦、鳳眼蓮等，水生蔬菜應用相對較少。本實驗選用多維管束水生蔬菜——蕹菜(Ipomoeaaquatica)為實驗對象，用不同富營養化程度水體模擬室外污染水體，并人工添加重金屬Cd和Cr模擬復合污染，研究浮床處理對富營養化和重金屬復合污染的修復規律，為蕹菜浮床技術的應用提供一定的理論基礎。

1材料與方法

1.1　實驗材料

實驗蕹菜：由武漢市蔡甸區東方之子生態農莊培育，選取生長健康狀況良好、長勢均勻、沒有損傷、沒有黃葉的蕹菜幼苗，于霍格蘭培養液中馴化培養7天，使其適應水體生長。開始實驗時，蕹菜幼苗平均株高約為10 cm。

實驗浮床：由中等密度平整泡沫板作材料，將泡沫板裁剪成每塊浮床基質板長寬為50 cm×30 cm。每塊泡沫板上按50 cm×30cm的布局均勻打上15個直徑約為2 cm的圓孔用來放置蕹菜幼苗，孔間距為10 cm×10 cm。

實驗箱：以同種型號的塑料水箱為容器，數目為20個。每個富營養化濃度設有實驗組和對照組，均作平行處理，共五組。長:寬:高為70 cm×30 cm×50 cm，每個水箱都安放一個15孔泡沫板作為浮島床體。實驗組的泡沫板上每個孔放置2株蕹菜幼苗，對照組不放置蕹菜。提供充足光照和30℃恒溫。

實驗水體為自配富營養水體，除氮磷元素不添加其余均按霍格蘭培養液配制，氮磷具體配制見表1。

1.2　實驗設計

設置5組實驗水體，實驗組有蕹菜浮床，對照組無蕹菜浮床。根據地表水質標準，濃度1為Ⅲ類水，濃度2為Ⅴ類水，濃度3～濃度5是三種程度富營養化污染水體。各組水體均添加Cd和Cr，使得Cd濃度為1 mg/L(超過Ⅴ類水標準0.01 mg/L)，Cr濃度為1 mg/L(超過Ⅴ類水標準0.1 mg/L)。氮磷等物質濃度設置如表1所示。

表1　五組氮磷濃度梯度設置

以7天為一個周期，從2015年4月15日至2015年5月20日連續測量5次水樣中總氮、總磷、氨氮和硝酸鹽氮以及Cd和Cr的值。

1.3　實驗方法

水中的總磷采用鉬酸鹽分光光度法測定(GB 11893—89)，水中的總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測量(GB 11894—89)，水中的氨氮采用納氏試劑分光光度法測量(HJ 535—2009)，水中的硝酸鹽氮采用紫外分光光度法進行測量(GB 7493—87)，Cd和Cr含量采用火焰原子吸收法測量[8]。

2結果與分析

2.1　蕹菜生長狀況

從實驗開始到實驗結束，所有蕹菜植株累計死亡3棵，成活率約為100%，死亡植株及時更換成新的健康植株。浮床栽種蕹菜初期，蕹菜普遍出現一定程度萎蔫、倒伏現象，經過3 d的適應與自行恢復便基本重新挺拔、葉片舒展，完全復活。培養10 d后，蕹菜根系均普遍生長旺盛，已經有些新根生成。

實驗當中浮板上方的蕹菜長高速度較快，且各實驗組長高的速度較類似，只是蕹菜的莖葉粗細厚實程度有差異，故可以統一時間進行采收過高的蕹菜莖葉部分。整個實驗過程共采收3次蕹菜，每次都在蕹菜平均株高(不含浮板下面的根部)達到27~35 cm的時間段采收，每次采收后蕹菜平均留茬(不含浮板下面的根部)12 cm左右。首次采收時間在實驗第13天，第二次采收在實驗第19天，第三次采收在實驗第28天。試驗結束時蕹菜平均株高(不含浮板下面的根部)達到17~25 cm。總體上，低濃度實驗組株高較高濃度組高、長得壯。實驗組每次采收完過兩三天就可快速長出新芽，隨后新芽快速生長增高。

2.2　蕹菜浮床對水體總磷含量的去除效果

實驗組和對照組水體總磷的去除率情況如圖1所示。

圖1　各組水體總磷去除率隨時間變化情況Fig.1　The removal rate of total phosphorus in each groupof water bodies according to temporal variations

總磷初始濃度測量平均值從實驗組1～實驗組5依次為0.30、0.46、0.83、1.22、2.05 mg/L，濃度1的實驗組和對照組磷初始濃度均達到Ⅳ類標準，濃度2組也超過Ⅴ類標準。到第五周實驗末期，實驗組1~實驗組5磷元素的終濃度依次為0.12、0.18、0.44、0.75、1.31 mg/L，實驗組1和2，對照組1均降到Ⅲ類標準以內，其余各組磷含量也有一定幅度降低。

實驗組與對照組總磷含量均呈下降趨勢，但實驗組磷濃度降低值更為顯著，說明沒有蕹菜浮床體系的對照組依靠磷元素的沉降也可以降低磷含量，實驗組除了磷沉降作用還有植物的除磷作用。如圖1所示，跟對照組相比，實驗組有著較好的去除率提高值，實驗組1~實驗組5去除率分別提高19.84%、17.01%、12.06%、10.07%、8.56%。劉曉丹、李軍[9]等人研究表明蕹菜對總磷的去除率為97.48%，本實驗蕹菜浮床除磷效果不及文獻報道，可能原因是本實驗所用的蕹菜苗過于幼小，初始株高只有約10 cm，延遲了生長旺盛大量吸收氮磷等物質的時間，在實驗時間內沒有達到吸收效果的最大化。其次，本實驗為重金屬富營養化復合污染，水中Cd和Cr對蕹菜造成一定的毒害作用，阻礙了蕹菜的正常生長，抑制了蕹菜根部對水體磷的吸收能力。初始水體磷污染程度越大，蕹菜浮床系統的最終除磷率越低，可能是磷濃度低時，植物為滿足自身生長所需吸收了較多的磷，而磷濃度高時，磷的供給超出了植物所需，植物吸收達到飽和，因此總的磷利用率降低。

實驗組1和實驗組5在第一周去除率提高值小于對照組，原因是栽種的蕹菜根部向水體釋放了含磷物質，導致磷含量高于對照組。實驗組1浮床體系在實驗初期的除磷效果較其他高濃度組較為緩慢，可能是蕹菜根內外濃度差偏小，濃差拉力較小，導致磷吸收緩慢。到后期，蕹菜根部生長旺盛，吸收能力較強，可以較好地自主吸收水體磷元素，因此對磷的去除率升高。

2.3　蕹菜浮床對水體各種氮的去除效果

2.3.1水體總氮含量的去除效果

實驗組和對照組水體總氮的去除率情況如圖2所示。

圖2　各組水體總氮去除率隨時間變化情況Fig.2　The removal rate of total nitrogen in each groupof water bodies according to temporal variations

總氮初始濃度測量平均值從實驗組1、對照組1，實驗組2……對照組5依次為3.05、3.18，4.69、4.76，9.48、10.43，18.68、19.32，24.11、24.90 mg/L，前四組總氮的初始測量值均超出設定值較多，后六組超出不大，各組總氮含量均超過Ⅴ類標準(2 mg/L)。最終到第五周，實驗組1～實驗組5總氮的終濃度平均值依次為1.11、2.35、5.80、11.76、16.94 mg/L，實驗組1的氮含量降低到Ⅳ類標準，其余各組雖說依然超出Ⅴ類標準，但浮氮下降量還是顯著的。實驗組1～實驗組5浮床提高的凈去除率依次為26.14%、21.00%、19.45%、18.34%、13.75%。可見總氮含量越高的水體，較之空白對照組，蕹菜浮床體系所產生的去除率越低，說明蕹菜浮床對低濃度富營養化污染水體較為適用，富營養化污染程度過高的水體則效果不明顯。

隨著時間變化，蕹菜浮床體系對總氮去除率的改變趨勢類似總磷的變化趨勢。初期實驗組2與對照組的差值最大，總氮去除率最高，高濃度組相對較低，實驗組1由前期的慢速降低到后期降低速度加快，成為五個污染濃度水平之中除氮效果最好的一組。實驗組總氮的降低途徑可以是植物吸收，也可以是細菌微生物的分解、硝化-反硝化轉化。而對照組屬于空白處理，對照組的水體會自然滋生出各類好氧菌、厭氧菌，包括硝化細菌、反硝化細菌等除氮微生物，滋生過程極為緩慢，因此對照組總氮含量依然能夠緩慢降低。

2.3.2水體硝酸鹽氮含量的去除效果

實驗組和對照組水體硝酸鹽氮的去除率情況如圖3所示。

圖3　各組水體硝酸鹽氮去除率隨時間變化情況Fig.3　The removal rate of nitrate nitrogen in each groupof water bodies according to temporal variations

實驗組1和實驗組5在前兩周去除率低于對照，是由于栽種的蕹菜根部向水體釋放的含氮物質超過吸收量，導致磷含量高于對照組。實驗組1～對照組5各組的硝酸鹽氮平均去除率分別為68.3%、34.4%、59.2%、29.0%、45.9%、29.0%、32.2%、18.3%、33.0%、24.3%，實驗組1～實驗組5浮床提高的凈去除率依次為26.14%、21.00%、19.45%、18.34%、13.75%。水體硝酸鹽氮含量越高，蕹菜浮床體系所產生的凈去除率越低。

實驗組和對照組水體硝酸鹽氮的濃度在實驗前兩周變化較平緩，實驗組的優勢不明顯。兩周以后實驗組開始加快硝酸鹽氮的去除。可能原因是水體中氮元素的去除主要依靠微生物的分解轉化(如硝化細菌-反硝化細菌協同作用將氮轉化為N2、N2O等揮發組分脫離水體)，而初始實驗水體只人工添加無機鹽等營養物質，尚無微生物存在或微生物數量極少，反硝化作用不顯著。后期因為植物提供的有利微環境，各類細菌微生物大量生長繁殖，反硝化作用較為突出，硝酸鹽氮去除加快。以對照組為參照，蕹菜浮床系統對硝酸鹽氮的去除率提高值隨硝酸鹽濃度的減小而升高。

2.3.3水體氨氮含量的去除效果

實驗組和對照組水體氨氮的去除率隨時間變化情況如圖4所示。

圖4　各組水體氨氮去除率隨時間變化情況Fig.4　The removal rate of ammonia nitrogen in each groupof water bodies according to temporal variations

到第五周，測得水體氨氮的終濃度平均值從實驗組1、對照組1……對照組5依次為0.12、0.21，0.17、0.28，0.41、0.57，0.44、0.65，1.18、1.49 mg/L。實驗組1～對照組5各組的氨氮去除率分別為72.2%、51.1%，72.4%、55.6%，57.0%、42.4%，64.3%、49.8%，43.9%、30.6%。實驗組1水體去除率最高，氨氮含量達到Ⅰ類水體標準，實驗組2、實驗組3和實驗組4水體達到Ⅱ類水體標準，實驗組5水體達到Ⅳ類水體標準。對照組水體也處于Ⅱ類到Ⅳ類標準之間，實驗組相對對照組優勢不大。實驗組1~實驗組5浮床提高的氨氮凈去除率依次為21.06%、16.82%、14.68%、14.43%、13.22%。蕹菜浮床體系所產生的凈去除效果與水體氨氮含量呈負相關性。

水體氨氮的去除主要是植物根際的微生物通過硝化作用等生命活動去除，理論上除了植物微生物的作用外還與pH有關，當水體pH值為8～9.3時，氨揮發顯著，pH值為7.5～8時，氨揮發不顯著，當pH值小于7.5時，氨揮發可以忽略不計[10- 11]。實驗過程，水體pH始終保持在蕹菜較適宜的6～7.5之間，故氨氮的減少可以只考慮植物微生物的作用。

與硝酸鹽氮的變化趨勢不同，實驗組和對照組氨氮濃度在實驗初期便開始快速下降，后期繼續下降，但已漸趨平緩。與對照組相比，蕹菜浮床體系對氨氮去除率的提高效果基本在26.22%～11.42%之間。到第五周時各實驗組由實驗組1到實驗組5的去除率提高值分別為21.06%、16.82%、14.68%、14.43%、13.22%。初始氨氮濃度越小的組，蕹菜體系的修復效果越好。

2.4　蕹菜浮床對水體重金屬的去除效果

到實驗結束時，各濃度水平水體重金屬Cd和Cr的去除率如圖5所示。

圖5　第35天各組Cd和Cr的去除率Fig.5　The removal rate of Cd and Cr in eachgroup on the thirty-fifth day

實驗組和對照組最終Cd和Cr的濃度均有明顯降低，尤其實驗組去除重金屬效果更為顯著。實驗組1～實驗組5在第5周Cd的平均濃度就已分別降至0.057、0.071、0.078、0.093、0.149 mg/L，Cr的平均濃度則分別降至0.215、0.331、0.364、0.422、0.473 mg/L。可以看出，蕹菜浮床體系對Cd和Cr污染水體有良好的凈化能力，但各組Cd和Cr的終濃度仍高于水體Ⅴ類標準，處于劣Ⅴ類污染水平，有待進一步去除。實驗組和對照組的除Cd率和除Cr率隨氮磷濃度升高均呈逐漸降低趨勢，說明高富營養化污染對水體利用自凈能力或生物作用的修復效果有抑制作用。

相對各自的對照組，實驗組1～實驗組5對Cd去除率的提高值分別為41.6%、47.9%、49.8%、57.3%、53.6%，隨氮磷濃度升高而逐漸提高。相對各自的對照組，實驗組1～實驗組5對Cr去除率的提高值分別為35.8%、24.1%、31.7%、19.5%、16.5%，隨氮磷濃度升高而逐漸降低。浮床體系對Cd的去除效果顯然優于對Cr的去除效果。同時，以自身為對照，水體富營養化程度越輕，浮床體系去除Cd和Cr的能力越強。但參照對照組，水體富營養化程度越重，浮床提高的除Cd率逐漸提高，而提高的除Cr率逐漸降低。顯然，氮磷含量影響蕹菜修復重金屬污染的能力，且影響Cd和Cr的方式不一樣，具體機理需要進一步研究。

3結論與討論

實驗表明，蕹菜浮床技術對不同污染水平的水體均能有效進行修復。不同氮磷濃度水平水體之間存在著修復效果的差異，大體上呈現出修復效果與氮磷濃度水平呈負相關性規律，富營養化越嚴重，蕹菜浮床的修復效果越低。這就表明在實際應用中，蕹菜浮床技術較為適用的水體是輕度富營養化污染水體，高污染水體應用效果不明顯。

蕹菜浮床對總磷去除率的提高基本在10%以上，對總氮去除率的提高基本在20%左右，總氮的修復效果比總磷的修復效果好，可能是其不同的去除機制導致的。總磷的去除主要是兩方面，一是含磷物質的沉降作用，二是植物對磷元素的吸收富集，供給自身生長需要。總氮的去除途徑一是植物的吸收利用，二是水體細菌微生物的分解吸收作用。其中微生物的除氮作用是主要除氮機制，主要途徑是微生物的硝化-反硝化途徑[12- 13]。顯然，氮的去除有微生物這條機制，磷則沒有，因此氮的去除效果更好。

實驗表明，蕹菜浮床對重金屬Cd和Cr去除效果明顯，對Cd的去除率達到85.1%以上，對Cr的去除率達到52.7%以上，除Cd效果更好。相對空白對照組，體系對Cd的去除效果在高污染水體中較好，對Cr的去除效果在低污染水體中較好。至于具體機理有待深入研究。

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Study on Purification Effect of Water Spinach on Combined Polluted Water Body

RAO Dan-hua1,3, HE Jian-jun1, HUI Yang2, GENG Sheng-rong1, BAI Chan1,

CHENG Gang3, ZU Xiao-yan1, LI Xin1, LIAO Tao1

(1.Institute of Agro-Products Processing and Nuclear-Agricultural Technology, Hubei Academy of Agricultural Sciences/Hubei

Engineering Research Center for Farm Products Irradiation, Wuhan 430064, China; 2.Institute of Hydrobiology,

Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430070, China; 3.College of Chemistry and Environmental

Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China)

Abstract:To solve the combined polluted water body with eutrophication and heavy metals, water spinach (also known asIpomoeaaquatica) was selected as a floating bed plant in this study. The removal efficiency of water spinach floating bed technology was analyzed in five groups of different eutrophication levels and combined polluted water bodies with heavy metals Cd and Cr. The results showed that the contents of total phosphorus, total nitrogen, nitrate nitrogen, ammonia nitrogen were significantly decreased, and the contents of Cr and Cd were also decreased effectively. Compared with the control groups, the increased removal rates of total phosphorus, total nitrogen, nitrate nitrogen, ammonia nitrogen, Cd and Cr were 19.8%~8.6%, 26.1%~13.7%, 33.9%~8.6%, 21.1%~13.2%, 53.6%~41.6% and 35.8%~16.5% respectively. The removal efficiency of water spinach floating beds was significant. Besides, the increased removal rate of Cd was positively correlated to the eutrophication level, and the increased removal rates of rest pollutants were inversely proportional to the eutrophication level.

Key words:water spinach; floating beds; eutrophication; heavy metal

通訊作者：廖濤，副研究員，主要從事水產品加工與安全研究，E-mail：17418431@qq.com

作者簡介：饒丹華(1990—)，女，湖北鄂州人，碩士，主要從事水產品加工與安全研究，E-mail：672629882@qq.com

基金項目：武漢市國際科技合作計劃項目(2014030709020314)；湖北省科技支撐計劃項目(2014BBA163)；湖北省農業科技創新中心項目(2016-620-007-001)

收稿日期：2015-12-06

中圖分類號：X52

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6444(2016)01-0079-05

DOI:10.14068/j.ceia.2016.01.022