太湖流域浮萍種質資源及其生長水環境調查

張飛　唐杰　馬炯　成家楊

摘要：對太湖流域多個縣（市）浮萍分布情況進行調查，觀測各地浮萍種類及其生長水體的水質狀況，探討水體pH值，銨態氮、硝態氮、總氮、總磷含量及其與浮萍分布的關系。調查結果表明，浮萍適宜生長在靜止的水體中，流動的河流中較為少見。太湖流域采集到3屬5種浮萍，分別為Spirodela polyrrhiza、Lemna minor、Lemna turionifera、Lemna aequinoctialis、Landoltia punctata。其中，紫萍屬（Spirodela genera）和青萍屬（Lemna genera）分別占到49%和37%，為該地區主要的浮萍種類。少根紫萍適宜在中性的環境中生長，而紫萍適宜生長在偏堿性的水體中；相對而言，青萍生長的pH范圍更廣，在pH值6.34～8.78均有分布。太湖流域浮萍生長水環境中氮、磷含量范圍較廣，銨態氮、硝態氮、總氮和總磷質量濃度范圍分別為0.28～19.67、0.0.01～5.18、0.10～24.62、0.03～2.45 mg/L。尚未發現自然環境中浮萍的分布與水體氮、磷含量間的必然聯系。調查還發現，太湖流域浮萍淀粉含量在10.95%～23.27%之間，均值為15.95%。在太湖流域水生植物修復過程中，可優先考慮利用當地優勢浮萍品種及不同品種浮萍的共生復合系統，構建浮萍塘生態系統，來去除水體中的氮、磷等營養物質。

關鍵詞：浮萍；水環境；氮；磷；淀粉

中圖分類號：S917.3 文獻標志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0336—04

隨著化石燃料等常規能源的日趨匱乏和生態環境負荷日益加大，以及經濟發展的迫切需求，世界各國相繼把可再生能源的發展作為實現經濟可持續發展的重要能源政策。生物質能由于原料來源廣泛、清潔低碳等特點獲得了廣泛的關注，被譽為繼煤炭、石油、天然氣之外的“第四大能源”。其中，浮萍由于不與人爭糧爭地、生長速度快、高淀粉等優點，作為新一代生物能源原料而被廣泛關注。

浮萍科（Lemnaceae）植物，簡稱浮萍，共有5屬（Lemna、Spirodela、Landohia、Wolffia、Wolfiella），約40個種，世界各地均有分布。我國有5屬7種，廣泛分布于南北各省。浮萍是最小的開花植物和被子植物，開花與否取決于營養狀況、光周期和生長階段，浮萍的增殖方式為無性繁殖，生長速度快，在適宜環境條件下，每16～24 h其生物量翻1番，適應性強，2～35℃下均能生存。

浮萍由于增殖快，易收獲，蛋白質含量高，可達到干質量的15%～45%，而且對環境的適應性較好，對水體中氮、磷的去除能力強，加上植物修復過程投資少、能耗低等優點，已被美國環保局推薦為氮磷污水凈化修復處理資源化回收利用的最佳革新技術。有研究表明，浮萍對TKN（凱氏氮）和TP（總磷）的去除率可達74%～77%，對BOD（生化耗氧量）去除率達95%～99%，對COD（化學需氧量）的去除率為50%～70%，雖低于藻類穩定塘，但可以有效抑制藻類生長。而且，浮萍富含淀粉，最高可達75%，是用于燃料乙醇生產的新型淀粉質原料，可直接用于能源生產，將環境治理與能源生產有效結合起來。Chen等嘗試利用浮萍中的淀粉發酵產出乙醇，產率為25.8%（干質量）。

太湖為中國第三大淡水湖，該地區氣候光照條件適宜，比較有利于浮萍生長。但近年來太湖流域富營養化問題嚴重，威脅地區飲水安全和生態環境的穩定性。利用水生植物如浮萍治理該地區水體富營養化問題具有重大意義，值得探究。但目前對太湖流域自然環境中浮萍的品種資源和生長條件的調查及研究開展較少，限制了該地區浮萍資源在水體凈化及能源化生產中的應用。

因此，本研究通過調查太湖流域周邊地區的浮萍品種及其生長水環境，了解各地區浮萍分布情況與水環境狀況，為利用當地浮萍資源修復污染水體及浮萍的能源化利用提供植物材料與實踐依據，也可以進一步豐富太湖流域浮萍種質資源情況，為遺傳學及其他研究提供材料基礎。

1材料與方法

1.1調查區概況

太湖流域位于中國東部沿海的長江三角洲地區，面積達3.69萬km²，橫跨江、浙2省，北臨無錫，南瀕湖州，西依宜興，東近蘇州。太湖地處亞熱帶，氣候溫和濕潤，屬季風氣候，年平均氣溫為16.0～18.0℃，年降水量1 100～1 150 mm。

1.2浮萍采集及水環境測定

采樣時間為2013年7月10—14日08：00—19：00，平均溫度35℃。采樣地點包括江蘇的蘇州、無錫、宜興及浙江省的湖州等地，采樣點分布情況如圖1所示。在采樣過程中也觀察到個體較小的蕪萍屬和扁無根萍屬浮萍，但考慮到其個體過小不利于打撈，故未對其進行研究。

利用撈網撈取浮萍（攜帶少量水儲于塑料袋中），并采用簡易取水裝置取表層水樣儲于塑料瓶中帶回實驗室測定，記錄采樣地點及具體GPS位置，現場測定水溫、pH值和溶解氧等指標。本次采樣共55個采樣點（圖1），采集56份水樣和78份浮萍樣品。

浮萍采回后，經過自來水清洗除去污垢和雜質后，用0.5%NaCIO消毒1 min，然后在SH培養基中培養、保存，用于浮萍分子鑒定和構建浮萍資源庫。水樣帶回實驗室，用0.45μxm濾膜過濾后，分析測定銨態氮（HJ 535—2009《水質、氨氮的測定納氏試劑分光光度法》）、硝態氮（紫外雙波長分光光度法）、總氮（HJ 636—2012《水質總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》）、總磷（GB 1 1893—1989《水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》）含量和COD（快速密閉消解一分光光度法）。

1.3浮萍鑒定及淀粉含量的測定

浮萍鑒定：用DNA條形碼（DNA barcoding）技術對采集的浮萍株系進行分子鑒定，獲得相應的種屬信息。這部分內容在實驗室之前的工作中已經完成。

浮萍淀粉含量測定：浮萍中淀粉含量采用酶解法測量。

1.4數據處理與分析

試驗數據用Excel 2010軟件進行數理統計分析，用ArcGIS 10.0軟件繪制太湖流域采樣點分布圖。

2結果與分析

2.1太湖流域浮萍種屬分布情況

實驗室選取atpF-atpH、matK和rpoB 3個基因序列，用DNA條形碼技術對采集的78份浮萍樣品進行了分子鑒定，通過Blast比對及構建系統發育樹，獲得相應的種屬信息（表1）。

從表1可以看出，本次采樣獲得的78株浮萍覆蓋3個屬5個種，分別為Spirodela polyrhiza、Lemna turionifera、Lemna ae-quinoctialis、Lemna minor和Landoltia punctata。結合圖1采樣點分布情況可知，紫萍和青萍2屬遍布整個太湖流域，分別占到49%和37%，達到浮萍采樣總數的86%，為該地區的常見浮萍種，而少根紫萍在整個太湖流域零星分布。在利用浮萍對太湖水體進行富營養化修復控制時，應主要考慮這2種浮萍。另外，調查中發現，浮萍易生長在淺水坑、靜水坑、靜止的河流中以及稻田附近，流動水體中較為少見。這可能是因為浮萍漂浮在水面上，容易被風吹散到別的地方，加上水體流動，浮萍更容易隨水流飄走，進而停留在較少受風影響的河灣及稻田附近。可見浮萍分布與水體流動性之間存在一定的關系，值得進一步深入探討。在浮萍用于水體富營養化修復時，應充分考慮這些潛在的影響因素。

從圖1還可以看出，相比太湖流域各地均有分布的Lem-na aequinoctialis而言，Lemna minor和Lemna turionifera分別只在太湖北邊和太湖南邊有發現，兩者僅占采集浮萍株數的5%。這可能與南北水質條件及土地功能類型有關，北邊農田分布較多，而南邊湖州水流居多，少田地。整個來看，北邊浮萍較密，多于南邊，尤其是西北和東北角，這與該地區河流分布較多，且曲折多湖灣有關，此外，該地區多居民區，生活污水排放較多，利于浮萍生長，加上多為河灣地帶，因而利于浮萍分布。

在調查中還發現自然環境中，紫萍、青萍和少根紫萍3種浮萍可以單獨存在、兩兩存在或者三者共存，而且浮萍共生情況多出現在太湖北部地區，尤其是Spirodela polyrhiza、Lemna minor、Landohia punctata、Lemna aequinoctialis多種浮萍共生，而南部較少出現，在利用浮萍進行富營養化修復時應考慮分布的差異及共生去除污染情況。周雄飛研究不同比例的稀脈浮萍和少根紫萍的混養體系對總氮、總磷去除效果時，發現稀脈浮萍與少根浮萍1：2的處理對總氮去除效果最佳。所以在利用浮萍處理太湖水域氮、磷污染時，可以考慮不同種浮萍的共存，以達到最優處理效果。

浮萍不僅可以去除氮、磷污染，同樣可以用于重金屬修復。Rahmani研究表明，在初始Pb濃度為5 mg/L的水體中，小浮萍在維持自身生物量增長的同時對水中鉛的去除率達到90%以上。因此，在利用浮萍對太湖流域富營養化水體進行修復控制的同時，也可以在一定程度上去除工廠出水中的重金屬等污染，具有多重環境價值。

此外，研究表明不同品種浮萍對環境溫度的要求不同，相應的最適生長溫度不一樣。因此，在溫度稍低的春、秋季節應繼續對太湖流域浮萍資源進行相關調查，做到對不同季節太湖流域浮萍分布情況進行探究，以研究太湖流域浮萍種質資源與環境問的關系，為利用浮萍進行富營養化修復提供充足的理論依據。同時，在利用浮萍處理污水時，應充分考慮利用各地域當季的優勢浮萍，獲得最佳的水體修復效果和經濟效益。

2.2太湖流域浮萍種屬與生長水環境的關系

2.2.1浮萍種屬與水體pH值、溫度、溶解氧等關系從表2中浮萍生長的pH值范圍和中位數可以看出，少根紫萍適宜在中性的環境中生長，而紫萍適宜生長在偏堿性的水體中；相對而言，青萍在pH值6.34～8.78均有分布，其生長的pH值范圍更廣。從生長水體的溫度情況來看，浮萍生長水體的溫度范圍為28.1～38.1℃，其中青萍生長的水體溫度相對較高，為30.1～38.1℃。從溶解氧含量來看，紫萍和青萍生長水體溶解氧均值分別為5.3、5.5 mg/L，中位值為5.5、5.4 mg，/L，而少根紫萍相對較低，均值和中位值只有3.8、3.4 mg，/L。還可以看出，3個屬的浮萍均可以在不含氧的水體中生存，這可能是因為浮萍漂浮生長在水面上，可以接觸空氣中的氧，來滿足生長的需要。而個別點溶解氧值最高達到12.4 mg/L，這說明水體存在氧過飽和的情況，這可能與浮萍或其他水生植物放氧有關。此外，結合表1可知，此次采樣紫萍屬和青萍屬樣本數較多，少根紫萍相對較少，這可能是因為適宜紫萍和青萍生長的水體pH值范圍（6.34～9.0）較廣，紫萍和青萍的適應能力較少根紫萍強。

采樣過程中，還發現農田中經常會有浮萍存在，這可能是農民灌溉把浮萍從河灣水體轉移到了農田。農田生態系統過多施肥，會造成面源污染，進而隨雨水進入附近的河流、湖泊，進而加重水體富營養化。而浮萍可以去除水體的氮、磷污染，因此，浮萍的存在對農田生態系統氮、磷面源污染是否存在控制作用，值得探討。

2.2.2太湖流域浮萍種屬與水體氮、磷含量的關系 從表3可以看出，浮萍種屬不同，其生長環境的COD及水體氮磷含量存在一定的差異。從化學需氧量來看，青萍和少根紫萍生長水體的COD含量均值基本一樣，分別為79.87、78.21 mg/L，而紫萍生長水體COD均值為61.57 mg/L。我國GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的V類水COD值為40 mg/L，表明浮萍可以在污染較嚴重的水體中廣泛存在，這也是浮萍可以用于水體污染控制的一個原因。而且青萍生長水體的COD范圍廣于紫萍和少根紫萍，為2.2～345.5 mg/L，表明其對水體污染的適應性更好。可以將青萍作為一個目標植物，在利用浮萍治理水體富營養化的過程中予以優先考慮。

我國GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的V類水銨態氮濃度小于2.0 mg/L，從均值、中位數和范圍可以看出，太湖流域水體存在一定的銨態氮污染，部分水體相當嚴重，其銨態氮濃度最高達到19.67 mg/L。從表3水體銨態氮含量來看，少根紫萍生長水體銨態氮均值高于紫萍和青萍。其中，紫萍和青萍生長水體銨態氮含量相差不多，分別為1.85、1.70 mg/L，而少根紫萍生長水體銨態氮含量均值為2.60 mg/L。從太湖水體銨態氮范圍來看，少根紫萍和青萍分別為0.39～16.74 mg/L和0.28～19.67 mg/L，而紫萍相對較窄，為0.30～11.7 mg/L，這表明少根紫萍和青萍對銨態氮的耐受性更廣。研究表明當水體銨態氮濃度較高時，對浮萍的生長有抑制作用，因此在利用浮萍進行水體富營養化控制可優先考慮耐受性較好的少根紫萍和青萍。

從水體硝態氮含量來看，紫萍生長水體硝態氮均值高于青萍，青萍均值高于少根紫萍。其中，紫萍和青萍生長水體硝態氮含量相差不多，分別為1.72、1.55 mg/L，而少根紫萍生長水體硝態氮含量均值為1.11 mg/L。從太湖水體硝態氮范圍來看，紫萍為0.01～5.18 mg/L，而青萍和少根紫萍相對較窄，分別為0.01～4.38 mg/L和0.02～4.38 mg/L，這表明紫萍對硝態氮的耐受性更廣。從均值來看，3屬浮萍硝態氮均值低于銨態氮，這可能是因為采樣點多分布于居住區，多為村鎮，生活污水排放較多，造成水體有機質含量較高，而銨態氮存在于有機質氨化和硝化反應的初始階段，銨態氮含量較高表明水體受污染的時間較短。對少根紫萍而言，約有70%的采樣水體銨態氮含量高于硝態氮，而對青萍和紫萍而言，分別有70%和75%的采樣水體中硝態氮含量超過銨態氮含量，但并未發現浮萍分布與氮形態問的必然聯系。

從水體總氮含量來看，少根紫萍生長水體硝態氮均值高于紫萍，紫萍均值高于青萍。其中，紫萍和青萍生長水體硝態氮含量相差不多，分別為4.76、4.28 mg/L，而少根紫萍生長水體硝態氮含量均值為5.15 mg/L。從太湖水體硝態氮范圍來看，紫萍為0.10～10.42 mg/L，而青萍和少根紫萍相對較寬，分別為0.65～23.49 mg/L和0.78～24.62 mg/L，這表明青萍和少根紫萍對總氮的耐受性更廣。我國GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的V類水總氮濃度小于2.0 mg/L，而紫萍、青萍和少根紫萍生長水體總氮的中位值分別為4.18、4.05、3.97 mg/L，表明太湖流域水體存在較嚴重的氮污染，部分水體相當嚴重，其總氮濃度最高達到24.62 mg/L。這會引起太湖流域水體富營養化，威脅太湖流域生態系統的穩定性。

從水體總磷含量來看，3屬浮萍生長水體均值相差不多，在0.31～0.36 mg/L。而少根紫萍生長水體中總磷范圍相對較寬，為0.05～2.45 mg/L，紫萍和青萍分別為0.03～1.34 mg/L和0.03～1.20 mg/L，這表明少根紫萍對總磷有更好的適應性或者偏好。我國GB3838—2002《地表水環境質量標準》中的V類水總磷濃度小于0.4 mg/L，從中位值來看，超標水體不到一半，但部分水體濃度過高，甚至達到2.45 mg/L，這對水體富營養化的貢獻應當引起足夠重視。有文獻報道，當總磷濃度超過0.1 mg/L或總氮濃度超過0.3 mg/L時，藻類會過量繁殖。而經濟合作與發展組織（OECD）提出將平均總磷濃度大于0.035 mg/L作為富營養湖泊的一個考量標準，表明太湖流域水體富營養化較嚴重，應加大治理，確保良好的生態區功能。

從氮、磷指標總體來看，太湖流域總氮含量遠高于總磷含量，水體污染較嚴重，尤其是氨氮和總磷污染，應當引起當地相關部門的足夠重視，加大對該地區污染控制，確保良好的水體質量。可以考慮選擇優良浮萍品種，進行水體植物修復。Alaerts等研究表明，浮萍處理養殖廢水時，在水力停留時間21 d過程中對其TKN和TP的去除率可以達到74%～77%。Oron等研究表明，浮萍處理污水過程中可以獲得15 g/（m²·d）的高生物質量，蛋白質含量在30%左右。而且，利用當地浮萍資源進行生態修復，不僅可以控制水體富營養化，還可以進行高蛋白飼料加工，服務于養殖業，也可以用來獲得高淀粉產量，用于能源化生產，在保護環境的同時，促進當地居民收入，達到環境效益、經濟效益和生態效益的統一。

2.3太湖流域不同種屬浮萍淀粉含量

42株太湖浮萍株系的淀粉含量如表4所示（部分樣品未能在野外采集到足夠的生物量用于淀粉含量的分析測定）。從表4可以看出，青萍淀粉含量均值最高，為17.24%，而紫萍和少根紫萍淀粉含量均值分別為16.00%和14.95%。從淀粉含量范圍來看，青萍的淀粉含量范圍較廣一些，屬于Spirodela、Lemna、Landohia屬的浮萍淀粉含量范圍分別10.95%～20.62%、11.33%～23.27%、11.79%～21.16%。

從本次采樣結果來看，太湖流域浮萍野外環境下淀粉最高含量為23.27%，該浮萍為青萍。據Caicedo等研究，浮萍淀粉含量在3%～75%之間。而本次采樣中浮萍淀粉含量在10.95%～23.37%之間，并沒有采集到較高淀粉含量的浮萍株系。這可能與浮萍所處的生長環境有關，從表2和表3中太湖流域浮萍生長水體中營養成分及濃度來看，浮萍所處水體營養較為豐富，利于浮萍的生長；加上采樣時處于夏季，氣候條件（溫度和光照）也都比較適宜浮萍生長，而高淀粉浮萍株系往往出現在低溫、營養匱乏等逆境環境條件中。高淀粉的浮萍株系對浮萍的能源化利用具有至關重要的意義，可以嘗試從采集樣品中篩選馴化優良的浮萍株系，來探究太湖流域浮萍的生物質利用前景，并為之提供一定的基礎數據。

3結論與展望

3.1結論

本研究在太湖流域采集到的浮萍共3屬5種，分別為紫萍（Spirodela polyrrhiza）、青萍（Lemna minor、Lemna turionifera、Lemna aequinoctialis）和少根紫萍（Landoltia punctata）。其中，紫萍和青萍分別占到49%和37%，為該地區主要的浮萍種類，兩者或以共生方式存在，其次是少根紫萍，未見稀脈浮萍和品藻。

少根紫萍適宜在中性的環境中生長，而紫萍適宜生長在偏堿性的水體中；相對而言，青萍在pH值6.34～8.78均有分布，其生長的pH值范圍更廣。

太湖流域浮萍生長水環境中氮、磷含量范圍較廣，銨態氮、硝態氮、總氮和總磷質量濃度范圍分別為0.28～19.67、0.01～5.18、0.10～24.62、0.03～2.45 mg/L。尚未發現自然環境中浮萍的分布與水體氮、磷含量問的必然聯系。

太湖流域采集的浮萍株系淀粉含量在10.95%～23.27%之間，均值為15.95%，其中青萍含量最高，達到23.27%。太湖流域浮萍淀粉含量均值從高到低依次為青萍、少根紫萍和紫萍。

3.2展望

對未來浮萍的研究，應考慮充分利用浮萍生長速度快、對氮磷等去除能力強、易打撈等優點，篩選適合當地的優良浮萍株系并將其應用于太湖流域等富營養化水體的植物修復中；同時，考慮其作為生物質原料具有的高淀粉和高蛋白含量等特點，可進一步加工生產生物乙醇或高蛋白飼料，從而達到環境效益、生態效益和經濟效益的統一。