海馬齒凈化海水養殖廢水生態效益分析

黃金穎，樂 韻，滕麗華，朱奕婷，何 琦

(1.浙江萬里學院 生物與環境學院，浙江 寧波 315000；2.寧波市海洋與漁業執法隊，浙江 寧波 315012)

近年來，海水養殖成為近海污染的重要原因之一，水體富營養化與高鹽度使生態系統失衡、赤潮頻發、病害滋生，遠遠超出水體的自凈能力，嚴重阻礙海水養殖業的發展[1]。目前國內外采用物理、化學、生物方法修復海水養殖廢水，但在體量大、污染重的海水養殖廢水中大多數污水處理方法無法滿足；部分技術所需設備價格高、壽命短、操作難度大，從而導致凈化水質成本較高，大眾化程度低[2]。

海馬齒(Sesuviumportulacastrum)屬于番杏科，海馬齒屬，是一種生長在海邊沙地及河流入海口兩岸灘涂地帶的多肉植物。由于海馬齒具有發達的根系與較強的耐鹽特性，生命力強，繁殖迅速，常被用于生態修復，特別是海水養殖廢水的治理。海馬齒不僅可以有效地去除水體中的氮、磷污染物，還可以吸附大分子懸浮顆粒物與重金屬離子，使水體澄清。在營養價值方面，海馬齒也是一種綠色保健類植物，其氨基酸、礦物質種類豐富，且含高蛋白、低脂肪與β-胡蘿卜素，可作為烹調食品；其藥用價值體現在富含萜、烯以及一些揮發性油類物質，臨床上證明對發燒、壞血病等病癥有很好的療效，具有較大的開發利用價值[3]。公開發表的關于海馬齒植物的研究文獻，多集中在海馬齒對于高鹽分、干旱極度惡劣條件下的存活率與對其本身的特性研究，如營養保健價值、與其他植物協同修復水體的效果等，而關于海馬齒凈化水體，特別是對海水養殖廢水的研究較少。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

本試驗使用的海馬齒于2021年9月27日上午采集于廣東省湛江市徐聞縣后灣海域，海馬齒形態為完整的長條狀，保留葉子和8 cm左右的莖，摘除發黃、老死葉片，在試驗進行前，對處理后的植物用蒸餾水清洗，再用配制濃度為1‰高錳酸鉀溶液浸泡3 h消毒處理，之后再用蒸餾水沖洗干凈，移至圓形實驗桶進行水培，同時保持增氧泵曝氣，直至植株長出水生根。查閱文獻[4]后，將海水養殖尾水水質設置如下：pH值為7.5～8.5，鹽度為15.0‰～20.0‰，總氮35～40 mg/L，總磷5.5～6.2 mg/L；試驗過程中不換水，只補充因蒸發和采樣而損失的水分。試驗共10組，向圓形實驗桶中分別加入5 L事先配制好的海水，1#、2#、3#組為正常的海水養殖廢水的海馬齒空白組，4#、5#、6#組為不同梯度濃度的TN試驗組(TN20、30、50)，7#、8#、9#組為不同梯度濃度的TP試驗組(TP3、15、20)，10#組則作為空白對照組。每隔三天測定各組水質相關指標，并計算分析污染物去除率與其生物指標的相關性，同時根據水箱水量蒸發情況，用含鹽的蒸餾水進行補充，以維持水體總體積和鹽度條件不變。

本試驗裝置主體主要由塑料定植籃(直徑為7 cm)、海綿、園藝鐵絲(修剪為若干15 cm長的鐵絲段)組成。將園藝鐵絲搭建組合為井字型擱置在塑料桶上，從而起到固定塑料定植籃的作用，一個桶中交錯放置4個定植籃，每個定植籃中用海綿固定4根長勢相同的海馬齒莖段，組合固定性強，不污染水體，能保證植物的直立與根系的正常生長。

1.2 指標測定方法與數據處理

污染物去除率C按照公式(1)計算:

公式(1)

式中：C0代表污染物初始濃度，C1表示取樣測定的污染物濃度。

2 結果與討論

2.1 水質指標去除率

2.1.1 各處理組對TP的去除效果 海馬齒對海水養殖廢水中總磷的去除試驗結果見圖1。結果表明：試驗39 d后，海馬齒對7組海水養殖廢水中的總磷均有一定的凈化效果，1#到7#組模擬海水養殖廢水的總磷含量分別下降至0.913、0.466、0.986、1.966、0.566、4.106 mg/L和10.566 mg/L，總磷去除率由大到小為：TN20(96.720%)>空白(93.695%)>TN30(92.689%)>TN50(85.693%)；TP3(95.089%)>空白(93.695%)>TP15(73.554%)>TP20(35.909%)。其中TN20組去除率略高于空白組、TN30組去除率與空白組大致相同、TN50組去除率略低于空白組；明顯可見，TP3組去除率在21天前快速上升并在21天達到飽和并趨于穩態、TP15組去除率大于TP20組但遠小于空白組，且其在39天時仍呈現出上升趨勢。由此可知高磷環境下海馬齒的除磷效率不高，而在高氮條件下影響較弱。

海馬齒的根系會吸收水體中可溶性活性磷，并且其發達的根系能為微生物的生存提供空間，在好氧和厭氧條件下，磷細菌能將有機磷化合物轉化為簡單的可供植物及微生物吸收的磷化物，促進磷的遷移轉化，從而提高凈化效率[11]。史莉等[12]研究表明，無機磷也是植物生長所必須的營養物質。污水中的無機磷在植物的吸收和同化作用下，被合成為ATP、DNA和RNA等有機成分。在35天時，TP去除率出現了小幅度降低現象，可能是植物自身吸收磷達到階段性飽和后，向污水中釋放一部分磷；也可能是在根系內部局部出現厭氧環境，而導致無機磷的釋放[13]。

2.1.2 各處理組對COD的去除效果 各處理組中的CODMn均呈下降趨勢(見圖2)，去除效果良好。空白組去除率先上升，到15 d后波動趨于平衡，去除率為73.47%；TN變量組總體趨勢與空白組相同，但是TN50的去除效率略低于空白組，為65.12%；TP變量組總體趨勢與空白組相同，其中最小值TP15的去除率為68.02%。總體上看，各組前期出現快速上升，后期CODMn含量呈波動變化，總體比前期穩定，這可能與系統中植物根系的生長情況有關，并且在海水養殖廢水中高氮和高磷環境對COD的去除率有降低作用，但影響甚小。COD的凈化主要是植物吸收作用以及微生物降解作用，并且COD的降解主要是由微生物活動而不是植物活動主導的，在植物根系上棲息的微生物加速了其周圍有機膠體的分解[14]。植物自身吸附、截留及過濾作用較強，使得水體的含氧量維持較高的水平，為微生物生長提供了適宜繁殖的場所，增強其降解轉化作用，促進COD的凈化效果。也有研究表明，與微生物較少的空白組相比，種植水生植物的處理具有更大的COD去除優勢，主要是由于植物根區的微生物在降解過程中，會隨著植物根系的生長而形成生物膜，增強對有機物質的降解效率與捕獲能力[15]。

圖1 TP去除率的時間變化

圖2 COD去除率的時間變化

2.1.3 各處理組對氨氮的去除效果 海馬齒對海水養殖廢水中氨氮的去除試驗結果見圖3。結果表明，在0～1 d時，水中空白組的氨氮濃度劇增，而其它各組濃度基本不變，可能前期微生物生長不穩定導致水體中有機物含量波動較大，微生物的分解作用釋放出部分可溶性有機氮(主要為氨氮)，提高了污染水體中的氨氮含量，造成試驗前期氨氮濃度呈大幅度上升的趨勢。在1～28 d時，海馬齒對氨氮進行吸收，各組氨氮去除率均波動上升，其中坡度大小為TN50>TP15>TP20，主要通過好氧反硝化菌的作用[16]，廢水生物脫氮，氨氮濃度出現較大幅度的下降趨勢，最后各處理組中氨氮基本去除，且在高氮或高磷環境下與在同一時段內海馬齒對氨氮的去除效果相對滯后。試驗運行期間，各處理組對氨氮的去除效果極佳。研究表明[17]海馬齒對氨氮的去除主要是通過微生物的作用，水中的有機氮可通過微生物的氨化作用轉化為氨氮，再經硝化作用轉化為硝態氮，進一步被反硝化細菌通過反硝化作用還原成氣態氮從系統中去除。高氮或高磷環境下的滯后效應，可能與系統內的微生物與其分泌的生物酶活性有關，也可能與海馬齒的環境適應性有關。

圖3 氨氮去除率的時間變化

2.2 生態效益分析

2.2.1 葉綠素含量 葉綠素是作物進行光合作用和吸收光能的主要物質，其含量的高低直接影響光合產物的積累，也是反映作物氮素營養狀況的重要指示器。由圖4可知，各處理組海馬齒在試驗初期(1～19 d)葉片中的葉綠素a+b含量均減少，可能是植物在接受光能后，葉綠素會進行激發態與穩定態切換，從而散發出化學能、熱能、葉綠素熒光，污水中的離子毒害并誘導合成了特異性蛋白，進而抑制了葉綠素的合成[18]。但海馬齒隨著鹽污水脅迫時間的延長(第38天)，海馬齒葉片中的葉綠素含量能恢復到淡水澆灌的水平。葉綠素是光合作用的關鍵色素，其含量的高低直接影響植物光合作用效率的大小。彭存志等[19]研究發現，海馬齒在鹽脅迫環境下，可以通過維持光系統復合體的穩定性，提高光化學反應速率；或者是通過增加熱耗散從而提高光能利用，降低過剩光能帶來的傷害，維持光合系統不受損害，這也暗示了植物面臨極端條件時，植物激素參與調節，增強適應性。并且在高氮或高磷極端條件下，海馬齒的葉綠素含量無顯著影響，而在低氮條件下葉綠素含量相較其他組最高，達到了0.271 2 mg/g，其可能是因為過量的氮供應會使植物葉片中用于光化學反應的光子能量減少，光化學反應受到抑制；也可能是過量氮環境使植物葉片表觀量子效率明顯低于適量氮環境的植物葉片，使得凈光合速率降低，進而導致光合生產力下降[20]。

圖4 各處理組的葉綠素含量

2.2.2 根系活力 根系活力可以客觀反映出根系的生命活動，在逆境下根系表現出的生理特征和形態最能反映植株受到的脅迫程度。由圖5可知，隨著時間增加，各組根系活力隨之升高。空白組中根系受海水養殖廢水脅迫，呼吸作用等生理活動增強，在第38天時空白組相較于其他各組，根系活力最高，達到88.5 mg·g-1·h-1。根對污染物的吸收，不是一個簡單的擴散過程，它可以有選擇地大量累積某些離子，這個過程是通過交換吸附而進行的。并且根系分泌的有機酸、糖、酚及各種氨基酸等物質可以調節根際微生態功能，從而提高根系對養分的利用吸收和極端環境的適應能力[21]。

在TN組中，中氮環境創造了良好的根際環境，具有比高氮和低氮環境根系活力強、根細胞結構完整的特點，可以得出適量的氮含量更利于根系活力增加的結論，這與徐國偉等[22]研究一致。在TP組中，適量的磷能促進海馬齒根系的蛋白質含量和硝酸還原酶活性增高，使其持續保持著較強的根系活力，而高磷和低磷環境導致海馬齒的根系活力增加較少，不利于根系的生理代謝，加速根系衰老，從而抑制海馬齒生長[23]。其增長趨勢可能是與其較強的根系氧化能力和較高分泌含量所形成的強根際的酸化能力有關。

圖5 各處理組的根系活力

2.2.3 含鐵量 海馬齒含有種類豐富的礦質元素，以Na和K為主，Ca、Mg和P次之,I、Mn、Fe、Zn、Cu、Se依次降低。Fe為重要的微量元素，但若超出一定的量，則會影響人體健康，且海馬齒的重金屬含量較為合理，控制在可允許的范圍內，符合綠色食品的標準。由圖6可知，各組Fe2+含量在時間增加下均減少，可能是因為海馬齒為了適應高鹽環境，根系形成大量的通氣組織，將莖、葉光合作用及氣體交換作用獲得的氧氣運輸到根系，通過根系泌氧向根區沉積物釋放氧氣，根際沉積物中還原性的Fe被氧化，在根表形成鐵膜，使大量的Fe附著于植物根系附近，影響了重金屬的遷移和轉化[24]；也可能是由于高鹽廢水使得根表細質膜上的鐵還原酶和抗氧化酶活性降低，抑制了遷移到根表的Fe3+還原為Fe2+，削弱了輸送蛋白進入細胞的能力，而使海馬齒含鐵量下降。以上分析與試驗結果中的海馬齒鐵含量未大幅度降低一致。

缺鐵可引起植物體內的氧化傷害，這是由于鐵是多種抗氧化酶的輔因子，缺鐵降低了抗氧化酶活性，從而引起活性氧的積累，這也是影響葉綠素含量前期下降的重要因素之一[25]。由圖6可知，在高磷高氮環境下，植物體內Fe2+含量明顯減少，可能是由于鐵的吸收總量受到生物量的影響，而生物量直接受到環境中氮、磷含量的限制，進而影響其含量。造成植物鐵下降的原因有很多，往往是多因素綜合起作用。許多試驗表明缺鐵的葉片及組織中含磷較高，且多數學者認為磷影響鐵的代謝和利用，鐵與磷共沉淀于葉脈—葉肉結合組織，使鐵不能參加代謝活動，磷吸收過多時，形成的磷蛋白多，鐵則束縛在磷蛋白上，從而也影響了鐵的利用[26]，并且在高氮環境下，會導致根際pH值升高，從而導致鐵的有效性降低。

圖6 各處理組的鐵含量

3 結論

海馬齒的葉綠素含量隨著時間的增加均先升高后降低，兩者最終含量為0.20 mg/g；根系活力逐漸增高至85.85 mg·g-1·h-1，含Fe2+量逐漸降低至2.92 μg/g。其中高磷或高氮環境使根系活力與含Fe2+量明顯低于空白組，分別為修復后空白組的41.20%、49.27%與78.75%、80.09%，對于葉綠素含量變化趨勢無顯著影響。

海馬齒栽培簡單，營養價值高，對海水養殖廢水修復能力強，是值得開發利用的天然海洋植物。

在39 d后水體中無機氮總量為0.26 mg/L，低于0.30 mg/L，已經達到《海水水質標準》(GB 3097-1997)中的二級標準，但TP含量為0.91 mg/L，高于0.30 mg/L；COD27.47 mg/L，高于3.00 mg/L，未達到二級標準。特別是COD的含量偏高，可進一步引進膜滲透技術、高級氧化技術等深度凈化尾水。