底棲動物與魚類環境中三種沉水植物對農村生活污水凈化效果的影響

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A

Abstract：Regarding rural domestic sewage，this study investigates the purification effects of three submerged plants on the water quality of rural domestic sewage under the environment of benthic animals and fish. Three representative submerged plants （Potamogeton crispus ， Hydrilla verticillata and Vallisneria natans） were selected，and different types of benthic animals and fish were introduced to investigate their impact on water quality purification. Experimental results demonstrate that under co-existing conditions of benthic fauna and fish assemblages，three submerged plant species exhibit superior removal efficiencies for TP，COD， NH₃ -N，and TN. In COD treatment，Vallisneria natans ，Hydrilla verticillata ，and Potamogeton crispus exhibit 15.95% ，11. 24% ，and 5.16% higher removal efficiencies，respectively，compared to the control group with fauna alone. All three species maintain TP removal rates exceeding 90% ，with Vallisneria natans achieving a TP removal rate of 97.88% . Regarding TN removal，Hydrilla verticillata gt; Vallisneria natans gt; Potamogeton crispus. Notably，Vallisneria natans achieves a 94%NH₃– Nremoval rate，while the Hydrilla verticillata group reaches 91% . The findings confirm the enhanced wastewater treatment performance of these plants in benthic animal-fish coexisting environments. Through entropy-weighted comprehensive evaluation incorporating six indicators （biomass accumulation，stem height increment，COD/TP/TN/ NH₃ -N removal rates），Vallisneria natans attains the highest comprehensive score （O.632），and the ranking of comprehensive scores for different plants was ： Vallisneria natans gt; Hydrilla verticillata gt; Potamogeton crispus. Vallisneria natans has stronger adaptability and purification potential. This research provides a theoretical basis for the subsequent construction of a practical application of the water ecosystem involving submerged plants-benthic animals-fish for treating rural domestic sewage.

Key words：aquatic ecosystem; submerged plants; benthic animals; fish； rural domestic sewage

0 引言

在人口持續上升、污染物排放增多以及污水排放標準更加嚴格的環境下，農村地區由于污水處理設施不夠完善和資金有限等因素，導致了農村污水處理率偏低于 10%^[1] .傳統的集中式污水處理設施在農村地區難以開展2]，因此選擇高效且適宜的處理工藝和運維方式，是處理農村生活污水的關鍵3].構建水生態系統處理農村生活污水既能降低經濟成本，又可以利用上邊坡、溝渠等非耕地空間與農村現有土地進行深度融合，有效利用農村土地.

構建水生態系統提升水體的自我凈化能力是解決農村生活污水處理問題的有效手段.植物是水生態系統的基礎，水生植物（挺水植物、浮水植物和沉水植物）的吸收、吸附及其根系微生物降解等途徑可去除水體氮磷污染物[4].底棲動物是水生態系統中作為不可或缺的組成部分，它們以浮游生物和有機碎屑為食，同時作為大型水生生物的食物來源，通過食物鏈傳遞能量，對維持水生態系統的生物多樣性有重要意義[5].

目前，部分研究發現底棲動物在水生態系統中具有凈化水質的功能.Elliott等[和Poulsen等[7]研究發現，底棲動物通過兩種生態機制參與水體的凈化：一方面，其生物擾動的行為可增強反硝化微生物的代謝活性，進而加速氮素污染物的轉化去除；另一方面，濾食性底棲動物通過鰓部過濾水體中的懸浮顆粒和浮游植物，能直接降低水中葉綠素濃度并增加水體透明度.Estragnat等8和Gette等[9研究了刮食型底棲動物田螺對水質的影響，結果表明田螺可以去除水中的藻類，并且對總氮TN、化學需氧量COD有一定去除作用.陳桐等[10]研究指出，對水體中投放鰱魚和鳙魚后對水質有顯著影響，當兩者的比例為 3：1 時，對 TN、 NH₃ -N和 ΔNO₃-N 的去除率分別達到 69.26%.66.39% 和66.57% .因此，將底棲動物和魚引入水生態系統可以在提升水體物種多樣性的同時還起到了凈化水質的效果.

本研究通過構建水生態系統，探究常見的處理污水的沉水植物[11-在底棲動物和魚類的協同作用下對水質的凈化效果.旨在篩選出適宜參與水生態系統凈化水質的沉水植物，從而為后續構建底棲動物與沉水植物水生態系統處理農村生活污水的實際應用提供了理論依據.

1實驗部分

1. 1 實驗裝置

實驗裝置位于室外苗圃，為避免雨水的干擾，構建了隔絕雨水的水生態系統裝置.裝置采用規格一致的10個 43cm 深、 .70cm 直徑的陶瓷水缸.基質采用 10kg 河沙層平鋪地面厚度大約 5cm ，并使用等量鵝卵石固定植物.

1.2 實驗材料

考慮到湖南地區的氣候環境等因素，實驗植物選擇苦草（Vallisnerianatans）黑藻（Hydrillaverti-cillata）和范草（Potamogetoncrispus）3種植物.實驗動物選擇不同的集食者鰱魚、鳙魚，濾食者河蚌和刮食者田螺.其中鰱魚、鳙魚購于市場，挑選長度為7～12cm. 河蚌采用的具體種類為背角無齒蚌，長度為 8.4±0.9cm ，重量為 79.5±4.23g. 田螺采用的種類為中華圓田螺，重量為 19.7±1.84g

1.3 實驗設計

實驗共設計三組實驗裝置，分別種植 200Π_g 的苦草、黑藻和范草，植物種植前充分洗凈，預培養7d后，挑選出 200g 生長狀況良好的植株用于正式實驗，每組裝置內的田螺和魚類數量以及填料均保持一致.同時設置僅有底棲動物和魚的空白對照組，每組設三平行，各系統配置詳見表1所示.運行時間為2023年夏季7月，運行時長28d，每7天進行一次水樣監測.實驗所用的污水取自苗圃內化糞池，其進水水質初始值如表2所示.

表1 實驗設計

1.4檢測指標及方法

水樣采集后，立即使用 0. 45μm 的水性濾膜進行抽濾，水質指標檢測方法參照《水和廢水監測分析方法（第四版）》[12].檢測pH值、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、總氮（TN）氨氮（ ΔNH₃- N）、和總磷（TP）.pH值和DO采用電化學探頭法；COD、TN、 NH₃ -N、TP分別采用重鉻酸鹽法、過硫酸鉀氧化分光光度法、納氏試劑分光光度法、鉬酸銨分光光度法.

1.5 數據統計

數據處理采用MSExcel2016、Origin2018、SPASS27.采用單因素方差分析（ANOVA）并且統計顯著性設置為p值 lt;0.05

2 結果與討論

2.1 不同植物生長狀況比較

從3種植物的生長指標（表3）來看，與實驗開始時相比，苦草和黑藻株高增幅和鮮重總增長率指標顯著（ Plt;0. 05） 高于范草.從鮮重增量比較可知，黑藻和苦草顯著高于范草（ Plt;0. 05） ，其中黑藻鮮重增量最高，達到 47.33g ，范草最低，僅為15.24g ，黑藻鮮重增量約為范草的3倍.對鮮重總增長率比較可知，變化趨勢與鮮重增量一致，其中黑藻 23.67% 為最高，菹草為最低，僅為 7.62% .從株高凈增幅比較可知，3種植物的變化趨勢與鮮重增量一致，也是黑藻和苦草顯著高于菹草（ Plt;0.05）.因此，從本研究的3種植物的生長指標來看，黑藻和苦草更具有優勢，其中黑藻最強.

表3植物生物量指標

注：英文字母代表不同處理之間的顯著性水平（ Plt;0.05）

2.2各系統中pH的變化情況比較

隨著實驗時間的增加，三種植物對水中 ΔpH 值的影響與對照組間存在顯著性差異（ Plt;0. 05^? ）（圖1），3種植物系統中的 ΔpH 值高于無植物對照組，其中苦草最高為8.97，對照組最高僅為8.11.

從時間的變化可知，各系統初始 pH 值均為7.62，3種植物處理組 pH 值上升趨勢明顯，且不同的植物處理間有差異，而無植物的對照組先下降后上升.3種植物處理組 ΔpH 值持續上升的原因可能為白天光照充足，植物生長狀況良好，較強的光合作用使其吸收了二氧化碳，然而水中的游離二氧化碳不足，植物只能通過碳酸獲取所需的二氧化碳，這一過程導致水體 pH 值升高，3種植物處理間的 pH 值差異也可能是由于三種植物的光合作用強度各有差異.

對照組未受到植物的影響，因此pH值明顯低于實驗組.在第7天時，對照組的 pH 降低至7.25，可能是由于鰱魚、河蚌、田螺等通過呼吸作用釋放CO₂ ，在缺乏水生植物的情況下， CO₂ 無法通過光合作用被吸收，導致積累并加劇酸化，溶解于水形成碳酸 ?H₂CO₃ ），從而降低 pH 值.然而，隨著實驗天數的增加，尤其到了14天后，由于初始進水中氮、磷含量較高，導致對照組水體中藻類繁殖，藻類通過光合作用消耗二氧化碳，進而引起 ΔpH 值上升.這一現象與況琪軍等[13]、歐丹玲[14]、隋昕等[15]的研究結果相一致.

圖1各系統 pH 值隨時間的變化

2.3各系統對DO濃度的變化比較

在實驗的第14天，從 6：00 開始不間斷的測量了四個系統的 24h 內的DO變化情況.通過比較不同系統泥水界面在 24h 內的DO濃度變化情況（圖2）可見，各個植物系統在 14：00～22：00 時DO濃度都在對照組之上變化趨勢一致，在早上6：00 時的溶解氧含量最低，苦草、黑藻、范草三組溶解氧含量分別為 0.95mg/L，1.14mg/L， 1.13mg/L ，對照組的含量為 2.12mg/L ；然后隨著光照強度的增加，各組的溶解氧含量逐漸升高，在 18：00 幾個系統的溶解氧都達到了一天中的最大值，此時三個系統的溶解氧與對照組間顯著差異0 ?plt;0. 05? ，溶解氧含量苦草最大 7.55mg/L ，黑藻 6.24mg/L 次之，菹草 4.9mg/L 最小，對照組僅為 3.27mg/L.18：00 點之后隨著光照強度降低，植物和底棲動物呼吸作用開始消耗水中溶解氧，所以含量迅速下降，直至第二天上午 6：00.

三組植物系統的水中溶解氧晝夜波動較大，可能是由于日間太陽照射促使沉水植物進行高效光合作用，其完全浸沒水下的生長特性和與水體較大的接觸面積為氧氣釋放提供了理想條件，使得光合作用所產生的大量氧氣可以直接釋放到水中.當光合作用的產氧速率超過消耗呼吸好氧速率時，導致了水體溶解濃度持續提高，至 18：00 水中積累的溶解氧達到日峰值.而在夜晚由于底棲動物和魚類也參與了呼吸作用，增加了水體中溶解氧的消耗負擔，用植物系統在夜晚溶解氧濃度大幅度減少[16].

未種植植物的空白系統由于只受到魚類和底棲動物的呼吸作用的影響，缺少來源于植物光合作用產生的氧氣，水體中的溶解氧來源少，在一天內的濃度波動變化小.總體來看在 6：00 以后溶解氧含量小幅度上升， 18：00 以后也開始緩慢下降，這可能也是由于空白系統中有藻類生長，而藻類的光合作用導致了溶解氧有小幅度變化[14].

圖2各系統在24小時DO的變化

2.4各系統對COD去除效果比較分析

各系統原水中COD的初始濃度為 216.9mg/L 各系統對COD去除如圖3所示，運行28d后，苦草組、黑藻組、范草組對COD的處理率分別為86.16%.81.45%.75.37% ，苦草對COD的去除率最高.三種不同植物組之間的COD去除率沒有顯著差異（ （Pgt;0.05） .苦草組的COD去除率顯著高于對照組（ ?Plt;0.05） ·僅添加動物的空白對照組對COD的凈化雖有效果，但是處理率明顯低于其它三組種植沉水植物的系統，說明雖然河蚌、田螺和魚類對COD有一定的去除效果，但在未種植沉水植物的表現下，其處理效果并不佳.

沉水植物能為微生物微環境并改變微生物群落結構[17]，依靠微生物轉化污染物，從而起到凈化水質的效果.通常情況下，COD的去除被認為是一部分有機物被基質所吸附，而被微生物所利用；而另一部分有機物的降解和轉化主要是依靠微生物的活動，直接被微生物所吸收分解轉化成二氧化碳和無機鹽，最終被植物吸收[18].本研究中3種植物在底棲動物和魚的作用下生長狀況良好，可能導致了根系微生物大量繁殖，從而對COD有著較好的去除效果.而3種植物的較強的光合作用使其根際泌氧，導致基質中的溶解氧含量增加[17，進一步促進了夠降解COD微生物的生長，從而增強了污染物的去除效果[19].

研究結果顯示苦草和黑藻都對COD有 80% 以上的去除效果，這與張倩妮等[20]對29種水生植物對污水凈化能力的研究結果基本一致.

圖3各系統COD去除率（英文字母代表不同處理之間的顯著性水平， ）

2.5各系統對TP的去除效果比較分析

各系統原水中TP的初始濃度為 2.01mg/L. 從各系統對TP去除效果（圖4）來看，所有系統運行穩定，均表現出較強的除磷效果，運行28d后的去除率均在 90% 以上.苦草的除磷能力最優秀，對磷的去除率是最高 （Plt;0.05） ，達到了 97.88% ；黑藻組與范草組的去除率分別為 91.4% 和 90.07% ，稍弱于對照組 （93.23%） ，比對照組低了 1.83% 和 3.16% 3種植物種僅有黑藻組與對照組間并沒有表現出差異性 ?Pgt;0.05） ，這可能是對照組中藻類生長造成的，有研究表明植物對藻類有抑制作用21」，所以沒有種植植物的對照組中藻類較多，而磷是藻類生長所需的營養元素，其生長時吸收了部分磷，導致對照組對磷的去除率高于苦草組和范草組.

總磷去除主要通過三種途徑：植物根系的生物吸收、微生物群落的降解轉化和基質材料的物理化學吸附[22.23].有研究表明，在對磷的去除過程中，植物直接吸收的貢獻率相對有限，而基質吸附被證實為除磷的核心途徑[24].本次實驗所用的是全新的基質，所以具有更好的吸附效果.底棲動物在生命活動的時候，會使溶解氧和有機質深人滲透進沉積物中，加快了磷在沉積物與水體之間的交換速率[25]，這可能也是3種植物系統和對照組都取得較好除磷效果的原因.雖然河蚌和田螺兩種底棲動物的活動雖然會對基質產生較大的擾動，使得部分沉淀吸附在基質中的磷會重新回到水體當中；但是動物活動的同時也會使基質中有機磷的含量提高，使得磷在基質中逐漸累積[26]，從而促進了植物的吸收和基質的吸附.

本研究表明，苦草在總磷的去除方面展現出顯著優勢.苦草可能是本身對TP的處理效果較好[14]，所以對TP處理率比其它植物較高.黑藻和菹草兩組處理率低于對照組的原因，可能是由于底棲動物活動劇烈導致基質中的磷重新回到水體當中，而對照組中沒有植物，水體中的溶解氧含量較低，導致底棲動物活性降低，生物擾動沒有不強烈，限制了磷的二次釋放，從而使得黑藻和范草對總磷的處理率低于對照組.

圖4各系統TP去除率（英文字母代表不同處理之間的顯著性水平， Plt;0.05 ）

2.6各系統對TN和 ΔNH₃-N 的變化和去除效果比較分析

根據各系統對TN去除效果（圖5（a））可知，運行28d后，處理效果黑藻組 gt; 苦草組 gt; 空白組 gt; 菹草組.黑藻組的去除率達到了最高值 82.64% ，苦草、范草、空白組分別為 81.87%.75.16% 和 75.47% ；黑藻組和苦草組表現出較好的TN處理效果，處理率都達到80% 以上，比對照組高出了 7.14% 和 6.4% ，且與范草組、空白組之間具有顯著性差異 （Plt;0.05） ！

從圖5（b）所示的各系統28天的總氮變化趨勢來看，實驗初始總氮含量為 16. 89mg/L. 在前14天水中TN含量迅速下降；14天后各組的降解速率逐漸變緩.其中苦草與黑藻的降解速率較為一致，在前21天苦草組的總氮含量均高于黑藻組；但在第28天時，黑藻組水中總氮含量為 2.93mg/L .比黑藻組低 0.13mg/L ，從而最終黑藻的去除率比苦草高 0.77% .而范草組的總氮含量始終高于對照組，最終范草組和對照組的總氮含量分別為4.2mg/L，4.13mg/L.

水生態系統去除TN主要依靠微生物脫氮[27]和植物吸收[28，29].河蚌通過呼吸作用通過消耗基質微環境中的溶解氧，促使局部氧濃度顯著下降[30]，這種厭氧環境下激活反硝化細菌的代謝活性，有效加速了氮的轉化去除過程.在底棲動物和魚類的環境下，有利于各種微生物的繁殖和生長，這加快了硝化作用和反硝化作用，可以調節并強化植物對氮的吸收[31]，從而加快了總氮的去除效率.底棲動物為3種植物對總氮吸收提供了重要的條件，所以本次的研究3種植物對TN的處理率較高，均具有 75% 以上總氮去除率，這一結果與羅虹2利用田螺與植物共同處理富營養化河水時獲得較高的總氮去除率的研究結果一致.苦草和黑藻在底棲動物的作用下，對總氮的去除效果更為明顯.

從圖5（c）所示的各系統對 ΔNH₃-N 的去除效果可知，運行28d后各組對氨氮的去除效果苦草組94%gt; 黑藻組 91%gt; 范草組 87%gt; 空白組 82% .3種植物對氨氮去除率均在 85% 以上且與對照組有明顯差異（ ΔPlt;0.05） .苦草對氨氮的處理效果比黑藻高 3% ，但沒有表現出差異性 ?Pgt;0.05）

從28天的氨氮含量變化情況（圖5（d））來看，原水中 ΔNH₃-N 的初始濃度為 8.12mg/L. 氨氮變化的總體趨勢與總氮一致，各組在前16天的降解速率最快.在前21天，黑藻組的氨氮含量低于苦草組；到第21天時，兩者的含量相差不大；21天后由于苦草對氨氮的降解速率更快，導致在第28天時苦草組中氨氮含量最低為 0.49mg/L ，黑藻組為 0.73mg/L ，范草組和對照組分別為 1.07mg/L.1.47mg/L.

污水中 ΔNH₃-N 的去除，主要通過硝化細菌在有氧條件下將氨氮轉化為硝態氮，然后反硝化細菌將硝態氮進一步還原為 N₂ ，從而實現對氨氮的去除[33].在這一過程中， N₂ 對植物脫氮也有一定的調節功能，從而促進了系統中植物對氮的吸收[34.此外，有學者的研究表明[30.35]底棲動物生物擾動產生的孔隙可促進NH₃ -N的滲透，強化基質吸附和硝化與反硝化過程，使得3種植物對 ΔNH₃-N 的去除率均有 85% 以上.在自然狀態下，鰱魚和鳙魚的攝食使水中氨氮濃度降低[36]，而屬于濾食動物的河蚌，在其腸道中有大量的反硝化微生物，可以在腸道中進行反硝化作用，在一定程度上對氨氮進行去除[3.并且河蚌外殼的體表面具有富含硝化微生物的生物膜1，在適宜的溶解氧濃度下，會促進氨氮的去除.河蚌、田螺活動使得基質松動從而增加了植物系統中的溶解氧含量上，而氨氮去除效率與溶解氧消耗量成正比[38]，從而增強了植物對氨氮的處理.本研究的對照組中魚類和底棲動物直接吞食轉化一部分氨氮，并且底棲動物又強化了微生物的硝化反應來提高 ΔNH₃-N 的去除率39」，所以沒種植植物的系統也取得了較好的氨氮處理效果.

（a）TN去除率圖（英文字母代表不同處理之間的顯著性水平， Plt;0.05：

（b）TN變化圖

（c） NH₃ -N去除率圖（英文字母代表不同處理之間的顯著性水平， Plt;0.05

圖5各系統 NH₃ -N 和TN變化及去除效果2.7 植物綜合評價

對三種植物的生物量增長量，株高增幅，COD、總磷、總氮、氨氮去除率進行綜合比較分析.首先使用熵權法4°通過計算確定各指標的權重占比（表4）.

熵權法計算6個指標的權重結果為：生物量增長量 16% ，株高增幅 18.9% ，COD去除率 16% 、TP去除率 17.3% 、TN 去除率 15.8% 、 ΔNH₃-N 去除率 16% ：

得到各指標權重信息后，分別計算不同植物的生長狀況的綜合得分情況（表5），苦草0.632，黑藻0.504，菹草0.342，根據綜合得分進行排序，苦草gt;黑藻 gt; 范草，綜合得分最高的為苦草.

表4指標權重計算表

表5TOPSIS綜合評價法計算結果

3結論

本研究選擇了3種具有代表性的沉水植物黑藻、范草和苦草，通過在系統中添加攝食類型的底棲動物河蚌田螺以及鰱鳙魚，考察了不同植物在底棲動物和魚類的環境下對水質的凈化效果.結果表明，在系統中黑藻平均生長速率最大，其次是苦草.各系統的 pH 至都呈上升趨勢， 24h 內水中的溶解氧變化明顯，苦草對水中溶解氧影響最大.在對水質凈化效果方面，苦草對COD的處理效果最好達到了最高的 86.16% ，其次為黑藻 81.45% ;苦草對TP的去除效果顯著，去除率達到 97.88% ，顯著優于黑藻和范草以及對照組；3種植物對TN的去除率大小順序為：黑藻 82.64%gt; 苦草 81.87%gt; 菹草 75.16% ；對ΔNH₃-N 的去除率苦草 94%gt; 黑藻 91%gt; 菹草87% .對3種植物使用熵值法計算確定6個指標的權重，根據綜合得分進行排序，苦草 gt; 黑藻 gt; 范草，苦草的綜合得分最高，適應性和水質凈化潛力在3種植物中最佳，適用于凈化農村生活污水.

由于本次研究是在陶瓷缸內靜水狀態下進行，使得沉水植物的生長、魚類和底棲動物的活動空間也受到環境的限制.而自然界的水生態系統受到光照和降雨量等因素的影響，水體中的污染物被植物吸收、動物同化、微生物轉化和基質吸附的效果與靜水環境下有所不同41.本研究雖然存在一定的局限性，但證實了沉水植物苦草對農村生活污水的生態凈化潛力.為構建沉水植物-底棲動物-魚類水生態系統處理農村生活污水的實際應用提供了理論依據.

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【責任編輯：蔣亞儒】