卢晓明,陈建军,赵 丰,张 勇

(1.温州市农业科学研究院生态环境研究所,浙江温州 325006;2.华东师范大学 资源与环境科学学院,上海 200062)

水生植物的生理状况与它们的净水效果紧密相关.目前,研究水生植物净水效果的报道较多[1-2],但同时考察其生理状况的尚少.抗性酶 POD、CAT活性与植物对逆境的耐性密切相关[3-4],叶绿素(Chl)、可溶性蛋白(SP)质量浓度与植物光合作用关联紧密,而光合泌氧直接关联污水的净化,SP质量浓度是反应植物生理状况的重要指标.植物栽植密度是运用植物净水技术处理污染河水时必须妥善解决的重要问题.研究植物生理特性的自然变化规律及其与水质变化的内在关联可为污染河道生态修复工程提供理论依据.本研究运用睡莲现场处理城市黑臭河水,初步探讨了植物生理特性日变化与污水脱氮除磷的关系,同时分析了栽植密度对植物生理特性及净水效果的影响,旨为开发观赏水生植物修复城市黑臭河水提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 装置构建与植物培养

工业河为位于上海市普陀区桃浦镇境内的一条断头浜,水体黑臭,水质常年属劣五类.采样当天水质:ρCOD=168.45～ 185.76mg/L;ρBOD=61.34～ 67.45mg/L;ρ(NH+4-N)=29.83 ～ 33.17mg/L;ρTN=50.48 ～ 52.69mg/L;ρ(溶 P)=0.144～0.146mg/L;ρTP=0.228～0.240mg/L;pH=7.9～8.5.试验装置 (见图 1)由 1个平衡水箱(上部 1 500mm×1000mm,下部 1 450mm×950mm,深 600mm)和 10个净化槽(上部 1 240mm×620mm,下部 1150mm×550mm,深 760mm)组成.平衡水箱设有溢流管用来平衡水位,使 10个净化槽进水均匀.各净化槽末端出水管高程将槽内水深控制在 0.6m.每个净化槽中间用隔板隔开,留出离槽底高约 20 cm的过流断面,以防净化槽内河水短流.k1/4代表植物栽植密度为 6.5棵/m2水体面积的净化槽,k1/2代表植物栽植密度为 13.0棵/m2水体面积的净化槽,k1/1代表植物栽植密度为 26.0棵/m2水体面积的净化槽.各净化槽连续进、出水,水力停留时间(THR)设为 8 h.选取大小均匀(高约 10 cm)的睡莲幼苗,分别在 3个净化槽(k1/4、k1/2、k1/1)中水培,栽植密度(棵 /m2水体面积):6.5、13.0、26.0,每个密度各设 3个平行槽,另设空白槽对照(CK).采用黑臭河水,水培 162 d(2008-02-26—2008-08-06).试验装置设在露天现场,且周边无高大建筑、树木.

图1 净化装置平面示意图Fig.1 Sketch of purifying-tanks

1.2 植物样采集、水质监测与光强测定

试验选择同一天(晴天)中集中采样开展睡莲生理特性日变化及其与河水水质关系的初步研究.

2008-08-06,晴,气温 28～37.8℃.在各净化槽生长旺盛的植物(均有 2片或 2片叶以上)样中分别随机选定 5棵,按不同时间从每棵选定植株上采取根(须根)、叶片(最上叶)各 0.40 g;从各净化槽出水口处采集对应时间的水样,用标准方法[5]分析水质;用 TPS-1便携式光合测定仪(英国 PP-Systems公司)测定对应时间的光强;用卷尺与游标卡尺测定选定植株的根(主根)、茎、叶(最上叶)的长度,各取均值;测定植物生物量(干重)与各净化槽的植物根密度及分蘖数,各取均值.

1.3 植株的氮磷质量浓度与叶片叶绿素(Chl)质量浓度及酶液提取

经过自然风干的植物样,于 80℃下烘 48h至恒重.烘干的植物材料先用硫酸-高氯酸消化,然后分别采用靛酚蓝比色法、钼锑抗比色法测定氮磷[6];用 Heged等[7]提出的方法测定 Chl(Chla,Chlb)质量浓度,并作以下改进:取 0.05 g植物叶片加入 80%丙酮溶液,浸提 24 h后分光光度计测定浸提液的吸光值;取 0.30g植物新鲜叶片在预冷的磷酸盐(pH7.8)中匀浆,4℃下13 000 r/min离心 30min,上清液即为酶液提取液.

1.4 可溶性蛋白(SP)质量浓度与酶活测定及数据统计分析

根据 Bradford的考马斯亮兰法测定 SP质量浓度[8],用牛血清蛋白作标准曲线.CAT活性测定采用 Rao等[9]紫外分光光度法.POD活性测定采用愈创木酚法[10].利用 SPSS 15.0软件分析植物生理特性日变化与污水脱氮除磷的相关性系数,独立样本的 t检验法分析不同栽植密度净化槽中植物生理特性差异显著性.

2 结果与分析

2.1 不同栽植密度净化槽的植物生理特性日变化

图2表示不同净化槽中的植物根组织 POD、CAT活性日变化,图 3表示不同净化槽中的植物叶片 SP质量日变化,图 4表示不同净化槽中的植物叶片 Ch1质量日变化.表 1表示阳光强度日变化,表 2表示不同净化槽中的植物部分生理特性的比较.图 2～4与表 1～2表明,随着阳光强、弱变化及对应的气温高、低变化,相同净化槽中植物的根组织 POD、CAT活性与叶片 SP、Chla、Ch lb质量浓度呈升、降变化.在10:00— 14:00时段,POD、CAT活性与 Chla、Chlb、SP质量浓度略高于其他时段;Chla、Ch lb、SP质量浓度日变化呈双峰型,峰值约在 12:00和 14:00,在 13:00左右由于过强的阳光与高温,导致植物光合午休,其质量浓度分别较 12:00和 14:00减小,但此时强阳光与高气温使植物的蒸腾吸收作用更加强烈,植物从污染水体中吸入更多的可溶性污染物离子,导致植株体内的抗性酶 POD、CAT表现出更高活性(见图 2).较高栽植密度的净化槽中,植物根组织 POD、CAT活性较弱,而叶片 SP、Chla、Chlb质量浓度较高,植株形态、生物量、分蘖数量较大,植物氮磷质量浓度、根密度较高.由于较高栽植密度的净化槽,植物泌氧总量较多,导致污水 DO质量浓度较高,利于兼、好氧微生物分解、转化污染物,使植物受污水胁迫较轻,利于植物生长.表 3表示不同栽植密度对植物生理特性的影响.植物栽植密度影响植物生理特性的差异显著性检验结果如表 3所示.

随着栽植密度的增加,高栽植密度净化槽中植物的生理指标与低栽植密度净化槽中植物的相应生理指标间的差异更加明显,见表 3.

图2 不同栽植密度净化槽中的每克植物根组织POD、CAT活性日变化Fig.2 Diurnal variation of POD and CAT activities of each gram of the roots tissues in the tanks with various planting densities

图3 不同栽植密度净化槽中的每克植物叶片SP质量日变化Fig.3 Diurnal variation of SPmass of each gram of the leaves in the tanks with various planting densities

图4 不同栽植密度净化槽中的每克植物叶片Ch l(Chla,Chlb)质量日变化Fig.4 Diurnal variation of Chl(Chla,Ch lb)mass of each gram of the leaves in the tanks with various planting densities

表1 阳光强度日变化Table 1 D iurnal variation of sunlight intensity

表2 不同栽植密度净化槽的植物部分生理特性比较Tab le 2 Com parison of part of physio logica l characteristics of the plants in the tanks with various planting densities

表3 植物栽植密度对植物生理特性的影响Tab le 3 Effects of planting densities on the physio logical characteristics of the plants

2.2 不同植物栽植密度的净化槽中水质日变化

图5表示不同净化槽出水溶 P去除率及 DO质量浓度的日变化,图6表示不同净化装置槽出水 NH+4-N去除率及 pH值的日变化,图 7表示不同净化槽出水 TP与 TN去除率的日变化,图 8表示不同净化槽出水COD去除率的日变化.图 5～8表明,随着阳光强、弱变化,相同净化槽出水 DO质量浓度与 COD、TP、溶P、TN、NH+4-N去除率呈对应升、降变化,而 pH值变化趋势相反;在 10:00—14:00时段,它们均高于其他时段,而 pH值略低;在 13:00左右,NH+4-N、溶 P去除率较高,由于此时光强较强,导致植物蒸腾作用较明显,使通过蒸腾吸收而去除的可溶性氮磷增多.其中除氮率变化与雒维国等的研究结果类似[11];DO质量浓度日变化呈双峰型,峰值约在 12:00和 14:00,在 13:00左右由于植物午休影响,DO质量浓度较 12:00和 14:00略有下降.栽植密度较高的净化槽中,相同时间的净化槽出水 DO质量浓度与 COD、TP、溶 P、TN、NH+4-N去除率较高,由于这些净化槽中植物蒸腾效应较明显,泌氧总量较多,利于亚硝化细菌、硝化细菌等兼、好氧型微生物的代谢,使通过微生物作用、植物蒸腾吸收途径而去除的 COD、氨氮、溶磷较多,导致 pH值下降.

图5 不同植物栽植密度的净化槽出水溶P去除率及DO质量浓度日变化Fig.5 Diurnal variation of soluble P removals and DOmass concentrations of the effluents in the tanks with various planting densities

图6 不同植物栽植密度的净化槽出水NH4+-N去除率及pH值日变化Fig.6 Diurnal variation of NH4+-N removals and pH values of the effluents in the tankswith various planting densities

3 睡莲生理状况和河水水质之间的相关性机制

随着植物光合强度变化,植物根组织 POD、CAT活性、叶片 Chla、Chlb、SP质量浓度与净化槽出水 DO质量浓度、溶 P去除率、NH+4-N去除率间呈正相关.以 k1/4槽为例,对植物生理特性日变化与污水脱氮除磷的相关性进行统计分析(见表 4),植物叶片 Ch la、Chlb、SP质量浓度与净化槽出水 DO质量浓度为高度线性相关,净化槽出水溶 P、NH+4-N去除率变化与植物根组织 POD、CAT活性变化关系密切.通过类似分析可知,k1/2、k1/1净化槽的植物生理特性日变化与污水脱氮除磷间存在类似相关性.

图7 不同植物栽植密度的净化槽出水TP与TN去除率日变化Fig.7 Diurnal variation of TP and TN removals of the effluents in the tankswith various planting densities

图8 不同植物栽植密度的净化槽出水COD去除率日变化Fig.8 Diurnal variation of COD removals of the effluents in the tankswith various planting densities

表4 植物生理变化参数与黑臭河水DO及脱氮除磷效率的相关系数Table 4 The correlation coefficient between the physiological parameter and outlet DO,nitrogen and phosphorus rem ova l efficiency of heavily polluted river water

在睡莲处理黑臭河水过程中,随着阳光增强,一方面使植物叶片 Chla、Chlb质量浓度升高,光合作用增强,叶片 SP质量浓度升高,根部泌氧增多,导致水体 DO质量浓度升高,这种由于植物泌氧而导致水体DO质量浓度升高的现象与王传海等[12]研究的苦草影响污水 DO质量浓度的结果类似;另一方面使植物蒸腾作用增强[11],从污水中吸收更多的可溶性污染物离子(如 NH+4[11]、PO3-4[13]等),导致植物体内产生更多氧自由基,使其根组织抗性酶 POD、CAT表现出更强活性,同时导致净化槽出水溶 P、NH+4-N去除率升高,pH值下降,这种 pH值下降的机理与苦草影响污水 pH值的机理不同[12],苦草通过光合作用吸收水中 CO2而使水体 pH值升高,而睡莲通过蒸腾吸收水中 NH+4-N使水体 pH值下降.此外,气温升高导致水温升高,而后者也促使植物根组织POD、CAT活性增强[3].同理,随着阳光减弱,植物生理特性与水质理化指标间出现对应变化.可见,随着阳光强、弱变化,植物通过改变体内 Chla、Chlb、SP质量浓度及 POD、CAT活性等生理特性,响应外围生境变化.由于较强的光合强度(10:00—14:00)导致较高的植物净水效果(图5～8),因此在城区黑臭河道修复工程中,宜尽量选择无高大建筑遮荫的河段定植水生植物.

睡莲栽植密度影响其生理特性与净水效果.较高植物栽植密度的净化槽,植物受黑臭河水胁迫较轻,生长较好,净水效果也较明显;而栽植密度较低时,植物生理状况受影响较大,净水效果也略差.其中,植物根组织 POD活性对水质变化的响应与李宗辉等[14]的研究结果类似.基于原先水培的植物幼苗数量的倍数差异,比较 k1/2槽与k1/1槽的植物分蘖数量可知,虽然就单棵植物而言,较高栽植密度净化槽植物的生长优于较低栽植密度净化槽植物,植株生物量、氮磷积累也较高(表 2),但是,植物的过密栽植(k1/1)在一定程度上影响了植物的分蘖繁殖(表 2).比较不同栽植密度的净化槽中净水效果,k1/4槽与 k1/1槽差异较明显,而 k1/2槽与 k1/1槽较接近(图 5～7),可见,k1/2槽的植物栽植密度相对合理.因此,在污染河流生态修复中,应根据实际情况进行适量定植水生植物,达到植物分蘖繁殖与净水效果之间的良性循环.

在春、秋季也做过类似的试验,结果表明,不同季节睡莲的生理状况日变化与河水水质之间都存在类似的相关性,但是,由于春、秋季的光照不如夏季强烈,气温也较夏季低,植物没有出现光合午休现象,同时,由于秋季植物处于衰老期,其生理代谢较弱,这种相关性最不明显,而夏季植物处于生长旺盛期,又有强阳光与高气温,这种相关性最明显.随着春、夏、秋的气候条件及植物生长期的季节更替,植物生理特性及河水水质出现相应季节性变化.秋季植物处于衰老期,河水对植物的胁迫影响较严重,导致其叶片Chla、Chlb质量浓度较低,而根组织 POD活性较高,而夏季植物处于生长旺盛期,河水对植物的胁迫影响较小,其叶片 Chla、Chlb质量浓度较高,而根组织 POD活性较低.春季植物处于生长初期,其较低的根密度导致相应的河水处理效果较差,而夏季植物处于生长旺盛期,其较高的根密度及强烈的光合泌氧、蒸腾吸收作用导致相应的河水处理效果最好.可见,气候条件的季节性变化与植物生长期的季节更替及河水水质三者之间存在关联性.

4 结论

1)睡莲在黑臭河水中生长良好,随着植物的光合强度变化,相同净化槽出水溶 P、NH+4-N去除率与植物根组织 POD、CAT活性、叶片 Chla、Chlb、SP质量浓度间呈正相关.植物叶片 Chla、Chlb、SP质量浓度及净化槽出水 DO质量浓度日变化呈双峰型,峰值约在 12:00、14:00,在 13:00左右由于植物光合午休影响,叶片 Chla、Ch lb、SP质量浓度及净化槽出水 DO质量浓度较 12:00、14:00略低;在 10:00—14:00时段,植物根组织 POD、CAT活性与叶片 Chla、Chlb、SP质量浓度及净化槽出水 COD、TP、溶 P、TN、NH+4-N去除率高于其他时段.

2)较高植物栽植密度的净化槽,其出水 DO质量浓度与 COD、TP、溶 P、TN、NH+4-N去除率及植物叶片 SP、Chla、Chlb质量浓度较高,而根组织 POD、CAT活性较弱;较高栽植密度的净化槽,植物的根、茎、叶较长,根密度较高,单棵植株生物量较大,氮磷积累较多,但分蘖繁殖能力减弱.

[1]童昌华,杨肖娥,濮培民.富营养化水体的水生植物净化试验研究[J].应用生态学报,2004,15(8):1447-1450.TONG Chang-hua,YANG Xiao-e,PU Pei-min.Purification of eutrophicated water by aquatic plant[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2004,15(8):1447-1450.(in Chinese)

[2]袁东海,任全进,高士祥,等.几种湿地植物净化生活污水COD、总氮效果比较[J].应用生态学报,2004,15(12):2337-2341.YUAN Dong-hai,REN Quan-jin,GAO Shi-xiang,et al.Purification efficiency of several wetland macrophytes on COD and nitrogen removal from domestic sewage[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2004,15(12):2337-2341.(in Chinese)

[3]LIJ,ZU Y G.Generation of activated oxygen and change of cell defense enzyme activity in leaves of Korean pine seed ling under low temperature[J].Acta Botanica Sinica,2000,42(2):148-152.

[4]KAUFMANN J A,BICKFORD P C.Free radical-dependent changes in constitutive nuclear factor kappa B in the aged hippocampus[J].Neuroreport,2002,13(15):1917-1928.

[5]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法 [M].第 4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[6]董鸣,王义凤,孔繁志,等.陆地生物群落调查与分析[M].北京:中国标准出版社,1996:256-257.

[7]HEGED A,ERDEIS,HORVATH G.Comparative studies of H2O2detoxifying enzymes in green and greening barley seed ling under cadmium stress[J].Plant Sci,2001,160:1085-1093.

[8]BRADFORD M M.A rapid and sensitivemethod for the quantitation ofmicrogram quantities of protein utilizing the principleof protein-dye binding[J].Anal Biochem,1976,72:248-254.

[9]RAOM V,PALIYATH G,ORMROD D P.Ultraviolet-B radiation and ozone-induced biochemical changes in the antioxidant enzymes of Arabidopsisthaliana[J].Plant Physio,1996,110:125-136.

[10]张志良.植物生理学实验指导[M].北京:高等教育出版社,1990:154-155.

[11]雒维国,王世和,黄娟,等.植物光合及蒸腾特性对湿地脱氮效果的影响[J].中国环境科学,2006,26(1):30-33.LUOWei-guo,WANG Shi-he,HUANG Juan,etal.Influence of plant photosynthesis and transpiration characteron nitrogen removal effect in wetland[J].China Environmental Science,2006,26(1):30-33.(in Chinese)

[12]王传海,李宽意,文明章,等.苦草对水中环境因子影响的日变化特征[J].农业环境科学学报,2007,26(2):798-800.WANG Chuan-hai,LIKuan-yi,WEN Ming-zhang,etal.Effects of Vallisneria asiatica on water environmental factors and its diurnal variation[J].Journalof Agro-Environment Science,2007,26(2):798-800.(in Chinese)

[13]宋克敏.植物的磷营养:磷酸盐运转系统及其调节[J].植物学通报,1999,16(3):251-256.SONG Ke-min.Phosphorus nutrition of plants:phosphate transport systems and their regulation[J].Chinese Bulletin of Botany,1999,16(3):251-256.(in Chinese)

[14]李宗辉,唐文浩,宋志文.人工湿地处理污水时水生植物形态和生理特性对污水长期浸泡的响应[J].环境科学学报,2007,27(1):75-79.LIZong-hui,TANGWen-hao,SONG Zhi-wen.Response of the morphological and physiological characteristics of aquatic plants to long-term soaking in the process of constructed wetland wastewater treatment[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2007,27(1):75-79.(in Chinese)