在污水種植合適的水生植物，通過(guò)(tōng guò)水生植物生長(zhǎng)吸收而去除水體氮，既環(huán)保又生態(tài)，可以減輕對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒(méi)有變動(dòng))性的影響(influence)，被認(rèn)為是傳統(tǒng)污染水體修復(fù)的替代措施之一.粉綠狐尾藻是多年生挺水或沉水草本植物，由于其適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，生長(zhǎng)速度很快，被認(rèn)為是世界上最重要的水生植物之一.除具觀賞性外，粉綠狐尾藻對(duì)污水具有較強(qiáng)的凈化能力，能夠忍受水體中較高的氮濃度，且不易造成生物入侵，被稱(chēng)為“凈水精靈”，可作為凈化污水的先鋒植物.粉綠狐尾藻吸收積累的氮在水體總?cè)コ姓加休^大的比例，同時(shí)既能夠直接改善水體環(huán)境，又能夠增強(qiáng)硝化和反硝化的除氮作用，還能夠產(chǎn)生化感物質(zhì)抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng).本文采用盆栽試驗(yàn)，研究粉綠狐尾藻對(duì)不同氮濃度污水的去除氮效果，明確污水氮濃度對(duì)粉綠狐尾藻去氮能力的影響，以期為城市污水修復(fù)、凈化提供依據(jù)和技術(shù).
1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為粉綠狐尾藻，由中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所提供.供試水體和底泥取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)南湖污水池，試驗(yàn)前測(cè)定水體和底泥的基礎(chǔ)數(shù)值見(jiàn)表 1.
表 1 水體和底泥的理化性質(zhì)
1.2 試驗(yàn)處理
試驗(yàn)采用高40 cm，桶口直徑為35 cm的PVC桶，每個(gè)塑料桶水的體積為15L，底泥重量為5 kg，厚度約為5 cm.低氮濃度處理，用純水進(jìn)行稀釋;高氮濃度處理，用NH4NO3補(bǔ)充;用KH2PO4調(diào)節(jié)磷含量一致，為1.59 mg?L-1.共設(shè)7個(gè)總氮水平處理:
2、5、10、20、100、200和400 mg?L-1.粉綠狐尾藻用清水馴化一周，選取生長(zhǎng)旺盛，大小一致的粉綠狐尾藻剪取 cm長(zhǎng)的莖，每個(gè)處理(chǔ lǐ)植株生物量為 g，每個(gè)處理重復(fù)4次.每天定時(shí)用純水補(bǔ)充蒸發(fā)水量以保證體積恒定.試驗(yàn)從2015年12月1日至2016年1月5日，期間溫度范圍為-4~14℃，平均溫度為5℃.
1.3 取樣與測(cè)試
試驗(yàn)期間每隔7d測(cè)定粉綠狐尾藻的生物量、水體總氮、氨氮、硝態(tài)氮、溶氧量、pH;35d收獲后，將植株分為水上部分、水下部分、側(cè)根、節(jié)，測(cè)定不同部位的氮含量.總氮采用過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)定;氨氮用納氏試劑比色法測(cè)定;硝態(tài)氮用紫外分光光度法測(cè)定;溶解氧和pH用德國(guó)WTW生產(chǎn)的Multi 3430 SET多參數(shù)三通道測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定;植物體內(nèi)的總氮用濃硫酸-雙氧水消化半微量蒸餾法測(cè)定;底泥中總氮用凱氏蒸餾法測(cè)定.
1.4 數(shù)據(jù)分析(Data Analysis)
采用Excel 2013軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，Sigmaplot 10.0繪制圖表，采用SPSS 18.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性分析.
2 結(jié)果與分析 2.1 粉綠狐尾藻生長(zhǎng)與污水氮濃度的關(guān)系
粉綠狐尾藻的生物量隨污水氮濃度的變化因時(shí)間而不同.在21 d以前，粉綠狐尾藻的生物量隨氮濃度升高到20 mg?L-1達(dá)到最大，氮濃度100~400 mg?L-1則有所下降;21~35 d時(shí)，粉綠狐尾藻的生物量隨氮濃度升高到200 mg?L-1達(dá)到最大，氮濃度400 mg?L-1則有所下降.粉綠狐尾藻生物量的增長(zhǎng)率，在14 d以前，以低氮濃度2~20 mg?L-1污水較高;14~21 d，處理間粉綠狐尾藻生物量增長(zhǎng)率沒(méi)有明顯規(guī)律;21~35 d的增長(zhǎng)率以高氮濃度100~400 mg?L-1污水較高，約為低氮濃度污水的1.5~2倍，且以200 mg?L-1最高.由此說(shuō)明，前3周在氮濃度不高于20 mg?L-1即低氮濃度污水粉綠狐尾藻生長(zhǎng)最好，4~5周則以高氮濃度200 mg?L-1的污水生長(zhǎng)最好.低氮濃度處理試驗(yàn)初期，底泥可能能夠根據(jù)粉綠狐尾藻生長(zhǎng)需要向水體供給氮，后期底泥氮的釋放受到抑制;試驗(yàn)初期高氮濃度處理抑制粉綠狐尾藻生長(zhǎng)，隨后氮濃度降低，生長(zhǎng)加快，處理更高氮濃度污水可能需要更多時(shí)間.
圖 1 不同氮濃度污水對(duì)粉綠狐尾藻生物量的影響
表 2 不同氮濃度污水對(duì)粉綠狐尾藻生物量增長(zhǎng)速率的影響/g?d-1
2.2 粉綠狐尾藻氮吸收積累及分配與污水氮濃度的關(guān)系
粉綠狐尾藻節(jié)、側(cè)根、水上部分、水下部分和整株氮含量隨污水氮濃度升高明顯增加，但低氮濃度處理間大都無(wú)顯著差異，氮濃度升高到100 mg?L-1氮含量顯著增加并隨氮濃度升高繼續(xù)增加.粉綠狐尾藻各部位氮含量之比因氮濃度升高而變化，在低氮濃度污水中，水上部分氮含量 為2.88%~3.11%、平均為2.97%，水下部分氮含量為2.39%~2.79%、平均為2.62%，側(cè)根氮含量1.45%~2.18%、平均為1.75%，節(jié)氮含量3.67%~4.81%、平均為4.26%，水上部分/水下部分、節(jié)/側(cè)根分別為1.13、2.43.在高氮濃度100~400 mg?L-1污水中，水上部分氮含量為4.75%~6.51%、平均5.68%，水下部分氮含量為5.31%~6.27%、平均為5.19%，側(cè)根氮為7.92%~9.31%、平均8.80%，節(jié)氮含量7.14%~11.26%、平均9.52%，水上部分/水下部分、節(jié)/側(cè)根分別為1.09、1.08.由此說(shuō)明，在低氮濃度污水中，粉綠狐尾藻體內(nèi)氮含量因氮濃度變化不大，但有“上高下低”趨勢(shì)，即能夠?qū)⒂伤w吸收的氮轉(zhuǎn)運(yùn)到水上部分;在高氮濃度污水中，粉綠狐尾藻體內(nèi)氮含量隨氮濃度而升高而部位間差異小、梯度不大，呈現(xiàn)均勻分布，粉綠狐尾藻側(cè)根既吸收氮也儲(chǔ)存氮.無(wú)論氮濃度高低，節(jié)氮含量始終最高，可能是粉綠狐尾藻氮儲(chǔ)存和分配的關(guān)鍵部位.
表 3 不同氮濃度污水對(duì)粉綠狐尾藻不同部位氮含量的影響1)
粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質(zhì)量氮積累速率隨污水氮濃度的升高而增加，但低氮濃度處理間基本無(wú)顯著差異，氮積累量為0.34~0.51 g，氮積累速率為0.53~0.68 mg?-1;高氮濃度氮積累量為0.67~0.93 g，積累速率為0.96~1.59 mg?-1;高氮濃度處理粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質(zhì)氮積累速率顯著高于低氮濃度處理;粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質(zhì)氮積累速率隨氮濃度升高而增加，至100 mg?L-1、200 mg?L-1均達(dá)到顯著水平，但200 mg?L-1和400 mg?L-1間無(wú)顯著差異.污水氮濃度由20 mg?L-1到100 mg?L-1、200 mg?L-1時(shí)，粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質(zhì)量氮積累速率呈梯度增加，預(yù)示著氮吸收轉(zhuǎn)化能力顯著提升，氮轉(zhuǎn)化機(jī)制發(fā)生突變.
圖 2 不同氮濃度污水粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質(zhì)量氮積累速率
2.3 粉綠狐尾藻去除氮與污水氮濃度的關(guān)系 2.3.1 粉綠狐尾藻去除總氮與污水氮濃度的關(guān)系
不同氮濃度污水總氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸降低.粉綠狐尾藻處理7 d，低氮濃度污水總氮的去除率達(dá)到75.0%~92.5%、平均為86.8%，高氮（high-nitrogen）濃度污水總氮去除率只有14.2%~32.7%、平均為25.1%;35d時(shí)，低氮濃度處理總氮的去除率達(dá)79.5%~96.1%、平均為90.8%，高氮濃度處理總氮去除率為48.1%~76.5%、平均為65.4%.粉綠狐尾藻對(duì)不同氮濃度污水總氮的去除速率隨時(shí)間下降.低氮濃度污水，粉綠狐尾藻在0~7 d對(duì)總氮去除速率最高且隨氮濃度升高而增加;7 d后，去除速率幾乎為零.高氮濃度污水，粉綠狐尾藻對(duì)總氮去除速率在0~7 d和14~21 d出現(xiàn)兩個(gè)高峰且均隨氮濃度升高而提高，但在第二個(gè)高峰時(shí)3個(gè)處理的去除速率依次為2.49、7.28和14.80 mg?-1，去除率為第一個(gè)高峰的2倍多.綜上所述，低氮濃度的污水，粉綠狐尾藻處理7 d就能夠去除總氮75%~90%，達(dá)到較強(qiáng)的去除效果;高氮濃度污水，粉綠狐尾藻處理21 d能夠去除總氮40%~60%，隨后氮去除速率顯著下降.
表 4 不同氮濃度污水總氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時(shí)間的變化/mg?L-1
表 5 粉綠狐尾藻對(duì)不同氮濃度污水總氮的去除速率/mg?-1
2.3.2 粉綠狐尾藻去除氨氮與污水氮濃度的關(guān)系
不同氮濃度污水氨氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸降低.粉綠狐尾藻處理7d，低氮濃度污水氨氮去除率為92.4%~98.8%、接近100%，高氮濃度污水氨氮去除率只有33.5%~69.2%、平均為52.9%;35 d時(shí)，氮濃度100 mg?L-1、200 mg?L-1的污水氨氮去除率分別為99.6%和99.3%、近100%，氮濃度400 mg?L-1的污水氨氮的去除率僅為60.2%.粉綠狐尾藻對(duì)不同氮濃度污水氨氮的去除速率隨時(shí)間呈下降趨勢(shì).在0~7 d，粉綠狐尾藻對(duì)氨氮的去除速率最高且隨污水氮和氨氮濃度升高而增加;氮濃度100 mg?L-1、200 mg?L-1的污水分別在第2周和第4周后氨氮的去除速率顯著下降，而氮濃度400 mg?L-1的污水在28~35 d仍有相對(duì)較高的氨氮去除速率.由此說(shuō)明，對(duì)氮濃度不高于20 mg?L-1的低氮濃度污水，粉綠狐尾藻處理7 d就能夠去除90%以上氨氮且去除速率顯著下降;對(duì)氮濃度100 mg?L-1、200 mg?L-1的污水，粉綠狐尾藻分別處理2和4周能夠去除氨氮90%以上且去除速率顯著下降;但對(duì)氮濃度400 mg?L-1的污水，處理5周只能去除60%的氨氮.
表 6 不同氮濃度污水氨氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時(shí)間的變化/mg?L-1
表 7 粉綠狐尾藻對(duì)不同氮濃度污水氨氮的去除速率/mg?-1
2.3.3 粉綠狐尾藻去除硝態(tài)氮與污水氮濃度的關(guān)系
低氮濃度污水硝態(tài)氮濃度低，粉綠狐尾藻處理后變化不大.高氮濃度污水硝態(tài)氮去除速率隨氮濃度升高而增加、隨時(shí)間而下降，但第2周后去除速率顯著下降且變化不大，氮濃度100、200、400 mg?L-1的污水在0~14 d硝態(tài)氮去除率分別為27.2%、46.3%、35.6%;35 d時(shí)，硝態(tài)氮去除率分別為40.6%、54.3%和43.8%，均顯著低于氨氮去除率.因此，低氮濃度處理硝態(tài)氮含量低，粉綠狐尾藻處理后作用不顯著，去除的總氮主要為氨氮;高氮濃度處理，粉綠狐尾藻處理2周硝態(tài)氮去除速率顯著下降、去除率為27.2%~46.3%，即使處理5周去除率也只有40.6%~54.3%，去除能力和速率顯著低于氨氮.
表 8 不同氮濃度污水硝態(tài)氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時(shí)間的變化/mg?L-1
表 9 粉綠狐尾藻對(duì)不同氮濃度污水硝態(tài)氮的去除速率/mg?-1
2.4 粉綠狐尾藻對(duì)不同氮濃度污水底泥氮含量的影響
試驗(yàn)底泥全氮含量為3.61 g?kg-1.粉綠狐尾藻處理35 d，氮濃度2~20 mg?L-1的污水底泥全氮含量為2.96~3.12g?kg-1、平均為3.05 g?kg-1，下降15.5%;氮濃度100 mg?L-1污水底泥全氮含量為3.69 g?kg-1，無(wú)顯著（striking）變化;氮濃度200 mg?L-1、400 mg?L-1污水底泥全氮含量分別為3.82 g?kg-1、4.01 g?kg-1，分別提高了5.8%、11.1%，底泥氮增加量分別占水體去除氮17.2%、24.4%.由此說(shuō)明，低氮濃度污水，粉綠狐尾藻不僅能夠去除水體中的氮還能利用底泥中的氮，且積累的氮遠(yuǎn)高于水體去除的氮，植物吸收積累的氮主要來(lái)自底泥;100 mg?L-1污水底泥全氮沒(méi)有顯著變化，保持基本平衡;而氮濃度200 mg?L-1、400 mg?L-1污水底泥能夠吸附固定水體氮而提高底泥氮含量，但粉綠狐尾藻積累氮顯著高于底泥固定氮.
表 10 粉綠狐尾藻處理35 d對(duì)不同氮濃度污水底泥全氮含量的影響
2.5 粉綠狐尾藻對(duì)不同氮濃度污水溶解氧和pH的影響
污水溶解氧濃度隨水體氮濃度和粉綠狐尾藻處理時(shí)間而有所變化.首先，總體而言，污水溶解氧濃度隨水體氮濃度升高有下降趨勢(shì)，氮濃度2~20 mg?L-1的污水溶解氧濃度平均為10.64 mg?L-1，100~400 mg?L-1的污水溶解氧濃度平均為10.38 mg?L-1，較低氮濃度平均低0.26 mg?L-1.其次溶解氧濃度隨粉綠狐尾藻處理時(shí)間呈先升后降趨勢(shì)，在14 d達(dá)到最高，0~35 d各處理溶解氧平均濃度依次為9.14、10.53、11.28、11.23、10.01、10.98 mg?L-1.由此說(shuō)明，污水溶解氧濃度隨水體氮濃度提高而有所下降，可能不利于粉綠狐尾藻生長(zhǎng);在0~14 d，污水溶解氧濃度隨粉綠狐尾藻處理時(shí)間增加而增加，預(yù)示著粉綠狐尾藻能夠快速提高水體溶解氧濃度促進(jìn)植株生長(zhǎng)與代謝.
表 11 粉綠狐尾藻處理(chǔ lǐ)對(duì)不同氮濃度污水溶解氧濃度影響1)/mg?L-1
污水pH隨氮濃度和粉綠狐尾藻處理時(shí)間而有所變化. 2~20 mg?L-1的低氮濃度污水pH隨水體氮濃度升高和粉綠狐尾藻處理時(shí)間增加整體呈上升趨勢(shì)，但均在7.1~7.6之間，呈微堿性，這與水體氨氮被大量去除有關(guān);100~400 mg?L-1的高氮（high-nitrogen）濃度污水pH隨粉綠狐尾藻處理時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)，但pH值均在6.5~7.6之間，可能（maybe)是因?yàn)榉劬G狐尾藻生長(zhǎng)過(guò)程中向水體中釋放了某些酸性物質(zhì).因此，試驗(yàn)期間所有處理水體pH < 7.6，未達(dá)到氨揮發(fā)的條件之一的pH>8.0，氨揮發(fā)可忽略.
表 12 粉綠狐尾藻處理對(duì)不同氮濃度污水pH的影響1)
3 討論 3.1 粉綠狐尾藻生長(zhǎng)受氮濃度影響
本研究表明，粉綠狐尾藻的生物量在處理21 d內(nèi)隨污水氮濃度升高到20 mg?L-1達(dá)到最大，而100~400 mg?L-1氮濃度則有所下降，21~35 d隨污水氮濃度升高到200 mg?L-1達(dá)到最大而400 mg?L-1氮濃度依然有所下降;粉綠狐尾藻生物量的增長(zhǎng)率，在14 d內(nèi)以低氮濃度污水即氮濃度2~20 mg?L-1較高，14~21 d處理間沒(méi)有明顯規(guī)律，21~35 d以氮濃度100~400 mg?L-1的高氮濃度污水較高且約為低氮濃度污水的1.5~2倍，其中以200 mg?L-1最高.這與朱丹婷等[23]和葛芳杰等的研究結(jié)果類(lèi)似，朱丹婷等利用黑藻處理氮濃度為2、4、8 mg?L-1的富營(yíng)養(yǎng)化水體，黑藻生物量隨氮濃度的升高而增加且以氮濃度8 mg?L-1處理生物量的增長(zhǎng)最快;葛芳杰等用穗花狐尾藻處理0.875、7.0、56.0 mg?L-1氮濃度的水體，穗花狐尾藻生物量以7.0 mg?L-1水體增長(zhǎng)最快而以56.0 mg?L-1增長(zhǎng)最慢.綜上所述，在3周內(nèi)，粉綠狐尾藻以氮濃度不高于20 mg?L-1的低氮濃度污水生長(zhǎng)較好;4~5周，則以氮濃度200 mg?L-1的高氮濃度污水生長(zhǎng)較好;氮濃度400 mg?L-1抑制粉綠狐尾藻生長(zhǎng).說(shuō)明初始階段高氮濃度會(huì)對(duì)粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的抑制作用，隨后氮濃度降低抑制作用減弱，生物量增長(zhǎng)加快;低氮濃度的污水為了滿足粉綠狐尾藻的生長(zhǎng)需求，底泥可能向水體釋放氮但又不至于濃度過(guò)高抑制生長(zhǎng)，后期底泥氮的釋放可能受到限制導(dǎo)致(cause)粉綠狐尾藻生長(zhǎng)減緩，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究.
3.2 粉綠狐尾藻去氮能力受氮濃度和形態(tài)的影響
本文結(jié)果表明，氮濃度不高于20 mg?L-1的低氮濃度污水，由于水體氮濃度低，粉綠狐尾藻為了滿足生長(zhǎng)的需求，處理1周能夠去除總氮的75%~90%、氨氮的90%以上.黃亮等利用狐尾藻等3種水生植物對(duì)氮濃度9.855 mg?L-1的污水凈化35 d，狐尾藻對(duì)水體總氮的去除率達(dá)71.42%，生物相氮的富集能力最強(qiáng)，F(xiàn)u等利用菖蒲等5種水生植物對(duì)氮濃度14 mg?L-1的污水凈化14 d，總氮的去除率接近90%.氮濃度100~400 mg?L-1的污水，粉綠狐尾藻處理3周能夠去除總氮40%~60%而后氮去除速率顯著下降;氮濃度100 mg?L-1、200 mg?L-1的污水，粉綠狐尾藻分別處理2和4周能夠去除氨氮90%以上而后去除速率顯著下降;氮濃度400 mg?L-1的污水，處理5周只能去除60%的氨氮. Souza等利用綠狐尾藻處理氨氮濃度為27.44 mg?L-1的污水30 d時(shí)去除氨氮98.6%，Li等[17]利用綠狐尾藻處理合成（解釋:由幾個(gè)部分合并成一個(gè)整體)富營(yíng)養(yǎng)化水14 d和28 d時(shí)氨氮去除率分別為75.8%和87.7%.因此，粉綠狐尾藻去除污水氮能力明顯受氮濃度影響，氮濃度不高于20 mg?L-1時(shí)，1周內(nèi)可去除總氮的75%~90%、氨氮的90%以上;氮濃度100~400 mg?L-1時(shí)，水體氮含量高，至少2周才去除氨氮90%以上、3周才去除總氮50%左右;400 mg?L-1的高氮濃度下處理5周也只能去除60%的氨氮.
進(jìn)一步的結(jié)果顯示，對(duì)氮濃度不高于20 mg?L-1的污水，由于水體氮濃度低，粉綠狐尾藻為了滿足生長(zhǎng)所需要的養(yǎng)分，既能夠去除水體氮還能利用底泥氮;對(duì)氮濃度200 mg?L-1、400 mg?L-1的污水，水體氮濃度高，粉綠狐尾藻吸收積累氮占水體氮去除27.9%和48.4%，底泥增加氮占水體去除氮17.2%和24.4%，但不同氮濃度不同時(shí)間底泥氮的增加和減少量有待進(jìn)一步研究.粉綠狐尾藻的吸收積累和底泥氮沉降是水體氮去除的主要途徑.張樹(shù)楠等利用綠狐尾藻等5種水生植物對(duì)生態(tài)溝渠進(jìn)行攔截試驗(yàn)，證明綠狐尾藻和水生美人蕉體內(nèi)氮包含比重最高，能夠從生態(tài)溝渠中帶走大量的氮;Liu等報(bào)道，對(duì)氮濃度為200 mg?L-1、400 mg?L-1的豬場(chǎng)廢水和合成（解釋:由幾個(gè)部分合并成一個(gè)整體)廢水，粉綠狐尾藻積累氮占水體氮去除的15.9%~46.2%.分析氮濃度為20、100、200 mg?L-1的污水，粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質(zhì)量氮的去除速率呈梯度增加.在氮濃度不高于20 mg?L-1的污水中，由于水體氮濃度較低，粉綠狐尾藻吸收積累的氮主要來(lái)自底泥，底泥氮的釋放能力基本一致，體內(nèi)氮含量因氮濃度變化不大，但部位間有“上高下低”趨勢(shì);在高氮濃度污水中，粉綠狐尾藻體內(nèi)氮含量隨氮濃度而升高而部位間差異小、梯度不大，呈現(xiàn)均勻分布.這些結(jié)果暗示粉綠狐尾藻氮的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制可能因氮水平而發(fā)生變化，因?yàn)橐欢ǖ獫舛确秶鷥?nèi)氮代謝相關(guān)酶受氮濃度的顯著影響，但需進(jìn)一步研究證實(shí).由此說(shuō)明，對(duì)氮濃度不
