隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展, 在帶動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí), 也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題.養(yǎng)殖廢水凈化的瓶頸即為大量高濃度NH4+-N的去除, 因高濃度NH4+-N會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用.目前, 去除豬場(chǎng)廢水NH4+-N的方法有很多, 其中選擇水生植物構(gòu)建人工濕地是修復(fù)和凈化污染水體的一種重要手段, 因其具有高效、低成本、低耗能, 可循環(huán)等優(yōu)點(diǎn), 同時(shí)可以增加水體的生態(tài)服務(wù)效益和經(jīng)濟(jì)效益而備受青睞.

綠狐尾藻(Myriophyllum aquaticum), 別稱綠羽毛草, 為挺水或沉水植物, 原產(chǎn)于南美洲, 屬于小二仙草科狐尾藻屬, 作為景觀植物引入我國(guó)已有200多年, 主要生長(zhǎng)在稻田、溪流、池塘區(qū). Best等對(duì)受美國(guó)衣阿華陸軍彈藥廠爆炸物所污染的地表水進(jìn)行水生和濕地植物修復(fù)的篩選與應(yīng)用中發(fā)現(xiàn), 綠狐尾藻的處理效果最佳.綠狐尾藻沉水的部分含有40%~89%的總氮(TN), 具有儲(chǔ)存N的能力, 而且葉片含有更多的N, 其對(duì)NH4+-N有很強(qiáng)的偏好性和耐受力. Souza等利用綠狐尾藻作為生物調(diào)節(jié)器處理污染水體的研究表明, 30 d后, 污染物最大的去除率表現(xiàn)為：BOD 75.4%, COD 67.4%, NH4+-N 98.6%, TN 88.3%, 總磷(TP)93.6%.近5年, 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶所利用綠狐尾藻構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng), 研究表明其對(duì)不同濃度的TN和NH4+-N的平均去除率分別可達(dá)到90%和84%以上; 綠狐尾藻作為生物調(diào)節(jié)器改變了水體中微生物的生長(zhǎng)環(huán)境, 影響硝化與反硝化微生物豐度、多樣性與群落分布, 加速了NH4+-N和TN的去除.

綠狐尾藻在養(yǎng)殖廢水處理中表現(xiàn)出對(duì)NH4+-N的高吸收特點(diǎn), 但其對(duì)高濃度NH4+-N耐受的生理特征及養(yǎng)分吸收累積的特點(diǎn)研究尚顯不足.因此, 本研究分析不同高濃度NH4+-N處理對(duì)綠狐尾藻生理特性及N、P養(yǎng)分吸收的影響, 以初步探究綠狐尾藻對(duì)養(yǎng)殖廢水N消納和去除的作用機(jī)制, 以便更好利用綠狐尾藻進(jìn)行環(huán)境治理提供有價(jià)值的資料, 以期為實(shí)現(xiàn)綠狐尾藻人工濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的減量化、無(wú)害化和資源化利用提供理論和實(shí)踐指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)取材與培養(yǎng)

試驗(yàn)所用材料均采自中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站.將從野外基地取得的20~30 cm新鮮植物樣, 先用自來(lái)水清洗, 然后用蒸餾水清洗, 最后將其幼苗在Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(表 1)中馴化培養(yǎng)10 d左右, 每4 d更換營(yíng)養(yǎng)液, 調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液的pH值為6.8~7.0.

Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的配方及成分

試驗(yàn)前, 選擇生長(zhǎng)健壯大小一致的綠狐尾藻, 剪其株長(zhǎng)大約為12 cm, 用超純水沖洗干凈, 稱其鮮重, 然后轉(zhuǎn)入用超純水配置的0.1 mmol·L-1的硫酸鈣溶液中(無(wú)其它離子)饑餓2 d, 以排除自由空間中殘留的N素對(duì)試驗(yàn)的影響.大部分廢水的NH4+濃度在70 mg·L-1, 且已有報(bào)道綠狐尾藻濕地系統(tǒng)在200 mg·L-1的NH4+廢水中可以有良好的凈水效果, 故設(shè)置70 mg·L-1的NH4+濃度為對(duì)照, 和兩個(gè)高NH4+水平：210 mg·L-1和420 mg·L-1.培養(yǎng)液仍采用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(除N營(yíng)養(yǎng)外), 每箱8 L, 每箱20穴, 每穴3株, 3次重復(fù).生長(zhǎng)溶液每天調(diào)節(jié)pH為6.8~7.0, 每4 d更新?tīng)I(yíng)養(yǎng)液.

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

培養(yǎng)1、3、7、10、14、21 d, 稱取鮮重和測(cè)量地上部高度, 以及植物的TN和TP; 于7、10、14、21 d測(cè)量根長(zhǎng).收獲(21 d)時(shí), 測(cè)定葉、莖葉綠素和可溶性糖含量, 以及組織的丙二醛(MAD)含量.

按照公式(1)~(4) 分別計(jì)算相對(duì)生物量(relative biomass, RB, g), 相對(duì)生長(zhǎng)速率[biomass relative growth rate, BRGR, g·(g·d)-1], 相對(duì)莖高(relative shoot height, RSH, cm)以及相對(duì)莖生長(zhǎng)速率(shoot relative growth rate, SRGR, cm·d-1).葉綠素a(Ca)和葉綠素b(Cb)的含量, 采用95%乙醇提取, 分光光度法測(cè)定; 總?cè)~綠素(Ca+b)的含量等于葉綠素a與葉綠素b之和; 可溶性糖采用蒽酮比色法測(cè)定, MAD采用硫代巴比妥法測(cè)定.用濃硫酸-過(guò)氧化氫消煮, 測(cè)植株TN和TP式中, W0、W1和WN分別指起始、第1 d和第N d采樣時(shí)測(cè)定的生物量(g), SH0、SH1和SHN分別指起始、第1 d和第N d采樣時(shí)測(cè)定的莖高(cm), t1和tN分別指第1 d和第N d采樣的天數(shù)(d).

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值, 誤差線均為標(biāo)準(zhǔn)誤.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)利用SAS軟件, 進(jìn)行方差分析和Fisher's顯著性檢驗(yàn)(LSD), 比較不同處理間在P < 0.05的顯著性水平.采用Microsoft Office Excel 2007(Microsoft, Redmond, WA, USA)和Sigmaplot 10.0(Systat Software, Inc., Chicago, IL, USA)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖.

2 結(jié)果與分析 2.1 生長(zhǎng)特征

70 mg·L-1的高NH4+處理下, 綠狐尾藻生長(zhǎng)健壯(圖 1), 莖高和生物量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)在直線增加[圖 2(a)和(b)], 至21 d時(shí), 綠狐尾藻的相對(duì)莖高和生物量分別達(dá)到40.56 cm和17.82 g·穴-1, 其莖和生物量的生長(zhǎng)速率分別是1.94 cm·d-1和0.11 g·(g·d)-1(圖 3).與70 mg·L-1的NH4+處理相比, 當(dāng)NH4+水平增加到210 mg·L-1時(shí), 相對(duì)莖高和生物量略有降低, 它們的生長(zhǎng)速率與其無(wú)顯著差異(圖 3); 而當(dāng)NH4+水平達(dá)到420 mg·L-1時(shí), 莖高和生物量生長(zhǎng)速率均顯著降低, 僅為對(duì)照的27.4%和17.9%, 且10 d時(shí)即達(dá)到最高值, 之后則表現(xiàn)出生長(zhǎng)不良甚至死亡的現(xiàn)象。

綠狐尾藻根系的生長(zhǎng)亦隨著NH4+水平的升高而被顯著抑制[圖 2(c)].移栽至10 d時(shí), 根系的生長(zhǎng)達(dá)到最長(zhǎng), 與70 mg·L-1的NH4+處理相比, 210 mg·L-1和420 mg·L-1的NH4+處理下, 根長(zhǎng)分別降低了21.1%和44.7%. 10 d后, 70 mg·L-1和210 mg·L-1的NH4+處理下, 根系已基本停止生長(zhǎng), 而420 mg·L-1的高NH4+處理下, 根系變黑腐爛(圖 1).

2.2 葉綠素含量

高NH4+處理顯著影響綠狐尾藻葉綠素的含量(圖 4).與70 mg·L-1的NH4+處理相比, 當(dāng)NH4+水平提高到210 mg·L-1或420 mg·L-1時(shí), 葉片葉綠素a和b的含量顯著下降, 且葉綠素a的含量?jī)H是對(duì)照的50%左右[圖 4(a)].隨著NH4+水平的增加, 葉片葉綠素a與b的比值在降低, 70、210和420 mg·L-1處理下, 其比值分別是2.9、2.6和1.9.葉片總?cè)~綠素含量與葉綠素a的變化趨勢(shì)相似, 與70 mg·L-1的NH4+處理相比, 210 mg·L-1和420 mg·L-1處理下, 葉片葉綠素含量顯著下降, 分別下降了39.7%和36.3%, 而它們之間無(wú)顯著差異.

莖的總?cè)~綠素顯著低于葉片, 僅為葉片的4%~10%. 70 mg·L-1 NH4+處理下, 莖葉綠素的含量為0.12 mg·g-1, 當(dāng)NH4+水平提高到210 mg·L-1時(shí), 莖的總?cè)~綠素含量顯著增加, 增加了40%;而當(dāng)NH4+水平增加到420 mg·L-1時(shí), 莖的總?cè)~綠素含量顯著降低, 降低了30%[圖 4(b)].相應(yīng)地, 與70 mg·L-1 NH4+處理相比, 210 mg·L-1 NH4+處理下, 葉綠素a及葉綠素b顯著提高, 分別提高了26.5%和66%;而達(dá)到420 mg·L-1 NH4+處理時(shí), 葉綠素a與b顯著降低, 分別降低了42.4%和5.1%[圖 4(b)].莖中葉綠素a與葉綠素b的比值亦隨著NH4+水平的提高而降低, 70、210和420 mg·L-1處理下, 其比值分別是2.0、1.5和1.2.

2.3 可溶性糖含量

所示, 70 mg·L-1的NH4+處理時(shí), 可溶性糖含量在莖顯著比葉中高(P < 0.05), 高42.6%.與70 mg·L-1 NH4+處理相比, 當(dāng)NH4+水平提高到210 mg·L-1時(shí), 葉、莖的可溶性糖含量顯著降低(P < 0.05), 分別降低了41.8%和62.7%;而當(dāng)NH4+水平達(dá)到420 mg·L-1時(shí), 葉中的可溶性糖含量顯著升高(P < 0.05), 增加了47.8%, 而莖中的可溶性糖含量顯著下降, 降低了63.9%.

不同高銨水平下綠狐尾藻的葉片和莖可溶性糖含量

2.4 丙二醛(MAD)的含量

隨著NH4+水平的增加, 丙二醛含量逐漸增加(圖 6). 70 mg·L-1的NH4+處理下, 丙二醛的質(zhì)量摩爾濃度最低為11.5 nmol·g-1.當(dāng)NH4+水平增加到210 mg·L-1和420 mg·L-1時(shí), 丙二醛的含量分別增加了1倍和2倍, 達(dá)到顯著性差異(P < 0.05).說(shuō)明隨著NH4+水平的提高, 綠狐尾藻受到NH4+脅迫的程度越來(lái)越嚴(yán)重.

不同高銨水平下綠狐尾藻組織內(nèi)丙二醛含量

2.5 氮、磷吸收特征

如圖 7(a)所示, 隨著時(shí)間的延長(zhǎng), 植物中N含量亦隨著NH4+-N濃度的提高先增加而后降低, TN的變幅在30.7~53.4 mg·g-1之間. 70 mg·L-1NH4+-N處理下, 綠狐尾藻組織中TN含量的峰值(40.5 mg·g-1)出現(xiàn)在第10 d, 比第1 d增加了14%.當(dāng)NH4+-N水平提高到210 mg·L-1時(shí), 培養(yǎng)7 d之內(nèi), 組織內(nèi)TN含量與對(duì)照無(wú)顯著差異; 隨著時(shí)間的延長(zhǎng), 組織內(nèi)TN的含量顯著高于對(duì)照, 峰值(45.0 mg·g-1)出現(xiàn)在第14 d, 比對(duì)照峰值高11.1%.當(dāng)NH4+-N水平達(dá)到420 mg·L-1時(shí), 組織內(nèi)TN的含量顯著高于前兩個(gè)高NH4+-N水平處理, 峰值(53.4 mg·g-1)亦出現(xiàn)在第14 d, 比對(duì)照峰值高31.8%.至21 d時(shí), 由于植物生物量的增加導(dǎo)致的稀釋效應(yīng), TN的含量反而有所下降, 甚至低于初始TN含量. 如圖 7(b)所示, 不同高NH4+處理下, 隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng), 綠狐尾藻組織中TP的含量逐漸增加, TP的變幅在3.8~7.7 mg·g-1之間.短時(shí)間內(nèi)差異不明顯. 70 mg·L-1NH4+-N處理下, 至收獲(21 d)時(shí), 綠狐藻組織中TP達(dá)到最高為7.7 mg·g-1, 比第1 d時(shí)增加了近1倍.當(dāng)NH4+-N水平增加到210 mg·L-1和420 mg·L-1, TP的含量在收獲時(shí)分別比第1 d增加了47.7%和54.9%, 但與70 mg·L-1的處理相比, 分別顯著降低了38.6%和27.0%, 說(shuō)明高NH4+-N脅迫可能抑制P的吸收.

不同高NH4+-N水平下綠狐尾藻的N、P含量的變化特性

3 討論

水生植物不僅自身可以同化吸收大量的N、P等物質(zhì), 而且可以為微生物提供氧氣和棲息場(chǎng)所, 促進(jìn)微生物對(duì)水質(zhì)的去除, 所以水生植物的生長(zhǎng)狀況與其濕地系統(tǒng)污染物的去除效率密切相關(guān).眾所周知, NH4+-N是植物可利用的N源, 但其對(duì)植物有高毒性, 在很低的濃度, 比如外部質(zhì)量濃度高于2 mg·L-1就有可能產(chǎn)生毒害, 影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育.植物體內(nèi)葉綠素、碳水化合物含量以及MAD的累積量可以反映植物受脅迫和程度.本研究中, MAD的含量隨NH4+-N濃度的增加而顯著增加, 表明綠狐尾藻受NH4+-N的脅迫程度亦在逐漸增大.但在70~210 mg·L-1高水平NH4+-N處理下, 綠狐尾藻莖高和凈生物量都隨時(shí)間的延長(zhǎng)在直線增加, 葉綠素和可溶性糖含量較高, 說(shuō)明其光合能力也較強(qiáng); 而當(dāng)NH4+-N水平達(dá)到420 mg·L-1時(shí), 光合能力下降, 葉綠素和可溶性糖含量均降低, 植物生長(zhǎng)受阻甚至死亡.已有研究報(bào)道, 水生植物在NH4+-N質(zhì)量濃度1.5~28 mg·L-1中生長(zhǎng)4~8 d, 可以檢測(cè)到NH4+-N的毒性.耐NH4+-N的水生植物大藨草(Actinoscirpus grossus)在35 mg·L-1的高NH4+-N處理下生長(zhǎng)最好, 當(dāng)NH4+-N水平提高到140~210 mg·L-1時(shí), 亦會(huì)受到NH4+-N的脅迫, 根系生長(zhǎng)不良, 光合效率下降.本研究表明, 綠狐尾藻在210 mg·L-1的高NH4+-N水平, 受到一定脅迫, 但仍可以正常生長(zhǎng), 而且光合能力也很強(qiáng), 說(shuō)明綠狐尾藻在高NH4+-N條件下仍有很高的生產(chǎn)力, 很可能是一種氨超耐受植物.

綠狐尾藻對(duì)N, P的高效吸收能力是綠狐尾藻濕地系統(tǒng)對(duì)污染物凈化能力的重要指標(biāo)之一.魯靜等的研究表明, 洱海流域44種濕地植物的TN和TP含量平均為15.7 mg·g-1和3.3 mg·g-1; 金樹(shù)權(quán)等比較研究10種水生植物, 發(fā)現(xiàn)它們N、P含量的變化范圍分別是13.67~26.38 mg·g-1和1.16~3.50 mg·g-1.本研究中, 在不同高濃度NH4+-N處理下, 綠狐尾藻N和P的含量變化范圍為30.7~53.4 mg·g-1和3.8~7.7 mg·g-1, 比已有報(bào)道的水生植物N、P含量均高.已有的研究中N的處理濃度相對(duì)比較低, 可能主要因?yàn)槠湓诔^(guò)28 mg·L-1的高NH4+-N介質(zhì)中, 會(huì)受到氨毒害而無(wú)法正常生長(zhǎng), 從而影響N、P的吸收.綠狐尾藻不僅能在超高NH4+-N的條件下正常生長(zhǎng), 而且可以吸收大量的N和P, 表明其在高NH4+-N的廢水中對(duì)N、P去除作將會(huì)有極大的貢獻(xiàn).從圖 8可以看出，當(dāng)NH4+水平高達(dá)210 mg·L-1和420 mg·L-1時(shí)，在綠狐尾藻干物質(zhì)的量在直線下降的情況下，其對(duì)N、P的累積量雖也顯著下降，但比生物量下降的速度慢.因此, 綠狐尾藻生態(tài)濕地系統(tǒng)高效凈化高NH4+-N的廢水時(shí), 其質(zhì)量濃度的適應(yīng)范圍應(yīng)在420 mg·L-1以下.

4 結(jié)論

(1) 綠狐尾藻可能是一種超耐氨的水生植物, 對(duì)NH4+-N的耐性可以達(dá)到210 mg·L-1, 此條件下, 莖和生長(zhǎng)量的增長(zhǎng)速率分別是1.83 cm·d-1和0.11 g·(g-1·d-1), 與70 mg·L-1的高NH4+處理無(wú)顯著差異.

(2) 綠狐尾藻對(duì)N和P有相當(dāng)高的吸收能力, 在70~420 mg·L-1的高NH4+處理下, 植株TN變幅在30.7~53.4 mg·g-1, TP的變幅在3.7~7.7 mg·L-1.

(3) 在處理高NH4+-N廢水的生態(tài)濕地系統(tǒng)的構(gòu)建中, 綠狐尾藻可作為一種良好的候選水生植物.