16種觀賞植物對錦鯉工廠化循環水養殖水體污染物的凈化作用研究

賈成霞，辛支明,2，曲疆奇，劉　盼，楊　慕，張清靖

(1北京市水產科學研究所漁業生物技術北京市重點實驗室，北京 100068；2 四川農業大學動物科技學院，四川 成都 611130)

生態浮床技術通過種植在載體上的植物對水體污染物進行吸收、吸附等，從而達到凈化水質的目的，具有凈化效率高、運行維護簡單、成本造價低、環境友好、景觀效果好等優點[1-2]。近年來該技術被廣泛應用于河道、公園、養殖池塘等各類水體的生態修復中[3-6]。浮床植物的篩選是該技術的核心，也是當前研究的重點。由于不同水生植物的生活習性、生長周期、耐水性等不同，生態浮床技術的處理效果在不同水質和環境條件下具有較大差異[7-9]。目前，對生態浮床凈水技術的研究及應用報道主要集中于開闊水域水體的修復凈化，對工廠化循環水養殖水體的報道較少。

工廠化循環水養殖(簡稱工廠化養殖)由于養殖密度高、飼料投喂量大、殘飼和糞便產出多、有機物污染負荷高，常規的機械設備及物理和生化措施水處理成本較高[10]。生態浮床凈化技術不僅可以有效去除水體中污染物，降低整個工廠化養殖系統的污染負荷，而且具有很好的景觀效果和環境友好性，能為養殖動物提供良好的生態環境，因此具有較好的應用前景。

針對錦鯉工廠化養殖水體，根據工廠化養殖室內光照強度比開闊水域低、景觀效果要求高、養殖環境溫度高等特點，對16種常見觀賞植物在工廠化養殖條件下的生長狀況及植物中總氮(TN)、總磷(TP)、銅(Cu)、鋅(Zn)、汞(Hg)和鉛(Pb)含量進行了比較，評價了16種植物的凈水效果，旨在為錦鯉工廠化循環水養殖水體污染物凈化篩選合適的浮床植物，探尋凈化效率高、景觀效果好、適應能力強的生態浮床凈化技術，為該技術在水體污染修復中的推廣應用提供參考依據。

1　材料與方法

1.1　試驗材料

16種常見觀賞植物(表1)來源于河北省廊坊市蓮韻苑水生花卉研究所，試驗挑選大小均勻、葉面和根部健康的植株。浮床采用聚乙烯泡沫板，規格為100.0 cm(長)× 100.0 cm(寬)× 13.8 cm(高)，考慮到植株大小及光需求等，每個泡沫板上平均分布16個放置孔，孔徑7.5 cm，孔間距7.2 cm。

表1　所試植物名稱

1.2　試驗方法

由于工廠化養殖過程中夏季高溫期養殖密度高、飼料投喂量大、污染負荷高，因此試驗選擇2013年6月13日—10月5日在北京市通州區鑫淼水產總公司工廠化循環水養殖車間內進行。試驗車間為封閉式，車間長48.00 m、寬 31.74 m，以磚墻和鋼架為主體，四周為可透光的鋼化玻璃墻體，頂部亦采用可透光材料。試驗期間定時測量車間內光照度，室內光照度約為室外的56%～72%。

工廠化循環水養殖系統由養殖池、豎流沉淀器、全自動上流式超高速聚丙烯濾塊過濾器(SDPP高速過濾器)、生物濾池、紫外消毒以及充氧設備組成(圖1)。養殖池6個，規格均為4.4 m(長)×3.4 m(寬)×1.2 m(高)，單池水體有效容量約15 m3；采用雙通道排水排污裝置和豎流沉淀池將部分可沉淀顆粒物分離，然后進入SDPP高速過濾器(過濾精度10 μm，水循環速率為15 m3/h)進一步過濾；生物濾池總體積5 m3，內置懸浮填料2.5 m3；最后經紫外消毒后循環利用；養殖池和生物濾池中利用充氧設備微孔曝氣。

圖1　工廠化循環水養殖系統工藝流程圖

試驗期間，每次投喂飼料前對養殖池、豎流沉淀器進行排污，對SDPP高速過濾器進行反沖洗，排污后補加水。養殖品種為錦鯉(Cyprinuscarpio)，初始投放密度為20 kg/m3，每天9:00、13:00和17:00按體質量1%投喂膨化配合飼料。浮床放置于各個養殖池表面，每塊浮床上種植16株單一品種植物。試驗開始和結束時分別測量植株株高、根長和生物量(濕重)。試驗結束時，清洗植物根部后放置在實驗室內自然晾干，105 ℃烘30 min后，80 ℃烘干至恒重，稱量生物量(干重)，根據文獻[11]中的方法對植株中總氮、總磷、汞、鉛、銅、鋅含量進行測定。

1.3　植物凈化能力綜合分析與篩選

根據測定的植物生物量濕重和干重以及總氮、總磷、汞、鉛、銅、鋅含量，分別計算植物水分含量以及總氮、總磷、汞、鉛、銅、鋅累積量，計算公式分別為：

Cw= (Ww-Wd)/Ww

(1)

Pi=Ci×Wd

(2)

式中：Cw—植物水分含量，%；Wd—植物生物量(干重)，g；Ww—植物生物量(濕重)，g；Pi—單位面積植物體內污染物i累積量，mg/m2;Ci—植物體內污染物i含量(mg/g)。

分別采用Tanner評價法[12]和SPSS聚類分析[13]對16種植物的凈化能力進行綜合評價。

1.4　統計分析方法

試驗數據使用Excel進行整理，采用SPSS16.0軟件進行數據顯著差異性檢驗。

2　結果與分析

2.1　植物生長變化情況

試驗結束時，16種植物生長正常，植株生長變化情況如表2所示。

表2　植物生長變化情況

16種植物株高分別增加18.4 ～ 129.5 cm，其中花葉蘆竹、水生美人蕉、千屈菜和紫葉美人蕉株高增加最多，達到100 cm以上；其次是黃菖蒲、馬藺、鴨腳木、彩葉草，株高增加50 cm以上；其余8種植物中紅掌株高增加最小，為(18.4±1.3)cm。16種植物根系生長情況差異較大，鴨腳木、水生美人蕉和黃菖蒲3種植物的根系增長35 cm以上；金鉆蔓綠絨、紅掌、紫葉美人蕉和千屈菜根系增長20 cm以上；其余9種植物根系分別增長6.6 ～18.0 cm，其中，花葉蘆竹、袖珍椰子、金邊吊蘭和彩葉草根系增長量較小，均低于11 cm。16種植物的含水率范圍為67.6% ～ 93.9 %，其中水生美人蕉、金鉆蔓綠絨、金邊吊蘭和紫葉美人蕉的含水率較大，在90%以上；花葉蘆竹、袖珍椰子和馬藺含水率相對較低。16種植物生物量(干重)均明顯增加，花葉蘆竹增加最大，為(63.3±4.8)g；黃菖蒲、水生美人蕉、貓眼竹芋、千屈菜、紫葉美人蕉、馬藺和金邊吊蘭生物量(干重)增加超過25 g；生物量(干重)增加最少的植物為彩葉草。

2.2　植物中總氮、總磷及重金屬含量

16種植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb含量差異較大(表3)。總氮含量范圍為0.91% ～2.82 %，含量最高的為蓮花竹，與其他植物差異極顯著(P<0.01)；其次為黃菖蒲、千屈菜、花葉萬年青等；馬藺含量最低，極顯著低于其他植物(P<0.01)。總磷含量范圍為0.15 % ～ 0.41 %，含量最高的為花葉萬年青和紅掌，極顯著高于其他種類植物(P<0.01)；其次為黃菖蒲、水生美人蕉、鴨腳木等；最低的為馬藺和袖珍椰子。Cu含量范圍為3.78 ～ 16.78 mg/kg，含量最高的為花葉萬年青，含量最低的為鴨腳木，與其他種類植物差異極顯著(P<0.01)。Zn含量范圍為1.77 ～ 14.31 mg/kg，含量最高的為千屈菜，極顯著高于其他種類植物(P<0.01)，含量最低的為袖珍椰子。Hg含量范圍為0.015～0.062 mg/kg，含量最高的為彩葉草，與其他種類植物差異極顯著(P<0.01)，含量最低的為金鉆蔓綠絨。Pb含量范圍為0.07 ～ 0.56 mg/kg，含量最高的為花葉蘆竹，含量最低的為花葉萬年青，與其他種類植物差異極顯著(P<0.01)。

表3　植物TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb含量

注：*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)。下同

2.3　植物污染物累積量及其生物量相關性分析

不同植物單位面積TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累積量見表4。不同植物對TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb的累積量差異較大。花葉蘆竹和黃菖蒲對TN、TP的累積量極顯著高于其他植物(P<0.01)，其次為千屈菜和水生美人蕉，彩葉草對TN和TP的累積量均最小。千屈菜對Cu、Zn和Hg累積量均最高，花葉蘆竹對Pb的累積量極顯著高于其他植物(P<0.01)，彩葉草、蓮花竹對Cu、Zn的累積量最低，花葉萬年青對Hg和Pb的累積量最低。千屈菜對Cu、Zn和Pb的累積量與其他植物比較具有極顯著差異(P<0.01)。表5為16種植物TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb累積量與生物量(干重)的一元線性回歸方程，分析發現16種植物TN、TP及Pb的累積量與生物量(干重)呈現良好相關性。

表4　單位面積植物TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累積量

表5　植物TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累積量與生物量(干重)相關性分析

注：x表示生物量(干重)；y表示累積量

2.4　植物凈化能力評價

分別采用Tanner評價法和SPSS聚類分析對16種植物的凈化能力進行了綜合評價。Tanner評價分析指標包括生物量(干重)以及TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb累積量，綜合評價結果見表6。結果顯示，黃菖蒲、花葉蘆竹和千屈菜的綜合評分最高，水生美人蕉、金邊吊蘭和紫葉美人蕉的綜合評分中等，而花葉萬年青、彩葉草、紅掌和袖珍椰子的綜合評分較低。采用SPSS聚類分析對不同植物的凈化能力進行了聚類分析，結果見圖2。以聚類重新標定距離10為標準，可將這16種水生植物聚類為3類，凈化能力最強的是千屈菜、黃菖蒲和花葉蘆竹，其次為水生美人蕉，其余種類凈化能力弱。兩種評價方法得出的結果基本一致，黃菖蒲、千屈菜、花葉蘆竹在兩種評價方法中均為凈化能力最強的植物，花葉萬年青、彩葉草均為凈化能力最弱的植物，因此黃菖蒲、花葉蘆竹和千屈菜適合作為工廠化養殖水體中的TN、TP以及Cu、Zn、Hg和Pb的潛力凈水植物，而且具有景觀效果好、維護簡單等優點，適宜在工廠化養殖水體凈化中推廣應用。

表6　植物凈化能力Tanner綜合評價結果

圖2　植物凈化能力聚類分析

3　討論

3.1　不同植物對污染物凈化能力差異分析

所試植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb 均被檢出，說明16種植物均能吸收富集這些污染物。但是不同植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb的含量差異較大。蓮花竹中TN含量最高，但TP卻非常低；TP含量較高的花葉萬年青和紅掌其總氮吸收能力卻不高。千屈菜中Cu、Zn、Hg和Pb含量均較高，說明其對這4種重金屬均具有良好的吸收富集作用，可以作為重金屬去除的潛力凈水植物；花葉萬年青對Cu具有很好的吸收富集作用，但對Pb的吸收率較低；彩葉草吸收Cu和Hg的作用較強；金鉆蔓綠絨吸收Cu作用較強，但對Hg的吸收率較低。對不同污染物含量之間的相關性分析也發現，植物中TN、TP、Cu、Zn、Hg、Pb含量之間無顯著相關性，這說明16種植物對TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb的吸收能力不同。因此，在實際應用這些植物進行水體修復時需要結合待修復水體的水質條件和凈化目的合理搭配相應的植物品種。4種重金屬中Cu含量最高，Zn和Pb次之，Hg含量最低，這可能是由于錦鯉工廠化養殖過程中部分漁藥成分，如硫酸銅等的使用造成的，由于Hg屬于禁用漁藥成分，其主要來源于禁用規定前的池塘污染以及環境本底，因此含量較低。重金屬離子毒性大，在環境中不易被代謝，且容易被生物所富集，具有生物放大效應[14]。重金屬進入植物體內后大部分可與植物體內的某些蛋白質或多肽結合從而貯存下來[15]，因此可以通過植物的吸收、吸附和根際過濾等作用將水體中的重金屬轉移，降低其在水體中的含量及對水生生物的毒性作用。然而，植物對重金屬的積累不能無限增加，因此在錦鯉工廠化養殖過程中對含Cu漁藥的使用應更加謹慎，以免造成進一步的污染，并可根據養殖水體水質情況在浮床植物配置中適當增加對Cu凈化能力強的植物數量。

3.2　植物凈化能力與生長情況的關系

研究表明，植物可以吸收水體中的無機氮作為自身營養成分合成植物蛋白等有機氮，同時植株將光合作用產生的氧氣經通氣組織向根區釋放氧氣，在植物根部形成好氧—缺氧—厭氧的微環境生境，有利于根系周圍硝化菌和反硝化菌的共存，從而增強污染物的降解、轉化等[16-18]。工廠化循環水養殖由于車間光照比一般露天池塘差，因此會直接影響植物的光合效率以及植物的根部泌氧等[19-21]，進而影響植物及根際微生物對氮、磷等污染物的去除作用。本研究中所試16種植物均能在光照相對不足的環境條件下正常生長。李麗[22]研究發現，光化學量子產量可以反映植物的潛在光合能力，黃菖蒲的實際量子產量較高，說明其具有較好的光合效率。本研究也發現黃菖蒲對光照相對差一些的環境條件較為適應，凈化效果相對較好。大型水生植物由于根系較為發達，凈水能力強，而根系欠發達的小型水生植物凈化能力則較弱[23]。本研究中黃菖蒲、花葉蘆竹、千屈菜等大型水生植物植株高大，生長旺盛，具有粗壯的主根和繁茂的不定根，凈化效果較好；而彩葉草、紅掌、袖珍椰子等植株相對矮小，根系欠發達，凈化效果也相對差。從植物中污染物累積量與生物量(干重)之間相關性分析可以看出，生物量是決定植物凈化能力的重要因素，污染物含量對累積量的影響較小，生物量大小可以直觀地反映出其凈化能力。以往的研究也發現，植物的生長特性和株型是影響其凈化能力的重要因素，同等條件下植株的生物量越大，其對污染物的吸收、轉化和儲存能力越強[24]。本研究中黃菖蒲、花葉蘆竹、千屈菜等對TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb累積量均較高，這些大型植物在試驗條件下生長迅速，可以從水體中快速吸收利用氮、磷等對植物生長有效的營養元素并轉化為植物生物量，因此凈化能力較高。在以工廠化養殖水體凈化為目的的生態浮床植物配置中，可以黃菖蒲、花葉蘆竹為主要凈水植物，并點綴千屈菜、水生美人蕉等，以達到有效去除水體中氮、磷等污染物，并降低水體中重金屬含量的目的。在實際應用過程中可定期刈割浮床上部植株，不破壞植物根部，避免由于枯葉造成水體二次污染，保證植物持續凈化效果，減少再次種植成本，并利于植物補償生長[25]。

4　結論

在錦鯉工廠化循環水養殖系統中，16種觀賞植物平均株高、根長、生物量(干重)均明顯增加，對水體中TN、TP、Cu、Zn、Hg和Pb均有較好的富集去除作用，但不同植物中污染物含量差異較大。花葉蘆竹和黃菖蒲對TN和TP的累積量最高，千屈菜對Cu、Zn和Hg累積量均最高，花葉蘆竹對Pb的累積量最高。植物中TN、TP和Pb的累積量與生物量(干重)呈現出良好的相關性。研究表明，黃菖蒲、花葉蘆竹和千屈菜可作為工廠化循環水養殖條件下生態浮床的潛力凈水植物。

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