不同LED光質對狐尾藻生長及畜禽養殖污水凈化效率的影響

胡清泉 沙茜 楊仁燦 常雅潔 韓敏 趙智勇

摘要：為構建狐尾藻（Myriophyuum verticitlatumL）處理畜禽養殖污水植物工廠治污工藝，研究了人工氣候環境下不同光質處理對狐尾藻生長和畜禽養殖污水凈化效果的影響。結果表明，紅藍光3：1處理下狐尾藻生物量、凈化效率顯著高于紅藍光5：1處理、白光處理，與自然光照（CK）之間差異不顯著。紅藍光3：1處理、紅藍光5：1處理葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量與自然光照之間差異不顯著，而與白光處理之間差異顯著。紅藍光3：1處理在生物量、凈化效率和光合色素含量上與自然光照相當，是適宜狐尾藻生長的人工光源。

關鍵詞：狐尾藻（Myriophyllum verticillatum L）;LED;光質;生長;凈化效率

中圖分類號：X171.5

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020） 08-0050-04

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.08.010

光質對植物的生長發育、形態建成、光合作用、物質代謝均有調控作用，通過光質調控，影響植物的形態建成和生長發育。研究表明，波長為610-720nm的紅橙光及400-510 nm的藍紫光是植物生長所吸收的主要光譜[1]。LED（Light emitting diodes）光源由于具有光譜具體、光效高、系統發熱少、質量體積較小、壽命較長、占用空間小等諸優勢被廣泛應用于設施農業植物光照系統組建。近年來，國內外學者已針對生菜、山葵、彩色植物、油菜、百合、韭菜等植物研究了光質對其生長及生化指標的影響[2-7]，表明光對植物的生長發育和生理特性表現出了顯著促進效應。不同紅藍光比例對植物生物量、光合色素、形態品質等方面有顯著影響[8]。在人工氣候條件下，植物的光合作用所需的光能完全依靠人工光源提供，因此選擇適宜的人工光源是十分必要的。

狐尾藻（Myriophyllum verticiltatum L.）由于具有超強的氮磷吸收能力，被作為凈水先鋒植物廣泛應用于畜禽養殖污水的治理中，而這種治理模式往往受季節環境影響變化較大，處理效果不穩定，嚴重影響了畜禽污水處理的可持續發展。此外，由于畜禽養殖污水量大以及土地資源十分有限，畜禽養殖污水處理效率受到了很大的限制，為此，將在畜禽養殖污水處理中引入植物工廠的理念，構建植物工廠治污系統技術工藝。而光照是影響整個工藝流程的主要因素，對狐尾藻的研究大多集中在光照強度、周期對狐尾藻生長及生化指標的影響上[9.10]，而有關光質對狐尾藻生長的影響鮮見報道。

本試驗采用云南省畜牧獸醫科學院自主研發的狐尾藻處理畜禽養殖污水植物工廠技術工藝，以自然光照作為對照，研究不同光質對狐尾藻生長及畜禽養殖污水凈化的影響，篩選出適合狐尾藻生長及其對畜禽養殖污水最佳降解效率的光質，為狐尾藻處理畜禽養殖污水植物工廠模式構建提供有效的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用狐尾藻、養殖污水（豬場污水）均采于云南省畜牧獸醫科學院畜禽養殖環境控制研究所內。選取長勢良好的狐尾藻于20 cm刈割，稱取500 G，筐置于清水培養筐（48 cmx35 cmx20 cm）中預培養，培養7d后待用。

1.2 方法

試驗于2018年3月17日至2018年5月16日在云南省畜牧獸醫科學院畜禽養殖環境控制研究所植物工廠內進行，設4組光源處理，紅光藍光比分別為3：I（BR3：1）、5：I（BR5：1）以及白光，以自然光為對照（CK），每個處理3次重復，光源購自深圳市格樂比光電有限公司。將預培養的狐尾藻置于相同濃度的養殖污水中進行光照培養，污水中，化學需氧量（COD）為1 070.58 mg/L，氨氮（NH3一N）為202.49 mg/L，總氮（TN）為458.58 mg/L，總磷（TP）為17.37mg/L。同一處理放置于一個培養架上，培養架為三層不銹鋼結構，光源位于每層頂部，高度可調，培養架間采用遮光板遮擋，防止培養架間光源交叉影響。對照組置于玻璃房中進行試驗，所有環境與其他處理組相同，通過在玻璃房頂搭建遮陰網來控制光照強度。于試驗0、7、14、21、28、35 d取300 mL污水檢測其生化指標，試驗結束后稱重并計算其相對生長率。植物工廠光照時間為每天14 h，培養溫度為25℃，濕度30%-40%，光強均為200 μmol/（m2.s），污水每4h循環1次，每次2h。試驗期間用水補充蒸發培育過程中的水分至標定的刻度線，同時觀察狐尾藻的生長狀況。

1.3 測定指標及方法

取不同處理天數養殖污水500mL檢測其COD、NH3-N、TN、TP等生化指標，CODCr采用重鉻酸鉀法測定，NH3-N采用納氏試劑光度法測定，TN采用過磷酸鉀氧化法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定[11]。試驗結束后整盤移出，控干水分，稱其鮮重，并計算相對生長率。隨機從每個處理中剪切20株苗，將其葉片混勻后，測定葉綠素含量，檢測方法參照張志良等[12]的乙醇和丙酮混合提取法。

相對生長率（R）=（末重一始重）×100/始重xl00%

1.4 數據處理

采用DPS和Excel統計軟件對數據進行整理、統計分析及圖表制作。數據均以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同光質及配比對狐尾藻生物量的影響

生物量是植物長勢狀況的重要指標，不同光質對狐尾藻生物量有不同的影響，其結果見表1。由表1可以看出，不同配比的紅藍光質對狐尾藻生物量影響不同。BR3：1處理與CK相比，生物量差異不顯著，與BR5：1處理、白光處理相比差異顯著。BR5：1處理與白光處理相比，其生物量差異不顯著。

從不同光質下狐尾藻生物產生量來看，CK和BR3：1處理生物量最大，分別為2 555.19、2 531.20g。CK生物量分別比BR5：1處理、白光處理高54%、62%。BR3：1處理生物量分別比BR5：1處理、白光處理高53%、60%。BR3：1處理與CK的生物量相當。對于相對生長率來說，CK和BR3：1處理的生長率最大，分別為411.02%和406.23%，白光處理的生長率最小，為216.22%。表明相同質量的狐尾藻，在光質BR3：1光照下狐尾藻的生物產生量與自然光（CK）光照下狐尾藻的生物產生量相當，達到最大產生量，而白光光照下生物量最小。

2.2 不同光質對狐尾藻葉綠素含量的影響

狐尾藻葉片中葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量在各光質處理間表現趨勢基本一致（圖1）。葉綠素a含量BR3：1、BR5：1處理與CK相比差異不顯著，而與白光處理之間差異顯著，白光處理分別比CK、BR3：1、BR5：1處理低13.77%、10.53%、7.03%。葉綠素b含量各處理組間差異不顯著，但以CK處理含量最高，為0.53mg/g，比白光處理高0.10mg/g。葉綠素總量各處理組間差異與葉綠素a相似，BR3：1、BR5：1處理與CK相比差異不顯著，而BR3：1處理與白光處理差異顯著，白光處理分別比CK、BR3：1、BR5：1低13.76%、12.37%、9.45%。總體來說，BR3：1、BR5：1處理葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量與CK自然光下的含量相當，與而白光處理差異存在顯著性，由此說明不同紅藍比光質，能有效提高狐尾藻葉片光合色素的含量，而白光不利于光合色素的合成。

2.3 不同光質對狐尾藻降解畜禽養殖污水效率的影響

狐尾藻的生長狀態是評價狐尾藻去除畜禽養殖污水效率最為直觀的評判標準，狐尾藻生長越好，其去除效率就越高。狐尾藻在BR3：1和自然光照下生長最好，其對畜禽養殖污水的去除效率也最好（表2）。COD、NH3-N、TN在CK、BR3：1、BR5：1處理間差異性是一致的，均表現為CK與BR3：1處理之間差異不顯著，而二者均與BR5：1處理間差異顯著，BR3：1處理對COD、NH3-N、TN降解效率分別為91.48%、88.12%、91.37%。

在不同光質對狐尾藻COD降解方面，CK和BR3：1處理與BR5：1處理之間差異顯著，分別高9.54%和9.39%，與白光處理之間差異也顯著，分別高14.79%和14.62%，BR5：1與白光處理之間差異顯著。在對氨氮降解方面，CK與BR3：1處理之間差異不顯著，CK和BR3：1處理與BR5：1處理之間差異顯著，分別高9.70%和8.99%，與白光處理之間差異顯著，分別高8.81%和8.11%，BR5：1與白光處理之間差異不顯著。在總氮的降解方面，各處理與對COD降解效果一致。而在對總磷的降解方面，不同光質處理組間差異不顯著。

BR3：1處理和CK對COD、NH3-N.TN、TP的降解效率最高，說明BR3：1光質下狐尾藻具有較好的降解效率。

3 討論

3.1 光質對狐尾藻的生長及降解效率的影響

比較了不同LED光質條件下對狐尾藻生長的影響，結果表明，以自然光照作為對照，狐尾藻在BR3：1處理下其生物量顯著高于白光下生物量，BR5：1處理的生物量也比白光生物量高68.40 9，這說明不同紅光藍光比例，有利于生物量的增長，且在紅光藍光比為3：1時生物量最高。這與周福君等[13]研究一致。紅藍復合光促進了黃秋葵、油菜、巖白菜、辣椒的鮮重和干重的提高[6，14-16]，紅藍組合光可顯著提高農作物生物量。其主要原因是紅光增加植物的光合速率[17]并促進光合產物的形成與積累，有利于植物的碳同化作用。

有研究表明水生植物對污染物特別是氮、磷的凈化能力主要與其根系發達程度和植株生物量有關，水生植物在其生長水域內構建生態系統，通過物理、化學和生物過程及協同作用驅動TN、NH3-N和TP的轉化和降解，進而提高富營養化水體的凈化率[18.19]。本研究結果顯示，狐尾藻在BR3：1和自然光下生物量最高，從試驗開始到結束其對畜禽污水COD、NH3-N、TN、TP的降解效果也最高，這與羅固源等[20]、陳麗麗等[21]的研究結果一致。可見，水生植物生物量越大、根系越發達，對TN、NH3-N和TP的去除能力就越強，由此說明污水中TN、TP的去除率與植物凈增生物量呈正相關。

3.2 光質對狐尾藻光合色素的調控

紅光和藍光是驅動光合作用的重要光譜，而光合色素對于植物進行光合作用尤為重要，光合色數的含量和組成與葉片的光合速度密切相關。紅光和藍光可以提高植物葉綠素含量，但不同植物對紅藍光配比光質效應不同[14]。唐大為等[22]研究表明，葉綠素a、葉綠素b及葉綠素（a+b）的含量與紅光/藍光值呈正相關，徐凱等[23]研究表明，葉綠素a、葉綠素b及葉綠素（a+b）的含量與紅光/藍光值呈正負相關。本研究結果顯示不同紅藍比光質，能有效提高狐尾藻葉片光合色素的含量，而單一的白光不利于光合色素的合成。葉綠素含量與白光處理相比，BR3：1、BR5：1處理與單一白光處理相比差異顯著，說明不同光質配比對狐尾藻葉綠素含量影響顯著，與周福君等[13]的研究結果相似。

4 結論

不同光質條件下，狐尾藻的生物量、葉片光合色素和其對污水的降解效率等指標均有不同的光效應。與白光相比，紅藍光能有效促進狐尾藻的生長，并且顯著提高狐尾藻的生物量和葉綠素含量。而與自然光照相比，BR3：1對狐尾藻的生長、葉片葉綠素含量及對污水的降解效率均與自然光照相當。本研究結果表明，紅藍光比為3：1的組合光可促進狐尾藻生長和提高對污水的凈化效率。本研究結果為今后狐尾藻植物工廠治污的光調控提供了理論依據。后續研究中還需要選擇更多紅藍光比例光質，進一步探索紅藍光對狐尾藻生長的作用規律，優化篩選出最佳光源。

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基金項目：農業部農業生態環境保護項目（ 09162110402229）

作者簡介：胡清泉（1981-），女，云南昆明人，助理研究員，碩士，主要從事畜禽養殖廢棄物的處理與資源化利用的T作，（電話）18788184672（電子信箱）swau023@163.com;通信作者，趙智勇，（電子信箱）zhaozhiyong898@163.com。