8種水生植物對高污染負荷水體除污能力的篩選

許巧玲，汪麗，張鳳，王萍

（安順學院資源與環境工程學院，貴州安順 561000）

水生植物對污染水體的修復形式主要有人工濕地、凈化床、生態浮床、河岸護坡、緩沖帶技術等。利用水生植物凈化水質因其高效率、低成本等優點在凈化過程中發揮了重要作用[1]。其凈化機理主要表現在直接吸收利用污水中的營養物質，并為微生物提供較大的附著面積[2]。利用水生植物修復水體過程中植物的去污作用會因為植物種類不同而存在差異。趙麗娜等[3]研究菖蒲和香蒲對總氮（TN）、總磷（TP）和耗氧有機物（COD）的去除率顯著高于蘆葦。王慶海等[4]發現鳶尾、菖蒲、香蒲、蘆竹、扁稈草、千屈菜和蘆葦的氮磷去除能力依次降低。黃花鳶尾比睡蓮和蘆葦具有更強的除氮磷能力[5]。李芳柏等[6]對水中COD、BOD、TP等污染物的凈化效果，綜合評價是美人蕉＞蕹菜＞水稻＞野生稻。有研究認為植物吸收氮僅占總氮量的20%～30%[7]；植物吸收對總磷去除的貢獻率一般在5%～20%[8-9]。即便如此，生態修復中植物的作用仍是不可替代的，有大量研究表明濕地植物在人工濕地處理污水中的重要性[10-16]。因為植物根系可以為硝化反硝化提供好氧和厭氧的交替環境。植物因為根系結構不同，導致栽種植物后對系統中的氧氣濃度、污染物氧化能力和pH均會有不同影響。一般情況下凈化能力越強，其植物根系也越發達[17-18]，因此在生態修復系統構建過程中，可優先選擇根系發達且生長較快的水生植物。影響污染物去除效果除植物種類還有污染物濃度，前人對于污染物濃度與去除效果間的關系做過許多相關研究，普遍認為污染物較低情況下，凈化效果較好，污染物濃度較高情況下，其凈化效果下降[19-20]。因此，篩選抗高污染負荷的水生植物對處理高濃度污水的生態修復系統中植物品種選擇有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鳶尾（Iris tectorum）、美人蕉（Canna indica）、風車草（Cyperus alternifolius）、銅錢草（Hydrocotyle verticillata）、蘆竹（Arundo donax）、再力花（Thalia dealbata）、澤瀉（Alisma plantago-aquatica）、水蔥（Scirpus validus）8種水生植物均采自月亮湖附近濕地，挑選大小適宜的健康植株，沖洗干凈后在自來水中培養10 d作為適應性培養。試驗在直徑35 cm、高45 cm的塑料桶內進行。人工污水用可溶淀粉、硫酸銨、硝酸鉀和磷酸二氫鉀進行模擬配制，水質指標為：TN 41～45 mg/L，TP 5.6～6.0 mg/L，COD 323～350 mg/L，DO 6.7～6.9 mg/L，pH 5.9～6.0。

1.2 試驗設計

試驗在7月進行。每種植物為1個處理，設置3次重復，同時設置不種任何植物對照組。標記每只水桶的液面，以之為標準，定時補足各桶因自然蒸發和植物生理作用所損失的水量。試驗時間為1個月，共采集分析樣品10次，每次取樣量為20 mL，當天測定水質，監測指標為污水中TP、TN、CODcr。根據R=100（Ci-Co）/Ci×100%計算污染物去除效率，其中Ci、Co分別為進出水濃度。處理中污水的DO、pH、ORP、T等環境指標每天現場檢測1次。試驗結束后采集植物根系，當天檢測其根系活力。

1.3 測定項目及方法

TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，TP采用鉬銻抗分光光度法測定，CODcr采用重鉻酸鉀氧化法測定[21]。污水的DO、pH、ORP、T等環境指標采用哈希便攜式水質檢測儀（HQ14D）檢測，根系活力采用α-奈胺氧化法測定[22]。

1.4 數據分析

采用Excel 2000和SPSS 26進行數據處理，數據為平均值±標準差，利用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同水生植物在污染水體中的生長情況

試驗期間風車草、蘆竹每株植物均有新葉長出，顏色鮮艷，植株普遍長高；銅錢草、水蔥、鳶尾可以緩慢生長，未出現死亡或萎蔫現象；美人蕉、再力花、澤瀉生長受阻，部分葉片出現萎蔫現象。通過測定根系活力（圖1），發現風車草＞蘆竹＞水蔥＞鳶尾＞銅錢草＞美人蕉＞澤瀉＞再力花，其中，風車草在高濃度氮磷污水中根系活力顯著高于其他植物，說明風車草耐污能力較強，在高負荷污染逆境中生存能力較強。由于植物生理衰亡原因，再力花、澤瀉和美人蕉出現不同程度葉片萎蔫，且根系活力較低，說明再力花、澤瀉和美人蕉不適用于處理高濃度污染水體。

圖1 8種水生植物根系活性

2.2 不同水生植物對水體環境因素的影響比較

從圖2和表1可以看出，因為植物種類不同，在高濃度污水中8種植物對水體中的pH、ORP、DO影響有較大差異（P＜0.001）。就植物種類而言，銅錢草對水體中溶解氧水平的提高影響最大，說明銅錢草對恢復重污染水體中溶解氧含量有積極作用。杭州市南應家河工程采用植物修復生態水環境，使水體中溶解氧含量近乎于0提高到4 mg/L[23]，說明選擇合適的水生植物對水體復氧有積極作用。該試驗中8種植物的pH、ORP、DO呈現極顯著差異，說明可以通過篩選不同水生植物改變系統微環境，也間接證明依據污染水體特點選擇適宜水生植物的重要性。

圖2 8種水生植物在水體中ORP、pH、DO的平均值

表1 8種水生植物對水體ORP、pH、DO影響的差異性分析

2.3 不同水生植物對污染物的凈化效果及相關分析

由表2可知，與不種植物的對照相比，8種植物對高濃度污水中的COD、TN、TP都有一定程度的凈化效果，其中COD去除率為63.69%～76.53%，TN去除率為46.57%～80.33%，TP去除率為0.22%～85.93%。其中水生植物對TP的去除效果差異較大。就植物種類而言，風車草在高濃度脅迫下對總氮、總磷的去除效果表現最佳。各植物對COD的去除效果均無明顯差異（P＞0.05）。該研究中，試驗時間為7月，正值供試植物生長旺盛期，與未種植物系統相比，因水生植物存在，對COD、TN和TP的去除率分別可以提高34.89%～47.73%、14.75%～48.51%、0.1%～85.81%，表明植被在除污系統中對污染物去除起重要作用。試驗期間美人蕉的除磷效果欠佳，平均去除率僅為0.22%。孫瑞蓮等[24]研究發現當污水中COD高于160 mg/L、TN高于30 mg/L、TP高于4 mg/L，寬葉香蒲、茭白、黃花鳶尾產生氧化脅迫作用。該試驗中美人蕉可能因為在高濃度污水環境中產生氧化脅迫而導致對總磷吸收能力急劇下降。影響COD、TN和TP凈化效果的因素很多，試驗分析了pH、DO、T、ORP與水體凈化效果的關系（表3），該試驗中DO與pH呈現極顯著負相關，與ORP呈極顯著正相關，且pH、DO、T、ORP與COD、TN和TP的去除表現出不同程度的相關性，說明不同植物因生長特點和代謝不同對水體環境影響不盡相同，其代謝活動中產生的氧氣和代謝物質會直接影響微生物生長進而影響到污染物的降解效果。

表2 8種水生植物重污染水體的凈化效果 %

表3 凈化效果與水體環境因素間的相關分析

2.4 不同水生植物對污染物去除能力聚類分析

通過對污染物去除和根系活力等因素的聚類分析發現，8種水生植物可以分為3個等級，第1級為風車草，說明風車草在高污染脅迫環境中除污能力和抗逆能力最強，可作為高污染水體修復治理的優選植物材料；第2級為水蔥和蘆竹，在同樣條件下的除污能力和抗逆能力僅次于風車草，也可作為高污染水體修復治理的備選植物；第3級為美人蕉、鳶尾、銅錢草、再力花、澤瀉，這幾種水生植物在高濃度污染水體中生長和除污能力表現欠佳，有可能試驗水體污染負荷較高（TN＞40 mg/L，TP≈6 mg/L，COD＞300 mg/L），超過了它們的忍耐閾值，也說明它們不適用于處理此濃度范圍的高污染水體，可以作為較低濃度污染或微廢水體的修復治理材料。后期可以深入研究這幾種水生植物對污染濃度的忍受閾值，為以后工程應用項目中植物材料篩選做更科學和針對性的指導。

圖3 8種植物聚類結果

3 結論

通過對根系活力研究發現風車草＞蘆竹＞水蔥＞鳶尾＞銅錢草＞美人蕉＞澤瀉＞再力花，8種植物對水體環境中DO、ORP和pH都有顯著影響，且脫氮除磷效果差異顯著，直接證明在水體修復中選擇植物的重要性。

通過聚類分析發現，8種植物在高負荷污染水體修復和抗逆能力中的表現可分為3個等級：第1級為風車草，可作為高污染水體修復治理的優選植物材料，第2級為水蔥和蘆竹，可作為高污染水體修復治理的備選植物，第3級為美人蕉、鳶尾、銅錢草、再力花、澤瀉，可作為較低濃度污染或微廢水體的修復治理材料。研究水生植物在高污染負荷條件下的生長狀況和除污表現可為高濃度污染水體（黑臭水體）修復提供更有針對性的科學依據。