不同類型底棲藻對(duì)養(yǎng)殖廢水中苦草生長(zhǎng)的影響

　　摘 要 以底棲藻和沉水植物代表苦草為研究對(duì)象，研究了絲狀底棲藻毛枝藻、剛毛藻和底棲藻類復(fù)合體藻墊等不同類型的底棲藻在與苦草混合培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)高營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷豬糞廢水中氮磷的去除效率及不同底棲藻類對(duì)苦草生長(zhǎng)的影響. 結(jié)果表明: 不同底棲藻-苦草處理系統(tǒng)對(duì)高磷負(fù)荷( 8 mg /L) 豬糞廢水中的 COD 有較好的去除效果，去除率均高于 87%，其中，藻墊-苦草系統(tǒng)的化學(xué)需氧量( COD) 、總磷和總氮的去除率最高; 在中等磷濃度( 4 mg /L) 條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)去除廢水磷的效果最好. 底棲藻類的存在減緩了營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷對(duì)苦草生長(zhǎng)的抑制效應(yīng); 在中等磷濃度條件下，藻墊和苦草共培養(yǎng)，最有利于苦草的恢復(fù)重建.

　　關(guān)鍵詞 底棲藻類; 苦草; 養(yǎng)殖廢水; 氮磷去除; 磷滯留

　　恢復(fù)和構(gòu)建高等水生植物群落尤其是沉水植物是改善富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水質(zhì)的一種有效的手段，但是，如果水體的氮磷濃度過高則會(huì)抑制沉水植物的生長(zhǎng)[1]，因此，若要在這些淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中恢復(fù)沉水植物，就必須先降低水體的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷[2]. 底棲藻類通過降低水體營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度、吸附和沉淀懸浮沉積物、提高水體透明度，為沉水植物的恢復(fù)創(chuàng)造了條件[3]，對(duì)淡水生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)及沉水植物的分布具有重要的影響. 底棲藻墊是以底棲藻類為主要組成成分的生物聚合體. 苦草( Vallisneria natans) 為我國(guó)常見的多年生沉水植物，常作為富營(yíng)養(yǎng)化水體沉水植物恢復(fù)重建品種.

　　底棲藻墊和苦草混合培養(yǎng)時(shí)滯磷能力均增強(qiáng)[4]，藻墊的存在可以減緩高濃度氮磷對(duì)苦草的脅迫效應(yīng)[5].將沉水植物苦草和金魚藻分別和底棲藻類混合培養(yǎng)，底棲藻類的生物量顯著減少，表明在淺水湖泊或沼澤中，某些沉水植物能有效地阻止底棲藻墊的過度蔓延生長(zhǎng)，以免其破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]. 目前有關(guān)不同類型底棲藻類的存在對(duì)苦草生長(zhǎng)影響的研究較少，本研究測(cè)定了不同類型的底棲藻類( 毛枝藻、剛毛藻和底棲藻墊) -苦草處理系統(tǒng)對(duì)高營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷豬糞廢水中氮磷的去除率、藻墊在不同磷濃度條件下對(duì)磷的滯留能力和苦草中丙二醛含量的變化，以探究在高負(fù)荷養(yǎng)殖廢水中不同類型底棲藻類對(duì)苦草生長(zhǎng)的影響，為富營(yíng)養(yǎng)化淺水水體的磷污染治理及其沉水植物的恢復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù).

　　1 材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)材料的采集與制備

　　以大理石( 15 cm×8 cm×1 cm) 作為人工基質(zhì)，清洗干凈并晾干，置于南湖沿岸( 水深 20 ～ 30 cm) 進(jìn)行原位培養(yǎng)，兩周后將生長(zhǎng)有底棲藻類的人工基質(zhì)回收. 毛枝藻和剛毛藻來源于本實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)種，用改良朱氏 10 號(hào)培養(yǎng)液培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為 18 ～ 22 ℃，每隔 2 d 更換新鮮培養(yǎng)液，同時(shí)清除雜藻和污染[7]. 苦草取樣于武漢植物園某池塘，放置于溫室玻璃缸內(nèi)進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，預(yù)培養(yǎng)的溫度和光照與后續(xù)實(shí)驗(yàn)相同，預(yù)培養(yǎng)二周后挑取生長(zhǎng)狀態(tài)好的苦草用于后續(xù)實(shí)驗(yàn). 豬糞廢水采集于武漢白沙洲某養(yǎng)豬場(chǎng).

　　1.2 設(shè)置與培養(yǎng)條件

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)置 5 個(gè)處理組，每組 3 個(gè)平行. 在玻璃缸 ( 40 cm×30 cm×30 cm) 底均勻覆蓋一層約 5 cm 厚的細(xì)沙，將長(zhǎng)有底棲藻類的人工基質(zhì)置于沙上，預(yù)培養(yǎng)的苦草均勻置于各處理組系統(tǒng)中，并加入 18 L 不同磷濃度的豬糞廢水( 表 1) . 在室內(nèi)溫度為 22 ± 2 ℃的溫室內(nèi)進(jìn)行. 以 40 W 日光燈為光源，同時(shí)在每個(gè)玻璃缸里設(shè)置 1 個(gè)曝氣頭，并調(diào)節(jié)至相同的曝氣速度，實(shí)驗(yàn)周期為 32 d

　　1.3 測(cè)定項(xiàng)目

　　1.3.1 水體理化指標(biāo)的測(cè)定

　　定期 測(cè) 定 各 處 理 系 統(tǒng) 水 體 的 化 學(xué) 需 氧 量 ( COD) 、總磷( TP) 、總?cè)芙庑粤? TDP) 、可溶活性磷 ( SRP) 、總氮( TN) 和總?cè)芙庑缘? TDN) ，參照國(guó)家環(huán)保局制定的標(biāo)準(zhǔn)方法[8].

　　1.3.2 苦草生理指標(biāo)的測(cè)定

　　實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)分別測(cè)定各組苦草的鮮重，定期測(cè)定各組苦草葉片丙二醛( MDA) 的含量，MDA 的測(cè)定參照文獻(xiàn)[9].

　　1.3.3 底棲藻類生理指標(biāo)的測(cè)定

　　實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)分別測(cè)定各組底棲藻墊的鮮重、干重和總磷含量[10]，同時(shí)計(jì)算底棲藻墊的最大磷去除率( MRP) ，參照 Guzzon 等的方法[11].

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 不同類型底棲藻類對(duì)廢水中 COD 的去除

　　不同處理系統(tǒng)水體中的 COD 含量隨處理時(shí)間的變化見圖 1.可見不同類型底棲藻-苦草處理系統(tǒng)對(duì)水體 COD 均具有良好的去除效果，對(duì)水體 COD 的去除率均大于 87%，毛枝藻-苦草系統(tǒng)( A 組) 、剛毛藻-苦草系統(tǒng)( B 組) 和藻墊-苦草系統(tǒng)( C 組) 對(duì)水體 COD 的去除率分別為 87. 5%、88. 2%和 92%，其中，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體 COD 的去除率最高，為 92%; 同時(shí)不同磷濃度條件下的藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體 COD 的去除結(jié)果表明，在高磷濃度( 7.88 mg /L) 條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì) COD 的去除率高于在中、低磷濃度下的去除率.

　　2.2 不同類型底棲藻類對(duì)廢水中磷的去除

　　所有處理系統(tǒng)水體的 TP、TDP 和 SRP 的濃度隨處理時(shí)間的增加而降低

　　高磷濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)( C 組) 對(duì)水體中的 TP 的去除率達(dá)到 92.7%，高于剛毛藻-苦草系統(tǒng)( B 組) 和毛枝藻-苦草系統(tǒng)( A 組) 的去除率( 圖 2a) ; 不同磷濃度條件下，藻墊-苦草處理系統(tǒng)在中等磷濃度( 4 mg /L) ( D 組) 下對(duì)水體中 TP 的去除效果最好，達(dá)到 97.4%.絲狀綠藻和底棲藻墊分別處理高磷濃度廢水研究表明，底棲藻墊對(duì)廢水中總磷的去除率( 70%) 高于絲狀綠藻( 85%) [12].

　　本文有類似結(jié)果，在高濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體 TP 的去除率也高于絲狀底棲綠藻-苦草系統(tǒng)的去除率.

　　各處理系統(tǒng)水體中的 TDP 含量和 TP 含量比較接近，說明各處理系統(tǒng)水體中的磷主要以可溶性磷的形式存在( 圖 2a，2b) . 高磷濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體 TDP 的去除率達(dá)到 92.5%，同樣高于另外兩種系統(tǒng)對(duì)水體 TDP 的去除率( 圖 2b) ; 不同磷濃度條件下，藻墊-苦草處理系統(tǒng)在中等磷濃度下對(duì)水體中 TDP 的去除效果最好，達(dá)到 97.3%.

　　在高磷濃度下，藻墊-苦草系統(tǒng)和毛枝藻-苦草系統(tǒng)對(duì)水體 SRP 的去除率均達(dá)到 92%，剛毛藻-苦草系統(tǒng)的去除率為 72%; 在不同磷濃度條件下，處理前 2 d，藻墊高磷濃度組( C 組) 對(duì)水體 SRP 的去除率最高，中磷濃度組( D 組) 次之，低磷濃度組( E 組) 最小; 32 d 后，高、中、低磷濃度下的藻墊-苦草處理系統(tǒng) 對(duì) 水 體 SRP 的去除率分別達(dá)到 92. 7%， 97.5%，94.0%( 圖 2b) ，其中，中磷濃度下的藻墊-苦草處理系統(tǒng)對(duì)水體 SRP 的去除率最高. 在處理初期，藻墊-苦草系統(tǒng)在高濃度條件時(shí)對(duì)水體 SRP 的去除率最高. 其他研究也有相似研究結(jié)果[13].

　　2.3 不同類型底棲藻類對(duì)廢水中氮的去除

　　各處理系統(tǒng)水體 TN 含量在前 8 d 大幅度下降，第 8 d 時(shí)各處理系統(tǒng)對(duì)水體 TN 的去除率已超過 56%; 在高濃度條件下，毛枝藻-苦草系統(tǒng)( A 組) 、剛毛藻-苦草系統(tǒng)( B 組) 和藻墊-苦草系統(tǒng)( C 組) 對(duì)水體 TN 的去除率分別為 91%、84%、94%，其中，毛枝藻-苦草系統(tǒng)和藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體 TN 的去除率達(dá)到 90%以上，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì)水體 TN 的去除率高于毛枝藻-苦草系統(tǒng)( 圖 3a) ; 不同氮濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)在中等氮濃度( 9 mg /L) ( D 組) 條件下對(duì)水體中 TN 的去除效果最好，達(dá)到 95.9%，在第 8 d 時(shí)，其對(duì)水體 TN 的去除率已達(dá) 86%. 這表明當(dāng)?shù)讞孱惡涂嗖莨泊鏁r(shí)，系統(tǒng)仍能保持對(duì)水體氮磷較高的去除率.

　　在第 8 d 各處理系統(tǒng)對(duì)水體 TDN 的去除率均已超過 57%; 在高濃度條件下，藻墊-苦草系統(tǒng)對(duì) TDN 的去除率最高，達(dá)到 93.8%( 圖 3b) ; 藻墊-苦草系統(tǒng)在中等氮濃度( 9 mg /L) ( D 組) 時(shí)對(duì)廢水中 TDN 的去除效果最好，達(dá)到 95.1%，在第 8 d，其對(duì)水體 TDN 的去除率已達(dá) 91%.

　　2.4 不同類型底棲藻類對(duì)苦草生長(zhǎng)的影響

　　在實(shí)驗(yàn)開始( 第 0 d) 和結(jié)束( 第 32 d) 時(shí)分別測(cè)定各處理系統(tǒng)中苦草的鮮重.高濃度條件下的 A 組、 B 組、C 組中苦草鮮重分別增加約 17、22. 2 和 27. 5 g，其中，藻墊與苦草混合培養(yǎng)時(shí)苦草鮮重增加的最多( 表 2) ，說明和剛毛藻、毛枝藻相比，藻墊與苦草共存時(shí)更有利于苦草的生長(zhǎng).

　　不同處理系統(tǒng)中苦草 MDA 含量的變化表明 ( 圖 4) ，前期( 第 8 d) 毛枝藻-苦草系統(tǒng)、剛毛藻-苦草系統(tǒng)和藻墊-苦草系統(tǒng)中苦草 MDA 含量分別上升了 0.017、0.014 和 0.009 μmol /g，其中，藻墊-苦草系統(tǒng)中苦草 MDA 含量的增加量明顯小于毛枝藻-苦草系統(tǒng)和剛毛藻-苦草系統(tǒng)中苦草 MDA 含量的增加量 ( p<0.05) .說明與毛枝藻和剛毛藻相比，藻墊能減小高濃度污染對(duì)苦草的傷害; 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，這 3 種處理系統(tǒng)的苦草 MDA 的含量基本恢復(fù)到處理前的水平，說明底棲藻類能促進(jìn)苦草對(duì)高濃度廢水的適應(yīng).而單獨(dú)培養(yǎng)苦草則會(huì)受到嚴(yán)重脅迫[5].

　　2.5 不同磷濃度處理對(duì)苦草生長(zhǎng)的影響

　　在高( C 組) 、中( D 組) 、低磷 3 種( E 組) 條件下，分別將藻墊和苦草混合培養(yǎng).在第 32 d3 種磷濃度條件下的苦草鮮重分別增加約 27.5、39.4 和 18.6 g，其中，中等磷濃度( D 組) 下苦草鮮重增加的最多 ( 表 2) ，說明對(duì)于藻墊-苦草系統(tǒng)而言，中等磷濃度 ( 約 4 mg /L) 的水體環(huán)境最適合苦草的生長(zhǎng).

　　在第 8 d，高、中、低 3 種磷濃度條件下的苦草 MDA 含 量 分 別 上 升 了 0. 0087、0.0054 和 0. 0053 μmol /g，其中，中等磷濃度條件下苦草 MDA 含量的增加量明顯小于高磷濃度下苦草 MDA 含量的增加量( p<0.05) ( 圖 4) ，表明中等磷濃度水體環(huán)境更適合苦草的生長(zhǎng). 苦草的生物量和 MDA 含量變化表明，藻墊和苦草共培養(yǎng)，且在中等磷濃度條件下，最有利于苦草的恢復(fù)重建.

　　2.6 不同類型底棲藻類總磷含量的比較

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，毛枝藻、剛毛藻和藻墊的總磷增加量依次約為: 3.1 、2.48、0.7 mg /g·DW，其中毛枝藻的總磷增加量最大，約為 3.1 mg /g·DW，剛毛藻次之，毛枝藻和剛毛藻的總磷增加量都明顯大于藻墊 ( p<0.05) ，藻墊的總磷增加量最小，約為 0.7 mg /g· DW，表明絲狀底棲藻類具有更強(qiáng)的短期磷滯留潛力( 表 3) . 這可能是由于松散的絲狀藻具有良好過濾作用[14]，能為去除水體的懸浮顆粒物質(zhì)提供很大的表面積，進(jìn)一步增強(qiáng)了其滯磷能力.

　　2.7 不同磷濃度下底棲藻墊的生物量及最大磷去除率比較

　　高、中、低 3 種磷濃度條件下藻墊鮮重增加量依次為 38.9、28.3 和 7.6 g，其中，高磷濃度( C 組) 的藻墊鮮重增加最多，中磷濃度次之，低磷濃度最小( 表 4) ，表明高磷濃度更有利于藻墊生物量的增加. 因此，底棲藻類的生物量隨著氮磷濃度的增大而增加，當(dāng)?shù)诐舛冗_(dá)到最高值，其 生 物 量 也 達(dá) 到 最大值[13，15].

　　比較不同磷濃度條件下藻墊的最大磷去除率，結(jié)果表明高、中、低 3 種磷濃度條件下藻墊最大磷去除率依次為3.00、1.99 和 0.26 mg·m2 ·d-1 ，其中，高磷濃度( C 組) 下藻墊的最大磷去除率最高，為3.0 mg·m2 ·d-1 ，中磷濃度次之，低磷濃度最小，為0.26 mg·m2 ·d-1 ( 表 4) .

　　3 結(jié)語

　　( 1) 藻墊-苦草系統(tǒng)的 COD、總磷和總氮的去除率高于剛毛藻、毛枝藻-苦草系統(tǒng).

　　( 2) 高濃度的豬糞廢水會(huì)對(duì)苦草產(chǎn)生短期的逆境脅迫，但底棲藻類的存在，減緩了營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷對(duì)苦草生長(zhǎng)的抑制效應(yīng).

　　( 3) 不同類型底棲藻滯留總磷的能力不同，與藻墊相比，絲狀底棲藻具有更強(qiáng)的短期磷滯留潛力.

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