水生蔬菜浮床對污染水體的修復(fù)機(jī)制及應(yīng)用

宣雄智+馬國勝+于淼

摘 要：我國水生蔬菜種類繁多，利用蔬菜浮床對水環(huán)境進(jìn)行原位修復(fù)的機(jī)制主要是激發(fā)水生蔬菜體內(nèi)相關(guān)酶活性，促進(jìn)其對水體營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；為根際微生物創(chuàng)造適宜條件，促進(jìn)其對營養(yǎng)物質(zhì)的分解；利用浮床自身對污染物的攔截、過濾、沉淀等。蔬菜浮床凈水效果受蔬菜種類，水體富營養(yǎng)化程度，浮床覆蓋面積，氣候變化等因素影響。今后應(yīng)著力從蔬菜組合、浮床改進(jìn)等方面探索生態(tài)浮床的構(gòu)建和管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)功能的有機(jī)結(jié)合。

關(guān)鍵詞：水生蔬菜；浮床；水體修復(fù)

中圖分類號(hào) S63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）10-0062-03

Abstract：The main mechanism of utilization of vegetable floating bed for in situ remediation of water environment is to stimulate enzyme activities of aquatic vegetables to promote the absorption of nutrients in the water，to create suitable conditions for microorganisms in the rhizosphere of vegetables to promote the decomposition of nutrients，using the floating bed on the pollutant interception， filter precipitation， etc. The effect of vegetable floating bed was affected by the types of vegetables， the degree of eutrophication， the coverage area of floating bed and the climate change. In the future， it is necessary to explore the construction and management technology of ecological floating bed from vegetable combination and floating bed improvement， to realize the organic combination of economic benefit and ecological function.

Key words：Aquatic vegetables；Floating bed；Water restoration

我國水生蔬菜品種繁多，大量研究表明水生蔬菜具有吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，降低其富營養(yǎng)化程度的特性。水生蔬菜浮床應(yīng)用于景觀污染水體時(shí)，可提高水體透明度，增加生物多樣性[1]；應(yīng)用于養(yǎng)殖池塘?xí)r，可減少因?yàn)榈讞~類活動(dòng)所引起沉積物重懸浮，還能穩(wěn)定底泥、抑藻抑菌，從而改善養(yǎng)殖水質(zhì)[2]。浮床栽培水生蔬菜不僅修復(fù)富營養(yǎng)化水體行之有效，而且還具有較好的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。這種生態(tài)模式非常值得推廣。

1 水生蔬菜浮床凈化水體的機(jī)制

氮、磷等營養(yǎng)元素是水生蔬菜生長所需的重要物質(zhì)。氮在水體中的主要形式有離子態(tài)的氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及有機(jī)物氮和部分氣態(tài)氮（NH3，N2和NO2），氣態(tài)氮在富營養(yǎng)化水體中比重很少。蔬菜浮床去除氨氮的主要途徑有植物吸收、硝化反應(yīng)和氨揮發(fā)（水體pH>8）等[3]。蔬菜體內(nèi)的硝酸還原酶可以加速無機(jī)氮的轉(zhuǎn)化，提高蔬菜對氮元素的吸收能力[4]，如硝態(tài)氮先由硝酸還原酶將其還原成亞硝酸鹽，再經(jīng)亞硝酸還原酶催化還原為銨鹽，最后用于合成氨基酸。有機(jī)氮主要靠微生物分解轉(zhuǎn)化，一部分轉(zhuǎn)化為離子態(tài)氮，一部分被微生物自身所利用[5]。

磷元素生物活性強(qiáng)，正常水體中大部分磷是以有機(jī)磷或被生物細(xì)胞組織吸附的無機(jī)磷形式存在的，其中溶解無機(jī)磷主要以正磷酸鹽離子H2PO4一或HPO42一的形式存在；顆粒態(tài)無機(jī)磷在水體中處于溶解釋放和吸附的動(dòng)態(tài)過程；有機(jī)磷會(huì)被微生物降解，水體中磷的實(shí)際存在形式和去除途徑都比較復(fù)雜，除磷機(jī)制主要包括吸附、絡(luò)合及沉淀、植物萃取和生物同化等若干過程。水生蔬菜體內(nèi)堿性磷酸酶等的酶活會(huì)隨著磷吸收而增強(qiáng)[4]，同時(shí)其根部環(huán)境可為嗜磷菌提供良好的有氧環(huán)境以有效降解去除污水中的磷[6]。

水生蔬菜的根系網(wǎng)絡(luò)可吸收水體中的可溶性富營養(yǎng)物質(zhì)，植物吸收達(dá)上限時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)對有機(jī)物的去除作用中就會(huì)減弱，此后主要依賴微生物降解[7]。根系的巨大表面積可以為水中懸浮物和各種微生物提供良好附著載體，從而大面積地過濾和吸附顆粒污染物，蔬菜根系的分泌物不但能改變根系周圍的理化環(huán)境[8]，如根系的生長代謝向水體釋放的氧氣，在植物根區(qū)形成氧化態(tài)的微環(huán)境，這種兼具好氧區(qū)、兼氧區(qū)、厭氧區(qū)的環(huán)境也為根區(qū)的各種微生物提供了適宜的生長繁殖場所，促進(jìn)硝化、反硝化反應(yīng)和微生物對磷的過量積累作用[9]，而且還能為根系微生物提供營養(yǎng)和能源物質(zhì)。

不溶性有機(jī)物通過沉淀過濾作用，可以很快被截留為微生物所利用，而可溶性有機(jī)物則可通過蔬菜根系生物膜的吸附，經(jīng)吸收及生物代謝降解過程被分解去除。

2 不同品種水生蔬菜的凈水效果

2.1 雍菜 水雍菜抗病力強(qiáng)，生長快，產(chǎn)量高，適應(yīng)性強(qiáng)，但不耐寒。適宜夏季浮床栽培。水雍菜在浮床上健康生長時(shí)，通過莖葉大量吸收并同化富營養(yǎng)水體中的N、P 等養(yǎng)分后，浮床系統(tǒng)的硝化反應(yīng)加快，靜態(tài)條件下空心菜對入湖河水全N、水溶性P的去除率高達(dá)90%以上，動(dòng)態(tài)條件下則達(dá)50%左右[10]。同化吸收作用是水雍菜去除氮、磷的主要途徑[1]。除此之外，水雍菜浮床還可穩(wěn)定稻蝦鱔共作稻田水體pH值，提高養(yǎng)殖水體溶氧量[11]，水體氨氮和亞硝酸氮水平可分別控制在1.00mg/L和0.03mg/L以下。不同程度富營養(yǎng)水體中，水雍菜均有明顯的凈水效果[12]。需要注意的是，在鹽堿性較高的水體中水雍菜難以正常生長[13]，

2.2 水芹 水芹在冬季低溫條件下也能維持生長良好，對水體TN、TP的去除率超過50%[14]，且可抑制藻類過度繁殖。水芹浮床在室內(nèi)短周期（3d）富營養(yǎng)水體凈化中也表現(xiàn)出較高的TN、TP的吸收率 [15]。室內(nèi)周期性動(dòng)態(tài)換水條件下，水芹對TN、TP的凈去除率為26.64%和48.36%[16]。

2.3 豆瓣菜 豆瓣菜對不同富營養(yǎng)化水體的總氮（TN）和總磷的凈去除率可達(dá)60%和65%左右，去除率與水體初始濃度呈正相關(guān)。隨著水體的逐漸凈化，污染物的去除速率會(huì)逐漸減慢[17]。豆瓣菜對不同富營養(yǎng)程度水體的凈化效果要均優(yōu)于芹菜和蔥[12]。

2.4 青菜 周小平等選用耐低溫的青菜品種“矮腳黃”和“蘇州青”凈化天然富營養(yǎng)化水體，實(shí)驗(yàn)周期為116d，2個(gè)品種對水體總氮/總磷的凈去除率分別達(dá)16.86%/16.21%，17.63%/15.72%，但靠青菜自身積累所去除的氮磷所占比例并不高[1]。

2.5 大蒜 大蒜耐寒，可作為冬季浮床備選植物，其對開放水體TN和TP的凈去除率也能達(dá)33.3%和33.9%[15]，但在實(shí)驗(yàn)后期植株發(fā)黃，綜合考慮景觀效應(yīng)和凈水能力，不宜選用大蒜浮床來凈化水體。也有研究表明在大蒜生長的適溫范圍內(nèi)，大蒜對人工配置的富營養(yǎng)水體TN、TP的凈去除率可達(dá)52.05%和23.39%，溫度不適時(shí)，其凈水能力一般[16]。

2.6 其他蔬菜 莜麥菜也都有一定的去污能力，適于春秋季節(jié)栽培用于凈化中低富營養(yǎng)化水體[13]；韭菜、茼蒿、菜作為耐寒蔬菜，經(jīng)過水培馴化，也有較強(qiáng)的凈水能力[4、16]。慈姑雖在富營養(yǎng)水體中生長情況良好，但凈水能力較差[18]。青芹浮床對人工配置富營養(yǎng)水體的TN、TP的凈去除率達(dá)66.67%和21.36%[16]。莧菜對污染水體總氮總磷的去除率可達(dá)70%以上[4]。胡綿好研究表明韭菜和蔥浮床處理污水，水中辛味加重，且凈水效果并不理想，不宜在養(yǎng)殖池塘中使用[12]。香芹和菠菜耐污染能力較差，不適于浮床栽培[13]。

3 影響浮床處理效果的因素

3.1 水體富營養(yǎng)化程度 一般而言，在水生蔬菜生長耐受范圍內(nèi)，其對富營養(yǎng)化程度高的水體有更好的凈化效果。主要由于當(dāng)水體氮、磷等營養(yǎng)元素充足時(shí)，可通過蒸騰作用以較快的速率被植物吸收利用；當(dāng)?shù)⒘椎葼I養(yǎng)元素缺乏時(shí)，蒸騰作用主導(dǎo)的對營養(yǎng)元素的吸收效率大大降低，水生蔬菜需通過主動(dòng)運(yùn)輸來維持營養(yǎng)元素的攝入，吸收速率下降[18]，這也從側(cè)面反映出利用水生植物處理低濃度、非點(diǎn)源富營養(yǎng)化水體的難度較大。

3.2 覆蓋面積 宋超等[19]認(rèn)為養(yǎng)殖池塘浮床覆蓋的適宜面積需參照水生植物對養(yǎng)殖尾水中污染物的吸收能力和養(yǎng)殖魚類的產(chǎn)排污系數(shù)，再結(jié)合淡水池塘養(yǎng)殖過程中水質(zhì)管理的一般規(guī)律，經(jīng)過科學(xué)計(jì)算才能確定。一般而言，水體溶氧量與浮床覆蓋率成正比[11]。但當(dāng)蔬菜浮床覆蓋率過高時(shí)，不利于水體的大氣復(fù)氧，且由于植物自身“水呼吸”，與養(yǎng)殖動(dòng)物競爭水體溶解氧[20]。綜合考慮凈水效果和經(jīng)濟(jì)成本，蔬菜浮床的覆蓋率以10%～15%為佳。

3.3 處理時(shí)間 處理時(shí)間長短的不同，植物對水體中營養(yǎng)物質(zhì)的去除率以及自身生物量的增長速度也不一樣。一般而言，浮床處理富營養(yǎng)水體初期，污染物的去除率呈逐步上升趨勢，隨著時(shí)間的推移，去除率趨于穩(wěn)定或逐步下降。隨著處理時(shí)間的增加，水體污染物去除效果越明顯，但凈去除率會(huì)有較明顯下降，這是對照組水體的自凈效果顯現(xiàn)與處理組污染物去除率下降疊加所致[12]。

3.4 氣候變化 林東教漂浮栽水雍菜，實(shí)驗(yàn)期間，水溫隨天氣而變，呈下降趨勢，28d換水1次，每次換水為一階段，連續(xù)的3個(gè)階段內(nèi)，水雍菜對污水總氮的去除率為94.47%、60，19%、31.88%，對總磷去除率為28.57%、33.9%。14.39%，由此可見，氣候影響水溫和植物長勢，進(jìn)而影響其對水體污染物的去除率[21]。

4 研究展望

蔬菜組合凈化污染水環(huán)境是浮床發(fā)展的一個(gè)方向。不少研究表明不同植物種間的兩兩配置在多數(shù)情況下比其單種植物對氮、磷的去除率要高；某種植物在單種種植時(shí)凈化率可能很低，但與其他植物配合種植后凈化率則會(huì)顯著提高。

傳統(tǒng)蔬菜浮床僅由簡單的浮床和水生植物組成，以后的生態(tài)立體浮床系統(tǒng)應(yīng)與接觸氧化系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、水生動(dòng)物、復(fù)合微生物、新型填料、生物凈化槽等組合而成，充分利用立體空間、延長浮床系統(tǒng)食物鏈以及強(qiáng)化浮床系統(tǒng)微生物代謝能力，從而提高凈化效果。

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（責(zé)編：徐煥斗）