不同LED光質(zhì)對狐尾藻生長及畜禽養(yǎng)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(gòu)建狐尾藻（Myriophyuum verticitlatumL）處理畜禽養(yǎng)殖污水植物工廠治污工藝，研究了人工氣候環(huán)境下不同光質(zhì)處理對狐尾藻生長和畜禽養(yǎng)殖污水凈化效果的影響。結(jié)果表明，紅藍(lán)光3：1處理下狐尾藻生物量、凈化效率顯著高于紅藍(lán)光5：1處理、白光處理，與自然光照（CK）之間差異不顯著。紅藍(lán)光3：1處理、紅藍(lán)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(lán)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(dāng)，是適宜狐尾藻生長的人工光源。

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

中圖分類號：X171.5

文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)對植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝均有調(diào)控作用，通過光質(zhì)調(diào)控，影響植物的形態(tài)建成和生長發(fā)育。研究表明，波長為610-720nm的紅橙光及400-510 nm的藍(lán)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(tǒng)發(fā)熱少、質(zhì)量體積較小、壽命較長、占用空間小等諸優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)植物光照系統(tǒng)組建。近年來，國內(nèi)外學(xué)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(zhì)對其生長及生化指標(biāo)的影響[2-7]，表明光對植物的生長發(fā)育和生理特性表現(xiàn)出了顯著促進(jìn)效應(yīng)。不同紅藍(lán)光比例對植物生物量、光合色素、形態(tài)品質(zhì)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(qiáng)的氮磷吸收能力，被作為凈水先鋒植物廣泛應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖污水的治理中，而這種治理模式往往受季節(jié)環(huán)境影響變化較大，處理效果不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響了畜禽污水處理的可持續(xù)發(fā)展。此外，由于畜禽養(yǎng)殖污水量大以及土地資源十分有限，畜禽養(yǎng)殖污水處理效率受到了很大的限制，為此，將在畜禽養(yǎng)殖污水處理中引入植物工廠的理念，構(gòu)建植物工廠治污系統(tǒng)技術(shù)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(qiáng)度、周期對狐尾藻生長及生化指標(biāo)的影響上[9.10]，而有關(guān)光質(zhì)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(yī)科學(xué)院自主研發(fā)的狐尾藻處理畜禽養(yǎng)殖污水植物工廠技術(shù)工藝，以自然光照作為對照，研究不同光質(zhì)對狐尾藻生長及畜禽養(yǎng)殖污水凈化的影響，篩選出適合狐尾藻生長及其對畜禽養(yǎng)殖污水最佳降解效率的光質(zhì)，為狐尾藻處理畜禽養(yǎng)殖污水植物工廠模式構(gòu)建提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用狐尾藻、養(yǎng)殖污水（豬場污水）均采于云南省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制研究所內(nèi)。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(yǎng)筐（48 cmx35 cmx20 cm）中預(yù)培養(yǎng)，培養(yǎng)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(yī)科學(xué)院畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制研究所植物工廠內(nèi)進(jìn)行，設(shè)4組光源處理，紅光藍(lán)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(fù)，光源購自深圳市格樂比光電有限公司。將預(yù)培養(yǎng)的狐尾藻置于相同濃度的養(yǎng)殖污水中進(jìn)行光照培養(yǎng)，污水中，化學(xué)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(yǎng)架上，培養(yǎng)架為三層不銹鋼結(jié)構(gòu)，光源位于每層頂部，高度可調(diào)，培養(yǎng)架間采用遮光板遮擋，防止培養(yǎng)架間光源交叉影響。對照組置于玻璃房中進(jìn)行試驗，所有環(huán)境與其他處理組相同，通過在玻璃房頂搭建遮陰網(wǎng)來控制光照強(qiáng)度。于試驗0、7、14、21、28、35 d取300 mL污水檢測其生化指標(biāo)，試驗結(jié)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(yǎng)溫度為25℃，濕度30%-40%，光強(qiáng)均為200 μmol/（m2.s），污水每4h循環(huán)1次，每次2h。試驗期間用水補(bǔ)充蒸發(fā)培育過程中的水分至標(biāo)定的刻度線，同時觀察狐尾藻的生長狀況。

1.3 測定指標(biāo)及方法

取不同處理天數(shù)養(yǎng)殖污水500mL檢測其COD、NH3-N、TN、TP等生化指標(biāo)，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(jié)束后整盤移出，控干水分，稱其鮮重，并計算相對生長率。隨機(jī)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(shù)據(jù)處理

采用DPS和Excel統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計分析及圖表制作。數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)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(biāo)，不同光質(zhì)對狐尾藻生物量有不同的影響，其結(jié)果見表1。由表1可以看出，不同配比的紅藍(lán)光質(zhì)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(zhì)下狐尾藻生物產(chǎn)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(dāng)。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(zhì)量的狐尾藻，在光質(zhì)BR3：1光照下狐尾藻的生物產(chǎn)生量與自然光（CK）光照下狐尾藻的生物產(chǎn)生量相當(dāng)，達(dá)到最大產(chǎn)生量，而白光光照下生物量最小。

2.2 不同光質(zhì)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(zhì)處理間表現(xiàn)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%?？傮w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(dāng)，與而白光處理差異存在顯著性，由此說明不同紅藍(lán)比光質(zhì)，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(zhì)對狐尾藻降解畜禽養(yǎng)殖污水效率的影響

狐尾藻的生長狀態(tài)是評價狐尾藻去除畜禽養(yǎng)殖污水效率最為直觀的評判標(biāo)準(zhǔn)，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(yǎng)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(xiàn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)下狐尾藻具有較好的降解效率。

3 討論

3.1 光質(zhì)對狐尾藻的生長及降解效率的影響

比較了不同LED光質(zhì)條件下對狐尾藻生長的影響，結(jié)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(lán)光比例，有利于生物量的增長，且在紅光藍(lán)光比為3：1時生物量最高。這與周福君等[13]研究一致。紅藍(lán)復(fù)合光促進(jìn)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(lán)組合光可顯著提高農(nóng)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(jìn)光合產(chǎn)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(fā)達(dá)程度和植株生物量有關(guān)，水生植物在其生長水域內(nèi)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，通過物理、化學(xué)和生物過程及協(xié)同作用驅(qū)動TN、NH3-N和TP的轉(zhuǎn)化和降解，進(jìn)而提高富營養(yǎng)化水體的凈化率[18.19]。本研究結(jié)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(jié)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(jié)果一致?？梢姡参锷锪吭酱?、根系越發(fā)達(dá)，對TN、NH3-N和TP的去除能力就越強(qiáng)，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(guān)。

3.2 光質(zhì)對狐尾藻光合色素的調(diào)控

紅光和藍(lán)光是驅(qū)動光合作用的重要光譜，而光合色素對于植物進(jìn)行光合作用尤為重要，光合色數(shù)的含量和組成與葉片的光合速度密切相關(guān)。紅光和藍(lán)光可以提高植物葉綠素含量，但不同植物對紅藍(lán)光配比光質(zhì)效應(yīng)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(lán)光值呈正相關(guān)，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(lán)光值呈正負(fù)相關(guān)。本研究結(jié)果顯示不同紅藍(lán)比光質(zhì)，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(zhì)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(jié)果相似。

4 結(jié)論

不同光質(zhì)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(biāo)均有不同的光效應(yīng)。與白光相比，紅藍(lán)光能有效促進(jìn)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(dāng)。本研究結(jié)果表明，紅藍(lán)光比為3：1的組合光可促進(jìn)狐尾藻生長和提高對污水的凈化效率。本研究結(jié)果為今后狐尾藻植物工廠治污的光調(diào)控提供了理論依據(jù)。后續(xù)研究中還需要選擇更多紅藍(lán)光比例光質(zhì)，進(jìn)一步探索紅藍(lán)光對狐尾藻生長的作用規(guī)律，優(yōu)化篩選出最佳光源。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉明，趙琦，王小菁，等.植物的光受體及其調(diào)控機(jī)制的研究[J].生物學(xué)通報，2005，40（5）：10-12.

[2] ZHA LY，ZHANGY B，LIUWK.Dynamic responses of ascorbatepool and metabolism in lettuce to long-term continuous light provid-ed by red and blue LEDs[J]. Environmental and experimental bota-ny.2019. 163：15-23.

[3] NISSIM-LEVI A， KITRON M，NISHRI Y. et al. Effects of blue andred LED lights on growth and flowering of Chrysanthenmun morifoli-um[J].Scientia horticulturae， 2019， 254： 77-83

[4] KEYSER E D，DHOOGHE E，CHRISTIAENS A，et al_LED lightquality intensiries leaf pigmentation in ornamental pot plants[J].Scientia horticulturae.2019，253：270～275.

[5]楊亞娜，樊小雪，徐剛，等不同紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度和灌溉量交互作用對番茄幼苗生長的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2叭9，31（5）：737—745.

[6]李慧敏，陸曉民.不同光質(zhì)對甘藍(lán)型油菜幼苗的生長和生理特性的影響[J]西北植物學(xué)報，2015，35（11）：2251—2257.

[7]周福君，翟瑩，魏源，等.不同光質(zhì)對韭菜各茬生長及營養(yǎng)品質(zhì)的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，48（11）：5l一62.

[8]MATSUDA R，OHASHI—KANEKO K，F(xiàn)UJIWARA K，et al.Photo一8ynthetic characteristics of rice leave8 9rown under red light with o.without supplemental blue 1ight[J].Plant&ceⅡphysiology，2004，45（1 2）：l870—1874.

[9]宋玉芝，孔繁璠，王敏，等.光照強(qiáng)度及附植藻類對狐尾藻生理指標(biāo)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2015，34（2）：233—239.

[10]王祎，宋光麗，楊萬年，等.光周期對穗花狐尾藻生長、開花與種子形成的影響[J].水生生物學(xué)報，2007，31（1）：107—111.

[11]國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].第4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.200—285.

[12]張志良，瞿偉菁.植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[13]周福君，翟瑩，魏源，等.不同光質(zhì)對韭菜各茬生長及營養(yǎng)品質(zhì)的影響[J]東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，48（11）：52—62.

[14]李慧敏，陸曉民，高青海，等.不同光質(zhì)對黃秋葵幼苗生長、光合色素和氣孔特征的影響[J].草業(yè)學(xué)報，2016，25（6）：62—70.

[15]陳驪君，郭鳳根.不同光質(zhì)對巖白菜農(nóng)藝性狀的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，43（2）：217—222.

[16]BROWN C S，SCHUERGER A C，SAGER J C.Growth and photo—morphogenesis of peppe.plants under red ligjt—emitting diodeswith supplemental blue or far—red lighting[J].Journal ofthe Amer—ican societvforhorticultural science，1995，120（5）：808—813.

[17]蔡華，楊振超，王達(dá)菲，等.光質(zhì)配比和營養(yǎng)液耦合對番茄生長的影響[J].北方園藝，2叭6（10）：10一13.

[18]潘保原，楊國亭，穆立薔，等.3種沉水植物去除水體中氮磷能力研究[J].植物研究，2015，35（1）：141一l45.

[19]苗金，原海燕，黃蘇珍.10種水生觀賞植物對不同富營養(yǎng)化水體的凈化效果研究[J].水土保持學(xué)報，2015，29（2）：60—64，75.

[20]羅固源，鄭劍鋒，許曉毅，等.4種浮床栽培植物生長特性及吸收氮磷能力的比較[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2009，29（2）：285—290.

[21]陳麗麗，李秋華，高廷進(jìn)，等.模擬生態(tài)浮床種植6種水生植物改善水質(zhì)效果研究[J].水生態(tài)學(xué)雜志，2012，33（4）：78—83.

[22]唐大為，張國斌，張帆，等.LED光源不同光質(zhì)對黃瓜幼苗生長及生理生化特性的影響[J]甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2叭1，46（1）：44—48.

[23]徐凱，郭延平，張上隆不同光質(zhì)對草莓葉片光合作用和葉綠素?zé)晒獾挠绊慬J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38（2）：369—375.

基金項目：農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(yǎng)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。