污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻去氮能力和氮組分影響研究

　　水污染是目前湖泊等天然水體面臨的最為嚴重的問題, 而面源污染的原因是水體中氮磷等營養(yǎng)元素的增加, 其中氮是主要的限制因子之一.水體污染會使脆弱的水生生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞, 影響人類的生產(chǎn)和生活活動.氮是植物生長所必需的營養(yǎng)元素, 水生植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 能夠從水體中吸收氮供給自身生長的需要, 從而達到去除水體氮的目的.粉綠狐尾藻具有適應性強、生物量增長快和耐污染能力強等優(yōu)點, 是污水生態(tài)處理和控制農(nóng)業(yè)面源污染的重要植物, 對氮具有較強的去除能力, 不僅能夠凈化水體, 且能夠分泌某些化感物質(zhì)抑制藻類的生長, 破壞藻細胞的超微結構、抑制藻類的光合作用和呼吸作用、影響細胞內(nèi)某些蛋白質(zhì)的合成和酶的活性, 從而實現(xiàn)對藻類生長的抑制甚至死亡.粉綠狐尾藻富含粗蛋白, 還能夠做成優(yōu)良的飼料, 為其資源化利用提供了有利條件.本課題組已有試驗結果證明, 粉綠狐尾藻的氮含量和積累量在污水氮濃度為20、100、200 mg·L-1時存在顯著差異, 隨氮濃度升高而增加, 但有關NH4+、NO3-及其比例對粉綠狐尾藻去氮能力、體內(nèi)氮積累及組分的影響尚不清楚.本文采用溶液培養(yǎng)試驗, 研究污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻去氮能力和氮組分的影響, 明確粉綠狐尾藻對不同氮濃度和NH4+/NO3-比污水的去氮能力及氮形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響, 以期為污水修復、凈化和粉綠狐尾藻的資源再利用提供依據(jù)和技術.

　　1 材料與方法1.1 試驗材料

　　試驗材料粉綠狐尾藻采自華中農(nóng)業(yè)大學生態(tài)基地培養(yǎng)池, 供試水體和底泥取自華中農(nóng)業(yè)大學南湖池塘.污水和底泥的基本理化性質(zhì)：污水總氮濃度為0.70 mg·L-1, 銨態(tài)氮濃度為0.52 mg·L-1, 硝態(tài)氮濃度為0.06 mg·L-1, 總磷濃度為0.12 mg·L-1, 溶解氧濃度為6.45 mg·L-1, pH為6.97, 底泥全氮含量為3.58g·kg-1.試驗于夏季自然光照條件下在華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院校內(nèi)實習基地進行, 時間為2016年6月19日至2016年7月25日, 期間測定水溫為21.9~32.0℃, 室溫為21.5~33.2℃.

　　1.2 試驗處理

　　試驗采用高40 cm, 桶口直徑35 cm, 體積為20 L的塑料桶, 每個塑料桶盛裝污水的體積為18 L, 底泥過篩且每桶盛裝重量為5 kg(含水率45.3%, 折合風干土2.74 kg), 厚度約為5 cm.試驗設置3個污水氮濃度(20、100、200 mg·L-1)和3個NH4+/NO3-比(1:0、0.5:0.5、0:1), 總磷的濃度均調(diào)節(jié)為15.9 mg·L-1, 共9個處理, 水體的銨態(tài)氮用NH4Cl補充, 硝態(tài)氮用KNO3補充, 總磷用KH2PO4補充.試驗開始前粉綠狐尾藻用清水馴化7 d, 選取生長旺盛, 形態(tài)大小均勻的粉綠狐尾藻剪取(20±1)cm長的莖, 每個處理生物量為(100±2)g, 重復4次.每天定時用純水補充蒸發(fā)水量以保證體積恒定.

　　1.3 監(jiān)測指標與方法

　　試驗期間分別于7、14、21、28、35 d測定粉綠狐尾藻的生物量以及水體總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮; 采集不同處理植物樣和底泥用于氮含量測定; 35 d收獲后測定氮在植物體內(nèi)的主要存在形態(tài)(蛋白質(zhì)、硝態(tài)氮、氨基酸).總氮采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定; 銨態(tài)氮用納氏試劑比色法測定; 硝態(tài)氮用紫外分光光度法測定; 粉綠狐尾藻體氮含量用濃H2SO4-H2O2消化-半微量蒸餾法測定; 底泥中全氮用凱氏-蒸餾法測定; 蛋白質(zhì)含量用考馬斯亮藍G-250法測定; 硝態(tài)氮含量用比色法測定; 氨基態(tài)氮含量用茚三酮試劑顯色法測定.

　　1.4 數(shù)據(jù)分析

　　采用Excel 2013軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù), 用Sigmaplot 10.0繪制圖表, 采用SPSS 18.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和顯著性分析.

　　2 結果與分析2.1 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻生物量的影響

　　粉綠狐尾藻的生物量和生物量增長速率隨時間因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同(表 1和2).不同處理粉綠狐尾藻的生物量均在0~14 d增長最快, 其中0~7 d生物量增長速率最大約為7~14 d的1.79~3.14倍, 氮濃度200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理在14~21 d仍具有相對較高的生長速率, 其它處理14 d后生物量增長速率顯著降低.氮濃度20 mg·L-1、100 mg·L-1時以NH4+/NO3-=1:0的生物量最大, 且氮濃度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理生物量均在28 d達到最大; 氮濃度200 mg·L-1時以NH4+/NO3-=0.5:0.5處理生物量最大, 且生物量均在21 d達到最大.粉綠狐尾藻在氮濃度為20 mg·L-1、100 mg·L-1時, 可能主要以銨態(tài)氮作為氮源供給植物生長的需求, NH4+/NO3-=1:0的生物量顯著高于NH4+/NO3-為0.5:0.5和0:1的處理, 而氮濃度為200 mg·L-1時, 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮平衡更有利于粉綠狐尾藻的生長.由此說明, 氮濃度200 mg·L-1時, 粉綠狐尾藻以NH4+/NO3-=0.5:0.5處理生長最好, 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的平衡更有利于其生長, 且由于氮供應充足不同NH4+/NO3-比處理生物量均在21 d達到最大; 氮濃度20 mg·L-1、100 mg·L-1時, 可能以銨態(tài)氮作為主要氮源, 生物量均以NH4+/NO3-=1:0處理最大.

　　表 1 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻生物量的影響1)/g

　　表 2 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻生物量增長速率的影響/g·d-1

　　2.2 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻去氮能力和效果的影響2.2.1 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻總氮去除能力的影響

　　不同處理總氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時間增長而降低, 且因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同(表 3).氮濃度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 0~7 d總氮的去除率為85.2%~93.3%, 其中以NH4+/NO3-=1:0的處理去除率最高, 14 d后總氮濃度均保持在較低的水平, 35 d時去除率為95.1%~95.4%, 且不同NH4+/NO3-比處理間總氮濃度無顯著差異; 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 0~7d總氮的去除率分別為75.9%~96.7%、63.2%~91.8%, 且均以NH4+/NO3-=0:1處理去除率最高, 35 d時去除率分別為95.1%~98.5%、82.7%~99.3%.不同處理總氮的去除速率均在0~7 d最高, 去除速率隨總氮濃度而升高而增加.氮濃度20 mg·L-1時, NH4+/NO3-=1:0處理去除速率最高; 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時, NH4+/NO3-=0:1處理去除速率最高. 7 d后不同處理總氮去除速率隨時間降低, 且氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時, NH4+/NO3-=1:0處理去除速率顯著高于其它處理, 28~35 d水體總氮的濃度基本保持穩(wěn)定.綜上所述, 不同氮濃度和NH4+/NO3-比污水總氮均在0~7 d去除速率最高, 且能夠達到較高的去除率, 總氮的去除速率隨氮濃度的升高而增加, 氮濃度20 mg·L-1時, 以NH4+/NO3-=1:0去除率和去除速率最高, 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時, 以NH4+/NO3-=0:1去除率和去除速率最高.不同處理總氮的去除速率隨時間逐漸降低, 其中氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時, NH4+/NO3-=1:0處理總氮濃度呈持續(xù)下降的趨勢. 35 d時除氮濃度200 mg·L-1的NH4+/NO3-=1:0處理, 不同處理總氮的去除率均達到95%以上, 粉綠狐尾藻對污水中總氮的去除受污水氮濃度和NH4+/NO3-比的影響.

　　表 3 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻總氮去除能力的影響1)/mg·L-1

　　2.2.2 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻銨態(tài)氮去除能力的影響

　　不同處理銨態(tài)氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時間增長而降低, 且因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同(表 4).處理7 d時, 氮濃度20、100、200 mg·L-1的NH4+/NO3-為1:0、0.5:0.5的處理銨態(tài)氮的去除率分別為91.7%和96.3%、68.2%和95.9%、72.0%和93.2%; 35 d時除氮濃度200 mg·L-1的NH4+/NO3-=1:0處理銨態(tài)氮去除率為87.36%, 其它處理去除率基本均達到100%.不同氮濃度時, NH4+/NO3-=0:1處理銨態(tài)氮濃度均出現(xiàn)增長, 但試驗期間一直維持在較低的水平.不同處理銨態(tài)氮的去除速率均在0~7 d最高, 且去除速率隨銨態(tài)氮濃度的升高而增加即以NH4+/NO3-=1:0最高, 隨后隨時間逐漸降低.氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時, NH4+/NO3-=1:0處理在7~21 d仍具有較高的去除速率, 21~35 d銨態(tài)氮的濃度保持穩(wěn)定.由上可知, 不同氮濃度的NH4+/NO3-為1:0和0.5:0.5時, 處理7 d時銨態(tài)氮均能達到較高的去除率, 且0~7 d銨態(tài)氮的去除速率均以NH4+/NO3-=1:0最高, 隨后去除速率逐漸下降; 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1的NH4+/NO3-=1:0處理在7~21 d仍具有較高的去除速率, 其它處理7 d后銨態(tài)氮濃度基本保持穩(wěn)定, 35 d時不同處理銨態(tài)氮的去除率均接近100%.粉綠狐尾藻對銨態(tài)氮的去除能力受污水氮濃度和NH4+/NO3-的影響.

　　表 4 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻銨態(tài)氮去除能力的影響1)/mg·L-1   

　　2.2.3 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻硝態(tài)氮去除能力的影響

　　不同氮濃度和NH4+/NO3-比污水硝態(tài)氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時間而增長降低(表 5).氮濃度20、100、200 mg·L-1時, NH4+/NO3-為0.5:0.5和0:1的處理在7 d時硝態(tài)氮的去除率分別為93.9%和91.5%、86.2%和97.8%、94.6%和94.8%, 去除率均接近100%.氮濃度20 mg·L-1的NH4+/NO3-=1:0處理, 硝態(tài)氮的濃度有所升高, 但保持在較低的濃度范圍內(nèi); 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時, 該處理硝態(tài)氮的濃度呈先升高后降低的趨勢.硝態(tài)氮的去除速率隨水體硝態(tài)氮濃度的升高而增加, 不同氮濃度時NH4+/NO3-為0.5:0.5和0:1的處理均在0~7 d硝態(tài)氮的去除速率最高, 7 d后去除速率顯著降低, 21 d后硝態(tài)氮的濃度保持在較低的濃度范圍.綜上所述, 不同氮濃度時NH4+/NO3-為0.5:0.5和0:1的處理硝態(tài)氮在7 d時去除率超過90%, 且去除速率均在0~7 d最大, 硝態(tài)氮的去除速率隨硝態(tài)氮濃度的升高而增加.氮濃度20 mg·L-1時NH4+/NO3-=1:0處理硝態(tài)氮濃度有所升高但維持在相對較低的濃度水平, 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時NH4+/NO3-=1:0的處理硝態(tài)氮的濃度呈先升高后降低的趨勢.粉綠狐尾藻對硝態(tài)氮去除能力受污水氮濃度和NH4+/NO3-的影響.

　　表 5 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻硝態(tài)氮去除能力的影響1)/mg·L-1      

　　2.3 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻氮含量和氮積累的影響2.3.1 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻氮含量的影響

　　粉綠狐尾藻氮含量隨時間因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同(表 6).不同處理粉綠狐尾藻氮含量在0~7 d顯著增加, 7 d后隨時間變化不大, 氮含量隨氮濃度的升高而增加. 7~35 d期間, 氮濃度20 mg·L-1、100 mg·L-1時, 粉綠狐尾藻氮含量分別為1.94%~2.96%、3.45%~4.16%, 平均氮含量均以NH4+/NO3-=0.5:0.5最高; 氮濃度200 mg·L-1時, 氮含量為4.36%~6.03%, 7~35 d平均氮含量以NH4+/NO3-=1:0最高.綜上所述, 粉綠狐尾藻氮含量受污水氮濃度和NH4+/NO3-的影響, 0~7 d增長最快可能與試驗前粉綠狐尾藻受馴化處理, 體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)極度缺乏有關, 氮含量隨污水氮濃度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-比的變化而不同.

　　表 6 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻氮含量的影響/%1)       

　　2.3.2 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻不同部位氮含量的影響

　　粉綠狐尾藻不同部位氮含量因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同(表 7).粉綠狐尾藻水上部分和水下部分氮含量隨氮濃度的升高顯著增加.氮濃度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 粉綠狐尾藻水上部分和水下部分干物質(zhì)氮含量無顯著差異; 氮濃度100 mg·L-1時, NH4+/NO3-=0.5:0.5處理水上部分氮含量顯著高于NH4+/NO3-為1:0和0:1的處理, 水下部分氮含量無顯著差異; 200 mg·L-1時, NH4+/NO3-為1:0和0.5:0.5的處理水上部分氮含量顯著高于NH4+/NO3-=0:1處理, 水下部分氮含量無顯著差異.不同處理水上部分的氮含量均高于水下部分, 水上部分氮含量/水下部分氮含量之比均以NH4+/NO3-=1:0最大, 且其比值隨氮濃度的升高而降低.綜上所述, 粉綠狐尾藻水上部分和水下部分氮含量均隨氮濃度升高而增加, 且因NH4+/NO3-比的變化不同, 同一氮濃度的不同NH4+/NO3-比處理水下部分氮含量無顯著差異.水上部分氮含量/水下部分氮含量之比隨氮濃度升高和銨態(tài)氮比例的降低而減小, 氮的分配機制可能發(fā)生變化, 氮在植物體內(nèi)更趨于均勻化分配.

　　表 7 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻不同部位氮含量的影響1)     

　　2.3.3 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻干物質(zhì)氮積累量的影響

　　粉綠狐尾藻氮積累量隨時間因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同(圖 1).不同處理粉綠狐尾藻氮積累量均在0~7 d增長最快, 氮積累量和積累速率隨氮濃度的升高而增加, 期間氮濃度20、100、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理干物質(zhì)氮積累平均速率分別為0.037~0.059、0.057~0.067和0.090~0.171 g·d-1; 35 d期間氮積累平均速率分別為0.012~0.016 g·d-1、0.022~0.026 g·d-1和0.031~0.049 g·d-1.氮濃度20 mg·L-1時, NH4+/NO3-為0.5:0.5和0:1的處理在7~28 d氮積累量緩慢增長, 且在28 d時達到最大, NH4+/NO3-=1:0處理氮積累增長速率在0~14 d顯著高于其它處理, 且氮積累量在35 d時達到最大; 氮濃度100 mg·L-1時, 不同NH4+/NO3-比處理在7~21 d氮積累量增長緩慢, 21 d后出現(xiàn)顯著增長, NH4+/NO3-=0:1處理在28 d時氮積累量達到最大, NH4+/NO3-為1:0和0.5:0.5的處理氮積累量則在35 d時達到最大; 氮濃度200 mg·L-1時, 不同時間NH4+/NO3-=0.5:0.5處理氮積累量均高于NH4+/NO3-為1:0和0:1的處理, 且在35 d時達到最大, NH4+/NO3-為0.5:0.5和0:1的處理氮積累量則在28 d時達到最大.綜上所述, 不同處理粉綠狐尾藻氮積累量均在0~7 d增長最快, 積累速率最大, 這可能與試驗前粉綠狐尾藻受馴化處理, 粉綠狐尾藻生物量和氮含量快速增長有關; 7 d后氮含量變化不大, 氮積累量隨粉綠狐尾藻生物量和含水率的變化而增加.粉綠狐尾藻氮積累量和積累速率隨氮濃度升高而增加且因NH4+/NO3-比的變化而不同.

圖 1 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻氮積累量的影響

　　2.4 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對底泥氮沉降和釋放的影響

　　底泥氮含量隨粉綠狐尾藻處理時間因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同(表 8).氮濃度20 mg·L-1時, 底泥氮含量隨時間無顯著變化, 但由于水體氮濃度較低, 底泥會向水體中釋放氮供給粉綠狐尾藻的生長需求, 底泥中氮含量隨時間呈降低的趨勢, 且降低速率在0~7 d最大, 35 d時底泥氮釋放量NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=0.5:0.5.氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時, 氮通過沉降作用進入底泥, 底泥氮含量在0~7 d增長顯著, 7 d后底泥逐漸向水體釋放氮, 28~35 d時底泥氮的增加量最小; 35 d時, 氮濃度100 mg·L-1時, 底泥全氮的增加量NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1, 而氮濃度200 mg·L-1時, NH4+/NO3-為1:0和0.5:0.5的處理底泥全氮含量均有所降低, 且底泥全氮含量NH4+/NO3-=0.5:0.5NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5.

　　表 8 不同氮濃度和NH4+/NO3-比污水底泥全氮含量隨粉綠狐尾藻處理時間的變化1)/g·kg-1     

　　2.5 粉綠狐尾藻氮積累對不同氮濃度和NH4+/NO3-比污水和底泥總氮去除的貢獻率及底泥氮沉降對污水總氮去除的貢獻率

　　水體和底泥總氮的去除量隨粉綠狐尾藻處理時間因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同(表 9).氮濃度20 mg·L-1時, 7~21 d以NH4+/NO3-=1:0處理水體和底泥總氮的去除量最大, NH4+/NO3-=0.5:0.5處理去除量最小, 35 d時水體和底泥總氮的去除量NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=0.5:0.5;氮濃度100 mg·L-1時, NH4+/NO3-=1:0處理在7~28 d水體和底泥總氮的去除量最小且小于氮濃度20 mg·L-1的處理, 不同NH4+/NO3-處理水體和底泥總氮的去除量在28 d時達到最大, 且以NH4+/NO3-=0.5:0.5處理總氮去除量最大, 35 d時水體和底泥總氮去除量NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5, 35 d時氮濃度20 mg·L-1、100 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 水體和底泥總氮的去除量無顯著差異; 氮濃度200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 水體和底泥總氮的去除量隨時間逐漸增加, 且在35 d時去除量最大, 且NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1, 去除量分別為氮濃度20 mg·L-1、100 mg·L-1的不同NH4+/NO3-處理的2.01~2.84倍和1.74~2.93倍.粉綠狐尾藻對水體和底泥總氮的去除量因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同.具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.yiban123.com更多相關技術文檔。

　　表 9 不同氮濃度和NH4+/NO3-比污水和底泥總氮的去除量隨粉綠狐尾藻處理時間的變化/mg        

　　粉綠狐尾藻氮積累對水體和底泥總氮去除的貢獻率隨時間因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同(表 10).氮濃度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 粉綠狐尾藻不同時期氮積累量對水體和底泥總氮去除的貢獻率為23.9%~43.5%, 平均為34.1%, 7~35 d粉綠狐尾藻氮積累平均貢獻率NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5;氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-處理, 粉綠狐尾藻不同時期氮積累對水體和底泥總氮去除的貢獻率分別為23.8%~66.1%和32.0%~72.8%, 平均為43.9%和47.0%, 7~35 d粉綠狐尾藻氮積累平均貢獻率NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1.由此說明, 粉綠狐尾藻氮積累是水體和底泥氮去除的主要途徑, 其對水體和底泥氮去除的貢獻率隨污水氮濃度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-比的變化而不同.氮濃度為20 mg·L-1時, 7~35 d平均貢獻率NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5;氮濃度為100 mg·L-1、200 mg·L-1時, 粉綠狐尾藻氮積累均在0~7d對污水和底泥總氮去除的貢獻率最大, 且7~35 d平均貢獻率NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1, 較高氮濃度下銨態(tài)氮和硝態(tài)氮平衡更有利于粉綠狐尾藻從水體和底泥中吸收積累氮.

　　表 10 粉綠狐尾藻氮積累對不同氮濃度和NH4+/NO3-比污水和底泥總氮去除的貢獻率/%    

　　底泥氮沉降對污水總氮去除的貢獻率隨時間因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同(表 11).氮濃度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 試驗期間底泥向水體釋放氮供給粉綠狐尾藻的生長, 底泥氮含量降低.氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 底泥氮沉降對污水總氮去除的貢獻率均在0~7 d最大為35.4%~58.6%, 且均以NH4+/NO3-=0:1最大.氮濃度100 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 7~35 d底泥氮沉降對水體總氮去除的平均貢獻率為13.6%~23.5%, 且NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=0:1;氮濃度200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 7~35 d底泥氮沉降對水體總氮去除的貢獻率為16.1%~24.5%, 平均為21.3%, NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5.由此說明, 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 試驗初期水體中的氮易沉降進入底泥, 以NH4+/NO3-=0:1處理底泥的貢獻率最大, 底泥氮沉降是試驗初期污水氮去除的主要途徑; 底泥氮沉降對水體總氮去除的貢獻率隨氮濃度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-比變化而不同. 0~7 d粉綠狐尾藻的干物質(zhì)氮積累快速增加和底泥氮沉降量增加量最大是其水體氮濃度迅速降低的主要原因.

　　表 11 底泥氮沉降對不同氮濃度和NH4+/NO3-比污水總氮去除的貢獻率/%      

　　2.6 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻體內(nèi)氮組分的影響

　　粉綠狐尾藻體內(nèi)蛋白質(zhì)、氨基態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同(表 12).總體而言, 蛋白質(zhì)、氨基態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量均隨污水氮濃度的升高而增加.氮濃度為20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 粉綠狐尾藻體內(nèi)蛋白質(zhì)和氨基態(tài)氮的含量無顯著差異; 不同氮濃度處理, 蛋白質(zhì)的含量以NH4+/NO3-為1:0和0.5:0.5時較高, 氨基態(tài)氮含量以NH4+/NO3-=1:0時最高, 硝態(tài)氮含量以NH4+/NO3-=0:1時最高, 且氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理蛋白質(zhì)和氨基態(tài)氮的含量分別為氮濃度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理的1.42~1.72倍、2.21~3.35倍和6.07~13.10倍、6.75~30.20倍.綜上所述, 粉綠狐尾藻體內(nèi)蛋白質(zhì)、氨基態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量均隨氮濃度的升高而增加, 且不同處理均表現(xiàn)為蛋白質(zhì)含量>氨基態(tài)氮含量>硝態(tài)氮含量, 氮主要以蛋白質(zhì)和氨基態(tài)氮的形式存在, 有利于粉綠狐尾藻的資源化再利用, 氮組分主要形態(tài)基本不受污水氮濃度的影響, 而受NH4+/NO3-比的影響.

　　表 12 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻體內(nèi)氮組分的影響1)       

　　3 討論3.1 粉綠狐尾藻生長特性對污水氮濃度和NH4+/NO3-比的響應

　　本文結果表明, 粉綠狐尾藻的生長受污水氮濃度和NH4+/NO3-比的影響.不同處理粉綠狐尾藻的生物量均在0~7 d增長最快, 氮濃度20 mg·L-1、100 mg·L-1時, 不同時間的生物量均以NH4+/NO3-=1:0處理最大; 氮濃度200 mg·L-1時, 則以NH4+/NO3-=0.5:0.5處理最大, 且生物量均在21~35 d達到最大.粉綠狐尾藻的生物量在0~7 d增長最快, 這與前一階段的試驗結果一致, 可能與試驗前對粉綠狐尾藻進行馴化處理, 植物體內(nèi)營養(yǎng)元素大量缺乏有關.上述試驗結果與劉少博等[21]的研究結果一致, NH4+水平過高會抑制綠狐尾藻的生物量的增長.在一定氮濃度下水生植物的生長速率隨氮濃度的升高而增加, 不同水生植物對NH4+和NO3-表現(xiàn)出不同的偏好性, 其生長速率隨NH4+/NO3-比的變化而不同, 且生物量達到最大的時間不同[22, 23].

　　綜上所述, 不同處理粉綠狐尾藻的生物量在0~7 d增長最快.氮濃度20 mg·L-1、100 mg·L-1時, 生物量均以NH4+/NO3-=1:0最大, 粉綠狐尾藻生長較快可能是將銨態(tài)氮作為主要氮源, 表現(xiàn)出對銨態(tài)氮較高的耐受性和喜好性; 氮濃度200 mg·L-1時, 生物量以NH4+/NO3-=0.5:0.5最大, 說明銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的平衡更有利于粉綠狐尾藻的生長, 且不同處理粉綠狐尾藻生物量均在21~35 d達到最大.

　　3.2 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻去氮能力的影響

　　研究表明, 不同處理總氮均在7 d時能夠達到較高的去除率為63.2%~96.7%, 且0~7 d去除速率最高, 去除速率隨氮濃度的升高而增加; 0~7 d期間, 氮濃度20 mg·L-1時, NH4+/NO3-=1:0處理總氮的去除率和去除速率最高, 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時, NH4+/NO3-=0:1處理總氮的去除率和去除速率最高.不同處理銨態(tài)氮在7d時的去除率為68.2%~96.4%, 同一氮濃度銨態(tài)氮的去除速率均以NH4+/NO3-=1:0最高. 7~35 d期間, 氮濃度為20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 銨態(tài)氮的濃度基本保持穩(wěn)定; 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時, NH4+/NO3-=1:0處理銨態(tài)氮在7~21 d仍具有較高的去除速率, 28 d時去除率分別為97.2%和89.5%, 隨后銨態(tài)氮的濃度基本穩(wěn)定在較低的水平.肖繼波等[24]利用綠狐尾藻等水生植物構成的生態(tài)槽對銨態(tài)氮和總氮濃度分別為6.95~17.98 mg·L-1和7.50~20.00 mg·L-1污水的去除率分別為97.96%和69.63%;馬永飛等[10]利用粉綠狐尾藻對氮濃度為100~400 mg·L-1的污水進行凈化試驗, 0~7 d總氮和銨態(tài)氮的去除速率最高, 且能達到較大的去除率; Liu等[25]利用綠狐尾藻對總氮和銨態(tài)氮濃度分別為458.1 mg·L-1和416.8 mg·L-1的原始和50%豬場對廢水進行凈化試驗, 總氮和銨態(tài)氮的去除率均超過90%.

　　不同處理硝態(tài)氮在7 d時的去除率為86.2%~94.8%, 硝態(tài)氮的去除速率隨氮濃度的升高而增加, 且均以NH4+/NO3-=0:1最高, 7 d后硝態(tài)氮的濃度基本保持穩(wěn)定, NH4+/NO3-=1:0處理硝態(tài)氮的濃度有所上升, 但基本保持在較低的濃度范圍內(nèi).高溫季節(jié)尤其是夏季水體中的反硝化作用加強, 有利于硝態(tài)氮等的去除[26].金春華等[27]的研究表明, 鳳眼蓮對硝態(tài)氮的吸收速率高于銨態(tài)氮, 粉綠狐尾藻則表現(xiàn)出相反的趨勢.

　　綜上所述, 粉綠狐尾藻對不同氮濃度和NH4+/NO3-比污水總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均具有較高的去除率.粉綠狐尾藻處理7 d, 不同處理總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均能達到較高的去除率, 且在此階段去除速率最高, 去除速率隨氮濃度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-的變化而不同, 同一氮濃度時NH4+/NO3-=1:0處理銨態(tài)氮的去除速率最高, NH4+/NO3-=0:1處理硝態(tài)氮的去除速率最高.試驗初期氮濃度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比處理, 粉綠狐尾藻需要從水體和底泥中吸收大量的氮供給自身的生長需求; 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比污水中氮的濃度較高, 氮主要通過粉綠狐尾藻的吸收利用和底泥的沉降去除.

　　3.3 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻氮積累和底泥氮沉降釋放的影響

　　粉綠狐尾藻氮含量隨氮濃度的升高顯著增加, 同一氮濃度的不同NH4+/NO3-比處理氮含量在不同時間差異不大.試驗前粉綠狐尾藻受馴化處理, 期間缺少營養(yǎng)物質(zhì)的供應, 氮含量和積累量在0~7 d增長最快, 這與向速林等[28]的研究結果一致, 苦草在夏季試驗初期生長旺盛, 期間對水體中氮的吸收能力最強.粉綠狐尾藻氮積累量隨水體氮濃度和時間的增長而增加, 且因NH4+/NO3-的變化而不同.氮濃度為20 mg·L-1時, 氮積累量以NH4+/NO3-=1:0最大, 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時, 氮積累量以NH4+/NO3-=0.5:0.5最大.氮濃度為20 mg·L-1時, 底泥向水體釋放氮供給粉綠狐尾藻生長的需求; 氮濃度為100 mg·L-1、200 mg·L-1時, 污水中的氮會通過沉降作用進入底泥. 7~35 d期間, 氮濃度為20 mg·L-1時, 粉綠狐尾藻氮積累對水體和底泥總氮去除的平均貢獻率為32.1%~36.4%, 其中以NH4+/NO3-=0:1最高; 氮濃度為100 mg·L-1、200 mg·L-1時, 平均貢獻率分別為39.4%~46.5%和40.0%~52.4%, 其中均以NH4+/NO3-=0.5:0.5最高.氮濃度為100 mg·L-1、200 mg·L-1時, 底泥氮沉降對水體氮去除的貢獻率均在0~7 d最大, 且以NH4+/NO3-=0:1處理最大, 隨后植物逐漸從底泥中獲取氮, 底泥氮含量隨時間逐漸降低, 但整體而言底泥氮含量無顯著變化. Zhao等和Gottschall等的研究表明植物對水體中氮的吸收受植物種類、氮濃度的因素影響.植物氮吸收量與水體氮濃度、植物自身氮含量和生物量有密切的關系, 余紅兵等利用室內(nèi)綠狐尾藻濕地系統(tǒng)處理200 mg·L-1、400 mg·L-1的高銨態(tài)氮廢水, 廢水中29.7%和12.7%的氮被植物吸收利用, 部分氮通過沉降作用進入底泥. Jampeetong等通過利用香根草等4種水生植物處理含有不同氮源的廢水, 證明植物對銨態(tài)氮的吸收能力顯著高于硝態(tài)氮.張貴龍等研究了狐尾藻對污水NH4+-N和NO3--N的吸收動力學特征, 證明水體銨態(tài)氮和硝態(tài)氮供應充足時, 狐尾藻能夠平衡吸收水體中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮.水體銨態(tài)氮和硝態(tài)氮供應充足時, 紫萍對銨態(tài)氮的吸收能力高于硝態(tài)氮.魏嵐等的研究表明, 水體強酸強堿的環(huán)境能促進底泥氮的釋放, 水生植物能夠維持水體pH穩(wěn)定在中性范圍內(nèi), 減少底泥氮的釋放.綜上所述, 粉綠狐尾藻氮積累和底泥氮沉降釋放受氮濃度和NH4+/NO3-的影響, 試驗初期粉綠狐尾藻氮含量顯著增加隨后保持穩(wěn)定, 粉綠狐尾藻氮積累量隨氮濃度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-的變化而不同.粉綠狐尾藻氮積累和底泥氮沉降對水體氮去除的貢獻率因氮濃度和NH4+/NO3-的變化而不同, 銨態(tài)氮為氮源高于硝態(tài)氮為氮源的貢獻率, 粉綠狐尾藻對銨態(tài)氮吸收能力高于硝態(tài)氮; NH4+/NO3-=0.5:0.5處理, 粉綠狐尾藻氮積累貢獻率最高, 說明銨態(tài)氮和硝態(tài)氮平衡更有利于粉綠狐尾藻的氮積累.植物氮積累和底泥氮沉降是污水氮去除的主要途徑.

　　3.4 污水氮濃度和NH4+/NO3-比對粉綠狐尾藻體內(nèi)氮組分的影響

　　粉綠狐尾藻體內(nèi)氮組分因污水氮濃度和NH4+/NO3-比的變化而不同.蛋白質(zhì)、氨基態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均隨水體氮濃度的升高而增加, 其中蛋白質(zhì)含量>氨基態(tài)氮含量>硝態(tài)氮含量, 且其含量因NH4+/NO3-比的變化而不同, NH4+/NO3-為0.5:0.5和1:0時蛋白質(zhì)含量較高, NH4+/NO3-=1:0時氨基態(tài)氮含量最高, NH4+/NO3-=0:1時硝態(tài)氮含量最高.綠狐尾藻在富含氮的水體中營養(yǎng)價值較高, 干樣中粗蛋白含量達17%, 穗花狐尾藻可溶性蛋白的含量隨氮濃度的升高而增加, 蛋白質(zhì)的含量是評價植物作為飼料的重要指標, 是水生植物進行資源再利用的重要途徑; 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮供應不同時, 紫萍植物組織中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的流動速度和流通量不同; 鳳眼蓮組織中硝態(tài)氮的含量隨培養(yǎng)液中硝態(tài)氮的濃度和比例的升高而增加.水生植物吸收硝態(tài)氮需要多種酶的協(xié)同作用才能轉(zhuǎn)化為氨基酸和蛋白質(zhì), 因此以硝態(tài)氮為主要氮源的處理粉綠狐尾藻體內(nèi)氨基酸和蛋白質(zhì)的含量相對較低.由此說明粉綠狐尾藻體內(nèi)氮組分受污水氮濃度和NH4+/NO3-比的影響, 氮主要以蛋白質(zhì)和氨基態(tài)氮的形態(tài)存在, 具有較高的營養(yǎng)價值, 且硝態(tài)氮的含量較低, 為其資源化再利用提供了有利條件.

　　4 結論

　　(1) 粉綠狐尾藻的生物量受污水氮濃度和NH4+/NO3-比的影響.不同處理粉綠狐尾藻的生物量均在第1周增長最快, 且生物量均在第3~5周達到最大.氮濃度20 mg·L-1、100 mg·L-1時, 生物量以NH4+/NO3-=1:0最大, 氮濃度200 mg·L-1時, 生物量以NH4+/NO3-=0.5:0.5最大.

　　(2) 粉綠狐尾藻的去氮能力和效果受污水氮濃度和NH4+/NO3-比的影響.不同處理總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的去除速率均在第1周最大, 且均能達到較高的去除率, 銨態(tài)氮的去除速率以NH4+/NO3-=1:0最高, 總氮和硝態(tài)氮的去除速率以NH4+/NO3-=0:1最高.氮濃度為20 mg·L-1時, 不同NH4+/NO3-比處理總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度7 d后基本保持穩(wěn)定; 氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1時, 21 d后總氮、銨態(tài)氮基本保持穩(wěn)定, 硝態(tài)氮濃度7 d后基本保持穩(wěn)定.

　　(3) 底泥氮和粉綠狐尾藻氮積累受污水氮濃度和NH4+/NO3-比的影響.氮濃度20 mg·L-1時, 底泥能夠向水體釋放氮; 氮濃度為100 mg·L-1、200 mg·L-1時, 水體中的氮會沉降進入底泥, 且以第1周沉降量最大; 粉綠狐尾藻氮積累對水體和底泥總氮去除的貢獻率隨氮濃度的升高而增加, 銨態(tài)氮為氮源氮積累貢獻率高于硝態(tài)氮, 且以NH4+/NO3-=0.5:0.5最高.氮含量在第1周增長顯著, 且均表現(xiàn)為水上部分高于水下部分, 且其比值均以NH4+/NO3-=1:0最高, 隨氮濃度升高和銨態(tài)氮比例的降低而減小.

　　(4) 粉綠狐尾藻體內(nèi)氮組分受污水氮濃度和NH4+/NO3-比的影響.粉綠狐尾藻體內(nèi)蛋白質(zhì)、氨基態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量隨污水氮濃度升高而增加, 蛋白質(zhì)含量均以NH4+/NO3-為1:0和0.5:0.5較高, 氨基態(tài)氮含量以NH4+/NO3-=1:0最高, 硝態(tài)氮含量以NH4+/NO3-=0:1最高, 且蛋白質(zhì)含量>氨基態(tài)氮含量>硝態(tài)氮含量, 氮主要以蛋白質(zhì)和氨基態(tài)氮的形態(tài)存在, 有利于資源化再利用.(來源：環(huán)境科學 作者：馬永飛)