N and P Purification in Aquatic Water with Three Plants

Yu Zhenhai, Chen Youguang, Lu Hong, Zheng Yuzhen, Liu Hongcai, Sun Hua

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2020, Vol. 36 ›› Issue (5) : 131-137. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb18090140

N and P Purification in Aquatic Water with Three Plants

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Abstract

To study the suitable plants for N and P purification in aquatic water, Eichhornia crassipes, Spirodela polyrrhiza and Ipomoea aquatica were selected as test subjects. The biomass gradients were set up. The water samples were taken once every 5 days. The indexes of N and P such as TN, NO3 -, NO2 -, NH4 +-N and TP in aquatic water were determined and analyzed. The effects of different plants, biomass gradients and experimental time on N and P purification were studied. The results showed that the three plants grew normally and had good purification capacity for N and P in aquatic water. The three plants had better effect on N purification in 10-15 days, and on P purification in 15-20 days. The biomass of Eichhornia crassipes, Spirodela polyrrhiza and Ipomoea aquatica with the best purification effect on N and P was 2000-2500 g/m 3, 150-200 g/m 3 and 800-1600g/m 3, respectively. All the three kinds of plants can be used to purify N and P of aquatic water, the order of the purification effect on TN, TP, NO3 - was Ipomoea aquatica > Spirodela polyrrhiza > Eichhornia crassipes, while on NO2 -、NH4 +-N was Eichhornia crassipes> Ipomoea aquatica > Spirodela polyrrhiza. Eichhornia crassipes is more suitable for the purification of N and P in aquatic water.

Key words

Eichhornia crassipes / Spirodela polyrrhiza / Ipomoea aquatica / N / P / water purification

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Yu Zhenhai , Chen Youguang , Lu Hong , Zheng Yuzhen , Liu Hongcai , Sun Hua. N and P Purification in Aquatic Water with Three Plants. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2020, 36(5): 131-137 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb18090140

0 引言

养殖水体中的氮磷是水体富营养化的主要因子,其中NH4+-N、NO2-能导致鱼体产生应激反应,使养殖水生动物病害高发[1,2,3]。利用植物对养殖水体进行原位净化修复是在众多治理富营养化水体措施中最为经济有效[4,5]。高等水生植物是水生生态系统中重要的初级生产者,它们个体大、生长周期长、吸取和储存营养物质的能力强,保持和恢复一定数量的水生植物种群可抑制浮游植物的生长,提高系统的生物多样性,使水生生态系统结构更加稳定[6]。凤眼莲(Eichhornia crassipes)、浮萍是水生植物中生长快速,净化水体较为明显的浮水植物。凤眼莲又名水葫芦,是国际上公认的氮、磷吸收能力较强的水生植物之一[7,8]。浮萍(Spirodela polyrrhiza)在有机污染条件下吸收N、P的能力较好[9,10]。空心菜(Ipomoea aquatica)多用作浮床植物,生长速率快,组织氮磷含量高,可以一次栽种多次收割,对净化污水,将营养盐不断从污水中输出而不致造成二次污染有很强的优势[11]。现有不同植物净化富营养化水体的研究多从固定生物量对水体氮磷的净化能力的角度进行分析比较[12],或者是不同植物以相同生物量对不同富营养化水体净化能力的研究[13,14],但对同种植物不同生物量梯度对水体的净化效果研究尚不足。研究植物单位水体的生物量对养殖水体的净化能力能够获得植物最佳净化效率十分必要,从而为净化养殖水体需移植植物的最佳生物量、采收时间提供数据支持。凤眼莲、浮萍、空心菜对不同水体中的氮磷去除各有优势,因此研究不同植物单位生物量及最佳净化时间对于养殖水体的净化作用比较研究可为养殖水体原位净化修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与方法

选取凤眼莲、空心菜、紫背浮萍3种植物,同种植物选取大小,长势相近的植株。选择18个长宽高分别为165 cm×115 cm×80 cm的玻璃钢养殖缸,每个缸中注入1 m3池塘养殖用水。缸中放入80 cm×80 cm的PVC管制成的方形框,并固定在养殖缸中。将凤眼莲、空心菜、浮萍3种植物按照梯度放入PVC框中,空心菜是挺水植物,PVC框需用网目为0.5 cm×0.5 cm的网片覆盖并固定。试验开始称量3种植物鲜重,3种植物最大重量以全面覆盖PVC固定框为准,凤眼莲的重量梯度为500、1000、1500、2000、2500 g,浮萍的重量梯度为50、100、150、200、250 g,空心菜400、800、1200、1600、2000g。试验于2015年9月9日—2018年9月29日在山东省淡水渔业研究院养殖基地进行。

1.2 水样的监测

2015年9月9日试验开始,2015年9月28日试验结束,共计20日。水质监测每5天检测1次,共计5次。水样测定水质指标为：总氮(TN)、总磷(TP)、硝氮(NO3--N)、亚硝氮(NO2--N)、氨氮(NH4+-N)。水质指标取样在实验室进行测定,水质指标的检测采用国家水和废水监测标准分析方法测定[15]。

1.3 数据处理方法

水质指标的去除率按公式(1)计算。
去除率=(C0−C)C0×100%
(1)
式中：C0次测定时的某水质指标的原始浓度;C次测定时经过某种植物净化之后某水质指标的浓度。通过方差分析对3种植物的不同生物量处理组进行比较,得到3种植物对各水质指标净化能力最好的处理组,再对单位生物量的净化能力进行比较,最后对筛选出的净化力强的处理组进行时间维度的比较,得到3种植物对水质净化的最佳处理时间。相关试验数据用DPS v7.05版数据处理软件进行分析。柱状分析图同一采样时间柱上方英文字母不同者有显著差异(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 TN去除效果

凤眼莲的TN去除率处理3、处理4和处理5与其他处理组具有显著性差异,其中处理4的TN去除率最好,均值为54.0%。对照组呈现TN去除率负增长的情况,与其他处理组差异显著,图1-a。
图1 凤眼莲、浮萍、空心菜不同生物量梯度、试验时间TN去除率
图a-c表示植物不同生物量对TN去除率均值的显著性差异(P≤0.05),下同;图d表示植物最佳生物量在不同时间TN去除率均值的显著性差异(P≤0.05),下同。

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浮萍的不同生物量梯度的TN去除率差异明显,处理3、处理4和处理5无显著性差异,但以处理4 的TN去除率最高,57.8%。对照组和处理1的TN去除率为负值,并且二者存在显著性差异,图1-b。
空心菜的不同生物量梯度的TN去除率差异不显著,以处理2的TN去除率为最高58.0%。对照组与各处理组差异显著,为负值,图1-c。
通过3种植物不同生物量处理梯度对TN去除率的比较,凤眼莲的4处理组TN去除率优于其他处理组,即凤眼莲生物量为2000g/m3时TN去除率最高为54.0%;浮萍的处理4组TN去除率优于其他处理组,即浮萍生物量为200g/m3时TN去除率最高为57.8%;空心菜处理2组TN去除率优于其他处理组,即空心菜生物量为800g/m3时TN去除率最高为58.0%。
通过对3种植物最优处理组TN去除率进行时间维度的比较,凤眼莲TN去除率差呈先高后低规律,空心菜TN去除率差呈先低后高规律,总体上,3种植物在时间维度上对TN去除率差异不显著,总体较为稳定。对照组与试验组相比差异显著,随着时间推移,对照组的TN去除率递减,TN含量持续升高,见图1-d。

2.2 NO3-去除效果

根据凤眼莲处理梯度对NO3-去除率的数据分析,处理4和处理5对NO3-的去除率较高,分别为76.2%和62.3%,二者无显著差异,且与其他试验组有显著差异。中对照组对NO3-去除率为负值,与其他处理组差异显著,图2-a。
图2 凤眼莲、浮萍、空心菜不同生物量梯度、试验时间NO3-去除率

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根据浮萍处理梯度对NO3-去除率的数据分析,处理3、处理4和处理5的NO3-去除率较高,且无显著差异,其中以处理3的NO3-去除率最高,为80.8%。对照组、处理1和处理2的NO3-去除率为负值,对照组的NO3-增长迅速,图2-b。
根据空心菜处理梯度对NO3-去除率的数据分析,对照组与试验组有显著差异,对照组的NO3-去除率为负值。5个试验组的NO3-去除率无显著差异,其中处理2的NO3-去除率最高,为81.9%,处理3、处理4和处理5的NO3-去除率呈现逐渐递减的趋势图2-a。
通过3种植物不同生物量处理梯度对NO3-去除率的比较,凤眼莲的4处理组NO3-去除率优于其他处理组,即凤眼莲生物量为2000 g/m3时NO3-去除率最高为76.2%;浮萍的处理组3 NO3-去除率优于其他处理组,即浮萍生物量为150 g/m3时NO3-去除率最高为80.8%;空心菜处理2组NO3-去除率优于其他处理组,即空心菜生物量为800 g/m3时NO3-去除率最高为81.9%。
对3种植物NO3-去除率最优处理组进行时间维度的比较,3种植物在时间维度上对NO3-去除率差异不显著,第5天对照组与试验组无差异显著,随着试验进行,对照组的硝NO3-增长迅速,到第15天水体NO3-含量达到峰值。3种植物对水体NO3-去除率随时间推移逐渐增加,第15天的NO3-去除率最佳,第20天的NO3-去除率略有下降,图2-d。

2.3 NO2-去除效果

根据凤眼莲处理梯度对NO2-去除率的数据分析,对照组与试验组有显著差异。对照组的NO2-去除率为负值,说明对照组NO2-增长显著。5个试验组的NO2-去除率无显著差异,其中处理4的NO2-去除率最高,为85.6%,图3-a。
图3 凤眼莲、浮萍、空心菜不同生物量梯度、试验时间NO2-去除率

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根据浮萍处理梯度对NO2-去除率的数据分析,对照组和试验组中的处理2与其他试验组有显著差异。 对照组与处理2的NO2-去除率为负值,说明对照组NO2-增长显著。其他试验组的NO2-去除率无显著差异,其中处理3的NO2-去除率最高,为70.7%,图3-b。
根据空心菜处理梯度对NO2-去除率的数据分析,对照组与试验组有显著差异。对照组的NO2-去除率为负值,说明对照组NO2-增长显著。5个试验组的NO2-去除率无显著差异,其中处理2的NO2-去除率最高,为74.5%,图3-d。
通过3种植物不同生物量处理梯度对NO2-去除率的比较,凤眼莲试验组中的处理4的NO2-去除率优于其他处理组,即凤眼莲生物量为2000 g/m3时NO2-去除率最高为85.6%;浮萍试验组处理组4 NO2-去除率优于其他处理组,即浮萍生物量为200 g/m3时NO2-去除率最高为70.7%;空心菜试验组处理2 NO3-去除率优于其他处理组,即空心菜生物量为800 g/m3时NO2-去除率最高为74.5%。
对3种植物NO2-去除率最优处理组进行时间维度的比较,3种植物在时间维度上对NO2-去除率差异不显著。5天和10天对照组与试验组无差异显著,随着试验进行,对照组的NO2-增长迅速,到15天对照组水体NO2-含量达到峰值,之后逐渐降低,20天对照组NO2-去除率升高,但对照组NO2-仍维持较高的水平。试验组对亚硝酸去除率时间推移维持稳定,差异不显著,图3-d。

2.4 NH4+-N去除效果

根据凤眼莲处理梯度对NH4+-N去除率的数据分析,对照组和试验组与有显著差异。试验组处理4的NH4+-N去除率最高,为52.6%,处理3的去除率为试验组最低,为34.7%。处理3与其他试验组差异显著,图4-a。
图4 凤眼莲、浮萍、空心菜不同生物量梯度、试验时间NH4+-N去除率

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根据浮萍处理梯度对NH4+-N去除率的数据分析,对照组、处理1和处理2对NH4+-N的去除率无显著差异,三者和处理3、处理4、处理5的NH4+-N去除率差异显著。处理3的NH4+-N去除率最高,为43.9%,处理3和处理4、处理5的NH4+-N去除率接近,分别为43.3%,41.2%,图4-b。
根据空心菜处理梯度对NH4+-N去除率的数据分析,对照组对NH4+-N的去除率与实验组各组差异不显著,实验组中处理4的NH4+-N去除率最高,为50.7%,处理5的NH4+-N去除率最低为28.6%,图4-c。
通过3种植物不同生物量处理梯度对NH4+-N去除率的比较,凤眼莲试验组中的处理4的NH4+-N去除率优于其他处理组,即凤眼莲生物量为2000 g/m3时NH4+-N去除率最高为52.6%;浮萍试验组处理4组NH4+-N去除率优于其他处理组,即浮萍生物量为 200 g/m3时NH4+-N去除率最高为43.9%;空心菜试验组处理4 NH4+-N去除率优于其他处理组,即空心菜生物量为800 g/m3时NH4+-N去除率最高为50.7%。
对3种植物NH4+-N去除率最优处理组进行时间维度的比较,3种植物在时间维度上对NH4+-N去除率差异不显著。5天对照组与试验组无差异显著,随着试验进行,对照组的NH4+-N增长迅速,到10、15和20天对照组水体NH4+-N去除率与3种植物试验组的NH4+-N去除率差异明显。10天3种植物试验组对NH4+-N的去除率最高,图4-d。

2.5 TP去除效果

通过3种植物不同生物量处理梯度对TP去除率的比较,凤眼莲的5处理组TP去除率优于其他处理组,即凤眼莲生物量为2500 g/m3时TP去除率最高为55.3%;浮萍的处理3组TP去除率优于其他处理组,即浮萍生物量为200 g/m3时TP去除率最高为59.7%;空心菜处理4组TP去除率优于其他处理组,即空心菜生物量为1600 g/m3时TP去除率最高为62.0%。
前10天TP未检出,15天和20天试验组和对照组均检出TP,对照组TP去除率迅速下降,表明TP含量迅速升高。试验组的3种植物对TP去除率在15天增加迅速,后趋于稳定,且3种植物的对TP去除率无明显差异,空心菜最高为62.0%,凤眼莲最低为55.3%,图5。
图5 凤眼莲、浮萍、空心菜不同试验时间TP去除率

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3 讨论与结论

试验得到了3种植物对不同氮磷指标净化效果较好的生物量、时间以及去除率,可针对养殖水体的氮磷指标特征选择净水植物,移植生物量以及采收时间,有效的为养殖水体原位修复提供数据支撑。
微生物的反硝化作用,植物的吸收以及挥发作用是养殖水体中氮去除的3种机制[16,17]。3种植物对水体中氮的净化效果最高的时间通常在10~15天,该时间相对植物生长周期来说较短,植物对氮的吸收作用较小。现有研究也表明短期内植物吸收同化的氮净化效率较低[18]。3种不同植物对氮去除最佳的处理组生物量差别显著,但是TN、NO3-、NO2-、NH4+-N去除率的去除率差异却不显著,说明建立于3种植物发达的根系的微生物硝化-反硝化作用和挥发作用是氮去除的主要途径。该推断与Bachinad P M等研究相符[19]。
TN的去除：空心菜（800 g/m3,15天,58.0%）>浮萍（200 g/m3,10天,57.8%）>凤眼莲（2000 g/m3,5天,54.0%）;
NO3-的去除：空心菜（800 g/m3,15天,81.9%）>浮萍（200 g/m3,15天,80.8%）>凤眼莲（2000 g/m3,15天,76.2%）;
NO2-的去除：凤眼莲（2000 g/m3,10天,85.6%）>空心菜（800 g/m3,10天,74.5%）>浮萍（200 g/m3,10天,70.7%）;
NH4+-N的去除：凤眼莲（2000 g/m3,10天,52.6%）>空心菜（1600 g/m3,10天,50.7%）>浮萍（150 g/m3,10天,43.9%）;
磷的去除与氮元素不同,有机磷及溶解性较差的无机磷酸盐都不能直接被水生植物吸收利用,只有经过磷细菌等的代谢活动,才能被植物吸收利用,从而通过植物的收割而将磷从水体中带走[20]。磷的去除主要靠植物和微生物的协同作用才能改变水体中磷素的存在形态,从而促进磷素去除[14]。
试验中前10天TP未检出,15天后迅速增加的原因应为原水体微生物死亡后其体内吸附的磷几乎全部迅速分解释放回水体,这也符合Wang等[21]的研究结论。试验结果显示不同植物生物量高的梯度组TP去除率高,主要原因是水生植物与微生物协同作用,将水体中磷通过吸附、生物摄取及离子沉淀等途径固定下来,然后通过将植物移除才能将磷从水体中去除。
TP的去除：空心菜（1600 g/m3,15天,62.0%）>浮萍（200 g/m3,20天,59.7%）>凤眼莲（2500 g/m3,20天,55.3%）。
植物对养殖水体氮磷的净化作用实际是以植物为中心的植物与微生物综合作用的结果,是一个持续进行的过程,试验时间相对于植物的生长期偏短,只能反映一段时间内植物对养殖水体的氮磷去除规律,有一定局限性。因此开展更长时间跨度、结合植物与微生物协同净化水质效果研究也十分有意义。
不同植物能够构建不同的生态环境,实际应用中应根据具体条件选择净水植物。养殖水体中氮磷的去除规律显示,对照组在无水生植物的情况下,水体含氮磷量增加迅速,而3种植物的试验组均能对含氮水质指标有较好的控制作用。3种植物对TN、TP、NO3-的去除效果空心菜>浮萍>凤眼莲,而对NO2-和NH4+-N的去除效果则凤眼莲>空心菜>浮萍。因为NO2-和NH4+-N对养殖水体中的鱼虾有较强毒性,所以凤眼莲更适合用于养殖水体的水质净化。

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