5种华南地区水生植物对城市生活污水的净化效果
人类生活过程中产生的污水，是水体的主要污染源之一，其特点是含有大量的氮、磷等元素，易造成江河湖海的富营养化。现今水华、赤潮等水体污染灾害频发，使得从源头治理生活污水成为亟待解决的问题[1]。目前，已有不少学者利用植物修复技术治理生活污水，利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害化，并取得了不错的效果。用于植物修复的大部分水生植物集中在水葫芦(Eichhornia crassipes)、粉绿狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)、大薸(Pistia stratiotes)等常见种，他们净化效果突出，却也是外来引种植物，如人为管控不足或缺乏清理，在富营养化水体中极易引起种群大爆发，挤占当地植物生态位，对水体造成二次危害。因此，越来越多的学者尝试向本地乡土植物方向开展研究，寻求以乡土植物改善或取代外来种修复污水的长久之计。杨立红等[2]对紫萼(Hosta ventricosa)、鸭舌草(Monochoria vaginalis)、泽泻(Alisma orientale)等5种乡土植物进行植物修复研究，发现5种植物对富营养化水体均有明显的净化作用，在水体中生长5 d时总氮去除率均在80%以上，总磷去除率(10 d)也达到70%以上。吕建国等[3]以灯心草(Juncus effusus)、菖蒲(Acorus calamus)、金针菜(Hemerocallis fulva)、香茶菜(Isodon inflexus)4种乡土植物为实验材料，研究其对洱海水体中氮、磷的净化效果，发现4种植物对洱海水体总氮的去除率均在65%以上，总磷的去除率超过72.88%。高吉喜等[4]研究认为，慈茹(Sagittaria sagittifolia)、茭白(Zizania latifolia)、菹草(Potamogeton crispus)、水花生(Alternanthera philoxeroides)对滇池水体氮的净化能力显著，茭白与满江红(Azolla imbricata)对磷具有明显的净化能力。由此可见，乡土植物在污水净化方面具有更大的开发潜力。
笔者选择广东省的聚花草(Floscopa scandens)、疏穗莎草(Cyperus distans)、鱼腥草(Houttuynia cordata)、线叶水芹(Oenanthe linearis)、石龙芮(Ranunculus sceleratus)5种乡土植物，用化学试剂配制模拟生活污水，测定实验水体中化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)及氨氮(NH4+-N)并以此为水生植物净污能力的评价指标，探究其对不同浓度生活污水的净化效果，为华南地区植物筛选和治理生活污水提供参考依据和可行方案。
1. 材料与方法
1.1 实验原料供试植物聚花草、疏穗莎草、线叶水芹、石龙芮和鱼腥草采自广州龙洞宵箕窝、华南植物园观赏区沼泽湿地，选取生长健壮、大小基本一致的植株洗净后在自来水中进行数天的适应性培养。
供试污水以葡萄糖(C6H12O6)、(NH4)2SO4、可溶性蛋白、磷酸二氢钾(KH2PO4)、碳酸钠(Na2CO3)和碳酸氢钠(NaHCO3)按不同比例配制(见表1)。
表 1 不同污染程度生活污水评价指标
Table 1. Evaluation indexes of domestic sewage with different pollution levels
污染程度 评价指标/（mg·L−1） COD TN -N TP 低污染(L) 102 24.4 8.6 2.5 中污染(M) 338 43.8 14.8 4.2 高污染(H) 624 68.5 22.4 8.3| Show Table
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实验设置1个空白对照(不种植物)和3个浓度处理：低污染处理(L)；中污染处理(M)；高污染处理(H)。5种植物分别按以上3个浓度梯度的生活污水分别进行处理，每个处理设置3个重复。所有植物均种植在2 L的塑料桶中，每桶的加入1.4 L自来水或配好的生活污水，并在1.4 L的位置做好水位标记。每个处理组分别放入生物量为200 g且处在营养期的长势相同的植株，实验周期为4 d，每1周期观察1次植物长势和水质变化、测定污水中的COD、TN、NH4+-N" role="presentation">NH4+-N
水样的COD采用高锰酸钾法(GB 11914-1989)[5]测定；TN通过碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-1989)[6]测定；NH4+-N采用纳氏试剂光度法法(GB 7479-1987)[7]测定；TP通过磷用钼酸铵分光光度法(GB 11893-1989)[8]测定。为明确5种水生植物的水质净化能力以及水生植物氮、磷吸收在水质净化过程中的作用，本研究在测定水质COD、TN、NH4+-N" role="presentation">NH4+-N
式中：η为污染水体中COD、氮、磷的去除率；C1、C2为水质的起始、终止浓度，mg·L−1；Q1、Q2为水质的起始、终止水量，g。采用SPSS数据处理系统和Excel软件[10]对实验结果进行方差分析。
2. 结果与讨论
2.1 5种水生植物对COD的去除效果不同浓度梯度的生活污水处理下，5种乡土植物对COD的净化效果明显(表2)。5种乡土植物对COD的去除效果均表现为实验前期污水中的COD迅速降低；8 d后，各处理中的COD含量趋于稳定。植物之间对COD的去除效果差异性显著(P<0.05)，净化效果强弱顺序依次为疏穗莎草>聚花草>鱼腥草>线叶水芹>石龙芮。其中，疏穗莎草在低、中、高浓度污水处理下，对COD的去除效果均表现最好，去除率分别达58.59%、84.05%、89.56%(表2)；石龙芮净化效果明显低于其他几种水生植物的净化效果。有研究[11]表明，植物对于COD的去除都与根系的吸收以及根际微生物的作用密切相关，疏穗莎草和聚花草光合能力强，进行光合作用产生的氧气向下通过根状茎和茎节上的不定根输送到根际，使水体中溶解氧增加，为根区微生物的活动创造了有利的条件，促进了有机物的好氧分解，从而提高COD去除率[12]。
表 2 不同浓度下5种植物对COD的去除率
Table 2. COD removal rate of five plants at different concentrations
污染程度 对照 疏穗莎草 聚花草 鱼腥草 线叶水芹 石龙芮 低污染(L) 7.84±0.22 58.59±1.74 51.32±1.71 35.87±0.52 30.55±1.59 19.9±1.52 中污染(M) 8.28±0.12 84.05±0.50 81.46±0.47 68.07±0.56 64.02±0.14 31.7±0.18 高污染(H) 7.37±0.03 89.56±0.26 84.04±0.15 69.21±0.19 67.64±0.09 52.49±0.14| Show Table
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5种植物在不同程度污染下，对TN的去除效果也表现出了差异(表3和表4)。疏穗莎草和鱼腥草对TN的净化效果明显高于其他3种植物(P<0.05)，对TN的去除率仍能达到82.66%~91.75%和83.52%~85.50%(20 d)；聚花草和线叶水芹净化效果次之；石龙芮最差。5种植物对NH4+" role="presentation">NH4+
表 3 不同浓度下5种植物对TN的去除率
Table 3. TN removal rate of five plants at different concentrations
污染程度 对照 疏穗莎草 聚花草 鱼腥草 线叶水芹 石龙芮 低污染(L) 14.75±0.07 91.75±0.57 62.16±0.19 85.5±1.04 57.59±0.86 38.52±0.46 中污染(M) 7.92±0.34 85.55±0.08 72.97±0.25 83.52±0.51 64.5±0.65 54.27±1.01 高污染(H) 4.67±0.40 82.66±0.37 60.76±0.86 85.08±0.32 48.1±0.70 37.26±0.65| Show Table
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Table 4.
NH4+" role="presentation">NH4+-N removal rate of five plants at different concentrations
污染程度 对照 疏穗莎草 聚花草 鱼腥草 线叶水芹 石龙芮 低污染(L) 10.39±0.21 77.17±0.09 68.84±0.30 77.4±0.24 68.72±0.08 44.06±0.04 中污染(M) 18.72±0.12 84.32±0.05 65.91±0.18 84.12±0.14 64.65±0.05 45.7±0.02 高污染(H) 11.2±0.04 88.89±1.38 63.96±0.03 89.33±0.05 62.49±0.11 45.6±0.11| Show Table
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5种植物对TP的去除效果明显(表5)，且在低磷的污水中去除效果明显强于在中度污染和高度污染水体。疏穗莎草的净化效果最强，在低、中、和高浓度下对TP的去除率分别为88.80%、93.57%和83.32%(20 d)；聚花草的净化效果次之，去除率分别为80.00%、91.43%和80.84%。上述两者去除效果相当，且明显优于其他3种植物。有研究[15]表明，植物对总磷的去除作用主要包括自然沉淀、微生物固定和植物吸收等作用，植物吸收在磷元素的去除上，只占据很小的一部分[16]。而本研究不存在基质层，通过沉淀去除P的比例不高，可以猜测P的最终去除途径归根到底仍然是植物根系的吸附和微生物的固定[17]，不同植物根系的微生物量和微生物群落类型直接影响植物对TP的去除效果。
表 5 不同浓度下5种植物对TP的去除率
Table 5. TP removal rate of five plants at different concentrations
污染程度 对照 疏穗莎草 聚花草 鱼腥草 线叶水芹 石龙芮 低污染(L) 23.6±0.36 88.8±0.07 80±0.28 66.4±0.85 70.8±0.4 54.62±0.44 中污染(M) 11.43±0.66 93.57±0.04 91.43±0.17 53.62±0.51 68.33±0.24 65±0.02 高污染(H) 10.24±0.38 83.32±0.88 80.48±0.14 35.87±0.92 64.82±0.32 52.3±0.13| Show Table
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有研究发现，水葫芦在不同浓度污水处理下，对COD和NH4+-N的去除率分别为37.84%~81.8%和61.80%~98.03%[18-19]；粉绿狐尾藻在轻度和重度污染水体中，对TN的去除率在76.5%~100%之间[13, 20]。上述两者在不同程度污染水体或不同比例污染物处理下，都优于本次实验的5种供试植物。疏穗莎草对各污染指标的控制同样表现出色，尤其在高浓度污水中，对有机污染物的去除率甚至高于水葫芦，这为乡土植物替代外来种治理城市污水提供了有力依据。美人蕉(Canna indica)、空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)适宜于低污染的水体修复，对污水中TN、TP的去除率维持在41.27%~62.42%和74.73%~89.68%范围内[21-22]，略逊于本次实验的疏穗莎草和聚花草。此外，本研究的鱼腥草和线叶水芹对TN、TP的去除率都能达到48.1%~85.5%和35.87%~70.8%，对中、低污染浓度的生活污水也有不错的净化效果。
3. 结论
1)5种植物相比于没有植物处理的对照组，对生活污水的净化效果明显，对COD、TN、TP和NH4+-N的去除率范围分别在19.9%~89.56%、37.26%~91.75%、44.06%~88.89%和52.3%~93.57%。各处理污染物在实验初期都呈现降低的趋势，在12~15 d后，随处理时间的推移，COD、TN、NH4+-N、TP的含量不再发生明显变化。
2)5种乡土植物的对生活污水的净化效果存在差异。疏穗莎草具有优良的污水净化能力，20 d内各不同污染程度的生活污水的各项评价指标净化率都超过80%，且其有较强的胁迫耐受性，可在高污染水体下存活并完成水体净化过程；而石龙芮则净化污水能力相对最低，但在20 d内，也会将各浓度污水净化致一级水质排放标准。
3)不同植物在3种污染梯度间存在差异。疏穗莎草更适于中、高浓度的污水净化，而石龙芮和线叶水芹则偏向于较低浓度的污水治理。鱼腥草较适于高氮低磷条件下的污水治理，在各种污染程度的污水中，其对TN的去除率皆可达到83%以上，却不耐受磷素污染；聚花草对磷的降解作用明显，适合于高磷低氮的水体修复。
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