水污染是目前湖泊等天然水体面临的最为严重的问题, 而面源污染的原因是水体中氮磷等营养元素的增加, 其中氮是主要的限制因子之一.水体污染会使脆弱的水生生态系统遭到破坏, 影响人类的生产和生活活动.氮是植物生长所必需的营养元素, 水生植物是水生生态系统的重要组成部分, 能够从水体中吸收氮供给自身生长的需要, 从而达到去除水体氮的目的.粉绿狐尾藻具有适应性强、生物量增长快和耐污染能力强等优点, 是污水生态处理和控制农业面源污染的重要植物, 对氮具有较强的去除能力, 不仅能够净化水体, 且能够分泌某些化感物质抑制藻类的生长, 破坏藻细胞的超微结构、抑制藻类的光合作用和呼吸作用、影响细胞内某些蛋白质的合成和酶的活性, 从而实现对藻类生长的抑制甚至死亡.粉绿狐尾藻富含粗蛋白, 还能够做成优良的饲料, 为其资源化利用提供了有利条件.本课题组已有试验结果证明, 粉绿狐尾藻的氮含量和积累量在污水氮浓度为20、100、200 mg·L-1时存在显著差异, 随氮浓度升高而增加, 但有关NH4+、NO3-及其比例对粉绿狐尾藻去氮能力、体内氮积累及组分的影响尚不清楚.本文采用溶液培养试验, 研究污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻去氮能力和氮组分的影响, 明确粉绿狐尾藻对不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水的去氮能力及氮形态转化的影响, 以期为污水修复、净化和粉绿狐尾藻的资源再利用提供依据和技术.
1 材料与方法1.1 试验材料
试验材料粉绿狐尾藻采自华中农业大学生态基地培养池, 供试水体和底泥取自华中农业大学南湖池塘.污水和底泥的基本理化性质：污水总氮浓度为0.70 mg·L-1, 铵态氮浓度为0.52 mg·L-1, 硝态氮浓度为0.06 mg·L-1, 总磷浓度为0.12 mg·L-1, 溶解氧浓度为6.45 mg·L-1, pH为6.97, 底泥全氮含量为3.58g·kg-1.试验于夏季自然光照条件下在华中农业大学资源与环境学院校内实习基地进行, 时间为2016年6月19日至2016年7月25日, 期间测定水温为21.9~32.0℃, 室温为21.5~33.2℃.
1.2 试验处理
试验采用高40 cm, 桶口直径35 cm, 体积为20 L的塑料桶, 每个塑料桶盛装污水的体积为18 L, 底泥过筛且每桶盛装重量为5 kg(含水率45.3%, 折合风干土2.74 kg), 厚度约为5 cm.试验设置3个污水氮浓度(20、100、200 mg·L-1)和3个NH4+/NO3-比(1:0、0.5:0.5、0:1), 总磷的浓度均调节为15.9 mg·L-1, 共9个处理, 水体的铵态氮用NH4Cl补充, 硝态氮用KNO3补充, 总磷用KH2PO4补充.试验开始前粉绿狐尾藻用清水驯化7 d, 选取生长旺盛, 形态大小均匀的粉绿狐尾藻剪取(20±1)cm长的茎, 每个处理生物量为(100±2)g, 重复4次.每天定时用纯水补充蒸发水量以保证体积恒定.
1.3 监测指标与方法
试验期间分别于7、14、21、28、35 d测定粉绿狐尾藻的生物量以及水体总氮、铵态氮、硝态氮; 采集不同处理植物样和底泥用于氮含量测定; 35 d收获后测定氮在植物体内的主要存在形态(蛋白质、硝态氮、氨基酸).总氮采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定; 铵态氮用纳氏试剂比色法测定; 硝态氮用紫外分光光度法测定; 粉绿狐尾藻体氮含量用浓H2SO4-H2O2消化-半微量蒸馏法测定; 底泥中全氮用凯氏-蒸馏法测定; 蛋白质含量用考马斯亮蓝G-250法测定; 硝态氮含量用比色法测定; 氨基态氮含量用茚三酮试剂显色法测定.
1.4 数据分析
采用Excel 2013软件统计数据, 用Sigmaplot 10.0绘制图表, 采用SPSS 18.0软件对试验数据进行方差分析和显著性分析.
2 结果与分析2.1 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻生物量的影响
粉绿狐尾藻的生物量和生物量增长速率随时间因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 1和2).不同处理粉绿狐尾藻的生物量均在0~14 d增长最快, 其中0~7 d生物量增长速率最大约为7~14 d的1.79~3.14倍, 氮浓度200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理在14~21 d仍具有相对较高的生长速率, 其它处理14 d后生物量增长速率显著降低.氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1时以NH4+/NO3-=1:0的生物量最大, 且氮浓度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理生物量均在28 d达到最大; 氮浓度200 mg·L-1时以NH4+/NO3-=0.5:0.5处理生物量最大, 且生物量均在21 d达到最大.粉绿狐尾藻在氮浓度为20 mg·L-1、100 mg·L-1时, 可能主要以铵态氮作为氮源供给植物生长的需求, NH4+/NO3-=1:0的生物量显著高于NH4+/NO3-为0.5:0.5和0:1的处理, 而氮浓度为200 mg·L-1时, 铵态氮和硝态氮平衡更有利于粉绿狐尾藻的生长.由此说明, 氮浓度200 mg·L-1时, 粉绿狐尾藻以NH4+/NO3-=0.5:0.5处理生长最好, 铵态氮和硝态氮的平衡更有利于其生长, 且由于氮供应充足不同NH4+/NO3-比处理生物量均在21 d达到最大; 氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1时, 可能以铵态氮作为主要氮源, 生物量均以NH4+/NO3-=1:0处理最大.
表 1 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻生物量的影响1)/g
表 2 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻生物量增长速率的影响/g·d-1
2.2 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻去氮能力和效果的影响2.2.1 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻总氮去除能力的影响
不同处理总氮浓度随粉绿狐尾藻处理时间增长而降低, 且因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 3).氮浓度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 0~7 d总氮的去除率为85.2%~93.3%, 其中以NH4+/NO3-=1:0的处理去除率最高, 14 d后总氮浓度均保持在较低的水平, 35 d时去除率为95.1%~95.4%, 且不同NH4+/NO3-比处理间总氮浓度无显著差异; 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 0~7d总氮的去除率分别为75.9%~96.7%、63.2%~91.8%, 且均以NH4+/NO3-=0:1处理去除率最高, 35 d时去除率分别为95.1%~98.5%、82.7%~99.3%.不同处理总氮的去除速率均在0~7 d最高, 去除速率随总氮浓度而升高而增加.氮浓度20 mg·L-1时, NH4+/NO3-=1:0处理去除速率最高; 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, NH4+/NO3-=0:1处理去除速率最高. 7 d后不同处理总氮去除速率随时间降低, 且氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, NH4+/NO3-=1:0处理去除速率显著高于其它处理, 28~35 d水体总氮的浓度基本保持稳定.综上所述, 不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水总氮均在0~7 d去除速率最高, 且能够达到较高的去除率, 总氮的去除速率随氮浓度的升高而增加, 氮浓度20 mg·L-1时, 以NH4+/NO3-=1:0去除率和去除速率最高, 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 以NH4+/NO3-=0:1去除率和去除速率最高.不同处理总氮的去除速率随时间逐渐降低, 其中氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, NH4+/NO3-=1:0处理总氮浓度呈持续下降的趋势. 35 d时除氮浓度200 mg·L-1的NH4+/NO3-=1:0处理, 不同处理总氮的去除率均达到95%以上, 粉绿狐尾藻对污水中总氮的去除受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响.
表 3 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻总氮去除能力的影响1)/mg·L-1
2.2.2 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻铵态氮去除能力的影响
不同处理铵态氮浓度随粉绿狐尾藻处理时间增长而降低, 且因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 4).处理7 d时, 氮浓度20、100、200 mg·L-1的NH4+/NO3-为1:0、0.5:0.5的处理铵态氮的去除率分别为91.7%和96.3%、68.2%和95.9%、72.0%和93.2%; 35 d时除氮浓度200 mg·L-1的NH4+/NO3-=1:0处理铵态氮去除率为87.36%, 其它处理去除率基本均达到100%.不同氮浓度时, NH4+/NO3-=0:1处理铵态氮浓度均出现增长, 但试验期间一直维持在较低的水平.不同处理铵态氮的去除速率均在0~7 d最高, 且去除速率随铵态氮浓度的升高而增加即以NH4+/NO3-=1:0最高, 随后随时间逐渐降低.氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, NH4+/NO3-=1:0处理在7~21 d仍具有较高的去除速率, 21~35 d铵态氮的浓度保持稳定.由上可知, 不同氮浓度的NH4+/NO3-为1:0和0.5:0.5时, 处理7 d时铵态氮均能达到较高的去除率, 且0~7 d铵态氮的去除速率均以NH4+/NO3-=1:0最高, 随后去除速率逐渐下降; 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的NH4+/NO3-=1:0处理在7~21 d仍具有较高的去除速率, 其它处理7 d后铵态氮浓度基本保持稳定, 35 d时不同处理铵态氮的去除率均接近100%.粉绿狐尾藻对铵态氮的去除能力受污水氮浓度和NH4+/NO3-的影响.
表 4 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻铵态氮去除能力的影响1)/mg·L-1
2.2.3 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻硝态氮去除能力的影响
不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水硝态氮浓度随粉绿狐尾藻处理时间而增长降低(表 5).氮浓度20、100、200 mg·L-1时, NH4+/NO3-为0.5:0.5和0:1的处理在7 d时硝态氮的去除率分别为93.9%和91.5%、86.2%和97.8%、94.6%和94.8%, 去除率均接近100%.氮浓度20 mg·L-1的NH4+/NO3-=1:0处理, 硝态氮的浓度有所升高, 但保持在较低的浓度范围内; 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 该处理硝态氮的浓度呈先升高后降低的趋势.硝态氮的去除速率随水体硝态氮浓度的升高而增加, 不同氮浓度时NH4+/NO3-为0.5:0.5和0:1的处理均在0~7 d硝态氮的去除速率最高, 7 d后去除速率显著降低, 21 d后硝态氮的浓度保持在较低的浓度范围.综上所述, 不同氮浓度时NH4+/NO3-为0.5:0.5和0:1的处理硝态氮在7 d时去除率超过90%, 且去除速率均在0~7 d最大, 硝态氮的去除速率随硝态氮浓度的升高而增加.氮浓度20 mg·L-1时NH4+/NO3-=1:0处理硝态氮浓度有所升高但维持在相对较低的浓度水平, 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时NH4+/NO3-=1:0的处理硝态氮的浓度呈先升高后降低的趋势.粉绿狐尾藻对硝态氮去除能力受污水氮浓度和NH4+/NO3-的影响.
表 5 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻硝态氮去除能力的影响1)/mg·L-1
2.3 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻氮含量和氮积累的影响2.3.1 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻氮含量的影响
粉绿狐尾藻氮含量随时间因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 6).不同处理粉绿狐尾藻氮含量在0~7 d显著增加, 7 d后随时间变化不大, 氮含量随氮浓度的升高而增加. 7~35 d期间, 氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1时, 粉绿狐尾藻氮含量分别为1.94%~2.96%、3.45%~4.16%, 平均氮含量均以NH4+/NO3-=0.5:0.5最高; 氮浓度200 mg·L-1时, 氮含量为4.36%~6.03%, 7~35 d平均氮含量以NH4+/NO3-=1:0最高.综上所述, 粉绿狐尾藻氮含量受污水氮浓度和NH4+/NO3-的影响, 0~7 d增长最快可能与试验前粉绿狐尾藻受驯化处理, 体内营养物质极度缺乏有关, 氮含量随污水氮浓度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-比的变化而不同.
表 6 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻氮含量的影响/%1)
2.3.2 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻不同部位氮含量的影响
粉绿狐尾藻不同部位氮含量因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 7).粉绿狐尾藻水上部分和水下部分氮含量随氮浓度的升高显著增加.氮浓度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 粉绿狐尾藻水上部分和水下部分干物质氮含量无显著差异; 氮浓度100 mg·L-1时, NH4+/NO3-=0.5:0.5处理水上部分氮含量显著高于NH4+/NO3-为1:0和0:1的处理, 水下部分氮含量无显著差异; 200 mg·L-1时, NH4+/NO3-为1:0和0.5:0.5的处理水上部分氮含量显著高于NH4+/NO3-=0:1处理, 水下部分氮含量无显著差异.不同处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, 且其比值随氮浓度的升高而降低.综上所述, 粉绿狐尾藻水上部分和水下部分氮含量均随氮浓度升高而增加, 且因NH4+/NO3-比的变化不同, 同一氮浓度的不同NH4+/NO3-比处理水下部分氮含量无显著差异.水上部分氮含量/水下部分氮含量之比随氮浓度升高和铵态氮比例的降低而减小, 氮的分配机制可能发生变化, 氮在植物体内更趋于均匀化分配.
表 7 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻不同部位氮含量的影响1)
2.3.3 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻干物质氮积累量的影响
粉绿狐尾藻氮积累量随时间因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(图 1).不同处理粉绿狐尾藻氮积累量均在0~7 d增长最快, 氮积累量和积累速率随氮浓度的升高而增加, 期间氮浓度20、100、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理干物质氮积累平均速率分别为0.037~0.059、0.057~0.067和0.090~0.171 g·d-1; 35 d期间氮积累平均速率分别为0.012~0.016 g·d-1、0.022~0.026 g·d-1和0.031~0.049 g·d-1.氮浓度20 mg·L-1时, NH4+/NO3-为0.5:0.5和0:1的处理在7~28 d氮积累量缓慢增长, 且在28 d时达到最大, NH4+/NO3-=1:0处理氮积累增长速率在0~14 d显著高于其它处理, 且氮积累量在35 d时达到最大; 氮浓度100 mg·L-1时, 不同NH4+/NO3-比处理在7~21 d氮积累量增长缓慢, 21 d后出现显著增长, NH4+/NO3-=0:1处理在28 d时氮积累量达到最大, NH4+/NO3-为1:0和0.5:0.5的处理氮积累量则在35 d时达到最大; 氮浓度200 mg·L-1时, 不同时间NH4+/NO3-=0.5:0.5处理氮积累量均高于NH4+/NO3-为1:0和0:1的处理, 且在35 d时达到最大, NH4+/NO3-为0.5:0.5和0:1的处理氮积累量则在28 d时达到最大.综上所述, 不同处理粉绿狐尾藻氮积累量均在0~7 d增长最快, 积累速率最大, 这可能与试验前粉绿狐尾藻受驯化处理, 粉绿狐尾藻生物量和氮含量快速增长有关; 7 d后氮含量变化不大, 氮积累量随粉绿狐尾藻生物量和含水率的变化而增加.粉绿狐尾藻氮积累量和积累速率随氮浓度升高而增加且因NH4+/NO3-比的变化而不同.
2.4 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对底泥氮沉降和释放的影响
底泥氮含量随粉绿狐尾藻处理时间因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 8).氮浓度20 mg·L-1时, 底泥氮含量随时间无显著变化, 但由于水体氮浓度较低, 底泥会向水体中释放氮供给粉绿狐尾藻的生长需求, 底泥中氮含量随时间呈降低的趋势, 且降低速率在0~7 d最大, 35 d时底泥氮释放量NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=0.5:0.5.氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 氮通过沉降作用进入底泥, 底泥氮含量在0~7 d增长显著, 7 d后底泥逐渐向水体释放氮, 28~35 d时底泥氮的增加量最小; 35 d时, 氮浓度100 mg·L-1时, 底泥全氮的增加量NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1, 而氮浓度200 mg·L-1时, NH4+/NO3-为1:0和0.5:0.5的处理底泥全氮含量均有所降低, 且底泥全氮含量NH4+/NO3-=0.5:0.5
表 8 不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水底泥全氮含量随粉绿狐尾藻处理时间的变化1)/g·kg-1
2.5 粉绿狐尾藻氮积累对不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水和底泥总氮去除的贡献率及底泥氮沉降对污水总氮去除的贡献率
水体和底泥总氮的去除量随粉绿狐尾藻处理时间因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 9).氮浓度20 mg·L-1时, 7~21 d以NH4+/NO3-=1:0处理水体和底泥总氮的去除量最大, NH4+/NO3-=0.5:0.5处理去除量最小, 35 d时水体和底泥总氮的去除量NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=0.5:0.5;氮浓度100 mg·L-1时, NH4+/NO3-=1:0处理在7~28 d水体和底泥总氮的去除量最小且小于氮浓度20 mg·L-1的处理, 不同NH4+/NO3-处理水体和底泥总氮的去除量在28 d时达到最大, 且以NH4+/NO3-=0.5:0.5处理总氮去除量最大, 35 d时水体和底泥总氮去除量NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5, 35 d时氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 水体和底泥总氮的去除量无显著差异; 氮浓度200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 水体和底泥总氮的去除量随时间逐渐增加, 且在35 d时去除量最大, 且NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1, 去除量分别为氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1的不同NH4+/NO3-处理的2.01~2.84倍和1.74~2.93倍.粉绿狐尾藻对水体和底泥总氮的去除量因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同.具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
表 9 不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水和底泥总氮的去除量随粉绿狐尾藻处理时间的变化/mg
粉绿狐尾藻氮积累对水体和底泥总氮去除的贡献率随时间因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 10).氮浓度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 粉绿狐尾藻不同时期氮积累量对水体和底泥总氮去除的贡献率为23.9%~43.5%, 平均为34.1%, 7~35 d粉绿狐尾藻氮积累平均贡献率NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5;氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-处理, 粉绿狐尾藻不同时期氮积累对水体和底泥总氮去除的贡献率分别为23.8%~66.1%和32.0%~72.8%, 平均为43.9%和47.0%, 7~35 d粉绿狐尾藻氮积累平均贡献率NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1.由此说明, 粉绿狐尾藻氮积累是水体和底泥氮去除的主要途径, 其对水体和底泥氮去除的贡献率随污水氮浓度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-比的变化而不同.氮浓度为20 mg·L-1时, 7~35 d平均贡献率NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5;氮浓度为100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 粉绿狐尾藻氮积累均在0~7d对污水和底泥总氮去除的贡献率最大, 且7~35 d平均贡献率NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0:1, 较高氮浓度下铵态氮和硝态氮平衡更有利于粉绿狐尾藻从水体和底泥中吸收积累氮.
表 10 粉绿狐尾藻氮积累对不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水和底泥总氮去除的贡献率/%
底泥氮沉降对污水总氮去除的贡献率随时间因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 11).氮浓度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 试验期间底泥向水体释放氮供给粉绿狐尾藻的生长, 底泥氮含量降低.氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 底泥氮沉降对污水总氮去除的贡献率均在0~7 d最大为35.4%~58.6%, 且均以NH4+/NO3-=0:1最大.氮浓度100 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 7~35 d底泥氮沉降对水体总氮去除的平均贡献率为13.6%~23.5%, 且NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5>NH4+/NO3-=0:1;氮浓度200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 7~35 d底泥氮沉降对水体总氮去除的贡献率为16.1%~24.5%, 平均为21.3%, NH4+/NO3-=0:1>NH4+/NO3-=1:0>NH4+/NO3-=0.5:0.5.由此说明, 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 试验初期水体中的氮易沉降进入底泥, 以NH4+/NO3-=0:1处理底泥的贡献率最大, 底泥氮沉降是试验初期污水氮去除的主要途径; 底泥氮沉降对水体总氮去除的贡献率随氮浓度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-比变化而不同. 0~7 d粉绿狐尾藻的干物质氮积累快速增加和底泥氮沉降量增加量最大是其水体氮浓度迅速降低的主要原因.
表 11 底泥氮沉降对不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水总氮去除的贡献率/%
2.6 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻体内氮组分的影响
粉绿狐尾藻体内蛋白质、氨基态氮和硝态氮的含量因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同(表 12).总体而言, 蛋白质、氨基态氮和硝态氮的含量均随污水氮浓度的升高而增加.氮浓度为20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 粉绿狐尾藻体内蛋白质和氨基态氮的含量无显著差异; 不同氮浓度处理, 蛋白质的含量以NH4+/NO3-为1:0和0.5:0.5时较高, 氨基态氮含量以NH4+/NO3-=1:0时最高, 硝态氮含量以NH4+/NO3-=0:1时最高, 且氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理蛋白质和氨基态氮的含量分别为氮浓度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理的1.42~1.72倍、2.21~3.35倍和6.07~13.10倍、6.75~30.20倍.综上所述, 粉绿狐尾藻体内蛋白质、氨基态氮和硝态氮的含量均随氮浓度的升高而增加, 且不同处理均表现为蛋白质含量>氨基态氮含量>硝态氮含量, 氮主要以蛋白质和氨基态氮的形式存在, 有利于粉绿狐尾藻的资源化再利用, 氮组分主要形态基本不受污水氮浓度的影响, 而受NH4+/NO3-比的影响.
表 12 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻体内氮组分的影响1)
3 讨论3.1 粉绿狐尾藻生长特性对污水氮浓度和NH4+/NO3-比的响应
本文结果表明, 粉绿狐尾藻的生长受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响.不同处理粉绿狐尾藻的生物量均在0~7 d增长最快, 氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1时, 不同时间的生物量均以NH4+/NO3-=1:0处理最大; 氮浓度200 mg·L-1时, 则以NH4+/NO3-=0.5:0.5处理最大, 且生物量均在21~35 d达到最大.粉绿狐尾藻的生物量在0~7 d增长最快, 这与前一阶段的试验结果一致, 可能与试验前对粉绿狐尾藻进行驯化处理, 植物体内营养元素大量缺乏有关.上述试验结果与刘少博等[21]的研究结果一致, NH4+水平过高会抑制绿狐尾藻的生物量的增长.在一定氮浓度下水生植物的生长速率随氮浓度的升高而增加, 不同水生植物对NH4+和NO3-表现出不同的偏好性, 其生长速率随NH4+/NO3-比的变化而不同, 且生物量达到最大的时间不同[22, 23].
综上所述, 不同处理粉绿狐尾藻的生物量在0~7 d增长最快.氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1时, 生物量均以NH4+/NO3-=1:0最大, 粉绿狐尾藻生长较快可能是将铵态氮作为主要氮源, 表现出对铵态氮较高的耐受性和喜好性; 氮浓度200 mg·L-1时, 生物量以NH4+/NO3-=0.5:0.5最大, 说明铵态氮和硝态氮的平衡更有利于粉绿狐尾藻的生长, 且不同处理粉绿狐尾藻生物量均在21~35 d达到最大.
3.2 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻去氮能力的影响
研究表明, 不同处理总氮均在7 d时能够达到较高的去除率为63.2%~96.7%, 且0~7 d去除速率最高, 去除速率随氮浓度的升高而增加; 0~7 d期间, 氮浓度20 mg·L-1时, NH4+/NO3-=1:0处理总氮的去除率和去除速率最高, 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, NH4+/NO3-=0:1处理总氮的去除率和去除速率最高.不同处理铵态氮在7d时的去除率为68.2%~96.4%, 同一氮浓度铵态氮的去除速率均以NH4+/NO3-=1:0最高. 7~35 d期间, 氮浓度为20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 铵态氮的浓度基本保持稳定; 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, NH4+/NO3-=1:0处理铵态氮在7~21 d仍具有较高的去除速率, 28 d时去除率分别为97.2%和89.5%, 随后铵态氮的浓度基本稳定在较低的水平.肖继波等[24]利用绿狐尾藻等水生植物构成的生态槽对铵态氮和总氮浓度分别为6.95~17.98 mg·L-1和7.50~20.00 mg·L-1污水的去除率分别为97.96%和69.63%;马永飞等[10]利用粉绿狐尾藻对氮浓度为100~400 mg·L-1的污水进行净化试验, 0~7 d总氮和铵态氮的去除速率最高, 且能达到较大的去除率; Liu等[25]利用绿狐尾藻对总氮和铵态氮浓度分别为458.1 mg·L-1和416.8 mg·L-1的原始和50%猪场对废水进行净化试验, 总氮和铵态氮的去除率均超过90%.
不同处理硝态氮在7 d时的去除率为86.2%~94.8%, 硝态氮的去除速率随氮浓度的升高而增加, 且均以NH4+/NO3-=0:1最高, 7 d后硝态氮的浓度基本保持稳定, NH4+/NO3-=1:0处理硝态氮的浓度有所上升, 但基本保持在较低的浓度范围内.高温季节尤其是夏季水体中的反硝化作用加强, 有利于硝态氮等的去除[26].金春华等[27]的研究表明, 凤眼莲对硝态氮的吸收速率高于铵态氮, 粉绿狐尾藻则表现出相反的趋势.
综上所述, 粉绿狐尾藻对不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水总氮、铵态氮和硝态氮均具有较高的去除率.粉绿狐尾藻处理7 d, 不同处理总氮、铵态氮和硝态氮均能达到较高的去除率, 且在此阶段去除速率最高, 去除速率随氮浓度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-的变化而不同, 同一氮浓度时NH4+/NO3-=1:0处理铵态氮的去除速率最高, NH4+/NO3-=0:1处理硝态氮的去除速率最高.试验初期氮浓度20 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比处理, 粉绿狐尾藻需要从水体和底泥中吸收大量的氮供给自身的生长需求; 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1的不同NH4+/NO3-比污水中氮的浓度较高, 氮主要通过粉绿狐尾藻的吸收利用和底泥的沉降去除.
3.3 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻氮积累和底泥氮沉降释放的影响
粉绿狐尾藻氮含量随氮浓度的升高显著增加, 同一氮浓度的不同NH4+/NO3-比处理氮含量在不同时间差异不大.试验前粉绿狐尾藻受驯化处理, 期间缺少营养物质的供应, 氮含量和积累量在0~7 d增长最快, 这与向速林等[28]的研究结果一致, 苦草在夏季试验初期生长旺盛, 期间对水体中氮的吸收能力最强.粉绿狐尾藻氮积累量随水体氮浓度和时间的增长而增加, 且因NH4+/NO3-的变化而不同.氮浓度为20 mg·L-1时, 氮积累量以NH4+/NO3-=1:0最大, 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 氮积累量以NH4+/NO3-=0.5:0.5最大.氮浓度为20 mg·L-1时, 底泥向水体释放氮供给粉绿狐尾藻生长的需求; 氮浓度为100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 污水中的氮会通过沉降作用进入底泥. 7~35 d期间, 氮浓度为20 mg·L-1时, 粉绿狐尾藻氮积累对水体和底泥总氮去除的平均贡献率为32.1%~36.4%, 其中以NH4+/NO3-=0:1最高; 氮浓度为100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 平均贡献率分别为39.4%~46.5%和40.0%~52.4%, 其中均以NH4+/NO3-=0.5:0.5最高.氮浓度为100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 底泥氮沉降对水体氮去除的贡献率均在0~7 d最大, 且以NH4+/NO3-=0:1处理最大, 随后植物逐渐从底泥中获取氮, 底泥氮含量随时间逐渐降低, 但整体而言底泥氮含量无显著变化. Zhao等和Gottschall等的研究表明植物对水体中氮的吸收受植物种类、氮浓度的因素影响.植物氮吸收量与水体氮浓度、植物自身氮含量和生物量有密切的关系, 余红兵等利用室内绿狐尾藻湿地系统处理200 mg·L-1、400 mg·L-1的高铵态氮废水, 废水中29.7%和12.7%的氮被植物吸收利用, 部分氮通过沉降作用进入底泥. Jampeetong等通过利用香根草等4种水生植物处理含有不同氮源的废水, 证明植物对铵态氮的吸收能力显著高于硝态氮.张贵龙等研究了狐尾藻对污水NH4+-N和NO3--N的吸收动力学特征, 证明水体铵态氮和硝态氮供应充足时, 狐尾藻能够平衡吸收水体中的铵态氮和硝态氮.水体铵态氮和硝态氮供应充足时, 紫萍对铵态氮的吸收能力高于硝态氮.魏岚等的研究表明, 水体强酸强碱的环境能促进底泥氮的释放, 水生植物能够维持水体pH稳定在中性范围内, 减少底泥氮的释放.综上所述, 粉绿狐尾藻氮积累和底泥氮沉降释放受氮浓度和NH4+/NO3-的影响, 试验初期粉绿狐尾藻氮含量显著增加随后保持稳定, 粉绿狐尾藻氮积累量随氮浓度的升高而增加, 且因NH4+/NO3-的变化而不同.粉绿狐尾藻氮积累和底泥氮沉降对水体氮去除的贡献率因氮浓度和NH4+/NO3-的变化而不同, 铵态氮为氮源高于硝态氮为氮源的贡献率, 粉绿狐尾藻对铵态氮吸收能力高于硝态氮; NH4+/NO3-=0.5:0.5处理, 粉绿狐尾藻氮积累贡献率最高, 说明铵态氮和硝态氮平衡更有利于粉绿狐尾藻的氮积累.植物氮积累和底泥氮沉降是污水氮去除的主要途径.
3.4 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻体内氮组分的影响
粉绿狐尾藻体内氮组分因污水氮浓度和NH4+/NO3-比的变化而不同.蛋白质、氨基态氮和硝态氮含量均随水体氮浓度的升高而增加, 其中蛋白质含量>氨基态氮含量>硝态氮含量, 且其含量因NH4+/NO3-比的变化而不同, NH4+/NO3-为0.5:0.5和1:0时蛋白质含量较高, NH4+/NO3-=1:0时氨基态氮含量最高, NH4+/NO3-=0:1时硝态氮含量最高.绿狐尾藻在富含氮的水体中营养价值较高, 干样中粗蛋白含量达17%, 穗花狐尾藻可溶性蛋白的含量随氮浓度的升高而增加, 蛋白质的含量是评价植物作为饲料的重要指标, 是水生植物进行资源再利用的重要途径; 铵态氮和硝态氮供应不同时, 紫萍植物组织中铵态氮和硝态氮的流动速度和流通量不同; 凤眼莲组织中硝态氮的含量随培养液中硝态氮的浓度和比例的升高而增加.水生植物吸收硝态氮需要多种酶的协同作用才能转化为氨基酸和蛋白质, 因此以硝态氮为主要氮源的处理粉绿狐尾藻体内氨基酸和蛋白质的含量相对较低.由此说明粉绿狐尾藻体内氮组分受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响, 氮主要以蛋白质和氨基态氮的形态存在, 具有较高的营养价值, 且硝态氮的含量较低, 为其资源化再利用提供了有利条件.
4 结论
(1) 粉绿狐尾藻的生物量受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响.不同处理粉绿狐尾藻的生物量均在第1周增长最快, 且生物量均在第3~5周达到最大.氮浓度20 mg·L-1、100 mg·L-1时, 生物量以NH4+/NO3-=1:0最大, 氮浓度200 mg·L-1时, 生物量以NH4+/NO3-=0.5:0.5最大.
(2) 粉绿狐尾藻的去氮能力和效果受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响.不同处理总氮、铵态氮和硝态氮的去除速率均在第1周最大, 且均能达到较高的去除率, 铵态氮的去除速率以NH4+/NO3-=1:0最高, 总氮和硝态氮的去除速率以NH4+/NO3-=0:1最高.氮浓度为20 mg·L-1时, 不同NH4+/NO3-比处理总氮、铵态氮和硝态氮浓度7 d后基本保持稳定; 氮浓度100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 21 d后总氮、铵态氮基本保持稳定, 硝态氮浓度7 d后基本保持稳定.
(3) 底泥氮和粉绿狐尾藻氮积累受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响.氮浓度20 mg·L-1时, 底泥能够向水体释放氮; 氮浓度为100 mg·L-1、200 mg·L-1时, 水体中的氮会沉降进入底泥, 且以第1周沉降量最大; 粉绿狐尾藻氮积累对水体和底泥总氮去除的贡献率随氮浓度的升高而增加, 铵态氮为氮源氮积累贡献率高于硝态氮, 且以NH4+/NO3-=0.5:0.5最高.氮含量在第1周增长显著, 且均表现为水上部分高于水下部分, 且其比值均以NH4+/NO3-=1:0最高, 随氮浓度升高和铵态氮比例的降低而减小.
(4) 粉绿狐尾藻体内氮组分受污水氮浓度和NH4+/NO3-比的影响.粉绿狐尾藻体内蛋白质、氨基态氮和硝态氮的含量随污水氮浓度升高而增加, 蛋白质含量均以NH4+/NO3-为1:0和0.5:0.5较高, 氨基态氮含量以NH4+/NO3-=1:0最高, 硝态氮含量以NH4+/NO3-=0:1最高, 且蛋白质含量>氨基态氮含量>硝态氮含量, 氮主要以蛋白质和氨基态氮的形态存在, 有利于资源化再利用.(来源：环境科学 作者：马永飞)