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博望污水氮浓度和NH4+ NO3-比对粉绿狐尾藻

浏览量:5376 发布时间:2019-07-06


  水感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(protein)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(pattern)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, 厚度约为5 cm.试验设置3个污水氮浓度和3个NH4+/NO3-比, 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cm长的茎, 每个处理生物量为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.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(data)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.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生物量增长速率更大约为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的生物量更大, 且氮浓度20 mg?L-1的不同NH4+/NO3-比处理生物量均在28 d达到更大; 氮浓度200 mg?L-1时以NH4+/NO3-=0.
  5:0.5处理生物量更大, 且生物量均在21 d达到更大.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处理生长更好, 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达到更大; 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处理更大.

  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.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的处理去除率更高, 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处理去除率更高, 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更高, 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处理去除速率更高; 氮浓度100 mg?L-1、200 mg?L-1时, NH4+/NO3-=0:1处理去除速率更高. 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处理筛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(解释:稳固安定;没有变动).综上所述, 不同氮浓度和NH4+/NO3-比污水总氮均在0~7 d去除速率更高, 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筛除率和去除速率更高, 氮浓度100 mg?L-1、200 mg?L-1时, 以NH4+/NO3-=0:1去除率和去除速率更高.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(influence).

  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.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.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更高, 且去除速率随铵态氮浓度的升高而增加即以NH4+/NO3-=
  1:0更高, 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更高, 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.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(reduce).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.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硝态氮的去除速率更高, 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更大, 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.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更高; 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更高.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.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更大, 且其比值(两数相比所得的值)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.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时达到更大, 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时达到更大; 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时氮积累量达到更大, NH4+/NO3-为
  1:0和0.
  5:0.5的处理氮积累量则在35 d时达到更大; 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时达到更大, NH4+/NO3-为0.
  5:0.5和0:1的处理氮积累量则在28 d时达到更大.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, 积累速率更大, 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.

图 1 污水氮浓度和NH4+/NO3-比对粉绿狐尾藻氮积累量的影响
  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.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更大, 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.
  5:0.5NH4+/NO3-=
  1:0>NH4+/NO3-=0.
  5:0.5.

  表 8 不同氮浓度和NH4+

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