新型生态浮岛对改善水质的效果

王金旺，杨 升，夏海涛，王 新，陈秋夏*

(浙江省农业科学院 a亚热带作物研究所，浙江 温州 325005； b植物保护与微生物研究所，浙江 杭州 310021)

新型生态浮岛对改善水质的效果

王金旺a，杨 升a，夏海涛a，王 新b，陈秋夏a*

(浙江省农业科学院 a亚热带作物研究所，浙江 温州 325005； b植物保护与微生物研究所，浙江 杭州 310021)

设计一种微生物与水生植物耦合，同时添加生物膜载体的新型生态浮岛，并探索其对水质改善的作用。结果表明，生态浮岛试验区水体氨氮、总氮和总磷去除率分别为22.7%、19.2%和18.0%，但对水体硝态氮去除效果不佳，浮岛内不同植物浮岛单元硝态氮浓度增幅4%～18%。不同植物对水体净化效果不同：刺果泽泻、紫芋、千屈菜、芦竹、风车草、菰、菖蒲对氨氮去除率达到20%以上；刺果泽泻、紫芋、梭鱼草、风车草、千屈菜、菰、芦竹和水葱对总氮去除率达10%以上；刺果泽泻、菰、水葱、紫芋对总磷去除率达15%以上。添加微纳米固定化净水菌剂(W13)可促进水体总氮、总磷的去除，但对总磷去除率的促进效果(-0.2百分点～8.5百分点)不及总氮(4百分点～15百分点)。

生态浮岛； 水生植物； 微生物制剂

近几十年来，我国社会经济迅猛发展，水环境问题日益突出，水污染形势非常严峻。据《2015年中国环境状况公报》，全国423条主要河流、62座重点湖泊(水库)的967个国控地表水监测断面IV类、V类和劣V类水质断面分别为21.1%、5.6%和8.8%[1]。在浙江，2013年监测数据表明，221个省控断面中Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面占20.8%，水环境恶化现象十分严重。2013年底，浙江省提出“五水共治，治污先行”，水污染的治理成为社会改革发展和经济产业升级的关键举措。经过几年的努力，据2016年的《浙江省环境状况公报》，全省221个省控断面中，V类和劣V类水质断面占11.3%[2]。

一般地，生态功能健康的河流生态系统大多具有完整的水生植被，而生态功能退化的河流则大多缺乏水生植被。水生植物是水生态系统的初级生产者，不仅能通过自身同化减低水体中N、P浓度，促进水体营养的输出[3]，而且可以改变水体流向与流强，影响水体与底泥之间的物质交换平衡[4]，同时对水体中藻类生长有明显抑制作用，具有调控水生态系统物质循环和能量流动的作用[5]；因此，恢复水生植被是控制水体富营养化的一种重要的生态方法[6]。目前，在污染严重的水体中常采用生态浮岛的方式构建水生植被来净化水体，如上海白莲泾世博园区河道的生态浮岛对修复水质作用明显[7]。基于微生物的修复技术在污染水体治理中也已取得不少成功的例子，如上海上澳塘、苏州河等[8-9]。此外，生物膜载体技术也被用于水体污染治理中，提供更多的附着面以利于微生物的生长[10]。总体来看，水环境治理技术的发展越来越倾向于复合治理。传统的生态浮岛缺乏与其他生态修复技术的有效耦合，如何将其他技术耦合于以水生植物为主体的生态治理系统是近年来研发的热点。为此，本研究拟以污染河道水体为对象，构建微生物与水生植物耦合的生态浮岛，同时添加生物膜载体，探索多功能生态浮岛对水质改善的作用，旨在为污染水体的综合治理提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 多功能生态浮岛设计

生态浮岛由2部分构成：上面是植物部分，下面为弹性立体填料部分(图1)。用于承载植物和悬挂立体填料的浮体为拼接式塑料空心板，空心板为边长32 cm的正方形，中心为直径16 cm的可放置种植篮的空穴。立体填料悬挂于塑料空心板的四周，每根立体填料长1 m，直径10 cm。每个塑料空心板四角设有4个小孔，利用该小孔通过按扣式连接片可将不同塑料空心板拼接在一起。试验中将36个塑料空心板连接在一起组成面积约4 m2的浮岛单元。种植篮中放置球形立体填料和碎石用于固定植物材料。8月中旬向立体填料中添加研制的增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)。

图1 生态浮岛的模型

1.2 中试试验

试验地位于三垟湿地半封闭河道中(27°57′20.98″N，120°41′20.14″E)，半封闭水体面积450 m2。生态浮岛使用的植物包括：菖蒲(Acoruscalamus)、风车草(Cyperusalternifoliusssp.flabelliformis)、菰(Zizanialatifolia)、芦竹(Arundodonaxvar.versicolor)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、水葱(Scirpusvalidus)、梭鱼草(Pontederiacordata)、再力花(Thaliadealbata)、刺果泽泻(Echinodoruscordifolius)、紫芋(Colocasiatonoimo)。每个浮岛单元种植1种植物，并在每个浮岛单元的中心设置水样采集标识。每种植物设置4个浮岛单元，生态浮岛试验面积160 m2。生态浮岛于2016年3月28日布设完毕。

1.3 水质取样和分析

2016年5月20日至7月26日，间隔半月采集水样1次。于2016年8月25日向生态浮岛立体填料中添加增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)，因生态浮岛中菰、千屈菜、菖蒲、紫芋部分植株被破坏，为使试验数据具有有效的可比性，种植不同植物的生态浮岛单元均包括36株受试植株，添加净水菌剂的受试植物仅包括风车草、梭鱼草、再力花、水葱、芦竹、刺果泽泻，9月10日至11月25日间隔半月采集水样1次。水样采集时，用一橡胶软管连接500 mL注射器，吸取浮岛水样采集标识处的根系周围水样，水样采集深度约15 cm，每个浮岛单元的水样采集量100 mL，然后将4个种植同样植物的浮岛单元水样混合为待测水样，每次采样时采集4份浮岛周围间距10 m处同深度的水样，混合作为同期的对照水样。样品采集后放置于冰箱中冷藏，次日分析水质情况，测定指标包括氨氮、硝态氮、总氮、总磷，所有水质参数使用便携式多参数分光光度计和DR2800消解器(哈希DR1900，USA)完成。

2 结果与分析

2.1 对水体氮的净化效果

除6月3日、11月11日的监测结果外，浮岛内水体氨氮监测浓度均低于浮岛外(图2)。5月20日至11月25日，浮岛内所有受试植物监测位点的水体氨氮浓度均值为1.7 mg·L-1，显著低于浮岛外水体(2.2 mg·L-1)，下降了22.7%。在未添加增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)之前，浮岛内所有受试植物监测位点的水体氨氮浓度均值为1.9 mg·L-1，显著低于同期的浮岛外水体氨氮浓度(2.4 mg·L-1)；添加增效型微纳米固定化净水菌剂之后，浮岛内所有受试植物监测位点的水体氨氮浓度(1.6 mg·L-1)虽低于同期的浮岛外水体氨氮浓度(2.0 mg·L-1)，但两者差异不显著。

图2 生态浮岛内外氨氮浓度变化

未添加增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)之前，除再力花之外，其余植物种植区的水体氨氮含量相比对照均有显著降低，各种植物对氨氮的去除率分别为刺果泽泻(38%)>紫芋(32%)>千屈菜(29%)>芦竹、风车草(24%)>菰、菖蒲(20%)>水葱(17%)>梭鱼草(11%)>再力花(5%)(表1)。添加增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)之后，受试植物对氨氮的去除率分别为刺果泽泻(36%)>芦竹(33%)>水葱、再力花(20%)>梭鱼草(17%)>风车草(13%)。芦竹、水葱、梭鱼草、再力花相比未添加菌剂W13之前，对水体氨氮的去除率有所升高，其中再力花对氨氮的去除率增幅最大，但风车草相比未添加菌剂W13之前，对氨氮的去除率有所降低(表1)。

添加增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)之后，即9月10日至11月25日期间，浮岛内外硝态氮浓度显著增加，浮岛外硝态氮浓度相比5—7月均值增加了42.6%，浮岛内硝态氮浓度增加了49.7%(图3)。无论是否添加净水菌剂，浮岛内水体硝态氮浓度均值相比同期的浮岛外水体均有所升高。未添加净水菌剂期间，不同浮岛植物单元水样监测点硝态氮含量增加幅度为4%～18%(表2)，增幅由高到低依次为水葱、菖蒲(18%)>旱伞苗、芦竹(16%)>千屈菜(15%)>再力花、刺果泽泻(14%)>菰(11%)>紫芋(6%)>梭鱼草(4%)；添加净水菌剂期间，不同浮岛植物单元水样监测点硝态氮含量增加幅度为11～32%(表2)，增幅由高到低依次为风车草(32%)>水葱(25%)>梭鱼草(18%)

>芦竹(16%)>再力花、刺果泽泻(11%)。增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)对受试植物硝态氮浓度具有增加效应的包括风车草、水葱、梭鱼草，增幅为8百分点～16百分点，具有降低效应的有芦竹、再力花和刺果泽泻，降幅为1百分点～3百分点。

图3 生态浮岛内外硝态氮浓度变化

表2 生态浮岛不同植物取样点水体硝态氮含量变化 mg·L-1

试验期间，浮岛内取样点水体平均总氮浓度(4.2 mg·L-1)显著低于浮岛外(5.2 mg·L-1)，下降了19.2%(图4)。在未添加增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)期间，不同植物取样点水体总氮含量相比对照，降幅由高到低依次为刺果泽泻(27%)>紫芋(20%)>梭鱼草(16%)>风车草(13%)>千屈菜(12%)>菰、芦竹、水葱(10%)>菖蒲(7%)>再力花(3%)；添加净水菌剂期间，不同浮岛植物单元水样监测点总氮含量降幅依次为刺果泽泻(31%)>芦竹(26%)>水葱(21%)>梭鱼草(19%)>风车草(18%)>再力花(15%)(表3)。增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)对受试植物总氮去除率有促进作用，增幅为4百分点～15百分点，增幅最高的为芦竹，最低的为梭鱼草和刺果泽泻。

图4 生态浮岛内外总氮浓度变化

表3 生态浮岛不同植物取样点水体总氮含量变化 mg·L-1

2.2 生态浮岛对水体磷的净化效果

试验期间，浮岛内取样点水体总磷浓度(0.73 mg·L-1)显著低于浮岛外(0.89 mg·L-1)，下降了18.0%(图5)。在未添加增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)期间，不同植物取样点水体总磷去除率为11%～19%(表4)，总磷去除率由高到低依次为刺果泽泻、菰(19%)>水葱(16%)>紫芋(15%)>千屈菜(14%)>芦竹、风车草、再力花(13%)>菖蒲(12%)>梭鱼草(11%)，相比同期浮岛外水体，菖蒲、菰、风车草和刺果泽泻处理下水体总磷浓度显著(P<0.05)下降，而其余植物取样点无显著差异。添加增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)之后，不同植物取样点水体总磷去除率为13%～26%，总磷去除率由高到低依次为刺果泽泻(26%)>水葱(22%)>梭鱼草(20%)>再力花(18%)>芦竹(14%)>风车草(13%)，相比同期浮岛外水体，6种受试植物取样点水体总磷浓度均显著(P<0.05)下降。增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)对增加受试植物总磷去除率的作用效果为-0.2百分点～8.5百分点，其中，效果最明显的为梭鱼草。

表4 生态浮岛不同植物取样点水体总磷含量变化 mg·L-1

图5 生态浮岛内外总磷浓度变化

3 讨论

水体富营养化是当今水环境面临的主要问题，一般是由于水体氮磷过剩所致[3]。控制水体富营养化的方法很多，试验中采用的新型生态浮岛是一种生物-生态修复技术手段，其原理是利用植物、微生物的活动对水体中污染物进行转移、转化和降解[11-12]，从而达到水质净化的目的。在试验中，未添加增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)之前，浮岛内所有受试植物监测位点的水体氨氮浓度均值均显著低于同期的浮岛外水体，与此同时，浮岛内水体硝态氮浓度相比同期的浮岛外水体有所升高，这可能是由于植物优先吸收氨氮和其他还原态氮，而硝态氮浓度则随着氨氮发生硝化被转化为硝态氮而增加[13-14]。浮岛试验区水体总氮、总磷浓度低于对照水体，是植物通过吸附沉淀、吸收代谢等途径实现的[15]。受试植物作为水体生态系统中的初级生产者，吸收、转化和积累了水体氮磷等营养元素，在满足自身生长需求的同时降低了水体氮磷浓度；但不同植物对营养的需求和吸收能力不同，因而对水体氮磷的去除效果存在较大差异。陈秋夏等[16]研究了温州三垟湿地18种水生植物生物量及对氮磷的吸收和积累能力，发现风车草、千屈菜、水芋等对氮磷去除具有较强的能力；唐艺璇[17]比较了杭州39种挺水植物的地上生物量和植物组织氮磷含量，发现泽薹草、紫芋、美人蕉、野芋等对水体氮有较强的去除能力，其组织平均氮含量超过10 000 mg·kg-1，慈姑、窄叶泽泻、泽薹草、千屈菜、泽泻等植物对磷的去除具有较强的能力，其组织磷含量超过3 000 mg·kg-1，可以看出，泽泻科植物对水体氮磷的去除具有较好的效果。在本试验中，刺果泽泻和紫芋对总氮的去除率超过20%，刺果泽泻、紫芋、千屈菜、芦竹、风车草、菰和菖蒲对氨氮的去除率超过20%，刺果泽泻、菰、水葱、紫芋对总磷的去除率达到15%以上。刺果泽泻为泽泻科植物，无论是对氮还是对磷的去除，刺果泽泻均具有较好的效果，这和上述研究结果结论相似，但各研究中不同物种对氮磷去除能力的排序可能存在一定差异，这与水体富营养化状态及微生境条件均有一定关系[18]，同时，在不同富营养化状态水体中，植物的净化能力亦存在较大差异[19]。

植物对水体营养物质的吸收作用相对有限，水体中污染物的降解还依赖于微生物的降解作用[20-22]。浮岛植物的根系常形成一种网络状结构，可沉降氮磷等营养物质，同时也为微生物的附着提供了基础，而且可改变根际周围微生境，为微生物降解营养物质提供条件[23-24]。在试验中，通过人工添加立体填料和增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)，氨氮总体去除率略有升高(23%>22%)。增效型微纳米固定化净水菌剂(W13)是一种蜡状芽孢杆菌[25]，兼性好氧，若W13大量增殖可代谢消耗水体溶氧使之呈现厌氧状态，这种厌氧状态利于反硝化作用，可提高水体硝态氮的去除。在试验中，风车草、水葱、梭鱼草3个浮岛单元，添加W13促进了硝态氮的去除；然而在芦竹、再力花和刺果泽泻浮岛单元中则无此效果，可能是因为W13并未大量增殖，或者是添加的W13调节了水体乡土微生物群落的结构，各种微生物菌群共同作用降解了水体营养物质，但水体的反硝化作用并不明显，因而引起硝态氮含量的升高，其调控机制有待进一步研究。

[1] 中华人民共和国环境保护部. 图解：2015年《中国环境状况公报》[EB/OL]. (2016-06-03) [2017-04-11]. http://www.zhb.gov.cn/hjzl/tj/201606/t20160603_353508.shtml.

[2] 浙江省环保厅. 2015年浙江省环境状况公报[EB/OL]. (2016-06-02) [2017-04-11]. http://www.zjepb.gov.cn/root14/xxgk/hjzl/hjzkgb/201606/t20160602_414196.html.

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收入日期：2017-05-12

温州水专项(S20140021)

王金旺(1980—)，男，湖北枣阳人，副研究员，博士，从事植物学、生态学研究工作，E-mail：kingwwang@163.com。

陈秋夏(1975—)，女，浙江泰顺人，研究员，博士，从事林业研究工作，E-mail：yzscqx@163.com。

文献著录格式：王金旺，杨升，夏海涛，等. 新型生态浮岛对改善水质的效果[J].浙江农业科学，2017，58(10)：1837-1841，1845.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171048

X52

A

0528-9017(2017)10-1837-05

(责任编辑高 峻)