氮磷比对铜钱草浮床处理富营养化水体的影响.pdf
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1、第 卷 第期 年月合 肥 工 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版)J OUR NA LO FHE F E IUN I V E R S I T YO FT E C HN O L O G Y(NA TUR A LS C I E N C E)V o l N o J u l 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(Z X )作者简介:刘鑫(),男,江苏南通人,合肥工业大学硕士生;胡淑恒(),女,安徽砀山人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师,通信作者,E m a i l:s h u h e n g h u c o mD O I:/j i s s n 氮磷比对铜
2、钱草浮床处理富营养化水体的影响刘鑫,胡淑恒,张择瑞,谢霄云(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 ;合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 )摘要:文章选取铜钱草为浮床植物,以富营养化水体为处理对象,探究不同氮磷比对植物生长情况和水体中各污染指标净化效果的影响.试验结果表明:氮磷比为 时,铜钱草生长最茂盛,质量增加,叶绿素a质量浓度较低,电导率略有下降,对NH N、NO N和NO N状态下氮的去除能力较强;氮磷比分别为 、时总磷(t o t a lp h o s p h o r u s,T P)质量浓度下降速率较快,降解率分别为 、,且铜钱草植物组总有机碳(t o t a l o r
3、g a n i cc a r b o n,T O C)降解情况基本均高于对照组.高通量测序结果表明,氮磷比为 、的样本富集共同微生物菌属N o v o s p h i n g o b i u m、M u c i l a g i n i b a c t e r、S i m p l i c i s p i r a、S i d e r o x y d a n s和L i m n o b a c t e r,其相对丰度较高,相似性较强,说明氮磷比影响优势菌属的菌群丰度.关键词:铜钱草浮床;富营养化;氮磷比;污水治理;微生物菌群中图分类号:X 文献标志码:A文章编号:()E f f e c t o fn
4、 i t r o g e nt op h o s p h o r u s r a t i oo nt h e t r e a t m e n t o f e u t r o p h i cw a t e rb o d yb yH y d r o c o t y l e v u l g a r i sL f l o a t i n gb e dL I UX i n,HUS h u h e n g,Z HANGZ e r u i,X I EX i a o y u n(S c h o o l o fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n
5、g i n e e r i n g,H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H e f e i ,C h i n a;S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H e f e i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e r s e l e c t e dH y d r o c o t y l e v u l g a r
6、i sL a s t h e f l o a t i n gb e dp l a n t s a n d t h e e u t r o p h i cw a t e rb o d ya s t r e a t m e n t s u b j e c t t oe x p l o r e t h e i m p a c t o f d i f f e r e n tn i t r o g e nt op h o s p h o r u s r a t i o so np l a n tg r o w t ha n dp o l l u t i o n i n d e xp u r i f y
7、i n ge f f e c t i n t h ew a t e rb o d y T h e e x p e r i m e n t s s h o w e d t h a tw h e n t h en i t r o g e nt op h o s p h o r u s r a t i ow a s ,t h eH y d r o c o t y l e v u l g a r i sL g r e wm o s t l u x u r i a n t l y,g a i n e d o fw e i g h t,h a d l o w e rC h l ac o n c e n t
8、 r a t i o na n ds l i g h t l yd e c r e a s e dc o n d u c t i v i t y,a n dh a db e t t e rn i t r o g e nr e m o v a l a b i l i t y i nNH N,NO Na n dNO Ns t a t e T h et o t a lp h o s p h o r u s(T P)c o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e df a s t e r a t t h en i t r o g e n t op h o s p h
9、o r u s r a t i o so f a n d ,t h ed e g r a d a t i o nr a t e sw e r e a n d ,r e s p e c t i v e l y,a n dt h ed e g r a d a t i o no ft o t a lo r g a n i cc a r b o n(T O C)i nt h eH y d r o c o t y l e v u l g a r i sLp l a n tg r o u p w a sb a s i c a l l yh i g h e rt h a nt h a ti nt h ec
10、o n t r o lg r o u p H i g h t h r o u g h p u t s e q u e n c i n gs h o w e dt h a t t h es a m p l e sw i t ht h en i t r o g e nt op h o s p h o r u sr a t i o so f a n d w e r ee n r i c h e d i nc o mm o nm i c r o b i a l g e n e r aN o v o s p h i n g o b i u m,M u c i l a g i n i b a c t e
11、r,S i m p l i c i s p i r a,S i d e r o x y d a n sa n dL i m n o b a c t e r,w i t hh i g h e rr e l a t i v ea b u n d a n c ea n ds i m i l a r i t y,s h o w i n gt h a t t h en i t r o g e nt op h o s p h o r u s r a t i o i n f l u e n c e dt h ea b u n d a n c eo f t h ed o m i n a n tg e n e
12、r a K e yw o r d s:H y d r o c o t y l ev u l g a r i sL f l o a t i n gb e d;e u t r o p h i c a t i o n;n i t r o g e nt op h o s p h o r u sr a t i o;w a s t e w a t e r t r e a t m e n t;m i c r o b i a l f l o r a水 体 富 营 养 化 是 水 体 污 染 的 重 要 表 现,年中国生态环境状况公报显示,个监测营养状态的湖泊(水库)中,贫营养、中营养、轻度富营养和中度富营养状
13、态的占比分别为、.生态浮床技术是综合运用物理、化学及生物方法的富营养化水体原位生态修复技术,是国内外水体富营养化治理领域中的研究热点,其应用越来越广泛,并取得了较好效果.文献 利用美人蕉作为浮床植物治理富营养 化 水 体,增 加 曝 气 等 手 段,对 水 体 中 的NO N、总磷(t o t a l p h o s p h o r u s,T P)和化学需氧量(c h e m i c a l o x y g e nd e m a n d,C O D)去除率较高,水质可达到国家景观用水标准;文献 利用具有药用与绿化功能的种陆生植物酸模、沿阶草、麦冬作为浮床植物,对富营养化水体进行 d的处理,结
14、 果 发 现,酸 模 净 水 效 果 最 好,对T P、NH N和 总 有 机 碳(t o t a lo r g a n i cc a r b o n,T O C)的降解率分别达到、;文献 利用丛枝菌根真菌强化生态浮床处理含盐废水,d后脱盐效率得到明显提升.生态浮床技术对富营养化水体的处理效果与富营养水体中氮磷比密切相关,已有相关研究多集中于植物种类的筛选,添加曝气、强化菌等辅助手段,比较不同季节处理效果,以及研究植物根系作用等方面 ,而对具有观赏兼药用功能的植物铜钱草净化污水、在不同氮磷比水体中的生长情况和各污染指标净化效果的研究很少.本文采用铜钱草浮床处理氮磷比不同的营养水体,研究在相同外
15、部条件下不同氮磷比对植物生长情况和各污染指标净化效果的影响,从而为改善富营养化水体、恢复湖泊及其他类似水体健康生态系统提供技术支持和科学依据.试验材料与方法 试验材料本试验装置由水箱、生态浮床和浮床植物铜钱草组成.试验使用自行设计组装的生态浮床,材料为聚氯乙烯(p o l y v i n y lc h l o r i d e,P V C)管(管径为c m)等;浮 床 长、宽 分 别 为、c m;截 断 的P V C管用弯头和P V C胶连接,形成框架,用棉线将铁丝网固定在框架的上下两面,将层框架垂直固定在一起形成浮床,用于培育浮床植物.该浮床优点为结构简单、材料环保,不蔽阳光,不影响植物生长和
16、水体的大气复氧等.试验水箱采用无臭无毒、稳定性好的白色聚乙烯材料,容积为 L.试验所用浮床植物为铜钱草,其适应环境能力强,繁殖迅速,为优良的装饰植物,具有观赏价值,能吸附有毒物质,如甲醛等,亦可入药利人.试验用水按照文献 劣类水中各富营养化质量浓度指标进行配制.取合肥工业大学校园内斛兵塘湖水与自来水按一定比例混合,并加入一定量的氯化铵、磷酸二氢钾、葡萄糖等配制成富营养化水;湖水中(NH N)m g/L,T P m g/L,且含有一定量的微量元素和微生物.该 水 体 中,T P()m g/L,叶绿素a()g/L,T O C()m g/L.本文选取 号水箱作为研究对象,号水箱为对照组.号水箱(NH
17、 N)分别为 、m g/L,电导率分别为 、S/c m.试验前、后个水箱内植物生长状况及对照组状况如图所示.试验后期铜钱草生长茂盛,植被覆盖率明显增加,污染指标净化效果显著.图试验前、后个水箱内植物生长状况及对照组状况 试验方法试验自 年 月日至 月 日,历时 d.试验地点位于合肥工业大学纬地楼一楼环形天井,通风透气且光照充足,试验装置上用透明P V C雨棚遮挡,水箱中不易落入灰尘和雨水,因此试验结果受外部条件影响较小.在试验地点第期刘鑫,等:氮磷比对铜钱草浮床处理富营养化水体的影响依次平行放置个同一规格水箱并编号(其中号水箱不种植植物,为对照组,氮磷比为 ),将 L添加各营养元素的污水混合均
18、匀,按照比例分别加入个水箱,将洗净、晾干且质量均为 g的铜钱草均匀种植在 号水箱内相同尺寸的生态浮床上,且 号水箱初始水质氮磷比分别为 、.将浮床植物铜钱草在同一水质中预培养d,使其适应水中生存,然后开始试验.根据污染物质降解情况定期(前d每天取样次,d每d取样次,d每d取样次)、定时(中午:)、定量(m L)取样,对水中各指标进行监测.本试验需要测定T O C、T P、电导率、叶绿素a等参数,试验仪器包括分光光度计、T O C分析仪、水质测量仪等检测仪器,以及各种称量和干燥等所用常规玻璃仪器.各参数采用 水和废水监测分析方法 中的方法测定.T O C、总氮(t o t a ln i t r
19、o g e n,T N)使用德国耶拿m u l t iN/C总有机碳分析仪测定,叶绿素a、电导率采用Y S IP r o D S S多参数水质测量仪测定,植株质量使用电子秤称量.数据应用O r i g i n 和MAT L A B等软件进行处理和分析.试验结果与讨论 试验过程描述试验天气以多云为主,试验期间气温变化情况如图所示,最高气温为 ,最低气温为,气温温差大.图试验期间气温变化情况试验期内植物组水箱中铜钱草存活率均为 ,对水面的覆盖率均有所增加,试验前、后铜钱草质量变化见表所列.试验第天,对照组号水箱、植物组号、号水箱水质呈略微乳白色;在第天,对照组号水箱内壁有少量绿色藻类附着,而 号水
20、箱在第 天左右有藻类产生.试验结束后,测得 号水箱中铜钱草质量分别增加 、g,质量增加比例分别为、,由 此 可 见 氮 磷 比 为 的号水箱中水质更适宜铜钱草生长,植物更茂盛,增殖更突出.表试验前、后 号水箱铜钱草质量变化对比水箱编号号号 号氮磷比 m前/g m后/g /注:m前、m后分别为试验前、后铜钱草质量;为质量增加比例,(m前m后)/m前 .叶绿素a的变化与分析藻类是水生生物的重要组成部分,影响水生态系统的结构和功能,具有维系系统的重要作用,但水体中藻类过多易引起水体富营养化,使水中溶解氧减少,水生态失衡.叶绿素a是表征藻类的重要指标,个水箱中叶绿素a变化曲线如图所示.图个水箱中叶绿素
21、a的质量浓度变化曲线试验开始时,个水箱内叶绿素a在 g/L左右,对照组号水箱自试验开始至第 天持续升高至 g/L,随后下降;试验前期植物组叶绿素a一直处于较低水平,上升缓慢,第 天后植物组叶绿素a差异较明显,第 天均达到较大值,随后缓慢降低;氮磷比较大的植物组叶绿素a反而较小,试验结束 时 号水箱叶绿素a分 别为 、g/L.试验初期,对照组水箱营养充足,经过调整期后藻类大量繁殖,但水箱内营养物质和空间有限,试验第 天藻类数量达到最大且叶绿素a也达到最大值;随后藻类繁殖量少于死亡量,藻密度下降,叶绿素a减少,死亡的藻类经分解将营养物质释放回水体,导致藻类生长和叶绿素a的细微波动.植物组水箱内铜钱
22、草与藻类物种竞争,铜钱合肥工业大学学报(自然科学版)第 卷草根系发达、生长较快,能获得较多的营养物质,铜钱草植株对阳光的遮蔽作用也能限制藻类的生长,此外植物可能会分泌一些克藻物质限制藻类生长或杀死藻类,因此植物组藻密度一直处于较低水平.植物组藻类数量与铜钱草质量成反比,铜钱草质量增加越多,对营养元素利用越多,植株越大,对阳光的遮蔽作用越强,叶绿素a越低.号水箱中氮元素有限,不能充分满足铜钱草生长需要;号水箱中氮元素过多,也限制铜钱草生长;号 水 箱 较 适 宜 铜 钱 草 生 长,其 氮 磷 比 为该试验条件下最佳氮磷比.微生物群落情况分析 O TU样本分布韦恩图和聚类树试验结束对组水样进行宏
23、基因组分类测序,共检测到 个操作分类单元(o p e r a t i o n a lt a x o n o m i cu n i t,O TU),其 中 对 照 组号 水 箱 个,植 物 组 号 水 箱O TU分 别 为 、个,个水箱特有O TU分别为 、个.O TU样本分布韦恩图如图所示.由图可知,对照组号水箱和植物组号水箱共有O T U最多为 个,植物组号与 号水箱共有O T U最少为 个.个水箱基于O TU的样本聚类树如图所示.图中,同一颜色的树枝表示来源于同一组,树枝的长度代表样本间的距离,越相似的样本会越靠近,可见号、号水箱样本相似性强,对照组号水箱与其他水箱样本的相似性最弱.图个水
24、箱中微生物O TU样本分布韦恩图图个水箱基于O TU的样本聚类树 微生物群落多样性分析通过单样品的多样性分析(A l p h a多样性)可以反映微生物群落的丰度和多样性,用稀疏性曲线和一系列统计学分析指数可预估环境群落中物种的丰富度和多样性.个 水 箱 中 微 生 物 的 多 样 性 指 数 见 表所列.表个水箱中微生物多样性指数统计结果水箱编号氮磷比序列总数(M)O TU数覆盖率/S h a n n o n指数A C E指数C h a o指数S i m p s o n指数号 号 号 号 个水箱的覆盖率均在 以上,满足样品微生物多样性分析的需要,可代表样本的真实情况.表征群落分布丰度的C h
25、a o指数和基于丰度的覆 盖 率 估 计(a b u n d a n c e b a s e dc o v e r a g ee s t i m a t o r,A C E)指数的数值越大,表明菌群的丰度越高,因此对照组号水箱丰度相对较大.从表征群落分布多样性的S h a n n o n指数和S i m p s o n指数看,S h a n n o n指数值越大,说明群落多样性越高,而S i m p s o n指数值越大,说明群落多样性越低,因此号水箱群落多样性最大,对照组号水箱多样性最小.这是水箱内各污染物质量浓度水平和藻类生长共同作用的结果,一般情况下群落的多样性会与水体中营养水平成正比,
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