狐尾藻在養(yǎng)殖污水凈化中的作用

　　隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的集中化、規(guī)?；l(fā)展，產(chǎn)生了大量的禽畜糞便以及尿液等養(yǎng)殖廢棄物。據(jù)第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便和尿液年產(chǎn)生量已超過(guò)4億t。由于養(yǎng)殖污水中含有高濃度氮、磷及重金屬等超標(biāo)污染物，處理不徹底極易破壞水體的生態(tài)質(zhì)量，導(dǎo)致自然水質(zhì)惡化、誘發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化，最終也對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。目前，應(yīng)用于養(yǎng)殖污水凈化的主要措施包括固液分離、化學(xué)降解和微生物處理等。上述技術(shù)雖然取得了較好的效果，但仍存在投資成本高、氮磷去除效果不佳等問題，且其副產(chǎn)物又有二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

　　狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)是一種多年生沉水草本植物，其對(duì)污水中高濃度的氮、磷具有較好的耐受性，常作為處理污染水體的先鋒植物使用。同時(shí)，許多研究表明，狐尾藻對(duì)污水中的重金屬元素(如鎘、鉛、鉻、銅等)具有吸收和/或吸附作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了其凈化效果。此外，狐尾藻生長(zhǎng)迅速，收獲后還可加工成為禽畜飼料或肥料等高附加值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了氮磷資源的循環(huán)利用，具有重要的環(huán)保含義和應(yīng)用前景。目前利用狐尾藻構(gòu)建人工濕地等系統(tǒng)作為一種低廉高效的處理手段已成為污水處理，特別是高污染污水處理的重要研究方向。本文著重闡述狐尾藻凈化養(yǎng)殖污水過(guò)程中對(duì)有機(jī)物、氮磷和重金屬等污染物的去除原理及其應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望。

　　一、狐尾藻的生物學(xué)特性及分類

　　狐尾藻又名輪葉狐尾藻，分類上屬小二仙草科狐尾藻屬，為多年生沉水草本植物。狐尾藻適宜生活在pH7.0~8.0的偏微堿、陽(yáng)光充足、溫度適宜的環(huán)境下，依靠不定根和葉莖從水體和底泥中獲取營(yíng)養(yǎng)。狐尾藻的生存適應(yīng)性強(qiáng)，其在4℃以上可生長(zhǎng)，在20~30℃的適宜水質(zhì)中可常年生長(zhǎng)繁殖;其對(duì)低溫也有抵御能力，在寒冷冬季，其超出水面的部分凍損，但可以根莖的方式在水體底泥中越冬，因而在我國(guó)江蘇、浙江、福建、廣東、廣西、山東、河北等南北方省份的池塘和河溝中均有廣泛分布。

　　狐尾藻的種類繁多，在我國(guó)最為常見和應(yīng)用最多的種類為穗花狐尾藻(M.spicatum)和粉綠狐尾藻(M.aquaticum)(圖1)。穗花狐尾藻，絲狀全裂，穗狀花序生于水面之上(直徑在1mm以上)，生存能力強(qiáng)，在各類水體中均能生長(zhǎng)良好，其在生長(zhǎng)旺盛時(shí)可布滿水體表面，阻止陽(yáng)光照射，故有必要對(duì)其及時(shí)進(jìn)行收割以防止穗狀層過(guò)厚影響水體其他生物生長(zhǎng)。粉綠狐尾藻起源于南美洲，莖節(jié)上部挺水，一般長(zhǎng)達(dá)30cm以上，下部沉水匍匐，多生不定根蔓延生長(zhǎng)，具輪生羽毛狀葉(4~6片)，其葉對(duì)日光敏感，夜晚無(wú)光葉合攏，清晨有光葉舒展。

　　二、狐尾藻在養(yǎng)殖污水凈化中的作用

　　狐尾藻在養(yǎng)殖污水中有著較強(qiáng)的凈化功能，其高效的光合作用不僅為水體中的其他生物提供生長(zhǎng)必需的溶解氧，而且還可降解養(yǎng)殖污水中超標(biāo)的有機(jī)污染物，此外狐尾藻還可吸收污水中多余的氮、磷等元素轉(zhuǎn)化為自身的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并穩(wěn)定儲(chǔ)存在體內(nèi)，最終在收割狐尾藻時(shí)將污染物帶離水體，從而提高養(yǎng)殖污水的水質(zhì)質(zhì)量。

　　2.1 有機(jī)污染物的降解

　　養(yǎng)殖污水中的有機(jī)污染物主要 >

　　2.2 氮、磷的去除

　　養(yǎng)殖污水的超標(biāo)污染物主要是高濃度的氨氮(NH₄⁺-N)、磷等，而氮磷又是包括狐尾藻在內(nèi)的水生植物重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。蘇倩等報(bào)道，狐尾藻在去除養(yǎng)殖污水的氮、磷中扮演極為重要的角色，水體中總氮、總磷與植物氮、磷積累量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中植物氮磷積累量在7—8月達(dá)到最高，而這一時(shí)期是狐尾藻一年中的主要生長(zhǎng)期，最大值分別為為9.1g/m2和1.08g/m3。狐尾藻對(duì)養(yǎng)殖污水中高濃度的NH₄⁺-N具有較強(qiáng)的耐性，且與硝態(tài)氮(NO₃^--N)等其他氮源相比，優(yōu)先利用NH₄⁺-N作為氮源利用。馬永飛等研究發(fā)現(xiàn)，狐尾藻對(duì)養(yǎng)殖污水中NH₄⁺-N具有較強(qiáng)的耐性，與NO₃^--N等其他氮源相比，優(yōu)先利用NH₄⁺-N作為氮源利用。濃度在100~200mg/L時(shí)，NH₄⁺-N去除率為90%以上;NH₄⁺-N濃度達(dá)400mg/L時(shí)，狐尾藻對(duì)其的降解率可達(dá)60%以上；而當(dāng)其處理NH₄⁺-N濃度為400mg/L以上的高氮濃度污水時(shí)，處理5周后去除率只有50%左右。上述過(guò)程主要通過(guò)莖干和枝葉來(lái)吸收污水中的NH₄⁺-N，進(jìn)入植物體內(nèi)的氨氮通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镹O₃^--N，此過(guò)程可減少NH₄⁺-N在狐尾藻體內(nèi)過(guò)量積聚而產(chǎn)生毒性，又可加快狐尾藻葉綠素的合成，增強(qiáng)光合作用，促使狐尾藻的快速生長(zhǎng)。另外，狐尾藻可通過(guò)增加養(yǎng)殖污水中溶解氧(DO)含量，提高氨氧化菌和亞硝酸氧化菌等脫氮微生物的生長(zhǎng)速度來(lái)促進(jìn)污水中NH₄⁺-N的去除效率。當(dāng)養(yǎng)殖污水處于堿性環(huán)境時(shí)，NH₄⁺-N自身也可自由揮發(fā)一部分。但后兩者作用對(duì)NH₄⁺-N的去除效果與狐尾藻相比較小。研究報(bào)道狐尾藻對(duì)NO₃^--N和NH₄⁺-N的吸收當(dāng)微生物活性受到抑制時(shí)，未受顯著影響，表明NH₄⁺-N的去除主要是通過(guò)繁殖迅速的狐尾藻的吸收作用，以及收割轉(zhuǎn)移出水來(lái)除去。需要注意的是，污水中的NH₄⁺-N對(duì)狐尾藻有合適的濃度比例，過(guò)高的濃度會(huì)抑制狐尾藻生長(zhǎng)，并造成葉黃等現(xiàn)象。如吳曉梅等利用狐尾藻凈化生豬養(yǎng)殖場(chǎng)沼液，發(fā)現(xiàn)水體NH₄⁺-N濃度高于220mg/L會(huì)對(duì)狐尾藻的生長(zhǎng)造成抑制。上述抑制狐尾藻光合作用的機(jī)制可能與狐尾藻氮同化代謝負(fù)荷過(guò)高、競(jìng)爭(zhēng)光合作用有關(guān)。

　　養(yǎng)殖污水中的磷元素主要是以有機(jī)磷、難溶性無(wú)機(jī)磷2種形式存在。狐尾藻對(duì)養(yǎng)殖污水中磷的去除主要通過(guò)狐尾藻和污水中凈水微生物的相互作用實(shí)現(xiàn)。微生物將有機(jī)磷代謝分解為小分子無(wú)機(jī)磷，后者可被狐尾藻莖干所吸收，進(jìn)而使污水中磷轉(zhuǎn)化為狐尾藻自身生長(zhǎng)所需。隨后吸收進(jìn)入狐尾藻體內(nèi)的磷元素在其進(jìn)行收割時(shí)帶離出水體，從而實(shí)現(xiàn)磷的循環(huán)過(guò)程。郭俊秀等研究表明，穗花狐尾藻對(duì)磷的吸收隨著污水中磷質(zhì)量濃度的增加而增加，當(dāng)濃度為0.8mg/L時(shí)，吸收含量最高，除磷率可達(dá)70.1%~92.7%;并發(fā)現(xiàn)0.4mg/L的磷濃度為其最佳適宜生長(zhǎng)濃度，高于此濃度后對(duì)狐尾藻的生長(zhǎng)有抑制作用。同時(shí)，狐尾藻等沉水植物在生長(zhǎng)過(guò)程中可逐步引起水體pH由中性向堿性轉(zhuǎn)變，并與水中微量的Fe離子鰲合為Fe(OH)3膠體，從而吸附污水中游離的磷。

　　2. 3 重金屬元素的吸附

　　養(yǎng)殖污水中一般含有銅、鉻、鉛等重金屬元素，常規(guī)處理時(shí)主要依靠化學(xué)絮凝等方式從水中去除。研究表明，狐尾藻的根系通過(guò)分泌金屬螯合物或利用根部細(xì)胞壁特殊的多糖基團(tuán)螯合沉積物中有毒重金屬，使得重金屬聚集在根際圈附近。Wang等研究表明，水生植物吸附重金屬的作用與其生理活動(dòng)無(wú)顯著關(guān)系，在植物死亡后仍可進(jìn)行離子交換而結(jié)合吸附。李國(guó)新等研究發(fā)現(xiàn)，不同pH可顯著影響狐尾藻吸附重金屬效果，而采用線性Langmuir模型可較好地預(yù)測(cè)穗花狐尾藻吸附重金屬的過(guò)程;在重金屬鎘濃度為16~72mg/L時(shí)，pH為5是最適的酸堿條件，每克穗花狐尾藻可吸附3.02~29.07mg的金屬鎘。此外，其還發(fā)現(xiàn)狐尾藻處理污水的重金鎘的含量應(yīng)低于100mg/L，高于該濃度時(shí)，重金屬的毒性作用會(huì)抑制狐尾藻的生長(zhǎng)。另一方面，金屬元素也可通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散和主動(dòng)運(yùn)輸?shù)确绞竭M(jìn)一步被狐尾藻吸收入細(xì)胞內(nèi)，最后通過(guò)及時(shí)收割來(lái)實(shí)現(xiàn)重金屬?gòu)奈鬯械娜コ?。薛培英等分析了穗花狐尾藻?xì)胞內(nèi)組分對(duì)銅的吸收和釋放量，結(jié)果表明穗花狐尾藻對(duì)銅的最高吸收率可達(dá)2μmol/(g•min)，并具有較低的銅釋放能力(僅約為富集量的1/16)，并推測(cè)其可通過(guò)體內(nèi)抗氧化力來(lái)保護(hù)銅等重金屬對(duì)細(xì)胞的損傷?？傮w而言，國(guó)內(nèi)外利用狐尾藻處理重金屬元素污染方面的研究仍主要集中于效果應(yīng)用方面，有關(guān)其吸附/吸收機(jī)制，特別是不同價(jià)態(tài)金屬元素、多種重金屬污染對(duì)其去除作用的影響仍有待進(jìn)一步研究。

　　三、狐尾藻的水質(zhì)凈化應(yīng)用技術(shù)及延伸資源化開發(fā)

　　目前，廣泛采用狐尾藻與其他生物聯(lián)合進(jìn)行污水凈化，提高水質(zhì)質(zhì)量。同時(shí)，狐尾藻已延伸開發(fā)出資源化產(chǎn)品，收割回收的狐尾藻可作為潛在飼料、肥料或生物燃料等高值化產(chǎn)品應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了狐尾藻的再資源化利用。

　　3.1 狐尾藻與其他水生植物聯(lián)合處理

　　水生植物對(duì)污水中不同形式的高濃度氮磷具有選擇吸收，因此不同水生植物凈化污水的效果也存在差異。Chang等研究報(bào)道，水葫蘆、伊樂藻等不同水生植物在聯(lián)合凈化2L污水時(shí)(漂浮植物分別放入大小一致7株，沉水植物則要稱取與漂浮植物相同質(zhì)量)，對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)成分有著優(yōu)先吸收及不同的吸收速率，其中鳳眼蓮對(duì)NH₄⁺-N的最大吸收速度可達(dá)0.230mmol/(g•h)，伊樂藻達(dá)0.018mmol/(g•h)。因此采用狐尾藻與其他水生植物聯(lián)合處理養(yǎng)殖污水時(shí)，可在不同生長(zhǎng)期內(nèi)均發(fā)揮凈化水體的功效，避免單一水生植物因生長(zhǎng)周期交替而導(dǎo)致水質(zhì)波動(dòng)。金春華等[3]研究表明，狐尾藻較鳳眼蓮優(yōu)先吸收NH₄⁺-N，鳳眼蓮優(yōu)先吸收NO₃^--N，二者在不同生長(zhǎng)期對(duì)污水凈化能力也不同。黃煒杰等研究了狐尾藻-水葫蘆、狐尾藻-銅錢草等多種組合型水生植物的養(yǎng)殖污水凈化效果，每種各8株，種植于含有11L養(yǎng)殖污水(NH₄⁺-N濃度為20mg/L，總磷為1.8mg/L)的水族箱(16cm×22cm×80cm)內(nèi)，其中復(fù)合型為相間種植，發(fā)現(xiàn)單一狐尾藻等水生植物對(duì)污水凈化效果以及生物生長(zhǎng)情況遠(yuǎn)不如狐尾藻-水葫蘆(狐尾藻-銅錢草)等復(fù)合型組合，其中狐尾藻-水葫蘆組合型要比單一狐尾藻的總氮降解率高出10%，總磷的降解率高出12%。因此，不同水生植物組合處理污水可彌補(bǔ)單一狐尾藻處理污水存在的選擇性吸收不足的缺點(diǎn)，從而提高水質(zhì)凈化效果。

　　3.2 狐尾藻與微生物聯(lián)合處理

　　狐尾藻對(duì)污水高濃度氮磷的吸收僅限于已溶解的，而對(duì)未完全釋放于污水中的有機(jī)氮磷不發(fā)生作用。狐尾藻凈化養(yǎng)殖污水除了本身的去除作用外，根際及污水中的微生物也發(fā)揮了重要作用。目前，應(yīng)用最廣的狐尾藻與微生物聯(lián)合處理污水技術(shù)是狐尾藻人工濕地系統(tǒng)。研究表明，人工濕地系統(tǒng)依靠植物與微生物聯(lián)合凈化作用，可包含植物吸收和微生物降解等多個(gè)過(guò)程，彌補(bǔ)了單一狐尾藻的不足。同時(shí)，微生物與狐尾藻在系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)良性互動(dòng)：微生物將污水中有機(jī)磷、氮等大分子分解為小分子為狐尾藻所吸收利用;狐尾藻則進(jìn)行光合作用釋放氧氣，增加了污水中溶解氧濃度，促進(jìn)好養(yǎng)微生物的新陳代謝，加速其持續(xù)將不溶于污水的生物大分子降解為可溶的小分子物質(zhì)。Liu等研究發(fā)現(xiàn)，狐尾藻發(fā)達(dá)的網(wǎng)狀根系為微生物提供了附著載體，同時(shí)發(fā)達(dá)根系還可調(diào)節(jié)根際微環(huán)境，促進(jìn)微生物進(jìn)行硝化、反硝化作用，加速污水中高濃度污染物的降解和去除。余紅兵等通過(guò)氮平衡試驗(yàn)估算出人工濕地系統(tǒng)中狐尾藻吸收的總氮含量隨著初始氮含量的變化而改變，當(dāng)初始NH₄⁺-N含量為200mg/L時(shí)，狐尾藻吸收量和微生物硝化、反硝化作用分別達(dá)到29.7%和16.3%。需要注意的是，人工濕地系統(tǒng)中，狐尾藻和微生物去除污染物的效果均會(huì)受到水體溫度、溶解氧、pH等環(huán)境因子的影響。因此在采用該技術(shù)處理養(yǎng)殖污水時(shí)，對(duì)各種環(huán)境因子的優(yōu)化顯得十分必要。

　　另一方面，由于根際微生物的利用較為受限，國(guó)內(nèi)外研究者近年來(lái)也嘗試通過(guò)外源添加功能微生物的方式來(lái)提高狐尾藻的凈水效果。如伍華雯等評(píng)價(jià)了固定化硝化菌與粉綠狐尾藻聯(lián)合處理養(yǎng)殖污水的效果，其通過(guò)將200mL、OD600為0.4~0.5的硝化菌吸附到陶粒微孔內(nèi)，將該固定化硝化菌陶粒以及狐尾藻分別以450.5g和250.6g用于含有11L廢水的水族缸(30cm×20cm×25cm)內(nèi)進(jìn)行污水凈化研究，發(fā)現(xiàn)與單獨(dú)處理污水相比，外源篩選硝化菌與狐尾藻的聯(lián)合可顯著提高污水中氮素和COD的去除效果，其中NO₃^--N、NH₄⁺-N和COD的去除率分別可達(dá)到50.83%、62.38%和67.23%，顯著高于狐尾藻單獨(dú)處理的40.78%、53.31%和33.35%。

　　3.3 狐尾藻的延伸轉(zhuǎn)化開發(fā)

　　利用狐尾藻處理養(yǎng)殖污水時(shí)，需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行收割回收來(lái)轉(zhuǎn)移出污水中高濃度的氮磷，以防止狐尾藻生長(zhǎng)后期衰敗腐爛等對(duì)養(yǎng)殖污水產(chǎn)生的二次污染。收獲的狐尾藻目前有多種利用開發(fā)途徑。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)狐尾藻營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其含有豐富的粗蛋白質(zhì)、粗纖維、粗脂肪，以及畜禽生長(zhǎng)所需的多種氨基酸及微量元素(表1)，可作為一種功能產(chǎn)品應(yīng)用于食品及飼料領(lǐng)域。以此為基礎(chǔ)，孫茜等采用狐尾藻為原料，采用分別接種濃度不低于106CFU/g的干酪乳桿菌、植物乳桿菌或兩者組合制備狐尾藻青飼料，于20~30℃下處理30d后發(fā)現(xiàn)，添加乳酸菌發(fā)酵后的狐尾藻與未添加乳酸菌發(fā)酵的狐尾藻相比，前者較后者的粗蛋白質(zhì)含量高出12.6%，乳酸含量相對(duì)提高了131.2%，使得狐尾藻有較好的抗菌能力，中性洗滌纖維降低了17.6%，提高了動(dòng)物的干物質(zhì)采食量以及消化利用率。但目前，有關(guān)狐尾藻用于飼料添加的應(yīng)用評(píng)價(jià)試驗(yàn)較少。育肥豬上的應(yīng)用顯示，日糧中添加10%綠狐尾藻對(duì)育肥豬的生長(zhǎng)性能無(wú)顯著影響，并可改善血清生化指標(biāo)，提高豬肉品質(zhì)。另一方面，狐尾藻從污水中吸收的氮磷使其可作為循環(huán)性天然肥料覆蓋在農(nóng)田，為農(nóng)作物提供營(yíng)養(yǎng)成分。余紅兵等研究發(fā)現(xiàn)，將茶園土壤覆蓋鮮重為2.50kg/m2的狐尾藻后，較未覆蓋表層土壤(0~20cm)的有機(jī)質(zhì)含量增加了8.01%、土壤有效氮和有效磷分別增加11.45%、56.02%，提示采用狐尾藻作為肥料可降低生產(chǎn)成本，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。此外，考慮到風(fēng)干的狐尾藻還有較高含量的纖維等組分，可能可通過(guò)水解發(fā)酵進(jìn)行乙醇/甲烷生產(chǎn)而作為生物燃料使用。如Koyama等將伊樂藻、金魚藻等5種沉水植物分別接種活性污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵后發(fā)現(xiàn)，沉水植物厭氧發(fā)酵可產(chǎn)甲烷，平均產(chǎn)甲烷量高達(dá)279mL/g。但目前總體而言該種利用方式仍較少報(bào)道，有進(jìn)一步研究的空間。

　　四、狐尾藻應(yīng)用存在的不足及未來(lái)研究方向展望

　　利用狐尾藻凈化養(yǎng)殖污水不僅可高效去除污水中的各種污染物，還可減少處理費(fèi)用，簡(jiǎn)化處理工藝，同時(shí)獲得多種下游高值副產(chǎn)物，與傳統(tǒng)工業(yè)化處理養(yǎng)殖污水技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)明顯。但目前我國(guó)利用狐尾藻凈化養(yǎng)殖污水的技術(shù)仍存在不少難點(diǎn)，主要包括：一是有關(guān)其去除氮磷污染物的效率問題，重金屬、抗生素類等特殊污染物的去除機(jī)制研究較少，較難為進(jìn)一步從源頭提升狐尾藻的去污能力提供理論依據(jù)；二是在實(shí)際應(yīng)用中，特別是大型養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，狐尾藻的生長(zhǎng)受到自然環(huán)境(如透光率、溫度等)的影響較大，缺少可運(yùn)行穩(wěn)定的工程化可控系統(tǒng)，限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用；三是雖然近年來(lái)利用收獲狐尾藻制備飼料或肥料的研究已有報(bào)道，但有關(guān)其使用的安全性和有效性等問題仍需進(jìn)一步深入完善。隨著研究的不斷深入，以狐尾藻為主體的養(yǎng)殖污水凈化技術(shù)將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。（ >

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