狐尾藻在養(yǎng)殖污水凈化中的作用

　　隨著我國畜禽養(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)第一次全國污染源普查公報顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便和尿液年產(chǎn)生量已超過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)水體富營養(yǎng)化，最終也對人體健康產(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。

　　狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)是一種多年生沉水草本植物，其對污水中高濃度的氮、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，許多研究表明，狐尾藻對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)殖污水過程中對有機(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，并對未來的研究方向進(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養(yǎng)。狐尾藻的生存適應(yīng)性強(qiáng)，其在4℃以上可生長，在20~30℃的適宜水質(zhì)中可常年生長繁殖;其對低溫也有抵御能力，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良好，其在生長旺盛時可布滿水體表面，阻止陽光照射，故有必要對其及時進(jìn)行收割以防止穗狀層過厚影響水體其他生物生長。粉綠狐尾藻起源于南美洲，莖節(jié)上部挺水，一般長達(dá)30cm以上，下部沉水匍匐，多生不定根蔓延生長，具輪生羽毛狀葉(4~6片)，其葉對日光敏感，夜晚無光葉合攏，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)化為自身的營養(yǎng)物質(zhì)并穩(wěn)定儲存在體內(nèi)，最終在收割狐尾藻時將污染物帶離水體，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)污染物主要來源于禽畜糞便，以化學(xué)需氧量(COD)為指標(biāo)來反映。狐尾藻在養(yǎng)殖污水有機(jī)污染物的降解中發(fā)揮中介者的作用：一方面，其通過自身光合作用釋放氧氣，氧氣通過中空圓柱形的莖干傳遞到根系區(qū)域，隨后通過根狀莖節(jié)上通氣組織釋放至養(yǎng)殖污水水體中，加速了位于水體中的異養(yǎng)微生物的大量生長繁殖，使得有機(jī)污染物被異養(yǎng)微生物分解為二氧化碳和水等小分子物質(zhì)，而二氧化碳又可作為狐尾藻光合作用的原料，促使狐尾藻生長的同時也實(shí)現(xiàn)了碳源的循環(huán)利用。另一方面，狐尾藻分蘗速度快，形成復(fù)雜的水下網(wǎng)狀吸收系統(tǒng)，部分有機(jī)污染物也可被狐尾藻吸收后直接儲存在體內(nèi)，在進(jìn)行收獲收割時，徹底從水體中帶離除去。董文斌等通過每PVC桶(40cm×50cm×60cm)20株狐尾藻的種植密度處理COD濃度分別為342、226.34、138.92、109.20、90mg/L的豬場廢水后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)75d處理，狐尾藻可有效去除養(yǎng)殖廢水中的COD，去除率分別為86.7%、81.8%、73.2%、71.5%、82.6%，平均去除率可達(dá)79.1%。污水中有機(jī)污染物的去除效果還與水體的pH、透明度和水溫等條件相關(guān)，一般合適的pH應(yīng)在7~8的中堿性、溫度在20~30℃為宜。而透明度主要與處理用水的濃度相關(guān)，應(yīng)在20%~30%為宜，當(dāng)沼液濃度超過50%，透明度過低將阻止陽光投射而抑制狐尾藻生長，從而降低了對有機(jī)物污染物的降解。同時考慮到狐尾藻在生長后期根系腐爛將釋放一部分有機(jī)物到水中，影響去除效果，其及時收割也十分重要。如左進(jìn)城等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)狐尾藻生長到水面后能沿水面生長，一般從頂端開始以6cm或12cm進(jìn)行收割，即可避免因長勢旺盛不透光影響水質(zhì)的改善，也可使得狐尾藻快速恢復(fù)生長；還發(fā)現(xiàn)狐尾藻在溫度較暖的春季、秋季、夏季生長旺盛、恢復(fù)時間較短(25~50d)，因而可加大其收割頻次；在寒冷的冬季恢復(fù)時間較長(4~5個月)，應(yīng)減少其收割。在實(shí)際應(yīng)用時，需根據(jù)狐尾藻實(shí)際的生長情況進(jìn)行收割。

　　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養(yǎng)物質(zhì)。蘇倩等報道，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，而這一時期是狐尾藻一年中的主要生長期，最大值分別為為9.1g/m2和1.08g/m3。狐尾藻對養(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，NH₄⁺-N去除率為90%以上;NH₄⁺-N濃度達(dá)400mg/L時，狐尾藻對其的降解率可達(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，處理5周后去除率只有50%左右。上述過程主要通過莖干和枝葉來吸收污水中的NH₄⁺-N，進(jìn)入植物體內(nèi)的氨氮通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镹O₃^--N，此過程可減少NH₄⁺-N在狐尾藻體內(nèi)過量積聚而產(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。另外，狐尾藻可通過增加養(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速度來促進(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，NH₄⁺-N自身也可自由揮發(fā)一部分。但后兩者作用對NH₄⁺-N的去除效果與狐尾藻相比較小。研究報道狐尾藻對NO₃^--N和NH₄⁺-N的吸收當(dāng)微生物活性受到抑制時，未受顯著影響，表明NH₄⁺-N的去除主要是通過繁殖迅速的狐尾藻的吸收作用，以及收割轉(zhuǎn)移出水來除去。需要注意的是，污水中的NH₄⁺-N對狐尾藻有合適的濃度比例，過高的濃度會抑制狐尾藻生長，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)殖場沼液，發(fā)現(xiàn)水體NH₄⁺-N濃度高于220mg/L會對狐尾藻的生長造成抑制。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)荷過高、競爭光合作用有關(guān)。

　　養(yǎng)殖污水中的磷元素主要是以有機(jī)磷、難溶性無機(jī)磷2種形式存在。狐尾藻對養(yǎng)殖污水中磷的去除主要通過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)行收割時帶離出水體，從而實(shí)現(xiàn)磷的循環(huán)過程。郭俊秀等研究表明，穗花狐尾藻對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，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濃度，高于此濃度后對狐尾藻的生長有抑制作用。同時，狐尾藻等沉水植物在生長過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無顯著關(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)測穗花狐尾藻吸附重金屬的過程;在重金屬鎘濃度為16~72mg/L時，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，重金屬的毒性作用會抑制狐尾藻的生長。另一方面，金屬元素也可通過被動擴(kuò)散和主動運(yùn)輸?shù)确绞竭M(jìn)一步被狐尾藻吸收入細(xì)胞內(nèi)，最后通過及時收割來實(shí)現(xiàn)重金屬從污水中的去除。薛培英等分析了穗花狐尾藻細(xì)胞內(nèi)組分對銅的吸收和釋放量，結(jié)果表明穗花狐尾藻對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)，并推測其可通過體內(nèi)抗氧化力來保護(hù)銅等重金屬對細(xì)胞的損傷。總體而言，國內(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，特別是不同價態(tài)金屬元素、多種重金屬污染對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，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等研究報道，水葫蘆、伊樂藻等不同水生植物在聯(lián)合凈化2L污水時(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)，對不同營養(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，可在不同生長期內(nèi)均發(fā)揮凈化水體的功效，避免單一水生植物因生長周期交替而導(dǎo)致水質(zhì)波動。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，二者在不同生長期對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污水凈化效果以及生物生長情況遠(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

　　狐尾藻對污水高濃度氮磷的吸收僅限于已溶解的，而對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過程，彌補(bǔ)了單一狐尾藻的不足。同時，微生物與狐尾藻在系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)良性互動：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，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，對各種環(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，國內(nèi)外研究者近年來也嘗試通過外源添加功能微生物的方式來提高狐尾藻的凈水效果。如伍華雯等評價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，需要及時對其進(jìn)行收割回收來轉(zhuǎn)移出污水中高濃度的氮磷，以防止狐尾藻生長后期衰敗腐爛等對養(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。國內(nèi)許多學(xué)者對狐尾藻營養(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)用評價試驗(yàn)較少。育肥豬上的應(yīng)用顯示，日糧中添加10%綠狐尾藻對育肥豬的生長性能無顯著影響，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，簡化處理工藝，同時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)勢明顯。但目前我國利用狐尾藻凈化養(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，狐尾藻的生長受到自然環(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；三是雖然近年來利用收獲狐尾藻制備飼料或肥料的研究已有報道，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。（來源：浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)與微生物研究所；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）