污水的排放已經成為農村、城市、河流、湖泊等面臨的主要環境問題，嚴重制約了城鎮經濟的發展.污水中含有大量的氮、磷等營養元素，是導致河流、湖泊富營養化的主要來源.水體富營養化會導致水質退化，降低生物多樣性，使脆弱的水生態系統遭到嚴重破壞，是湖泊等天然水體面臨的主要環境問題，已經引起世界各國的廣泛關注.

　　在污水種植合適的水生植物，通過水生植物生長吸收而去除水體氮，既環保又生態，可以減輕對水生態系統穩定性的影響，被認為是傳統污染水體修復的替代措施之一.粉綠狐尾藻是多年生挺水或沉水草本植物，由于其適應環境能力強，生長速度很快，被認為是世界上最重要的水生植物之一.除具觀賞性外，粉綠狐尾藻對污水具有較強的凈化能力，能夠忍受水體中較高的氮濃度，且不易造成生物入侵，被稱為“凈水精靈”，可作為凈化污水的先鋒植物.粉綠狐尾藻吸收積累的氮在水體總去除氮中占有較大的比例，同時既能夠直接改善水體環境，又能夠增強硝化和反硝化的除氮作用，還能夠產生化感物質抑制藻類的生長.本文采用盆栽試驗，研究粉綠狐尾藻對不同氮濃度污水的去除氮效果，明確污水氮濃度對粉綠狐尾藻去氮能力的影響，以期為城市污水修復、凈化提供依據和技術.

　　1 材料與方法 1.1 試驗材料

　　試驗材料為粉綠狐尾藻，由中國科學院亞熱帶農業生態研究所提供.供試水體和底泥取自華中農業大學南湖污水池，試驗前測定水體和底泥的基礎數值見表 1.

　　表 1 水體和底泥的理化性質

　　1.2 試驗處理

　　試驗采用高40 cm，桶口直徑為35 cm的PVC桶，每個塑料桶水的體積為15L，底泥重量為5 kg，厚度約為5 cm.低氮濃度處理，用純水進行稀釋;高氮濃度處理，用NH4NO3補充;用KH2PO4調節磷含量一致，為1.59 mg·L-1.共設7個總氮水平處理: 2、5、10、20、100、200和400 mg·L-1.粉綠狐尾藻用清水馴化一周，選取生長旺盛，大小一致的粉綠狐尾藻剪取(20±1) cm長的莖，每個處理植株生物量為(100±2) g，每個處理重復4次.每天定時用純水補充蒸發水量以保證體積恒定.試驗從2015年12月1日至2016年1月5日，期間溫度范圍為-4~14℃，平均溫度為5℃.

　　1.3 取樣與測試

　　試驗期間每隔7d測定粉綠狐尾藻的生物量、水體總氮、氨氮、硝態氮、溶氧量、pH;35d收獲后，將植株分為水上部分、水下部分、側根、節，測定不同部位的氮含量.總氮采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定;氨氮用納氏試劑比色法測定;硝態氮用紫外分光光度法測定;溶解氧和pH用德國WTW生產的Multi 3430 SET多參數三通道測試儀進行測定;植物體內的總氮用濃硫酸-雙氧水消化半微量蒸餾法測定;底泥中總氮用凱氏蒸餾法測定.

　　1.4 數據分析

　　采用Excel 2013軟件統計數據，Sigmaplot 10.0繪制圖表，采用SPSS 18.0軟件對試驗數據進行方差分析和顯著性分析.

　　2 結果與分析 2.1 粉綠狐尾藻生長與污水氮濃度的關系

　　粉綠狐尾藻的生物量隨污水氮濃度的變化因時間而不同(圖 1).在21 d以前，粉綠狐尾藻的生物量隨氮濃度升高到20 mg·L-1達到最大，氮濃度100~400 mg·L-1則有所下降;21~35 d時，粉綠狐尾藻的生物量隨氮濃度升高到200 mg·L-1達到最大，氮濃度400 mg·L-1則有所下降.粉綠狐尾藻生物量的增長率(表 2)，在14 d以前，以低氮濃度2~20 mg·L-1污水較高;14~21 d，處理間粉綠狐尾藻生物量增長率沒有明顯規律;21~35 d的增長率以高氮濃度100~400 mg·L-1污水較高，約為低氮濃度污水的1.5~2倍，且以200 mg·L-1最高.由此說明，前3周在氮濃度不高于20 mg·L-1即低氮濃度污水粉綠狐尾藻生長最好，4~5周則以高氮濃度200 mg·L-1的污水生長最好.低氮濃度處理試驗初期，底泥可能能夠根據粉綠狐尾藻生長需要向水體供給氮，后期底泥氮的釋放受到抑制;試驗初期高氮濃度處理抑制粉綠狐尾藻生長，隨后氮濃度降低，生長加快，處理更高氮濃度污水可能需要更多時間.

圖 1 不同氮濃度污水對粉綠狐尾藻生物量的影響

　　表 2 不同氮濃度污水對粉綠狐尾藻生物量增長速率的影響/g·d-1

　　2.2 粉綠狐尾藻氮吸收積累及分配與污水氮濃度的關系

　　粉綠狐尾藻節、側根、水上部分、水下部分和整株氮含量隨污水氮濃度升高明顯增加(表 3)，但低氮濃度處理間大都無顯著差異，氮濃度升高到100 mg·L-1氮含量顯著增加并隨氮濃度升高繼續增加.粉綠狐尾藻各部位氮含量之比因氮濃度升高而變化，在低氮濃度污水中，水上部分氮含量(質量分數) 為2.88%~3.11%、平均為2.97%，水下部分氮含量為2.39%~2.79%、平均為2.62%，側根氮含量1.45%~2.18%、平均為1.75%，節氮含量3.67%~4.81%、平均為4.26%，水上部分/水下部分、節/側根分別為1.13、2.43.在高氮濃度100~400 mg·L-1污水中，水上部分氮含量為4.75%~6.51%、平均5.68%，水下部分氮含量為5.31%~6.27%、平均為5.19%，側根氮為7.92%~9.31%、平均8.80%，節氮含量7.14%~11.26%、平均9.52%，水上部分/水下部分、節/側根分別為1.09、1.08.由此說明，在低氮濃度污水中，粉綠狐尾藻體內氮含量因氮濃度變化不大，但有“上高下低”趨勢，即能夠將由水體吸收的氮轉運到水上部分;在高氮濃度污水中，粉綠狐尾藻體內氮含量隨氮濃度而升高而部位間差異小、梯度不大，呈現均勻分布，粉綠狐尾藻側根既吸收氮也儲存氮.無論氮濃度高低，節氮含量始終最高，可能是粉綠狐尾藻氮儲存和分配的關鍵部位.

　　表 3 不同氮濃度污水對粉綠狐尾藻不同部位氮含量的影響1)

　　粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質量氮積累速率隨污水氮濃度的升高而增加(圖 2)，但低氮濃度處理間基本無顯著差異，氮積累量為0.34~0.51 g，氮積累速率為0.53~0.68 mg·(g·d)-1;高氮濃度氮積累量為0.67~0.93 g，積累速率為0.96~1.59 mg·(g·d)-1;高氮濃度處理粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質氮積累速率顯著高于低氮濃度處理;粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質氮積累速率隨氮濃度升高而增加，至100 mg·L-1、200 mg·L-1均達到顯著水平，但200 mg·L-1和400 mg·L-1間無顯著差異.污水氮濃度由20 mg·L-1到100 mg·L-1、200 mg·L-1時，粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質量氮積累速率呈梯度增加，預示著氮吸收轉化能力顯著提升，氮轉化機制發生突變.

圖 2 不同氮濃度污水粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質量氮積累速率

　　2.3 粉綠狐尾藻去除氮與污水氮濃度的關系 2.3.1 粉綠狐尾藻去除總氮與污水氮濃度的關系

　　不同氮濃度污水總氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時間增長而逐漸降低(表 4).粉綠狐尾藻處理7 d，低氮濃度污水總氮的去除率達到75.0%~92.5%、平均為86.8%，高氮濃度污水總氮去除率只有14.2%~32.7%、平均為25.1%;35d時，低氮濃度處理總氮的去除率達79.5%~96.1%、平均為90.8%，高氮濃度處理總氮去除率為48.1%~76.5%、平均為65.4%.粉綠狐尾藻對不同氮濃度污水總氮的去除速率隨時間下降(表 5).低氮濃度污水，粉綠狐尾藻在0~7 d對總氮去除速率最高且隨氮濃度升高而增加;7 d后，去除速率幾乎為零.高氮濃度污水，粉綠狐尾藻對總氮去除速率在0~7 d和14~21 d出現兩個高峰且均隨氮濃度升高而提高，但在第二個高峰時3個處理的去除速率依次為2.49、7.28和14.80 mg·(L·d)-1，去除率為第一個高峰的2倍多.綜上所述，低氮濃度的污水，粉綠狐尾藻處理7 d就能夠去除總氮75%~90%，達到較強的去除效果;高氮濃度污水，粉綠狐尾藻處理21 d能夠去除總氮40%~60%，隨后氮去除速率顯著下降.

　　表 4 不同氮濃度污水總氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時間的變化/mg·L-1

　　表 5 粉綠狐尾藻對不同氮濃度污水總氮的去除速率/mg·(L·d)-1

　　2.3.2 粉綠狐尾藻去除氨氮與污水氮濃度的關系

　　不同氮濃度污水氨氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時間增長而逐漸降低(表 6).粉綠狐尾藻處理7d，低氮濃度污水氨氮去除率為92.4%~98.8%、接近100%，高氮濃度污水氨氮去除率只有33.5%~69.2%、平均為52.9%;35 d時，氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1的污水氨氮去除率分別為99.6%和99.3%、近100%，氮濃度400 mg·L-1的污水氨氮的去除率僅為60.2%.粉綠狐尾藻對不同氮濃度污水氨氮的去除速率隨時間呈下降趨勢(表 7).在0~7 d，粉綠狐尾藻對氨氮的去除速率最高且隨污水氮和氨氮濃度升高而增加;氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1的污水分別在第2周和第4周后氨氮的去除速率顯著下降，而氮濃度400 mg·L-1的污水在28~35 d仍有相對較高的氨氮去除速率.由此說明，對氮濃度不高于20 mg·L-1的低氮濃度污水，粉綠狐尾藻處理7 d就能夠去除90%以上氨氮且去除速率顯著下降;對氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1的污水，粉綠狐尾藻分別處理2和4周能夠去除氨氮90%以上且去除速率顯著下降;但對氮濃度400 mg·L-1的污水，處理5周只能去除60%的氨氮.

　　表 6 不同氮濃度污水氨氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時間的變化/mg·L-1

　　表 7 粉綠狐尾藻對不同氮濃度污水氨氮的去除速率/mg·(L·d)-1

　　2.3.3 粉綠狐尾藻去除硝態氮與污水氮濃度的關系

　　低氮濃度污水硝態氮濃度低，粉綠狐尾藻處理后變化不大(表 8和表 9).高氮濃度污水硝態氮去除速率隨氮濃度升高而增加、隨時間而下降(表 9)，但第2周后去除速率顯著下降且變化不大，氮濃度100、200、400 mg·L-1的污水在0~14 d硝態氮去除率分別為27.2%、46.3%、35.6%;35 d時，硝態氮去除率分別為40.6%、54.3%和43.8%，均顯著低于氨氮去除率.因此，低氮濃度處理硝態氮含量低，粉綠狐尾藻處理后作用不顯著，去除的總氮主要為氨氮;高氮濃度處理，粉綠狐尾藻處理2周硝態氮去除速率顯著下降、去除率為27.2%~46.3%，即使處理5周去除率也只有40.6%~54.3%，去除能力和速率顯著低于氨氮.

　　表 8 不同氮濃度污水硝態氮濃度隨粉綠狐尾藻處理時間的變化/mg·L-1

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　　表 9 粉綠狐尾藻對不同氮濃度污水硝態氮的去除速率/mg·(L·d)-1

　　2.4 粉綠狐尾藻對不同氮濃度污水底泥氮含量的影響

　　試驗底泥全氮含量為3.61 g·kg-1.粉綠狐尾藻處理35 d，氮濃度2~20 mg·L-1的污水底泥全氮含量為2.96~3.12g·kg-1、平均為3.05 g·kg-1，下降15.5%;氮濃度100 mg·L-1污水底泥全氮含量為3.69 g·kg-1，無顯著變化;氮濃度200 mg·L-1、400 mg·L-1污水底泥全氮含量分別為3.82 g·kg-1、4.01 g·kg-1，分別提高了5.8%、11.1%，底泥氮增加量分別占水體去除氮17.2%、24.4%(表 10).由此說明，低氮濃度污水，粉綠狐尾藻不僅能夠去除水體中的氮還能利用底泥中的氮，且積累的氮遠高于水體去除的氮，植物吸收積累的氮主要來自底泥;100 mg·L-1污水底泥全氮沒有顯著變化，保持基本平衡;而氮濃度200 mg·L-1、400 mg·L-1污水底泥能夠吸附固定水體氮而提高底泥氮含量，但粉綠狐尾藻積累氮顯著高于底泥固定氮.

　　表 10 粉綠狐尾藻處理35 d對不同氮濃度污水底泥全氮含量的影響

　　2.5 粉綠狐尾藻對不同氮濃度污水溶解氧和pH的影響

　　污水溶解氧濃度隨水體氮濃度和粉綠狐尾藻處理時間而有所變化(表 11).首先，總體而言，污水溶解氧濃度隨水體氮濃度升高有下降趨勢，氮濃度2~20 mg·L-1的污水溶解氧濃度平均為10.64 mg·L-1，100~400 mg·L-1的污水溶解氧濃度平均為10.38 mg·L-1，較低氮濃度平均低0.26 mg·L-1.其次溶解氧濃度隨粉綠狐尾藻處理時間呈先升后降趨勢，在14 d達到最高，0~35 d各處理溶解氧平均濃度依次為9.14、10.53、11.28、11.23、10.01、10.98 mg·L-1.由此說明，污水溶解氧濃度隨水體氮濃度提高而有所下降，可能不利于粉綠狐尾藻生長;在0~14 d，污水溶解氧濃度隨粉綠狐尾藻處理時間增加而增加，預示著粉綠狐尾藻能夠快速提高水體溶解氧濃度促進植株生長與代謝.

　　表 11 粉綠狐尾藻處理對不同氮濃度污水溶解氧濃度影響1)/mg·L-1

　　污水pH隨氮濃度和粉綠狐尾藻處理時間而有所變化(表 12). 2~20 mg·L-1的低氮濃度污水pH隨水體氮濃度升高和粉綠狐尾藻處理時間增加整體呈上升趨勢，但均在7.1~7.6之間，呈微堿性，這與水體氨氮被大量去除有關;100~400 mg·L-1的高氮濃度污水pH隨粉綠狐尾藻處理時間增加呈下降趨勢，但pH值均在6.5~7.6之間，可能是因為粉綠狐尾藻生長過程中向水體中釋放了某些酸性物質.因此，試驗期間所有處理水體pH < 7.6，未達到氨揮發的條件之一的pH>8.0，氨揮發可忽略.

　　表 12 粉綠狐尾藻處理對不同氮濃度污水pH的影響1)

　　3 討論 3.1 粉綠狐尾藻生長受氮濃度影響

　　本研究表明，粉綠狐尾藻的生物量在處理21 d內隨污水氮濃度升高到20 mg·L-1達到最大，而100~400 mg·L-1氮濃度則有所下降，21~35 d隨污水氮濃度升高到200 mg·L-1達到最大而400 mg·L-1氮濃度依然有所下降;粉綠狐尾藻生物量的增長率，在14 d內以低氮濃度污水即氮濃度2~20 mg·L-1較高，14~21 d處理間沒有明顯規律，21~35 d以氮濃度100~400 mg·L-1的高氮濃度污水較高且約為低氮濃度污水的1.5~2倍，其中以200 mg·L-1最高.這與朱丹婷等[23]和葛芳杰等的研究結果類似，朱丹婷等利用黑藻處理氮濃度為2、4、8 mg·L-1的富營養化水體，黑藻生物量隨氮濃度的升高而增加且以氮濃度8 mg·L-1處理生物量的增長最快;葛芳杰等用穗花狐尾藻處理0.875、7.0、56.0 mg·L-1氮濃度的水體，穗花狐尾藻生物量以7.0 mg·L-1水體增長最快而以56.0 mg·L-1增長最慢.綜上所述，在3周內，粉綠狐尾藻以氮濃度不高于20 mg·L-1的低氮濃度污水生長較好;4~5周，則以氮濃度200 mg·L-1的高氮濃度污水生長較好;氮濃度400 mg·L-1抑制粉綠狐尾藻生長.說明初始階段高氮濃度會對粉綠狐尾藻的生長產生一定的抑制作用，隨后氮濃度降低抑制作用減弱，生物量增長加快;低氮濃度的污水為了滿足粉綠狐尾藻的生長需求，底泥可能向水體釋放氮但又不至于濃度過高抑制生長，后期底泥氮的釋放可能受到限制導致粉綠狐尾藻生長減緩，需要進行進一步研究.

　　3.2 粉綠狐尾藻去氮能力受氮濃度和形態的影響

　　本文結果表明，氮濃度不高于20 mg·L-1的低氮濃度污水，由于水體氮濃度低，粉綠狐尾藻為了滿足生長的需求，處理1周能夠去除總氮的75%~90%、氨氮的90%以上.黃亮等利用狐尾藻等3種水生植物對氮濃度9.855 mg·L-1的污水凈化35 d，狐尾藻對水體總氮的去除率達71.42%，生物相氮的富集能力最強，Fu等利用菖蒲等5種水生植物對氮濃度14 mg·L-1的污水凈化14 d，總氮的去除率接近90%.氮濃度100~400 mg·L-1的污水，粉綠狐尾藻處理3周能夠去除總氮40%~60%而后氮去除速率顯著下降;氮濃度100 mg·L-1、200 mg·L-1的污水，粉綠狐尾藻分別處理2和4周能夠去除氨氮90%以上而后去除速率顯著下降;氮濃度400 mg·L-1的污水，處理5周只能去除60%的氨氮. Souza等利用綠狐尾藻處理氨氮濃度為27.44 mg·L-1的污水30 d時去除氨氮98.6%，Li等[17]利用綠狐尾藻處理合成富營養化水(氨氮濃度為200 mg·L-1)14 d和28 d時氨氮去除率分別為75.8%和87.7%.因此，粉綠狐尾藻去除污水氮能力明顯受氮濃度影響，氮濃度不高于20 mg·L-1時，1周內可去除總氮的75%~90%、氨氮的90%以上;氮濃度100~400 mg·L-1時，水體氮含量高，至少2周才去除氨氮90%以上、3周才去除總氮50%左右;400 mg·L-1的高氮濃度下處理5周也只能去除60%的氨氮.

　　進一步的結果顯示，對氮濃度不高于20 mg·L-1的污水，由于水體氮濃度低，粉綠狐尾藻為了滿足生長所需要的養分，既能夠去除水體氮還能利用底泥氮;對氮濃度200 mg·L-1、400 mg·L-1的污水，水體氮濃度高，粉綠狐尾藻吸收積累氮占水體氮去除27.9%和48.4%，底泥增加氮占水體去除氮17.2%和24.4%，但不同氮濃度不同時間底泥氮的增加和減少量有待進一步研究.粉綠狐尾藻的吸收積累和底泥氮沉降是水體氮去除的主要途徑.張樹楠等利用綠狐尾藻等5種水生植物對生態溝渠進行攔截試驗，證明綠狐尾藻和水生美人蕉體內氮含量最高，能夠從生態溝渠中帶走大量的氮;Liu等報道，對氮濃度為200 mg·L-1、400 mg·L-1的豬場廢水和合成廢水，粉綠狐尾藻積累氮占水體氮去除的15.9%~46.2%.分析氮濃度為20、100、200 mg·L-1的污水，粉綠狐尾藻氮積累量和單位干物質量氮的去除速率呈梯度增加.在氮濃度不高于20 mg·L-1的污水中，由于水體氮濃度較低，粉綠狐尾藻吸收積累的氮主要來自底泥，底泥氮的釋放能力基本一致，體內氮含量因氮濃度變化不大，但部位間有“上高下低”趨勢;在高氮濃度污水中，粉綠狐尾藻體內氮含量隨氮濃度而升高而部位間差異小、梯度不大，呈現均勻分布.這些結果暗示粉綠狐尾藻氮的轉化、轉運機制可能因氮水平而發生變化，因為一定氮濃度范圍內氮代謝相關酶受氮濃度的顯著影響，但需進一步研究證實.由此說明，對氮濃度不高于20 mg·L-1的污水，粉綠狐尾藻不僅能夠快速去除水體氮而且可以利用底泥氮;對氮濃度高于100 mg·L-1尤其是200 mg·L-1的污水，粉綠狐尾藻的氮轉化、轉運機制可能發生變化以逐步去除水體氮.

　　氮濃度2~20 mg·L-1的低氮濃度污水硝態氮濃度低，粉綠狐尾藻處理后變化不大;氮濃度100~400 mg·L-1的高氮濃度污水，粉綠狐尾藻處理5周硝態氮去除率只有50%左右.因此，粉綠狐尾藻對污水氨氮的去除能力顯著高于硝態氮. Jampeetong等和Dai等的研究也表明水生植物對氨氮的去除率顯著高于硝態氮.水體中氮主要以氨氮、硝態氮和有機氮的形式存在，植物通常優先利用氨氮作為氮源且對氨氮的吸收速率顯著高于硝態氮，這是因為植物吸收氨氮比吸收硝態氮消耗的能量少.具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關技術文檔。

　　4 結論

　　(1) 粉綠狐尾藻的生長受氮濃度的影響.前3周以氮濃度20 mg·L-1生長最好;4~5周，則以氮濃度200 mg·L-1的污水生長最好，生物量達到最大.

　　(2) 粉綠狐尾藻對氮的去除和體內氮分配受氮濃度的影響.氮濃度不高于20 mg·L-1的污水，粉綠狐尾藻既能夠去除水體氮還能利用底泥氮，粉綠狐尾藻體內氮含量因氮濃度變化不大而部位間有“上高下低”趨勢;氮濃度100~400 mg·L-1的污水，粉綠狐尾藻的吸收積累和底泥固定是水體氮的主要去除途徑，粉綠狐尾藻體內氮含量隨氮濃度而升高，但部位間差異小、呈現均勻分布.

　　(3) 粉綠狐尾藻對氮的去除受氮形態的影響.粉綠狐尾藻對氨氮的去除能力顯著高于硝態氮，氮濃度2~200 mg·L-1的污水氨氮的去除率能夠達到90%以上.