Water purification efficiency and resource utilization of three tuberous emergent aquatic plants

块茎类水生植物美人蕉、黄菖蒲和水芋均取自浙江温州河道，采用自来水清洗去除泥土后，自来水预培养2周待用。

霍格兰营养液：硫酸镁493 mg·L⁻¹，铁盐2.5 mL，微量元素5 mL。其中铁盐：七水硫酸亚铁2.78 g，乙二胺四乙酸二钠3.73 g，溶于500 mL去离子水。微量元素：碘化钾0.830 mg，硼酸6.200 mg，硫酸锰22.300 mg，硫酸锌8.600 mg，钼酸钠0.250 mg，硫酸铜0.025 0 mg，氯化钴0.025 0 mg，溶于1 L去离子水。

试验装置采用上部内径30.5 cm、下部内径25.5 cm、高32 cm、容积17 L的塑料桶。选择生长良好，高度基本一致的3种植物(高20 cm)，称取鲜质量后移栽于直径20 cm、厚5 cm的泡沫板上。采用磷酸二氢钾(KH₂PO₄)、氯化铵(NH₄Cl)和质量分数为1% Hoagland营养液配制试验用水，体积为14 L，初始氨氮(NH₄⁺-N)、总磷(TP)质量浓度分别为7.37~7.53和0.41~0.45 mg·L⁻¹。每种植物3个重复，并设不种植物的空白对照。试验开始后，隔4 d添加少量蒸馏水至刻度线，补充蒸发水量。试验在温州大学简易温室进行，温度为21~31 ℃，周期为20 d。

隔4 d采集水样，当天测定氨氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃⁻-N)、总氮(TN)和总磷(TP)质量分数。试验结束，取出植物，蒸馏水清洗后称鲜质量，将植株根、茎、叶、块茎分开，放入烘箱，105 ℃杀青0.5 h，75 ℃烘干至恒量，称取植物干质量，测定植物各部组织中磷、氮质量分数。

选择生长良好，高度基本一致的3种植物(高20 cm)各3株，分别放入塑料桶(大小与1.2.1中的相同)，以污染水体中常见的重金属Cu²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Pb²⁺为研究对象，与质量分数1% Hoagland营养液{上述配方中添加硝酸钙[Ca(NO₃)₂·4H₂O] 945 mg·L⁻¹，硝酸钾(KNO₃) 506 mg·L⁻¹，硝酸氨(NH₄NO₃) 80 mg·L⁻¹，磷酸二氢钾(KH₂PO₄) 136 mg·L⁻¹}配制重金属污染水体，体积为14 L，Cu²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Pb²⁺初始质量浓度分别为2.01~2.08、2.56~2.87、0.22~0.26、0.24~0.26 mg·L⁻¹。周期为20 d，每种植物设置3个重复，以不加重金属处理为对照。

将块茎切块后放入搅碎机，搅至泥状，置于烧杯。加水搅拌混匀，用纱布过滤，加水洗涤3次。滤液于阴凉处静置24 h，倾去3/4左右上层液体，余下部分放入离心机，2 000 r·min⁻¹离心10 min，倾去上层液体，沉淀物置于烘箱中，30 ℃烘干至恒量，冷却至室温，称量。

水中总磷和氨氮质量浓度参照《水和废水监测分析方法》(第4版)^[10]，总氮质量浓度采用TOC/TN分析仪测定，重金属质量浓度通过火焰原子吸收光谱仪测定。植物组织中氮质量分数通过浓硫酸(H₂SO₄)-混合催化剂法消解后，用全自动凯氏定氮仪测定；磷质量分数采用浓H₂SO₄-H₂O₂法消解后，通过钒钼黄比色法测定^[11]。块茎中淀粉质量分数采用酒石酸铜滴定法分析，淀粉中重金属质量浓度采用电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-OES测定。

数据采用SPSS 17.0软件处理，数据比较采用单因素方差分析(Turkey HSD)，Origin 8.0绘图。

从图1可见：3种植物对氮均具有良好的净化能力。试验期间，植物处理组氨氮和总氮去除率均显著高于对照(P＜0.05)，且前期差异更为显著。美人蕉和水芋组氨氮去除率以12 d为节点，分为快速增长和趋于平缓2个阶段。处理12 d，美人蕉和水芋组氨氮去除率分别达100%和95.9%。处理期间，黄菖蒲组氨氮去除率随时间增加而增大，未出现明显的节点。对照组氨氮去除率变化与美人蕉及水芋组相反，处理12 d内，氨氮去除率增加缓慢，后去除率增加显著。20 d时，植物处理氨氮质量浓度由7.37~7.53 mg·L⁻¹降至0.01~0.07 mg·L⁻¹，满足GB 3838−2002《地表水环境质量标准》之Ⅲ类水标准限值要求，去除率达99.1%~99.9%，对照组氨氮去除率为34.1%。

Figure 1.  Nitrogen removal by three plant species

3种植物对总氮的去除率变化趋势基本一致，均可分为快速增加和缓慢增加2个阶段。试验结束时，植物处理组总氮降至0.61~0.91 mg·L⁻¹，去除率达91.7%~94.5%。对照组总氮去除率随时间呈上升趋势，20 d时，总氮降至9.45 mg·L⁻¹，去除率为16.5%。3种植物对氮的净化能力无显著差异。

研究表明：水中氮的去除途径为植物同化吸收、根系吸附、氨挥发及硝化反硝化^[12]。当pH＜8.5时，氨挥发作用较小^[13]。从图1可见：3种植物处理组氨氮去除率均大于总氮。分析认为可能存在微生物作用，一部分氨氮经微生物的作用转化为硝态氮。但3种植物根系表面生物膜量较少，水中硝态氮质量浓度较低(硝态氮质量浓度＜0.05 mg·L⁻¹)，故氮的去除主要为植物的吸收作用，这与其他研究结果一致^[14-15]。静止水体易滋生藻类。后期对照水面出现少量藻类，藻类的吸收作用可能为对照氨氮和总氮去除的主要原因。

植物处理促进水中磷的去除。处理4 d，美人蕉、黄菖蒲和水芋处理组总磷去除率分别为36.9%、38.8%和49.6%，较对照高32.4%、34.3%和45.1%(图2)。与氮变化相似，植物处理总磷去除率也呈现2个阶段：快速增加和缓慢变化。试验结束时，植物处理总磷质量浓度降至0.025~0.031 mg·L⁻¹，满足GB 3838−2002《地表水环境质量标准》之Ⅱ类水标准限值要求，去除率为90.2%~94.0%。3种植物总磷去除率从大到小依次为美人蕉、黄菖蒲、水芋。试验8 d后，对照处理总磷去除率快速升高，20 d时，总磷质量浓度降至0.14 mg·L⁻¹，去除率为68.9%。对照组总磷去除率较高有2个原因，一是藻类吸收，二是水中部分磷酸根离子与Hoagland营养液中Mg²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺等金属离子形成沉淀。

Figure 2.  Phosphorus removal by three plant species

3种植物生长良好，没有出现叶片枯黄、腐烂等现象，植物生物量有不同程度的增加。20 d时，黄菖蒲、美人蕉和水芋平均生物量分别由136.0、138.1、140.0 g增至168.9、242.2、176.8 g，增幅分别为24.2%、75.3%和26.3%。可见，3种植物中，美人蕉的生物量增量最高，黄菖蒲和水芋则没有显著差异。吴建强等^[16]和洪瑜等^[17]采用浮床植物吸收水体氮磷时，也发现美人蕉的生物量增量远大于黄菖蒲。

20 d时，植物组织中氮、磷质量分数如图3所示。黄菖蒲无法分离茎和块茎，故而无茎数据。从图3可见，不同植物，氮磷的组织分布差异显著(P＜0.05)，同一植物，氮和磷在组织中的分布也不相同。美人蕉组，根、茎、叶、块茎中氮和磷质量分数均无显著差异，各组织中氮、磷质量分数分别为14.58~20.19和3.04~3.54 mg·kg⁻¹。黄菖蒲块茎中氮质量分数较高，为30.30 mg·kg⁻¹，分别比根、叶高15.2%和30.6%；磷则根中较高，叶和块茎中无显著差异。水芋中氮主要在叶中积累，氮质量分数达39.4 mg·kg⁻¹，高于其他组织62.1%~79.9%；茎、叶和块茎中磷质量分数无显著差异，但均显著(P＜0.05)高于根组织。对比3种植物块茎，黄菖蒲中氮质量分数显著(P＜0.05)高于其他2种植物；黄菖蒲与水芋的磷质量分数无显著差异，但均高于美人蕉。

Figure 3.  Contents of phosphorus and nitrogen in the tissues of three plant species

黄菖蒲、美人蕉和水芋块茎中，提取淀粉量分别为61.3、14.1和64.0 g·kg⁻¹。考虑到试验周期较短，块茎产量较低。在温州某河道内划定3个相邻的100 m²水域，分别种植黄菖蒲、美人蕉和水芋，8个月后收获植株，取块茎，得到3种植物的块茎产量分别为23.3、8.5和4.1 kg。因而，黄菖蒲、美人蕉和水芋块茎中可回收的淀粉量分别为14.3、1.2、2.6 kg·m⁻²。由此可见，种植黄菖蒲可得到相对较高的淀粉产量。

3种植物对重金属具有良好的净化能力。20 d时，植物处理组Cu²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺和Pb²⁺质量浓度分别降至0.13~0.43、0.09~0.15、0.04~0.07和0.05~0.06 mg·L⁻¹(图4)，优于GB 3838−2002《地表水环境质量标准》之Ⅴ类水标准。3种植物对4种重金属的净化能力各异，黄菖蒲处理组4种重金属的去除率从大到小依次为Zn²⁺(96.8%)、Cr³⁺(83.8%)、Cu²⁺(79.1%)、Pb²⁺(77.5%)；美人蕉组依次为Zn²⁺(94.3%)、Cu²⁺(93.7%)、Pb²⁺(74.9%)、Cr³⁺(69.7%)；水芋组则依次为Zn²⁺(96.2%)、Cu²⁺(84.7%)、Pb²⁺(80.5%)、Cr³⁺(74.4%)。20 d时，黄菖蒲块茎淀粉中铜、锌、铬和铅平均质量分数分别为10.30、46.7、12.03和1.74 mg·kg⁻¹，美人蕉块茎淀粉中4种重金属质量分数依次为12.68、44.67、8.15和1.32 mg·kg⁻¹，水芋块茎淀粉中4种重金属质量分数则依次为19.28、66.91、9.63和3.97 mg·kg⁻¹。这与水中重金属的去除率数据一致。由此可见，植物块茎中具有较高的重金属富集量。因此，污染水体中共存重金属时，不建议对植物块茎进行资源化利用。

Figure 4.  Concentrations of heavy metals in the water of three plant treatments

黄菖蒲、美人蕉、水芋3种块茎类挺水植物对水中氮磷具有良好的净化能力。氨氮、总磷初始质量浓度分别为7.37~7.53、0.41~0.45 mg·L⁻¹时，试验20 d时，植物处理组氨氮、总氮、总磷质量浓度分别降至0~0.10、0.61~0.91、0.025~0.031 mg·L⁻¹。满足GB 3838−2002《地表水环境质量标准》之Ⅲ类水标准限值要求。3种植物生长良好，未出现叶片枯黄、腐烂等现象。20 d时，黄菖蒲、美人蕉和水芋生物量(平均值)分别增加24.2%、7.3%和26.3%，块茎组织中氮质量分数分别为30.30、24.26，14.73 mg·kg⁻¹，磷质量分数分别为4.14、3.04和4.74 mg·kg⁻¹。黄菖蒲、美人蕉和水芋块茎中淀粉提取量分别为61.3、14.1和64.0 g·kg⁻¹。河道100 m²植物种植区，8个月后，黄菖蒲、美人蕉和水芋块茎可回收淀粉量分别为14.3、1.2、2.6 kg·m⁻²。

3种植物对水中Cu²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Pb²⁺具有良好的净化效果。黄菖蒲处理组4种重金属的去除率从大到小依次为Zn²⁺(96.8%)、Cr³⁺(83.8%、Cu²⁺(79.1%)、Pb²⁺(77.5%)；美人蕉组依次为Zn²⁺(94.3%)、Cu²⁺(93.7%)、Pb²⁺(74.9%)、Cr³⁺(69.7%)；水芋组则依次为Zn²⁺(96.2%)、Cu²⁺(84.7%)、Pb²⁺(80.5%)、Cr³⁺(74.4%)。黄菖蒲块茎淀粉中铜、锌、铬和铅质量分数分别为10.30、46.7、12.03和1.74 mg·kg⁻¹，美人蕉依次为12.68、44.67、8.15和1.32 mg·kg⁻¹，水芋则为19.28、66.91、9.63和3.97 mg·kg⁻¹。污染水体中共存重金属时，不建议对植物块茎进行资源化利用。