（环境工程专业论文）表面活性剂对浮萍治理富营养化水体作用影响研究.pdf

s t u d i e so n m a y , 2 0 1 1 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 以谁超日期：力f 年r 月尹e 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版气允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 日期：2 ol1 年玛i oe l e 1 期：a 口1 年r 月如e t 硕士学位论文 摘要 随着人口的增长和工农业的快速发展，水域的富营养化已经成为一个世界性 的环境问题。富营养化是一种氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染 现象。治理富营养化水体的多种措施中，水生植物修复技术是最具生态意义、也 是最具发展前途的治理技术。浮萍作为一种常见的水生植物，能分解、吸收、转 化氮、磷和有机物等营养物质，且具有优越的生长性能和广泛的用途，近年来采 用浮萍处理污水已成为环境领域的研究热点之一。然而，作为一类几乎渗透了所 有工业领域的非常重要的精细化工产品，大量应用的表面活性剂经过多种途径进 入到水体，对水体中吸收氮、磷，改善水质的水生植物产生一定的毒害作用。本 文采用室内培养方法，探讨了不同表面活性剂对浮萍的生长以及吸收氮磷的影响， 对评价表面活性剂的生态危害以及生态修复的植物筛选有一定参考价值。本论文 主要研究成果如下： 无表面活性剂影响时浮萍在模拟富营养化水体中生长良好并表现出很强的氮 磷去除能力；阴离子型表面活性剂l a s 、阳离子型表面活性剂c t m a b 及非离子 型表面活性剂t w e e n 8 0 对紫背浮萍去除总磷能力影响为l a s c t m a b t w e e n 8 0 ；表面活性剂的浓度在0 1 1 0 m g l 范围内时，对紫背浮萍去除氨氮能 力影响为t w e e n 8 0 c t m a b l a s ，且紫背浮萍对总磷的吸收比对氨氮的吸收 更易受影响；当浓度达到1 0 0 m g l 时，l a s 和c t m a b 的存在使紫背浮萍明显 受到损伤，吸收率出现负值，浮萍亦出现负增长，由此可见此浓度的l a s 和 c t m a b 已超过浮萍的耐受限值，可导致浮萍死亡。而非离子型表面活性剂毒性 相对最小，对紫背浮萍的影响明显低于阴离子型和阳离子型的表面活性剂。 在l a s 胁迫下，紫背浮萍体内p o d 活性随l a s 浓度的升高先增后降，浓度 为1 0 m g l 时，紫背浮萍p o d 活性达到最大；当l a s 浓度达到1 0 0 m g l 时，诱 导c a t 酶活性在2 4 h 内急剧增高，用以清除细胞中由于表面活性剂伤害产生的超 氧自由基，维持细胞平衡；随着培养时间的增加，各浓度下浮萍体内c a t 酶活性 最终趋于相似；低浓度活性氧存在的条件下，植物细胞可以通过提高细胞内保护 酶的活性清除活性氧，抵御细胞膜质过氧化，高浓度活性氧会破坏这种调节能力， 使细胞遭受到严重的过氧化损伤。 在高浓度磷培养液中培养7 d 后，l a s 在浓度为5 0 m g l 时使稀脉浮萍出现负 增长，而c t m a b 浓度为1 0 m g l 时，稀脉浮萍的生长量已为负值；相同浓度下， 三种不同类型表面活性剂对稀脉浮萍对总磷的去除能力影响为阳离子型表面活性 剂c t m a b 非离子型表面活性剂o p 1 0 阴离子型表面活性剂l a s ；对稀脉浮 - i i i a b s t r a c t w i t hp o p u l a t i o ng r o w t ha n dr a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y a n da g r l c u l t u r e ， e u t r o p h i c a t i o ni nw a t e r sh a sb e c o m e aw ，o r l d w i d ee n v i r o n m e n t a li s s u e e u t r o p h l c a t l o n i so n eo fw a t e rp o l l u t i o n sw h i c hc a u s e db yr e c e i v i n ge x c e s s i v en u t r i e n ts u b s t a n c e s 弧c ha sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s a m o n gv a r i o u sm e t h o d s f o rt r e a t i n ge u t r o p h l c w a t e r ，p h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y o fa q u a t i cp l a n t ss h o w sg r e a te c o l 0 9 1 c a i s i g n i f i c a n c ea n dd e v e l o p m e n t a lp o t e n t i a l s d u c k w e e d ac o m m o na q u a t l cp l 锄tw l t n s u p e r i o rg r o w t hp e r f o r m a n c ea n dw i d ea p p l i c a t i o n s ， i sc a p a b l eo fd e c o m p o s l n g ， a b s o r b i n ga n dt r a n s f o r m i n gn i t r o g e n ，p h o s p h o r u s a n do r g a n i cm a t t e r s i nr e c e n t v e 缸s ， s e w a g et r e a t m e n tu s i n gd u c k w e e dh a sb e c o m eo n eo ft h e h o t t e s tr e s e a r c h a r e a si ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n h o w e v e r ， a saw i d e l yu s e df i n ec h e m i c a lp r o d u c t i na l m o s te v e r yi n d u s t r y ， s u r f a c t a n tw o u l db et o x i c t ot h ea q u a t i cp l a n t so f i m p r o v i n gw a t e rq u a l i t yw h e n e n t e r i n gw a t e r i nt h i sr e s e a r c h ， i n d o o rc u l t u r em e t h o d w a sa p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so f d i f f e r e n ts u r f a c t a n t so nd u c k w e e dg r 0 似ha n d i t sa b s o r p t i o no fn i t r a t e sa n dp h o s p h a t e s ， w h i c hw o u l db ea ni m p o r t a n tr e f e r e n c ef o r a s s e s s i n gt h e s u r f a c t a n t s e c o l o g i c a l h a r ma n ds c r e e n i n gp l a n t sf o re c o l 0 9 1 c a l r e m e d i a t i o n m a jo rf i n d i n g sa r el i s t e da sf o l l o w s ： w i t ht h ea b s e n c eo fs u r f a c t a n t ，s p i r o d e l ap o l y r r h i z ag r e ww e l l i ns i m u l a t e d e u t r o p h i cw a t e ra n ds h o w e dg r e a tc a p a b i l i t yi nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a i t h e o r d e ro ft h ee f f e c t so ft h r e es u r f a c t a n t st o t o t a lp h o s p h o r u sr e m o v a lo fs p i r o d e ，口 p d ，y 厂砌拓口w a sa n i o n i cs u r f a c t a n t l a s c a t i o n i cs u r f a c t a n tc t m a b n o n i o n i c s u r l a c t a n tt w e e n - 8 0 i nc o n c e n t r a t i o no fo 1 1 0 m g l ，t h eo r d e r o ft h e i re f f e c t st o a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lo fs p i r o d e l ap o l y r r h i z aw a st w e e n 8 0 c t m a b l a s a n dt h es p i r o d e l ap o l y r r h i z a sa b s o r p t i o n o ft o t a lp h o s p h o r u sc o u l db em o r e v u i n e r a b l ya f f e c t e dt h a ni t sa b s o r p t i o no fa m m o n i an i t r o g e n u n d e r10 o m g l ，t h e s p i r o d e l 口p d l y r r h i z aw a ss i g n i f i c a n t l yh a r m e db yt h ep r e s e n c eo f l a sa n dc t m a b ， b e h a v i n gn e g a t i v ea b s o r p t i o nr a t ea n dg r o w t h t h u st h i sl e v e l o fl a sa n dc t m a b h a de x c e e d e dt h et o l e r a n c el i m i to fs p i r o d e l ap o l y ，r h i z aa n dc o u l dc a u s ei t s d e a t h n o n i o n i cs u r f a c t a n th a dr e l a t i v e l yl o w e s tt o x i c i t yt os p i r o d e l ap o l y r r h i z ac o m p a r m g t oa n i o n i ca n dc a t i o n i cs u r f a c t a n t s u n d e rt h es t r e s so fl a s ，t h ea c t i v i t yo fp o d i ns p i r o d e l ap o l y r r h i z ai n c r e a s e d f i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo fl a sc o n c e n t r a t i o na n d i n1 o m g l r e a c h e dm a x i m u ma c t i v i t y w h e nr e a c h i n g10 0 m g l l a s ，i n d u c e dc a te n z y m e 表面活性剂对浮萍治理富营养化水体作用影响研究 a c t i v i t yi n c r e a s e dd r a m a t i c a l l yi n2 4h o u r s ，w h i c hw a st oe l i m i n a t et h es u p e r o x i d e r a d i c a l si nc e l l sg e n e r a t e db yt h ep r e s e n c eo fs u r f a c t a n t sa n dt om a i n t a i nt h e c e l l s ， b a l a n c e w i t ht h et i m ei n c r e a s e ，t h ec a te n z y m e a c t i v i t yi ns p i r o d e l 口p d l y r r h i z 口 t e n d e dt os i m i l a r i t yu n d e ra l ll e v e l so fs u r f a c t a n t s u n d e rl o w c o n c e n t r a t i o n so fa c t i v e o x y g e n , t h ep l a n tc e l lc o u l de l i m i n a t et h a tb ye l e v a t i n gt h ea c t i v i t yo fi t sp r o t e c t i v e e n z y m e ；h o w e v e r ，h i g hc o n c e n t r a t i o n so fa c t i v eo x y g e nc o u l d d a m a g et h e a d j u s t m e n ta n dm a k et h ee e l ls u f f e r i n gs e r i o u sp e r o x i d eh a r m a f t e r7d a y s c u l t i v a t i o ni nh i g h l yc o n c e n t r a t e dp h o s p h o r u ss o l u t i o n ，5 0 m g l l a sa n dlo m g lc t m a b r e s p e c t i v e l yw o u l dc a u s et h en e g a t i v eg r o w t ho fl p 肌肌口 a e q u i n o c t i a l i s u n d e rs a m el e v e l s ，t h eo r d e ro ft h ee f f e c to ft h r e ed i f f e r e n tt y p e so f s u r f a c t a n t st ot o t a l p h o s p h o r u sr e m o v a lo fl e m m aa e q u i n o c t i a l i sw a sc a t i o n i c s u r f a c t a n tc t m a b n o n i o n i cs u r f a c t a n to p 一10 a n i o n i cs u r f a c t a n tl a s ， a n dt h a t t om a s sg r o w t ho fl e m m a a e q u i n o c t i a l i sw a sc t m a b l a s 0 p 10 k e yw o r d s ：s u r f a c t a n t ；d u c k w e e d ；a m m o n i an i t r o g e n ；t o t a lp h o s p h o r u s ； p r o t e c t i v ee n z y m e s - v 2 2 2 实验研究方法1 9 2 3 实验结果与分析2 2 2 3 1l a s 对浮萍吸收氮磷及其生长量影响2 2 2 3 2c t m a b 对浮萍吸收氮磷及其生长量影响2 4 2 3 3t w e e n 8 0 对浮萍吸收氮磷及其生长量影响2 5 2 3 4 不同表面活性剂对浮萍富集氮磷及其生长量影响比较2 7 2 4 小结2 9 第3 章l a s 对浮萍酶活性影响3 1 表面活性剂对浮萍治理富营养化水体作用影响研究 3 1 引言3l 3 2 实验材料和研究方法3 2 3 2 1 实验材料3 2 3 2 2 实验研究方法3 2 3 3 实验结果与分析3 4 3 3 1l a s 对浮萍体内p o d 活性影响3 4 3 3 2l a s 对浮萍体内c a t 活性影响3 4 3 4d 、l g ；3 5 第4 章表面活性剂在高浓度磷培养液中对浮萍的影响3 7 4 1 引言3 7 4 2 实验材料与方法3 7 4 2 1 实验材料3 7 4 2 2 实验研究方法3 8 4 3 实验结果与分析。3 9 4 3 1 不同表面活性剂影响下水质总磷变化比较3 9 4 3 2 不同表面活性剂影响下浮萍生长量比较4 3 4 4 以、结。4 6 第5 章结论：4 8 5 1 不同表面活性剂对浮萍生长及吸收氮磷的影响4 8 5 2l a s 对浮萍酶活性影响4 9 5 3 表面活性剂在高浓度磷培养液中对浮萍的影响4 9 参考文献5l 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 5 6 致 谢5 7 硕士学位论文 插图索引 图1 1 浮萍16 图2 1l a s 结构式l7 图2 2c t m a b 结构式18 图2 3 吐温8 0 结构式l8 图2 4l a s 影响下水样氨氮含量变化_ 2 2 图2 5l a s 影响下水样总磷含量变化。2 3 图2 6c t m a b 影响下水样氨氮含量变化2 4 图2 7c t m a b 影响下水样氨氮含量变化2 5 图2 8t w e e n 8 0 影响下水样氨氮含量变化2 6 图2 9t w e e n 8 0 影响下水样总磷含量变化2 6 图2 1 0 不同表面活性剂不同浓度影响下氨氮吸收率比较2 8 图2 1 l 不同表面活性剂不同浓度影响下总磷吸收率比较2 8 图2 1 2 紫背浮萍生长量随表面活性剂浓度的变化2 9 图3 1l a s 胁迫下紫背浮萍p o d 酶活性随时间的变化4 4 图3 2 不同l a s 浓度胁迫下紫背浮萍p o d 酶活性变化4 4 图3 3l a s 胁迫下紫背浮萍c a t 酶活性随时间的变化4 5 图3 4 不同l a s 浓度胁迫下紫背浮萍c a t 酶活性变化4 5 图4 1 总磷标准曲线5 0 图4 2 不同l a s 浓度下水样t p 含量随时间的变化曲线5 0 图4 3 不同c t m a b 浓度下水样t p 含量随时间的变化曲线5 1 图4 4 不同o p 1 0 浓度下水样t p 含量随时间的变化曲线5 2 图4 5 高浓度磷培养液中表面活性剂影响下总磷吸收率比较5 2 图4 6 不同浓度l a s 胁迫下浮萍相对生长率比较5 4 图4 7 不同浓度c t m a b 胁迫下浮萍相对生长率比较5 5 图4 8 不同浓度o p 1 0 胁迫下浮萍相对生长率比较5 6 图4 9 高浓度磷培养液中不同表面活性剂影响下浮萍生长量比较5 6 表面活性剂对浮萍治理富营养化水体作用影响研究 附表索引 表1 1 各水生植物生长特点及修复机理比较1 4 表2 1 培养液的化学成分和配方2 9 表2 2 微量元素配方2 9 表2 3 铁盐溶液配方2 9 表2 4 不同l a s 浓度下浮萍生物量的变化3 3 表2 5 不同c t m a b 浓度下浮萍生物量的变化3 5 表2 6 不同t w e e n 8 0 浓度下浮萍生物量的变化3 7 表4 1 人工培养液及组成4 8 表4 2 高磷浓度培养液中l a s 胁迫下浮萍生物量的变化j 5 3 表4 3 高磷浓度培养液中c t m a b 胁迫下浮萍生物量的变化5 4 表4 4 高磷浓度培养液中o p 1 0 胁迫下浮萍生物量的变化5 5 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 水体富营养化与植物修复技术 1 1 1 水体富营养化 1 1 1 1 水体富营养化概述 水体富营养化是指在人类活动的影响下，为生物所需的氮、磷等营养物质大 量进入湖泊、河口、海湾等相对封闭或流动缓慢的水体，引起藻类及其他浮游生 物迅速繁殖，水体溶解氧含量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象 1 1 - 2 水体富营养化的主要特征是在夏季高温时期藻类大量繁殖、疯狂生长，产生 大量绿色丝带状的物质漂浮在水面上。这种现象出现在江河湖泊称之为“水花一 或“水华 ，出现在海洋则叫“赤潮一或“褐潮一等。在富营养化比较严重的湖 泊，会频发“水华 。 水体富营养化过程包含着一系列生物、化学和物理变化的过程，与水体化学 物理性状、湖泊河流等形态及其底质等众多因素有关，其实质是由于营养物质输 入输出的失衡，而造成湖泊河流等生态系统中物种分布的平衡被打破，导致单一 物种( 如藻类) 的疯长，从而进一步破坏了系统的能量流动和物质流动，致使整 个生态系统逐步走向消亡。 1 1 1 2 水体富营养化的危害 水体富营养化会影响水体的水质，使水体散发臭味，增加水体色度，释放有 毒物质。富营养化影响水资源、生物资源和旅游资源的利用，降低水体的经济利 用价值，给饮用、工农业供水、水产养殖、旅游以及水上运输等带来巨大损失， 并对人体健康构成危害。 首先，是对生物群落的影响。由于水体中氮、磷元素的增加，促使某种藻类 或浮游生物迅速生长繁殖，使浮游生物的生物量迅速增加，这时浮游生物的物种 数却大大减少，物种之间的生态关系和生态系统的平衡被打破。 其次，由于水中表层浮游植物或藻类的大量生长繁殖，覆盖于水体表面，造 成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用和氧 的释放。而深层水体中的溶解氧不断地被大量死亡藻类的分解所消耗，又由于光 合作用微弱无法产生新的溶解氧作为补充，因而导致深层极低的溶氧水平，有时 甚至出现厌氧状态。生活于深层水体的水生动物，如鱼类等，由于得不到适量的 氧而使呼吸作用受到抑制，无法进行正常的代谢活动，最终导致死亡。 表面活性剂对浮萍治理富营养化水体作用影响研究 第三，富营养化水体中底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生有害气体， 对水生生物，特别是鱼类产生毒害作用1 3 】。 另外，富营养水体中的一些藻类能分泌和释放毒素，引起水体中水生动物中 毒死亡，降低了水体生态功能，破坏水体生态系统。 总之，水体富营养化问题不是一个简单的水体污染问题，而是生态系统失调 问题，是生态系统的结构功能在人类活动的干预下发生了重大变化之后出现的一 种灾害。近年来，国内外的专家学者对水体富营养化进行着不断深入的研究，但 是结果却不尽如人意，彻底治理水体富营养化决不是一朝一夕的事情。 1 1 1 3 水体富营养化现状 在英、法等国，氮素流失已经成为水体污染的主要成因，从土地流失的氮和 磷等营养物质进入湖泊、水库、河口、海湾、近海等缓流水体后，在适宜的环境 条件下，会使水体某些藻类或植物疯长，产生水华、赤潮和富营养化，从而导致 严重的生态灾难和水生生物的大量死亡；富营养化已经成为美国各个河流、溪流、 湖泊、水库和河口遭受损失的最主要的原因，美国的2 0 8 4 个湖泊、河流等由于氮 磷的过量而不能达标的水体占6 l 【4 - 5 】。美国最大河流的入海1 2 1 、世界最大的咸水 湖一切萨皮克湾的富营养化问题已对水生植物和动物群落产生了严重危害；由于 流域内人口增加所造成的生活和工业污水排放已导致了瑞典南部的t r u m m e n 湖蓝 绿藻水华爆发及缺氧以致鱼类死亡现象也十分严重；从1 9 6 0 年到1 9 7 0 年，未充分 处理污水中的磷流入位于瑞士、奥地利和德国的国际湖泊博登湖，造成了富营养 化；城市污水的大量排放已使日本的k o j i m a 湖的富营养化程度加剧，如该水体中 的总氮( t n ) 、总磷( t p ) 年平均浓度分别为1 5 m g l 和0 2 m g l ( 日本环境 标准则分别为1 0 m gl 卅和0 1 m gl 。1 ) 1 6 j 。 根据( 2 0 0 6 中国环境状况公报【7 1 ，在我国2 7 个国控重点湖( 库) 中，v 类 和劣v 类水质的湖( 库) 达到1 8 - 4 ，占到6 7 ，其中巢湖水质为v 类，太湖和滇池 为劣v 类；而在9 个重点国控大型淡水湖泊中，兴凯湖为i i 类水质，洱海为类水 质，镜泊湖为类水质，洞庭湖、鄱阳湖为v 类水质，洪泽湖、南四湖和白洋淀 为劣v 类水质。除了大型湖泊外，城市内湖也面处于同样的境地。在监测统计的5 硕士学位论文 总之，由于经济发展，人口膨胀以及人类对自然资源不合理的开发利用，世 界范围内的地表水和地下水中的污染物( 包括无机无毒物，无机有毒物，有机无 毒物，有机有毒物) 都在不同程度上呈现出上升的趋势，其中以氮、磷等植物 营养物质的逐渐积累和不断富集所造成的全球水体富营养化现象日益严重。水体 富营养化现象是当今世界水污染治理的难题，已成为全球最重要的环境问题之一。 1 1 1 4 氮磷与水体富营养化 水体富营养化的根本原因是：水体溶入超过水体自身承受量的氮、磷植物性 营养物质【引。水中氮和磷的化合物是水生植物生长所必需的营养成分。在适宜的 光照、温度、p h 值和具备充分营养物质的条件下，天然水中藻类进行光合作用， 合成本身的原生质。s t u n m 提出了藻类的“经验分子式 为c 1 0 6 h 2 6 3 0 1 1 0 n 1 6 p t 。 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n 0 3 + h p 0 4 2 + i1 2 h 2 0 + 1 8 h + + 能量+ 微量元素 一c 1 0 6 h 2 6 3 0 l l o n l 6 p l + 1 3 8 0 2 ，可见碳、氮、磷是藻类繁殖所需的重要营养元素。 藻类可以利用水中溶解的二氧化碳和有机物分解产生的二氧化碳作为自身生长所 需要的碳源，而氮和磷则是藻类生长的限制性因素【9 l 。据报道，水体中过量的氮、 磷等营养物质主要来自未加处理或处理不完全的工业废水和生活污水、有机垃圾 和家畜家禽粪便以及农用化肥l l 叭。 氮源 农田径流挟带的大量氨氮和硝酸盐氮进入水体后，改变了其中原有的氮平衡， 促进某些适应新条件的藻类种属迅速增殖，在这些水生植物死亡后，细菌将其分 解，从而使其所在水体中增加了有机物，导致其进一步耗氧，使大批鱼类死亡。 含有尿素、氨氮为主要氮形态的生活污水和人畜粪便，氨氮的大量排入，破坏了 正常的氮、磷比例，并且导致在这一水域生存的浮游植物群落完全改变，原来正 常的浮游植物群落是由硅藻、鞭毛虫和腰鞭虫组成的，而这些种群几乎完全被蓝 藻、红藻和小的鞭毛虫类所取代1 3 】。 磷源 水体中的过量磷主要来源于肥料、农业废弃物和城市污水。进人水体的磷酸 盐有6 0 是来自城市污水。在城市污水中磷酸盐的主要来源是洗涤剂，它除了引 起水体富营养化以外，还使许多水体产生大量泡沫。水体中过量的磷一方面来自 外来的工业废水和生活污水。另一方面还有其内源作用，即水体中的底泥在还原 状态下会释放磷酸盐，从而增加磷的含量，特别是在一些因硝酸盐引起的富营养 化的湖泊中，由于城市污水的排入使之更加复杂化，会使该系统迅速恶化，即使 停止加入磷酸盐，问题也不会解决。这是因为多年来在底部沉积了大量的富含磷 酸盐的沉淀物，它由于不溶性的铁盐保护层作用通常是不会参与混合的。但是， 当底层水含氧量低而处于还原状态时( 通常在夏季分层时出现) ，保护层消失， 从而使磷酸盐释入水中所致。 表面活性剂对浮萍治理富营养化水体作用影响研究 富营养化问题的关键，不是水中营养物的浓度，而是连续不断地流入水体中 的营养盐的负荷量，因此不能完全根据水中营养盐浓度来判定水体富营养化程度。 当主要来自于农田施肥、农业废弃物、城市生活污水和某些工业废水的过量营养 物质排入水体，超过水体中营养盐的负荷量，则会造成水体的富营养化。 从上世纪6 0 年代末，随着全球出现的海洋和淡水水体富营养化问题的不断加 剧，联合国环境规划署( u n e p ) 、世界卫生组织( w h o ) 、国际经济合作与开 发组织( o e c d ) 等众多国际组织以及世界各国都相继开始了富营养化形成机理 及其防治对策进行了大量的试验、实践与探索。水生生态系统和污染特性等诸多 差异，会出现不同的富营养化表现症状，而且该机理的研究所涉及的学科多种多 样，所以目前对富营养化形成机理的研究还处在初级阶段，有待更进一步的深入。 1 1 2 富营养化水体植物修复技术 在水体富营养化防治技术中，水生植物修复技术是最具生态意义、也是最具 发展前途的治理技术【1 1 】。生物修复是一门新兴的、低投资、高效益、便于运用、 发展潜力较大、环保效益好的新技术。生物修复是指利用生物的生命代谢活动在 一定的条件下减少存在于环境中有毒有害物质的浓度或使有毒有害物质完全无害 化，从而使污染的环境能够部分或者完全恢复到原始状态的一个受控或自发进行 的过程【1 2 1 。生物修复旨在依照自然规律，强化水体本身的自净能力，最终达到去 污的目的。 我国利用水生植物净化水质的研究始于7 0 年代中期，包括静态条件下单一物 种及多种植物配植对污染物浓度较高污水的净化作用，以及动态方法研究水生植 物对污水的处理效果。水生植物不仅可以去除污染物质，改善水体状况，还可以 美化水体环境，提高生物多样性，而且经济效益也相当可观【1 3 】。 1 1 2 1 水生植物净化机制 水生植物作为水生态系统初级生产者，生产潜力大，通过根系将氮磷富营养 化物质从污染水体或沉积物中转移到植物体内，当植物被收获时，这些氮磷物质 就从水环境中得以去除( k a i r e s a l o 和m a t i l a i n e n ，1 9 9 4 ；b a r k o 和j a m e s ，1 9 9 7 ) 。 水生植物主要是通过植物吸收、微生物降解以及物理化学作用去除污染环境中的 氮磷营养负荷，其中植物直接吸收同化作用是氮磷污染物根本去除的最终途径。 大量研究表明，水生植物对富营养化水体中氮磷的去除具有良好的效果( g e s s n e r ， 2 0 0 0 ；m a d s e n 和c e d e r g r e e n ，2 0 0 2 ) 。 1 ) 吸收作用 氮、磷是水生植物生长必不可少的营养物质。不少水生植物的生长速度快， 能大量吸收氮、磷等物质。如每公顷风眼莲每年可吸收氮1 9 8 9k g ，磷3 2 2 k g ：香 蒲可吸收氮2 6 3 0k g ，磷4 0 3 k g | 1 4 1 。富营养化水体中相当一部分氮、磷被水生植物 硕士学位论文 转化或保存在体内。当水生植物被运移出水体时，氮、磷等物质也一同从水体中 移出，达到净化水体目的。 2 ) 微生物降解 微生物的降解对修复富营养化水体仍起重要作用。尽管有植物的吸收，但硝 化和反硝化作用仍是主要去除机制( 约4 0 - - - 9 2 ) 。水生植物由于长期生活在 缺氧、弱光环境，已成为微生物载体，形成生物膜，其自身物理性质及生理代谢 活动直接关系到微生物的降解作用。在水生植物根部存在有氧区和缺氧区，不仅 为好氧、兼氧和厌氧微生物提供栖生、繁殖场所，还影响微生物的硝化和反硝化 作用。在富营养化水体中微生物使反硝化菌和氨化菌等加速n h 3 - n 向n 0 2 n 和n 0 3 - n 转化，以便水生植物的吸收与利用，减少底泥向水体释放营养物质。 3 ) 物理吸附和沉降作用 水生植物的存在可减少因为风和鱼类活动所引起的沉积物的悬浮。抑制底泥 中营养物质的溶出，增加水体与植物间的接触，降低水体浊度。同时，当水体流 动时，水中的悬浮物、高分子有机物由于植物的阻挡及植物表面微生物黏液的凝 聚作用而沉降，不溶性胶体可被根系黏附和吸附。 另外，水生植物对藻类存在他感作用，能抑制浮游植物的生长。由于水生植 物覆盖水面，使水下光照减弱，又吸收了营养物质，导致与藻类在光照、营养、 空间上的竞争。同时水生植物对藻类还存在相生相克的作用。能分泌某些克藻物 质，可杀死藻类或抑制其生长。 1 1 2 2 不同水生植物在富营养化水体生态修复中的应用 水生植物是不同分类群植物通过长期适应水环境而形成的趋同性适应类型， 根据它们的形态、构造以及生长环境内水深浅不同等特点，分为挺水植物、浮叶 植物、漂浮植物和沉水植物( a l i 等，1 9 9 9 ) 。 表1 1 各水生植物生长特点及修复机理比较 沉水植物、挺水植物 沉水植物和挺水植物属于多年生大型水生植物，个体较大，对氮磷等营养元 素的生物积总量较大。而且它们既能够通过根部吸收底质中的氮磷，植物体还可 表面活性剂对浮萍治理富营养化水体作用影响研究 以直接吸收水体中的氮磷，净化周期长，是治理、调节和抑制水体富营养化的有 效途径之一，在水体生态修复的研究中己有很多学者采用。 沉水植物和挺水植物能够从底质沉积物中补充不足的营养，在水且植物群落 中占据营养竞争优势，但是在光照竞争中处于不利地位。而且它们生长较为缓慢， 生长周期长，不易从水体中去除，将其连根拔除会破坏水体生态系统的结构，有 悖于水体生态修复的初衷。如果不将植物体从水体中取出，则其沉落腐败后，氮 磷等营养物质又重新释放入水体，造成二次污染，水体的富营养化水平并没有得 到很大改善，同时还形成强烈的生物促淤作用，加速水体沼泽化进程。如果考虑 只收割植物体，其操作过程也相当繁杂。 漂浮植物 漂浮植物的生长力很高，而且收割十分容易，简单的工具就能将其从水面捞 起，对整个水体不会造成过多影响，从而能够将氮磷等营养物质从水体中彻底去 除，降低水体富营养化程度。漂浮植物应用于富营养化水体生物修复系统不需要 很多的前期投入和辅助手段，实际运行操作简单便捷。 漂浮植物主要代表种类有凤眼莲、水花生、水浮莲、浮萍等。但是风眼莲的 繁殖能力过强，能够在很短的时间里占领整个水域，将其它植物种类排挤掉成为 优势种，使整个水生生态系统的物种多样性大大降低，同时阻隔水体与外界的阳 光、空气交换，降低水体中的溶解氧，不利于生态系统的健康发展。如果应用风 眼莲进行富营养化水体生物修复，必须严格控制其繁殖速度，以免引起外来物种 入侵问题。凤眼莲、水花生、水浮莲等对富营养化水体氮磷去除效果十分良好， 但是由于其植株生长快，且纤维含量高，营养价值低，后期利用价值不高，难以 真正做到资源化回收利用，存在二次污染问题。 1 2 浮萍在富营养化水体植物修复技术中的优势及应用 浮萍科( l e m n a c e a e ) 植物，通常简称浮萍，有5 属，3 8 种，世界各地均有分 布【”】，为飘浮或沉水的小形或微细的一年生植物。常雌雄同株( 稀异株) ，体为 未分化的扁平体，形状不一，有1 或数根【l6 1 。浮萍是一类自由漂浮的水生植物类 群，通常整个植株退化为1 个面积约几个毫米的叶状体，叶状体倒卵形、椭圆形或 近圆形，长1 5 , - - 6 毫米，两面平滑，绿色。叶状体背面着生有短小的根，植物体 可直接通过叶状体或根来吸收水中的氮磷等无机营养物质。浮萍我国常见浮萍种 类为稀脉浮萍、小浮萍和紫背浮萍【l 7 1 。 研究发现浮萍类植物可以在富含氮磷等无机营养物质的污水中快速生长，从 而能够大量富集污水中的氮磷，同时可将其转化为生物资源，因此浮萍类植物在 污水氮磷等营养物质的资源化方面具有非常大的应用潜力。浮萍作为一种常见的 水生植物，能分解、吸收、转化氮、磷和有机物等营养物质，且具有优越的生长 硕士学位论文 性能和广泛的用途，近年来采用浮萍处理污水已成为环境领域的研究热点之一 n 8 1 9 】 o 图1 i 浮萍 1 2 1 浮萍去除水体氮磷的机理 对于浮萍系统而言，其对污水的净化与修复主要是依靠植物体的吸收作用， 而且无论是有机氮还是不溶性的磷，都必须先被微生物分解为可溶性的小分子， 才能被植物体吸收【2 们。 1 2 1 1 氦的去除机理 植物的生长离不开氮，且需求量很大。从外界吸收的氮被用于植物蛋白的合 成以及植物生命代谢活动。植物合成蛋白质所需的氮，通常以n h 4 + 和n 0 3 的形态 存在于水中。由基础研究可知，n h 4 + 是最易被浮萍吸收的氮形态，浮萍在不能获 取氨氮的情况下，也能吸收硝态氮，但是吸收能力较前者弱。在浮萍系统中，除 了浮萍具有除氮能力，微生物、物理、化学作用也起到一定的除氮效果，只是效 力不同 2 0 1 。 1 2 1 2 磷的去除机理 污水中溶解的磷是水生植物生长的必须元素，它的去除可以由浮萍直接吸收 达到。但是，污水中除了可溶性的磷，还有含磷固体颗粒，这些固体颗粒通过沉 淀作用成为底泥。在收获浮萍以及挖掘底泥时，最终达到除磷的目的。 d b s 系统的除磷机制包括浮萍吸收、微生物同化作用、与离子共同沉淀、被 粘土和有机物质吸附等。一些磷吸附于浮萍的叶状体及根部，并随收获同时被带 出污水【2 0 1 。 1 2 2 浮萍在富营养化水体植物修复中的应用优势 浮萍喜生于池沼、湖泊及富含有机质的静水水域，分布范围广，繁殖快，对 氮磷吸收率高，在废水处理系统和自然水体修复中进行应用非常有潜力。浮萍全 草可入药，而且与水浮莲、风眼莲和水花生相比，浮萍粗脂肪含晕和含水量最高， 表面活性剂对浮萍治理富营养化水体作用影响研究 粗纤维素含量和灰分均最低( 印万芬，1 9 9 8 ) ，蛋白质含量高，约占干重的1 5 - 4 5 ， 含有不同的氨基酸化合物，且细胞壁不含木质素，易于消化，是优良的禽畜饲料 和色类饵料，为其后期开发利用提供良好的发展前景。 因为茎叶等结构组分的消失，浮萍的大部分组织都能够进行光合作用，整个 植物体都具有新陈代谢活性，所以被认为是世界上生长力最旺盛的植物之一。而 且浮萍的每个叶状体都能够直接从水体中吸收营养和水分，其他高等维管束植物