底栖藻类—苦草对猪粪废水中磷的滞留作用研究

裴国凤，何 月，顾新跃，王 青，王 岳

(中南民族大学生命科学学院，武汉430074)

底栖藻类和沉水植物作为水生态系统的重要初级生产者，能消耗水体中的氮、磷等营养物质，而磷是湖泊生态系统中初级生产力的主要影响因子之一，过剩的磷会导致湖泊富营养化［1］.

底栖藻类在许多生态系统中都表现出明显的磷滞留功能.小型人工系统中，在湖泊围隔，和浅水湖泊中，底栖藻均能增加从水体到沉积物的净营养流动［2］.Confer［3］等开展了容积为200 L 的小型人工构建系统试验，该系统包括_浮游藻与底栖藻两个群落，发现浮游藻中较大比例的磷转移到了底栖藻中.Havens等［4］在美国 Okeechobee湖设置3个样点，研究底栖藻与浮游藻对磷的摄取，发现对于湿地样点，75%的磷保持在底栖藻类中.许多研究证明，沉水植物具有良好的磷去除效果.在富营养浅水湖泊武汉东湖中建立大型试验围隔系统，在围隔中移栽苦草、狐尾藻、菹草等沉水植物.研究期间，水生植物围隔总磷水平显著低于未栽沉水植物的对照围隔和大湖水体，且季节性波动远低于对照围隔和大湖水体［5］.夏季优势种类金鱼藻、狐尾藻和苦草，通过室内人工模拟试验发现，在夏季30 d的试验周期中，苦草使水中总磷降低，对总磷去除效果优于狐尾藻，逊于金鱼藻［6］.

本文以在富营养化湖泊原位培养的底栖藻类群落和沉水植物苦草为研究对象，通过静态模拟试验，采用改良的淡水沉积物磷形态分离的标准测量和测试(SMT)连续提取方法，研究了底栖藻类-苦草对不同浓度的猪粪废水中磷的滞留作用，对磷分级提取，探讨了不同形态的磷的含量与比例，对研究湖泊中的磷循环具有重要的参考价值.

1 材料与方法

1.1 材料的采集和制备

以花岗岩(15 cm×8 cm×1 cm)为人工基质，清洗干净并晾干，置于武汉东湖水深20～30 cm沿岸带进行原位培养，20 d后将生长有底栖藻的人工基质收回，同时采集沿岸带的苦草，在温室内用取样点的湖水预培养1周.在养猪场采集的新鲜猪粪，处理后制备出一定浓度的猪粪废水.

1.2 试验设置和培养条件

取五个缸底铺约5 cm厚的细沙的玻璃缸(60 cm×22 cm×24 cm)，将长有底栖藻类的人工基质置于沙上，生长良好的苦草均匀栽于沙中，所有培养缸分别装有18 L不同浓度的猪粪废水(见表1).在21～24℃的温室内进行试验，以日光灯为光源，位于培养缸正上方，表层光照强度约为2500～3500 lx，在每个玻璃缸里设置1个曝气头，调节至相同曝气速度，试验周期为30 d.

表1 试验设计和条件Tab.1 Experimental design and conditions

1.3 总磷和磷形态的测定

从样品放入试验缸中时起，分别于0，10，20，30 d取样.用刀片从花岗岩基质上刮取适量藻垫，同时剪取适量苦草，分别置于坩埚中，于55℃烘箱烘干至恒重，得到干质，分别取藻垫干质与苦草干质各0.6 g，分别分成 3 份，每份 0.2 g，进行藻垫和苦草的总磷含量和磷形态组成测定，参照SMT法［7］连续提取各组分磷含量，主要分析总磷(Total Phosphorus，TP)、无机磷(Inorganic Phosphorus，IP)、有机磷(Organic Phosphorus，OP)、铁磷(Fe-bound Phosphorus，Fe-P)和钙磷(Ca-bound Phosphorus，Ca-P)，其单位均为μg/g·DW(干重藻垫).

2 结果

2.1 不同组别底栖藻类和苦草中TP的动态变化

不同组别底栖藻类和苦草中TP的动态变化见图1.图1中各组藻垫中 TP含量的初始值均为2995.05 μg/g.A、C、D 组藻垫中 TP 含量均在第10 d 达到最高，分别为 3164.68，3226.67，3061.90 μg/g，均表现出对磷的滞留(见图1a).通过比较发现，A、C组中藻垫的TP含量要高于D组，说明藻垫对水中磷的滞留能力与水体营养浓度正相关;同时C组藻垫的TP含量要高于A组，因为底栖藻类与苦草共存，苦草对其滞磷有促进作用.E组藻垫中的TP含量则持续下降，由于E废水中磷浓度显著低于采样点，藻垫中的磷扩散至上覆水.

各组苦草中的TP含量在试验期间变化规律不同(见图1b)，B、C组的TP含量均在第20 d达到最大值，分别为 13801.29，18863.27 μg/g;D 组藻垫中TP 含量在第10 d 达到最高(14137.04 μg/g)，B、C、D组苦草中TP的最高含量均高于初始值，表现出滞磷作用;而C组苦草中的TP含量要高于B组，表明在高浓度的猪粪废水中，底栖藻垫与苦草共存，也利于苦草对磷的滞留.E组苦草中TP含量的波动不大，在3675.10～5507.09 μg/g 之间，表明苦草对低浓度猪粪废水中磷的滞留作用不明显.

2.2 不同组别底栖藻垫中各组分磷的动态变化

不同组别底栖藻垫中各组分磷的动态变化结果见图2.图2中A组藻垫的IP含量于第10 d达到最大 (2646.86 μg/g)(见图2a);其中 Fe-P 含量呈现逐渐上升的趋势，而 Ca-P含量逐渐下降.藻垫中的OP 含量在248.11～392.55 μg/g之间变化.不同磷形态占TP的百分含量不同，IP达到TP浓度的80%～86%，其中Fe-P达到IP浓度的34%～64%，Ca-P达到IP浓度的17%～54%;OP占TP浓度仅为8%～17%.

图1 试验期间底栖藻垫(a)和苦草(b)中TP含量的动态变化Fig.1 The dynamic changes of TP content in the benthic algal mat(a)and Vallisneria natans(b)

C组藻垫中IP于第10 d达到最高含量2865.08 μg/g(见图 2b).Fe-P 与 OP 变化趋势相似，均在第20 d达到最高;Ca-P初始值即为最大值(1402.29 μg/g).C 组中 IP 占TP 达到67%～89%;而Fe-P占IP的42%～60%，Ca-P占IP的29%～54%;OP占TP的百分比为8%～19%.

D组藻垫中IP与Ca-P变化趋势相似，二者均于第10 d 达到最高含量(IP=2664.03 μg/g，Ca-P=1456.99 μg/g);Fe-P则呈持续下降趋势(见图2c);同时IP占TP比例达47%～87%，Fe-P占IP比例达36%～60%，Ca-P占IP达33%～54%.OP含量的波动范围不大，占TP百分比较低，为9%～21%.

E组藻垫中各磷形态含量均持续下降(见图2d).由于E组水中磷浓度远低于采样点磷浓度，因此藻垫原本所滞留的磷扩散到水中.在释磷过程中，Fe-P占TP比例由最初的36%逐渐下降到23%，Ca-P占TP比例由最初的47%下降到18%，说明Fe-P和Ca-P是不稳定的、容易释放的磷形态.IP是TP的主要形式，占TP的43%～86%，OP维持在较低比例，占TP的9%～18%.

图2 不同组别底栖藻垫中各组分磷含量Fig.2 The contents of phosphorus forms in the benthic algae mat from different groups

2.3 不同组别苦草中各组分磷的动态变化

不同组别苦草中各组分磷的动态变化结果见图3.图3中B组和C组苦草中四种形态P含量变化趋势基本一致，B组各形态磷含量均于第10 d或第20 d达到最高，C组各形态磷含量均在第20 d达到最大(见图3a，3b).两组别苦草中IP占TP比例分别高达76%～85%和85%～94%，两组别IP中均以Ca-P为主，所占比例最高均可达70%，而OP在TP中的含量均小于9%.

D组苦草中IP含量与Ca-P含量变化趋势相似，均在第10 d达到最高，而Fe-P含量与OP含量的变化趋势一致，均在第20 d升至最高(见图3c).分析比例关系，IP占TP的75%～90%，其中 Fe-P占IP的21%～58%，Ca-P占IP的38%～75%，OP占TP的4%～9%.

E组苦草中IP有明显下降趋势，IP中的Fe-P含量虽然有所增加，但Ca-P含量的大幅度下降决定了IP含量的不断减少(见图3d).OP含量有较小的增长趋势.IP在TP中的比例均大于63%，其中Fe-P占IP最高达91%，Ca-P占IP最高达75%，OP在TP中的比例为8%～11%.

图3 不同组别苦草各组分磷含量Fig.3 The contents of phosphorus forms in Vallisneria natans from different groups.

3 讨论

3.1 底栖藻类和苦草滞留磷的机理

底栖藻类对不同浓度的猪粪废水中TP的滞留量随试验时间先增大后减小，此过程与其群落发展有关.单位藻垫生物量所负荷的磷含量(TP/Chl a)随建群过程而增大［8］，说明随着群落发展，其结构越完善，滞留磷的能力越强.在藻垫开始衰亡后，所滞留的磷通过扩散的方式，或因厌氧条件而导致磷复合物不稳定，重新释放进入水体中.同时底栖藻类和苦草共存，有利于双方对高浓度的猪粪废水中磷的滞留.

底栖藻类对磷的滞留作用机理十分复杂，是物理、化学、生物因素相互作用的结果.首先，底栖藻类影响水流动力学，表现为弱化水流，延长了水力停留时间，导致短期营养滞留.其次，底栖藻通过改变周围环境理化指标影响磷的沉积.再者，底栖藻主动摄取、同化磷.底栖藻对磷的摄取率受其生物量、细胞代谢活性、细胞对磷的亲和性、传递到藻丛的平流磷运输等因素影响.

苦草中的磷除了直接来源于水体外，还可能由根吸收沙中的磷酸盐再运输到叶片中.苦草中的磷含量远高于底栖藻类，可能与苦草的根和营养体都有吸收矿质营养的能力相关，苦草与水接触的表面积更大，根也能从自然沉降到底部沙中的沉积物中吸收营养.此外，苦草也能通过改变环境的理化指标而影响磷的沉淀.

3.2 底栖藻类和苦草滞留磷的形态组成

底栖藻类和苦草滞留的磷形态主要是IP，OP所占比例极低，且变化不大，因为OP多为易分解的生物大分子，稳定性差，在一定条件下可水解或矿化分解为溶解性的小分子有机磷或溶解性磷酸根［9，10］.

Fe-P是农业废水中磷的主要形态，其沉淀过程由DO和PH共同影响，主要决定于DO.底栖藻和苦草发生光合作用释放的O2使得底栖藻生物膜表面和苦草表面氧化还原电位较高，铁氧化物中的Fe2+被氧化为Fe3+，Fe3+与溶解性磷结合形成复合物而沉淀［11］;氧化还原电位低时，Fe3+被还原为 Fe2+，铁的价态的改变使原本结合于Fe3+氧化物的磷释放［12］，金属-磷复合物解离进入上覆水中［13］.Ca-P沉淀主要由PH影响.在硬水湖泊中，无机磷与钙共沉淀，发生絮凝和沉积，最终进入沉积物，这种常见的磷沉积形式在富营养化控制中具有重要意义［14］.

A、C组底栖藻垫中Fe-P含量一直较高，并呈上升趋势，而Ca-P含量较低.Fe-P被认为是藻类可利用的磷形态［15］，其较高的含量为藻类的大量生长提供条件，这与观察到A、C组中底栖藻类一直生长较好相符合;Ca-P是生物不可利用的磷［15］，最终将流向沉积物中.D、E组底栖藻垫中Fe-P含量呈下降趋势，则可能与猪粪废水的浓度、底栖藻垫的衰亡有关.

4 结论

底栖藻类与苦草均对高浓度猪粪废水中的总磷具有较强的滞留作用.底栖藻类对磷的滞留能力在一定范围内随水体磷浓度增大而增大.藻垫与苦草所滞留的总磷均以IP为主要成分，分别占TP的43%～89%和63%～94%，其中Fe-P占IP的34%～64%和20%～91%，Ca-P占IP的17%～58%和7%～75%.

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