论文摘要
水问题是全球所面临的最热点环境问题之一,而由氮磷等营养盐所引起的水体富营养化不仅是水体污染最为普遍的现象,还是国内外水污染治理的难题。生态浮床技术是采用现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术,是富营养化水体原位修复的经济有效的、可行的绿色方法。本文以浙江本著的水生植物为研究对象,利用生态浮床技术深入研究了不同经济植物对富营养化水体的净化能力、环境因子包括pH和曝气、温度、浮床附生藻类等对浮床水生经济植物改善富营养化水体水质的影响、水生经济植物吸收NH4+-N和NO3--N的动力学以及富营养化水体中水生经济植物氮代谢酶特性与不同形态氮去除的关系、以及结合当前植物修复研究的最新趋势,从根际氮循环细菌的种群数量及其作用来揭示不同水生经济植物修复富营养化水体的差异。研究结果丰富了植物营养生态学、污染生态学和微生物生态学知识,为植物和微生物资源的开发和利用及其对富营养化水体的修复进程提供了必需的知识基础和理论指导。主要研究内容和结果如下:①不同经济植物对富营养化水体净化能力的比较研究为建立净化富营养化水体的生态工程,本试验选择水芹、水蕹菜、韭菜、葱、豆瓣菜、芹菜等6种经济植物,比较研究了其对不同N水平的富营养化水体的净化能力。结果表明:每种经济植物对水体总氮、总磷均有一定的去除作用,特别是豆瓣菜、水芹和水蕹菜,其在20d处理时,对高N水平的富营养化水体中总氮的去除率分别为92.5%,95.6%,98.2%。研究还表明,各植物处理的水中CODcr的浓度变化呈先降低后升高再降低的变化趋势,但韭菜和葱处理,水中辛味加重;除韭菜和葱外,其他经济植物处理的水中BOD5和Chla浓度变化均随处理时间的延长而降低。各项指标综合分析表明,对不同N水平的富营养化水体处理中,水蕹菜处理效果最好,水芹、豆瓣菜次之,芹菜居中,韭菜最差。②pH和曝气处理对水生经济植物改善富营养化水体水质的影响pH和曝气处理对水生经济植物净化富营养化水体影响的研究结果表明,不同pH处理6d后,植物系统中TN、CODMn、BOD5的去除效果在pH8.9处理下最好, TP的去除效果在pH6.7处理下最好, Chla的去除效果在pH5.0处理下最好;而无植物（对照）系统中,TN、TP去除效果在pH8.9下最好,BOD5去除效果在pH6.7下最好,CODMn、Chla去除效果在pH5.0下最好。植物和无植物系统中,曝气处理6d对TN去除率明显小于不曝气处理（P <0.001）,除豆瓣菜系统中,曝气还对CODMn去除产生一定的影响,但对TP和Chla的去除无影响。结果还表明,植物修复系统和无植物系统中,不同pH处理下,水体中NH4-N、NO3-N、NO2-N的去除效果均在pH8.9处理下最好,且在pH8.9和曝气联合作用下水体中NH4-N、NH4-N、NO3-N、NO2-N的去除率也最高。③水生经济植物-浮床附生藻类对富营养化水体水质改善的协同效果通过有光、避光控制,研究了水生经济植物与浮床附生藻类协同作用对富营养化水体水质的改善影响,结果表明,试验后水体中的藻类减少,但浮床上的附生藻类增多,且主要以小球藻（Chlorella.vulgaris）、小球衣藻（Chamydomonas. microsphaera）等绿藻为主。P-PFB和NP-PFB处理对水体中TN、TP、CODMn、BOD5的去除率比P和NP处理高,且P和P-PFB处理系统水体中TN、TP的去除率明显高于NP和NP-PFB系统。处理20d,P-PFB处理对水体中TN的去除率达76.8%以上,对TP的去除率在89.9%以上;而P处理对TN的去除率最高仅为61.1%;对TP的去除率最高为85.4%。P-PFB处理对水体中CODMn、BOD5的去除率达94.0%以上,而P处理对CODMn、BOD5的去除率最高为89.5%。P和P-PFB处理系统中NH4-N、NO2-N、Chla、DP浓度均随处理时间的延长而降低,且P-PFB处理下降较避光处理明显;而DO浓度随着处理时间的延长而升高,且P-PFB和NP-PFB处理明显高于P和NP处理。NP-PFB和NP处理的富营养化水体中NH4-N、NO3-N、NO2-N、DP浓度均比P和P-PFB处理高。结果还表明,WD和W地上部分N的净积累量分别为0.5908和0.3675mg·plant-1·d-1,P的净积累量分别为0.1530和0.0665mg·plant-1·d-1;而WD-PFB和W-PFB处理其地上部分N的净积累量为0.2566和0.1162mg·plant-1·d-1, P的净积累量为0.0548和0.0181mg·plant-1·d-1。④富营养化水体中水生经济植物氮代谢酶特性与不同形态氮去除的关系水芹和豆瓣菜对不同氮形态吸收的动力学差异和富营养化水体中水生植物体内氮代谢酶特性与不同形态氮去除关系的研究结果表明,两种水生植物对NH4-N,NO3-N吸收适合Michaelis-Menten酶动力学模型。其中,水芹对NH4+吸收的最大速率(Vmax)和米氏常数（Km）均明显大于对NO3-吸收的Vmax和Km值,而豆瓣菜对NH4+吸收的Vmax大于对NO3-吸收的Vmax,但吸收的Km值却明显小于对NO3-吸收的Km值。而且,水芹对低浓度的铵态氮和硝态氮的吸收能力较豆瓣菜要强。水芹和豆瓣菜体内GS活性与富营养化水体中TN、NH4-N去除存在极显著的相关性（r >0.91）,而GOGAT和NR活性与水体中TN、NH4-N、NO3-N、NO2-N去除呈指数衰减变化趋势,但无明显的相关性。⑤不同温度处理对水生经济植物净化富营养化水体能力的影响利用生态浮床系统研究了温度变化对水芹和豆瓣菜生长及其净化富营养化水体能力的影响,结果表明,10℃处理下的浮床植物下部叶片发黄、茎细且植株生长缓慢,且35℃处理的浮床植物叶片发黄更加严重,茎干更细（徒长现象严重）,且浮床豆瓣菜叶片上还有大量的蚜虫发生。而22℃处理下,植株生长正常及其高度介于10℃和35℃处理之间。22℃处理的浮床植物体内TN、TP的净积累量明显高于10℃和35℃处理,且35℃处理的又明显高于比10℃处理。不同温度处理下,浮床豆瓣菜体内TN和TP净积累量明显高于浮床水芹的（P <0.05）。不同温度处理,无植物浮床系统对TN去除效果为:10℃<22℃<35℃,而植物浮床系统则是:10℃<35℃<22℃,但各浮床系统对CODMn、BOD5去除效果为:10℃<22℃<35℃;10℃和22℃处理的豆瓣菜浮床系统对TN的去除率高于水芹浮床系统,而35℃处理的却明显低于水芹浮床系统;22℃与35℃处理下,水芹浮床系统对TN的去除率没有明显的差异,但对BOD5的去除率却明显低于豆瓣菜浮床系统。不同温度处理,各浮床系统中NH4-N浓度下降高低为:22℃>35℃>10℃,NO3-N、NO2-N浓度下降高低为:35℃>22℃>10℃,且植物浮床系统中NH4-N、NO3-N、NO2-N浓度的下降明显多于无植物浮床系统。处理5d后,10℃和22℃处理的豆瓣菜浮床系统中NH4-N的浓度明显低于水芹浮床系统,但35℃处理的两个植物系统中NH4-N浓度下降均无显著差异;22℃和35℃处理的豆瓣菜浮床系统中NO3-N浓度高于水芹浮床系统,但两植物浮床系统间NO2-N浓度下降无明显差异;各浮床系统中pH高低为35℃>22℃>10℃,豆瓣菜浮床系统中pH明显高于水芹浮床系统,但两植物浮床系统中pH均明显低于无植物浮床系统。但处理3d后,10℃处理的各浮床系统中DO浓度高于22℃和35℃处理,且10℃和35℃处理的豆瓣菜浮床系统中DO浓度较无植物和水芹浮床系统要高,但22℃处理的无植物浮床系统中DO浓度比植物浮床系统要高。⑥浮床系统中水生经济植物根际氮循环细菌及其作用的研究利用生态浮床系统,研究了浮床水生经济植物单作和混作对氮的去除效果及其根际周围硝化与反硝化菌种群数量以及硝化与反硝化作用速率的变化规律,结果表明,浮床水生经济植物混作系统对氮的去除效果优于植物单作和无植物系统,而植物系统又优于无植物系统,除8d处理外,各系统中氮的去除率由小到大分别为无植物系统<豆瓣菜系统<水芹系统<混作系统。水生经济植物单作与混作根际硝化细菌种群数量和硝化作用速率、反硝化细菌种群数量和反硝化作用速率均具有明显的差异;处理16d,硝化细菌种群数量多少及其作用速率大小为:水芹系统<混作系统<豆瓣菜系统<无植物系统;而反硝化细菌种群数量多少及其作用速率大小为:无植物系统<混作系统<豆瓣菜系统<水芹系统。