图1 水生植物滤床工艺流程图 fig. 1 flow chart ofhydrophyte filter bed |
当前，淡水水体富营养化问题日趋严重，水华现象频繁发生，优势蓝藻释放的微囊藻**(microcystin,mc)尤其影响着居民的饮水安全。mc具有明显的肝毒性，被发现是*强的大田海绵酸型肿瘤促进剂[1-2]。对于淡水富营养化、藻**污染的控制以及饮用水水源水中藻**的有效去除，是当前迫切需要重视的焦点问题。各种藻**处理方法对藻**去除效果报道不一，而且往往受副产物、实际操作性、经济可行性等因素制约，对于藻**去除仍没有一致公认的切实可行的方法。研究经济、实用、高效的藻**去除方法，对于改善我国富营养化水体水质及居民健康防护有着重要意义。
人工湿地作为一种生态处理系统，已有近半个世纪的发展历史。近年来，其应用范围被扩展到处理富营养化淡水水体领域[3]。有研究[4]利用两套上行流-下行流人工湿地对mc质量浓度为0.117μg/l原水进行处理，去除率分别为68.5%和34.6%，并认为**的降解作用可能是藻**去除的主要机制。本研究采用的水生植物滤床(hydrophytefilter bed，简称hfb)是一种新型的人工湿地系统，以水生植物为核心，水生动物及微生物共生，不填充任何介质，实现物理过滤和生物处理相结合，具有工艺简单、运行管理方便、水力负荷大、投资低、生态环境效益及经济收益显著等特点[5]。
图2 植物栽培水路单元示意图 fig. 2 schematicdiagram of unit channel for plantation |
作者对hfb去除氮、磷营养元素已进行了比较深入的研究[6-7]。本文以中试规模的hfb为依托，考察其对微囊藻**的去除特性，并研究了植物组合方式、水力负荷等对藻**去除效果的影响。
1 材料与方法
1.1 试验设施
试验设施建于太湖西岸湖滨，总占地1900m2，植物种植面积1420m2。水生植物滤床用砖石混凝土建造，内部不填充基质。首端为进水配水渠，末端为出水集水渠，中部是植物栽培区，如图1所示。
栽培区采用三级串联的形式，级间池底标高顺水流方向逐级降低15cm；每级又分隔成21条栽培水路，水路是水生植物滤床的基本单元，为矩形浅池，长、宽、深分别为15 m、1.5m和0.3m，如图2所示。水深通过活动堰板调节。河水经泵提升至配水渠，再经过pvc管以重力流方式进入各条水路，出水汇集至出水渠后返回河流。试验采用连续进水方式，有效水深为10 cm。
1.2 试验水源
试验原水取自太湖流域宜溧河水系的，该段紧临陈东港入湖口，夏秋季节蓝藻频发。
1.3 试验植物及种植方法
不同单元的第ⅰ级分别种植空心菜(ipomoea aquatica)、睡莲(nymphaeatetragona)和茭白(zizanialatifolia)；第ⅱ、ⅲ级均种植空心菜，形成前后不同植物组合方式的三套hfb系统：即全程种空心菜（简称k-hfb系统）、“睡莲—空心菜”组合（简称s-hfb系统）、“茭白—空心菜”组合（简称j-hfb系统）。同时设置空白对照组（c组），即种植槽中不种植任何植物。本文试验内容在7—10月份开展，其间水温为23℃~32℃。
1.4 检测项目及方法
1.4.1 微囊藻**检测方法
采用高效液相色谱(hplc)法:
1)水样预处理。胞内胞外总藻**tmc(tmc-rr，tmc-lr)检测水样：取500ml水样按5%的体积比加入冰醋酸，混匀过夜，用whatmangf/c玻璃纤维膜过滤，滤液备用。胞外藻**emc(emc-rr，emc-lr)检测水样:取1l水样直接用whatmangf/c玻璃纤维膜过滤，滤液备用。胞内藻**imc(emc-rr，emc-lr)＝tmc－emc。
2)水样中mc的富集纯化。向预处理过的supelcoc18固相萃取(spe)柱中通入预处理后的水样，过柱流量不超过5ml·min-1；然后依次用40ml去离子水、20ml10%甲醇、20ml20%甲醇淋洗吸附了mc的spe柱，以尽量除去mc之外的杂质。c18spe柱预处理采用5ml甲醇清洗2次后用20ml去离子水清洗2次。
3)mc的洗脱与定容。用5ml含0.1%三氟乙酸(tfa)的甲醇分3次洗脱spe柱，将mc洗脱溶出于5ml带刻度的锥底管中；将锥底管置于45℃的水浴锅中，吹入净化的空气(经2层0.22μm滤膜过滤)，直至蒸发至约0.2ml，用含0.1%tfa的甲醇定容至0.4ml；将定容后的样品用0.45μm滤膜过滤，滤液装入样品瓶中，-20℃保存待测。
4)hplc检测。采用agilent1100高效液相色谱仪。色谱柱：zorbaxsb-c18柱(agilent,5μm，4.6mm×150mm)。流动相：甲醇及0.05%tfa水溶液进行梯度洗脱，流量为1ml·min-1，波长为238nm，加样量为20μl，柱温40℃。标样为mc-rr，mc-lr(日本和光纯药工业株式会社)，分子量分别为1038.21，995.17。
所用药剂除甲醇为色谱纯以外，其余均为分析纯。
1.4.2 其他项目的检测方法
常规水质指标的检测方法见表1。
表1 常规水质指标检测方法 table 1 determiningmethods for ordinary water quality index 分析项目 | 测定方法 | 高锰酸盐指数(codmn) | 酸性高锰酸钾滴定法 | 总氮(tn) | 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 | 总磷(tp) | 钼酸铵分光光度法 | 叶绿素-a(chl-a) | 丙酮双色分光光度法 |
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2 结果与分析
2004年7—10月期间，进水水样中藻**主要类型为mc-rr和mc-lr，存在形态表现为胞内藻**（imc）多于胞外藻**（emc）。不同取样时间进水中总mc-rr、总mc-lr的质量浓度情况见图3。其质量浓度以7月底水华大暴发时*高，胞内胞外总藻**达9.7864 µg·l-1，近10倍卫生限值质量浓度。本文下文主要以mc-rr、mc-lr两种不同类型藻**之和mcs（mcs＝mc-rr＋mc-lr）作为藻**去除效果评价指标。
图3 不同采样时间进水中总藻**质量浓度 fig. 3 totalmicrocystin concentration of raw water in differentsampling days |
2.1 k-hfb系统对mcs的去除效果
在水力负荷2.5m3·m-2·d-1条件下，k-hfb系统对微囊藻**（mcs）去除结果如图4所示。
图4 空心菜植物滤床对mcs的去除效果 fig. 4 removal effectof mcs by hfb planted with ipomoea aquatica |
tmcs（tmcs＝tmc-rr＋tmc-lr）去除率在36.5%~75.8%之间，平均去除率为59.4%，不同时间组间有显著性差异（方差分析，p<0.05），8月上旬去除率*高，平均达72.5%；emcs（emcs＝emc-rr＋emc-lr）平均去除率为50.0%，9月*高，达61.8%，组间差异有显著性（方差分析，p<0.05）；imcs（imcs＝imc-rr＋imc-lr）平均去除率为63.9%，组间差异无显著性。imc去除率显著高于emc（t检验，p<0.05）。
图6 不同植物组合滤床emcs去除率比较 fig. 6 comparison ofremoval rates for emcs by hfb systems withdifferent plants arrangement |
空白对照组的藻**去除效果如表2所示。出水中藻**质量浓度大多数情况下显著高于进水，出现负去除现象。尤其胞内藻**出水质量浓度增长较多，出现了几倍甚至几十倍的增长，分析其主要原因为：含有蓝藻的原水进入空白种植槽后，由于不存在其他植物与其竞争，使其可充分利用富营养化水体中的氮、磷营养源以及光源，进行光合作用，恶性繁殖，导致槽内的藻细胞数显著增加，从而使得出水中胞内藻**异常增加。
表2 空白组对藻**的去除效果 table 2 removal effectof mc by control system with no vegetation | tmc | emc | imc | mc-rr | -363.1% | 31.7% | -2040.7% | mc-lr | -224.1% | 4.8% | -280.7% | mcs | -284.2% | 18.7% | -653.8% |
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空白对照组对胞外藻**虽有一定去除效果，但去除率仍显著低于有植物的试验组（t检验，p<0.05）。与不种植物的空白组比较，hfb系统对于mc有显著的去除作用，进一步充分说明hfb系统中植物的存在对于mc的去除至关重要。分析其对于胞内胞外藻**的处理作用可能的因素有：水生植物致密的根系滤网的物理截留，根系表面生物膜吸附固定，以及根系间隙的活性生物絮体的生物絮凝、沉淀作用[8]；同时植物根系为微生物提供了有利的生存条件、富集载体，以利于微生物对胞外藻**进行高效降解[9]；植物根系上附着生长与水中浮游生长的原生动物、后生动物对藻类的捕食作用[10]，从而降低质量浓度。
2.2 不同植物组合方式hfb系统mcs处理效果
在相同水力负荷2.5m3·m-2·d-1条件下，对不同植物组合滤床湿地系统进出水的tmcs、emcs进行采集测定，对其处理藻**效果进行比较。结果如图5所示。
三种植物组合的水生生物滤床对于tmcs的去除，总体上无显著性差异(方差分析，p>0.05)。k-hfb、j-hfb、s-hfb系统对于胞内胞外藻**tmcs的平均去除率分别为：61.7%、60.2%、56.1%。
图5 不同植物组合滤床tmcs去除率比较 fig. 5 comparison ofremoval rates for tmcs by hfb systems withdifferent plants arrangement |
胞外藻**（emcs）去除效果比较见图6。k-hfb、j-hfb、s-hfb系统对胞外藻**总和(emcs)的平均去除率分别为：57.3%、46.0%、46.8%。以时间、mc类型作为区组因素，进行方差分析发现，植物组合因素有显著性意义，k-hfb系统对emcs的去除率显著高于其余两系统（方差分析，p<0.05）。
不同植物组合的hfb系统，k-hfb系统对胞外藻**去除效果优于j-hfb和s-hfb系统，但总藻**去除效果三者无显著性差异。表明空心菜是一种效果很好的应用于hfb处理系统的水生植物，另外在兼顾食用价值、观赏价值及生物多样性的情况下，可在流程上将一些其他水生植物套种在空心菜前，还可以避免原水中一些重金属在蔬菜中可能的蓄积[11]。
2.3 水力负荷对藻**去除效果的影响
水力条件（水力负荷）影响试验在5个单元种植槽中进行，均种植空心菜(ipomoeaaquatica)，试验期间，每个单元槽的植物初始种植量、生长状况相似，试验平行进行，以便排除进水水质、温度、植物生长阶段以及运行时间等因素的干扰。通过改变进水流量得到不同水力负荷，5个试验单元的水力负荷分别调节为1.0、3.0、4.0、5.0、6.0m3·m-2·d-1。对进水及每个试验单元ⅰ级出水的tmc进行检测，计算去除率，结果见图7（下页）。
图7 水力负荷对tmc去除效果的影响 fig. 7 effect ofhydraulic loading rate on tmc removal efficiency |
不同水力负荷对mc-rr、mc-lr去除率的影响规律有一定差异。水力负荷较小时，mc-rr的去除率较高，而水力负荷在中等负荷时，mc-lr的去除率较高。对于mcs而言，在1.0~6.0m3·m-2·d-1水力负荷条件下，hfb去除mcs的效果无明显差异，数值上表现为3.0~5.0m3·m-2·d-1时去除率较高。总体上看，在试验范围内，水力负荷对藻**去除效果的影响较小。这也从另一个角度说明，hfb系统去除藻**的机制存在多样性，除了随藻细胞被机械过滤截留[8]而去除一部分胞内藻**以外，微生物降解[9]、光降解[12]、底泥吸附[13]等都是藻**去除的可能途径。关于hfb系统内部去除藻**的机理值得深入研究。
2.4 mc与其他富营养化指标处理效果之间关系
2.4.1 mc去除与chl-a去除的关系
三种不同植物组合的hfb系统，chl-a平均去除率为67.1%，其中k-hfb系统*高去除率达84.1%，优于j-hfb和s-hfb系统。与同批tmcs去除情况相比，结果较为一致，即k-hfb系统优于其他两组。将chl-a及tmcs的去除率作为两变量进行线性相关分析，结果显示两者线性正相关（r=0.7105，p＜0.05）。
2.4.2 mc去除与有机物和氮、磷去除的关系
各系统同批次水样的codmn、tn、tp去除率与藻**去除率之间关系见图8。相关分析结果显示：codmn去除率与tmcs去除率成直线正相关性（r＝0.6228，p＜0.01)；tp去除率与tmcs去除率成直线正相关性（r = 0.7739，p＜0.001）。但tn去除率与tmcs去除率无明显的线性关系。
3 结论
图8 tmcs去除与codmn、tn、tp去除关系 fig. 8 correlationsbetween tmcs removal efficiency and codmn,tn, tp removal efficiency |
（1）应用水生植物滤床（hfb）进行富营养化水体中微囊藻**的处理在技术上是可行的，总藻**去除率在36.5%~75.8%之间，平均去除率为59.4%；胞外藻**平均去除率为50.0%；胞内藻**平均去除率为63.9%。
（2）不同植物组合的hfb系统对总藻**的去除效果无显著差异。因此兼顾食用价值、观赏价值及生物多样性等因素，可进行一些水生植物的搭配种植。
（3）水力负荷在 1.0~6.0 m3·m-2·d-1的范围内，hfb系统去除总藻**效果无显著差异，表明除过滤截留作用外，hfb系统内还存在其他去除藻**的机制。
（4）hfb系统对水体中总藻**的去除与富营养化指标（叶绿素-a、codmn、tp）的处理效果呈直线正相关性。藻**可作为辅助指标从健康效应角度来反映富营养化水体水质改善情况。
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