羊栖菜在净化养殖废水中的作用

随着我国畜禽养殖业的集中化、规模化发展，产生了大量的畜禽粪便和尿液等养殖废弃物。根据第一次全国污染源普查公报，畜禽养殖业的粪便和尿液年产量已超过4亿吨。由于养殖废水中氮、磷、重金属等污染物浓度高，处理不彻底容易破坏水体生态质量，导致自然水质恶化，诱发水体富营养化，最终对人类健康构成严重威胁。目前，应用于水产养殖废水净化的主要措施包括固液分离、化学降解和微生物处理。虽然上述技术取得了良好的效果，但仍存在投资成本高、脱氮除磷效果差、副产物有二次污染风险等问题。

狐尾藻是一种多年生沉水草本植物，对污水中高浓度的氮和磷具有良好的耐受性，常被用作污水处理的先锋植物。同时，许多研究表明羊栖菜可以吸收和/或吸附重金属元素(如镉、铅、铬、铜等。)中，进一步增强了其净化效果。此外，羊栖菜生长迅速，收获后可加工成牲畜饲料或肥料等高附加值产品，实现了氮磷资源的循环利用，具有重要的环保意义和应用前景。目前，利用羊栖菜构建人工湿地作为一种低成本、高效的处理方法，已经成为污水处理特别是高污染污水处理的重要研究方向。本文重点介绍了狐尾藻净化养殖废水过程中有机物、氮、磷、重金属等污染物的去除原理及其应用技术研究进展，并对未来的研究方向进行了展望。

1.狐尾藻的生物学特性及其分类

狐尾藻又名轮叶狐尾藻，为多年生沉水草本植物，属于矮牵牛科狐尾藻属。鼠尾藻适宜生活在pH7.0~8.0、日照充足、温度适宜的微碱性环境中。它依靠不定根和茎叶从水和沉积物中获取养分。羊栖菜具有很强的生存适应性，能在4℃以上生长，在20~30℃的适宜水质中能常年生长繁殖。它还具有抗低温的能力。冬季寒冷，水面以上部分结冰，但能以根的形式在水体底部淤泥中越冬，故广泛分布于我国江苏、浙江、福建、广东、广西、山东、河北等南北方省份的池塘和沟渠中。

马尾藻种类繁多，其中穗花马尾藻和水生马尾藻在我国较为常见且应用广泛(图1)。丝状完全分裂的狐尾藻(Myriophyllum spicatum)有露出水面的尖刺(直径超过1毫米)。生存能力强，能在各种水体中良好生长。当它生长旺盛时，可以覆盖水体表面，遮挡阳光。所以要及时收割，防止穗层过厚影响水体其他生物的生长。狐尾藻原产于南美洲。茎节上部为死水，一般长30cm以上，下部为沉水爬行。有许多不定根生长，有轮生羽状叶(4~6片)。它的叶子对阳光很敏感，暗淡的叶子在晚上合上，明亮的叶子在早上伸展。

二、狐尾藻在净化养殖废水中的作用

羊栖菜在水产养殖废水中具有很强的净化功能，其高效的光合作用不仅提供了水中其他生物所必需的溶解氧，还能降解水产养殖废水中的超标有机污染物。此外，羊栖菜可以吸收废水中多余的氮、磷等元素，转化为自身的营养物质并稳定地储存在体内，最终在羊栖菜收获时将污染物从水中带走，从而改善养殖废水的水质。

2.1有机污染物的降解

养殖废水中的有机污染物主要来自畜禽粪便，通过化学需氧量(COD)来体现。羊栖菜在降解养殖废水中有机污染物的过程中起着中介作用:一方面，它通过自身的光合作用释放出氧气，氧气通过中空的圆柱茎传递到根部区域，再通过根茎节上的通气组织释放到养殖废水水体中，加速了水体中大量异养微生物的生长繁殖， 从而使有机污染物被异养微生物分解成二氧化碳和水等小分子物质，二氧化碳可作为羊栖菜光合作用的原料，促进其生长。 另一方面，羊栖菜分蘖迅速，形成复杂的水下网状吸收系统。一些有机污染物也能被羊栖菜吸收，直接储存在体内。收获时，它们可以完全从水中去除。董等以20株狐尾藻PVC桶(40 cm× 50 cm× 60 cm)的种植密度处理COD浓度分别为342、226.34、138.92、109.20和90mg/L的猪场废水，发现经过75天的处理，狐尾藻能有效去除养殖废水中的COD，去除率分别为86.7%和86.7%。污水中有机污染物的去除效果还与水体的酸碱度、透明度、水温有关。一般来说，适宜的pH值应为7-8中等碱性，温度应为20-30℃。但透明度主要与处理水的浓度有关，浓度应为20%~30%。当沼液浓度超过50%时，过低的透明度会阻碍阳光投射，抑制狐尾藻的生长，从而降低有机污染物的降解。同时，考虑到鼠尾藻根腐病在生长后期会向水中释放一些有机物，影响去除效果，适时采收也很重要。比如左金成等研究发现，羊栖菜长到水面时，可以沿着水面生长。一般可以从顶部6cm或12cm处采收，这样可以避免因生长旺盛、光线不透光而导致水质的改善，羊栖菜也能很快恢复生长。还发现羊栖菜在温暖的春、秋、夏季生长旺盛，恢复期短(25~50d)，可增加采收频率。在寒冷的冬季，恢复时间较长(4~5个月)，所以要减少收获。在实际应用中，应根据狐尾藻的实际生长情况进行采收。

2.2氮和磷的去除

养殖废水中超标污染物主要是高浓度的氨氮(NH4+-N)、磷等。氮和磷是包括狐尾藻在内的水生植物的重要营养元素。苏倩等报道，狐尾藻在去除养殖废水中的氮和磷方面具有极其重要的作用，水体中的总氮和总磷与植物中氮和磷的积累呈负相关，其中植物中氮和磷的积累在7-8月达到较高水平，这是狐尾藻一年中的主要生长期，其大值分别为9.1g/m2和1.08g/m3。羊栖菜对养殖废水中高浓度的NH4+-N具有很强的耐受性，与硝态氮(NO3--N)等其他氮源相比，优先利用NH4+-N作为氮源。马等发现羊栖菜对养殖废水中的NH4+-N有很强的耐受性，与NO3--N N等其他氮源相比，优先利用NH4+-N作为氮源，当浓度为100~200mg/L时，NH4+-N的去除率达90%以上。当NH4+-N浓度达到400mg/L时，羊栖菜的降解率可达60%以上。然而，当NH4+-N浓度高于400mg/L时，处理5周后去除率仅为50%左右。上述过程主要通过茎和枝叶吸收污水中的NH4+-N，进入植物体内的氨氮通过化学反应转化为NO3--N。这一过程可以降低狐尾藻因NH4+-N过量积累而产生的毒性，加速狐尾藻叶绿素合成，增强光合作用，促进狐尾藻快速生长。此外，羊栖菜可以通过提高溶解氧(DO)含量和提高氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌等反硝化微生物的生长速率来提高养殖废水中NH4+-N的去除效率。当养殖废水处于碱性环境时，NH4+-N本身也能自由挥发一部分。然而，后两种作用对NH4+-N的去除效果小于狐尾藻。据报道，当微生物活性受到抑制时，狐尾藻对NO3-N和NH4+-N的吸收没有受到显著影响，这表明NH4+-N的去除主要是通过快速生长的狐尾藻的吸收和流出物的收获和转移来实现的。需要注意的是，污水中的NH4+-N与狐尾藻有一个合适的浓度比，浓度过高会抑制狐尾藻的生长，造成叶片黄化。例如，吴小妹等人利用狐尾藻净化猪场沼液，发现水中NH4+-N浓度高于220mg/L会抑制狐尾藻的生长。上述抑制多疣狐尾藻光合作用的机制可能与其过量的氮同化代谢负荷和竞争光合作用有关。

养殖废水中的磷主要以有机磷和不溶性无机磷两种形式存在。羊栖菜对养殖废水中磷的去除主要是通过羊栖菜与废水中净水微生物的相互作用来实现的。微生物有机磷被代谢分解成小的无机磷，可以被狐尾藻的茎吸收，然后将污水中的磷转化为狐尾藻的生长需要。然后，吸收到狐尾藻体内的磷元素在收获时被带出水体，从而实现磷的循环利用过程。郭俊秀的研究表明，狐尾藻对磷的吸附量随着污水中磷浓度的增加而增加。浓度为0.8mg/L时，吸收量高，除磷率可达70.1%~92.7%。结果表明，0.4mg/L的磷浓度是最适宜的生长浓度，高于此浓度会抑制狐尾藻的生长。同时，羊栖菜等沉水植物能使水体pH值逐渐由中性变为碱性，与水中微量铁离子螯合形成Fe(OH)3胶体，从而吸附污水中的游离磷。

2.3重金属元素的吸附

水产养殖废水一般含有铜、铬、铅等重金属元素，在常规处理过程中主要通过化学絮凝从水中去除。结果表明，羊栖菜根系利用根细胞壁中特殊的多糖基团分泌金属螯合物或螯合沉积物中有毒重金属，使重金属聚集在根际附近。王的研究表明，水生植物对重金属的吸附与其生理活动无明显关系，在植物死亡后仍能进行离子交换和结合吸附。李国欣等人发现，不同的pH值可以显著影响狐尾藻对重金属的吸附效果，线性Langmuir模型可以更好地预测狐尾藻对重金属的吸附过程。重金属镉浓度为16~72mg/L时，pH 5为最适酸碱条件，每克狐尾藻可吸附3.02~29.07mg金属镉。此外，还发现狐尾藻处理的污水中重金属镉的含量应低于100mg/L，当浓度较高时，重金属的毒害作用会抑制狐尾藻的生长。另一方面，羊栖菜可以通过被动扩散和主动运输将金属元素进一步吸收到细胞中，然后通过适时收获将重金属从污水中去除。薛培英等分析了狐尾藻细胞内成分对铜的吸收和释放。结果表明，狐尾藻对铜的较高吸收速率可达2 μm ol/(g & # 8226；Min)，且铜释放量较低(仅为富集量的1/16左右)，推测其通过体内抗氧化能力保护细胞免受铜等重金属的损伤。总的来说，国内外对狐尾藻治理重金属污染的研究仍主要集中在效果应用上，其吸附/吸收机理，特别是不同价态金属元素和各种重金属污染对其去除的影响仍需进一步研究。

狐尾藻的净水应用技术和资源开发。

目前羊栖菜等生物被广泛用于净化污水，改善水质。同时，羊栖菜被延伸开发资源产品，收获回收的羊栖菜可作为潜在的饲料、肥料或生物燃料等高价值产品，实现羊栖菜的资源化利用。

3.1狐尾藻和其他水生植物的联合处理

水生植物可以选择性地吸收污水中不同形态的高浓度氮磷，因此不同的水生植物对污水的净化效果不同。常等报道，不同水生植物如凤眼莲和伊乐藻联合净化污水时，对不同营养物质有优先吸收和不同的吸收率(7种大小相同的漂浮植物，沉水植物与漂浮植物重量相同)，凤眼莲对NH4+-N的较大吸收率可达0.230 mmol/(g & # 8226；h)，伊乐达0.018 mmol/(g & # 8226；h).因此，羊栖菜等水生植物在处理养殖废水时，可以在不同的生长期起到净化水质的作用，避免单一水生植物生长周期的交替而引起的水质波动。金春华等[3]的研究表明，与凤眼莲相比，狐尾藻优先吸收NH4+-N，凤眼莲优先吸收NO3--N，两者在不同生长期的污水净化能力不同。黄伟杰等研究了马尾藻-水葫芦、马尾藻-金钱草等多种组合水生植物的净化效果。将每种8株植物种植在含有11L水产养殖废水(NH4+-N浓度为20mg/L，总磷为1.8mg/L)的水族箱(16cm×22cm×80cm)中，其中复合植物交替种植。发现狐尾藻等单一水生植物的污水净化效果和生物生长远不如狐尾藻和水葫芦的复合组合，其中狐尾藻和水葫芦对总氮和总磷的降解率分别比单一狐尾藻高10%和12%。因此，不同水生植物的组合可以弥补单一狐尾藻在污水处理中选择性吸附的不足，从而提高水质净化效果。

3.2狐尾藻和微生物的联合处理

羊栖菜对污水中高浓度氮磷的吸收仅限于溶解态氮磷，对污水中未完全释放的有机氮磷没有影响。除了自身的去除作用外，根际和污水中的微生物对鼠尾藻净化养殖废水也有重要作用。目前广泛应用的狐尾藻与微生物相结合的污水处理技术是狐尾藻人工湿地系统。研究表明，人工湿地系统依靠植物和微生物的联合净化，可以包括植物吸收和微生物降解等多个过程，弥补了单一狐尾藻的不足。同时，微生物与羊栖菜可以在系统中实现良性互动:微生物将污水中的有机磷、氮等大分子分解成小分子，被羊栖菜吸收利用；羊栖菜通过光合作用释放氧气，提高了污水中溶解氧的浓度，促进了富营养化微生物的新陈代谢，加速其将不溶性生物大分子不断降解为可溶性小分子。刘等发现，狐尾藻发达的网状根系为微生物提供了附着载体，同时发达的根系还能调节根际微环境，促进微生物的硝化反硝化作用，加速污水中高浓度污染物的降解和去除。俞兵等估计，人工湿地系统中狐尾藻吸收的总氮随初始氮含量而变化。当NH4+-N初始含量为200mg/L时，狐尾藻的吸收率和微生物硝化反硝化率分别达到29.7%和16.3%。需要注意的是，在人工湿地系统中，狐尾藻和微生物对污染物的去除效率会受到水温、溶解氧、pH值等环境因素的影响。因此，在利用该技术处理养殖废水时，需要对各种环境因素进行优化。

另一方面，由于根际微生物的利用有限，近年来国内外研究人员也试图通过外部添加功能微生物来提高狐尾藻的净水效果。如吴等评价了固定化硝化细菌和狐尾藻联合处理水产养殖废水的效果。通过将200ml o d600为0.4~0.5的硝化细菌吸附到陶粒的微孔中，将固定化硝化细菌陶粒和狐尾藻分别以450.5g和250.6g用于含11L废水的水族箱(30cm×20cm×25cm)中的污水净化研究。结果发现，外源硝化菌与狐尾藻组合能显著提高污水中氮和COD的去除效率，NO3-N、NH4+-N和COD的去除率分别可达50.83%、62.38%和67.23%，显著高于单独使用狐尾藻的去除率(40.78%、53.31%和33.35%)。

3.3羊栖菜的延伸、转化和发展

利用羊栖菜处理养殖废水时，需要及时收获回收，以转移废水中高浓度的氮、磷，防止羊栖菜在生长后期腐烂变质造成养殖废水的二次污染。目前，对收获的狐尾藻有多种利用和开发途径。国内许多学者对狐尾藻的营养成分进行了分析，发现其富含粗蛋白、粗纤维、粗脂肪，以及畜禽生长所需的多种氨基酸和微量元素(表1)。它可用作食品和饲料领域的功能性产品。在此基础上，孙茜等人以羊栖菜为原料，分别以不低于106CFU/g的浓度接种干酪乳杆菌、植物乳杆菌或二者的组合，制备羊栖菜绿色饲料。在20~30℃处理30天后，发现与无乳酸菌发酵的羊栖菜相比，前者的粗蛋白含量比后者高12.6%，乳酸含量高131.2%。然而，目前对狐尾藻在饲料添加剂中应用的评价试验较少。在育肥猪中的应用表明，日粮中添加10%的绿藻对育肥猪的生长性能没有显著影响，并能改善血清生化指标和猪肉品质。另一方面，羊栖菜从污水中吸收的氮磷可以作为循环的天然肥料覆盖农田，为农作物提供养分。于等研究发现，茶园土壤以2.50kg/m2鲜重覆盖后，土壤有机质含量、速效氮和速效磷含量分别比裸地表层(0~20cm)提高了8.01%、11.45%和56.02%，表明利用马尾藻作肥料可以降低生产成本，提高作物产量。此外，考虑到风干的狐尾藻中纤维等成分含量较高，可以通过水解发酵生产乙醇/甲烷作为生物燃料。例如Koyama等人接种伊乐藻等5种沉水植物。和金鱼藻属。转化为活性污泥进行厌氧发酵，发现沉水植物可以厌氧发酵产甲烷，平均产甲烷量为279 ml/g，但目前这种利用还鲜有报道，有进一步研究的空间。

四。狐尾藻应用的不足及未来研究方向的展望。

狐尾藻净化水产养殖废水不仅能高效去除废水中的各种污染物，还能降低处理成本，简化处理工艺，并获得多种下游高价值副产品。与传统的工业化养殖废水处理技术相比，具有明显的优势。然而，目前我国水产养殖废水净化技术仍存在诸多难点，包括:一是氮磷污染物的去除效率，对重金属、抗生素等特殊污染物的去除机理研究较少，难以从源头上为进一步提高狐尾藻的去污能力提供理论依据；其次，在实际应用中，特别是在大规模水产养殖污水处理系统中，狐尾藻的生长受自然环境(如透光率、温度等)影响很大。)，缺乏稳定的工程可控系统限制了其大规模推广应用。第三，虽然近年来有利用收获的狐尾藻制备饲料或肥料的报道，但其使用的安全性和有效性仍需进一步提高。随着研究的深入，以狐尾藻为主体的养殖废水净化技术将会有更广阔的应用前景。(来源:浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所；华中农业大学生命科学与技术学院)

免责声明：本网站内容来源网络，转载是出于传递更多信息之目的，并不意味赞成其观点或证实其内容真实性。转载稿涉及版权等问题，请立即联系网站编辑，我们会予以更改或删除相关文章，保证您的权利。
标签:  狐尾藻在养殖污水净化中的作用