近年随着畜禽养殖业的快速发展，畜禽养殖业的自身发展与环境保护的矛盾日益突出。未经处理的畜禽废水含有大量的污染物，污染负荷很高。畜禽污水排入江河湖泊中，造成水体N、P量升高，导致水体严重富营养化。污水中有毒、有害成分一旦进入地下水中，可造成持久性的有机污染，极难治理、恢复^[1]。国内畜禽养殖业废弃物的配套处理设施少，处理水平低下。近年来出现了许多废水处理方法，而人工湿地技术是一种最为经济和具有广阔前景的方法。

大薸(Pistia stratiotes L.)，又名水浮莲等，隶属天南星科(Araceae)大薸属(Pistia)，多年生漂浮性的水生草本植物，植株根系发达，生长繁殖迅速，可以吸收水体中大量营养物质对富营养化水体和污水处理具有重要作用，是农业环保的头号天敌，被列入中国100种最危险入侵物种名单中^[2]。目前大薸已严重侵略中国滇池、草海、万峰湖等重要淡水湖泊，是一种繁殖能力和危害性并不亚于水葫芦的入侵物种也是有用的用于环境监测的生物标志物^[3]。

本项目拟在模拟自然条件，以漂浮植物大薸为试验材料，分析和比较不同质量浓度畜禽废水胁迫下，大薸对废水的CODcr、NH₃-N、TP的削减去除能力，及大薸性状、抗氧化酶系统活性等生理特性指标的影响。旨在了解植物在畜禽废水富营养胁迫下的作用机理，同时为水生湿地植物净化畜禽废水提供理论依据，探讨将其用于人工湿地系统的可行性。目前国内外已有研究采用芦苇、黄菖蒲、美人蕉、香蒲和灯芯草等挺水植物，其他漂浮植物凤眼莲和槐属等^[4]作为人工湿地的植物系统，在一定周期后收割起来以回收氮磷，避免二次污染。但是收割后湿地植物随即被淘汰，伴随着一定的成本，而采用入侵植物，通过胁迫既能抑制大薸的生长活力，甚至死亡，又能使其吸收降解畜禽废水中过多的营养物质。将入侵植物的防治与开发相结合，把入侵植物作为一种资源，可实现“化害为利，变害为宝”的目的。

1 材料与方法 1.1 供试水质

模拟实验水样采自凉山州某奶牛场排污废水，用蒸馏水稀释至所需质量浓度。试验过程中室内气温变化为9~21 ℃，水温变化范围16.5~19 ℃。

1.2 供试植物

试验所用大薸采自天然湿地，采集时间为2012年11月中旬，植物移植前先用自来水反复清洗根部，之后用去离子水进行漂洗。

1.3 器材及方法

可见光分光光度计(722N)，电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9070 A)、电阻炉(kxx-A-10 A)、电子天平(ESJ120-4)，冷冻式高速离心机等。

水体浊度、色度、PH、CODcr、氨氮、总磷等水质指标，及植物指标如SOD、CAT、POD均采用对应国标法测定。

1.4 试验方法

试验在自然光照条件下进行室内静态试验，先在清水中培养驯化一周，选择生长情况良好，根系发达、健康无损且大小相近的成年水白菜，均匀移植于试验容器中，水量30 L/盆，生物量600~700 g/盆，以废水CODcr质量浓度为标准，设CODcr分别为500、1 000、1 500、2 000 mg/L 4个处理组。每组设定一个平行，以正常生长下的大薸为对照组(清水培养)，每2 d测定一次废水及植物指标，每天观察植株性状变化。设定培养每8 d为一个试验周期，试验重复次。植物样品经磷酸缓冲液侵润研磨制取酶液测定植物抗氧化酶系统各项指标SOD、CAT、POD。

2 结果与分析 2.1 对不同营养程度实验水体净化处理效果

大薸对不同质量浓度畜禽废水中的CODcr、NH₃-N、TP的去除效果见图 1~3。

在4个处理组中，水体中的CODcr从498~1 933 mg/L，经8 d净化处理，降至88~1 092 mg/L，大薸对不同质量浓度畜禽废水的CODcr去除率为43.51%~82.33%。

其中低质量浓度处理组Ⅰ在整个试验周期CODcr从498 mg/L降至88 mg/L，最终去除率达82.33%，去除效果最好；最高质量浓度组Ⅳ中CODcr质量浓度从1 933 mg/L削减到1 092 mg/L，最终去除率为最低的43.5%。4种质量浓度中，大薸在低质量浓度畜禽废水中去除CODcr效果最好且呈现处理时间越长，去除速率越高的趋势。其余Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组植株在处理6 d后均开始萎缩。对照无植物处理组，通过畜禽废水的水体自净能力，4种质量浓度的畜禽废水对CODcr的自净结果分别为28.20%~34.90%，处理速率变化小，效果较稳定受质量浓度的差异影响小。无植物处理组是大薸处理组的去除率的42.39%、44.84%、38.81%、68.95%。在整个周期中，不同质量浓度畜禽废水对CODcr的自净处理效果在30%上下，在高质量浓度的畜禽废水中，由于大薸受畜禽废水的胁迫影响最为严重，植物对有机物的吸收转移作用减弱，水样自身的净化效果与大薸的处理效果差异不大。

大薸对不同质量浓度的畜禽废水中的NH₃-N均有较好的去除效果(见图 2)，最终去除率在57.81%~69.21%之间。其中低质量浓度处理组Ⅰ的8 d后的去除率达到4组中最好的69.21%，而最高质量浓度处理组Ⅳ对NH₃-N的去除效果最低为57.81%。大薸对于磷有一定吸收去除效果，但不显著(见图 3)。由最终去除率看，4个处理组的最终去除率分别为45.88%、27.30%、18.47%、27.87%。期间去除率保持小幅度的升降，说明大薸在水体中磷素的吸收和净化作用有限，超过质量浓度限定后大薸对水体中磷素的净化处理效果受畜禽废水质量浓度的影响相对较小。

对照无植物处理组无植物处理组对氨氮和总磷的自净效果分别为19.44%~28.77%，16.20%~31.05%。其中，不同质量浓度畜禽废水的自净能力是大薸去除率的40.46%、49.77%、43.71%、33.60%，从高质量浓度对畜禽废水的处理效果看，有无植株对畜禽废水的处理效果影响较大，这是由于污水中的氮是以有机氮和无机氮两种形式存在的，分别通过微生物的硝化、反硝化作用去除，植物做营养吸收用以合成自身物质，最后通过植物的收割将其从废水中去除^[5]。在模拟人工湿地系统中，氮的去除作用主要在于植物吸收。而在对总磷的监测结果中发现无植物系统的总磷去除效果是大薸系统的67.68%、70.33%、87.71%、71.55%，两种系统处理效果的差异较小，对中等质量浓度以上畜禽废水的总磷的去除效果都相对较低，这是由于在模拟人工湿地对磷的去除作用相对较小，在处理畜禽废水的湿地系统中，基质对磷的吸附、沉淀作用比植物对磷的吸收转移作用要有效得多。

大薸对水体CODcr的削减作用最为明显，氨氮次之，总磷较低，且在中低质量浓度畜禽废水中净化效果最为明显，且对植株生理活性损害较小。有无大薸的处理组有明显的效果差异，这是因为对照无植物处理组水样中的微生物分解和沉淀、蒸发为其主要自净作用，而在植物处理组中4种有大薸的水体中有机物、氮、磷质量浓度降低的原因，一方面水生植物自身组织可直接吸收水体中氮磷，另一方面水生植物的存在可能加快了水体中氮磷元素本身降解沉淀固结去除挥发等一系列的反应，且起到为根区的好氧微生物输送氧气的作用可能加速了微生物的作用，因此大薸的存在明显提高了废水中污染物的去除率^[6-7]。

2.2 对大薸生理特性和抗氧化酶系统的影响

植物体内的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)等一系列抗氧化酶，能够在逆境胁迫过程中有效清除植物体内过量的活性氧，维持活性氧的代谢平衡和保护膜结构，协调抵御不良环境的胁迫^[8-10]。实验过程中大薸植物体内的SOD、CAT及POD的变化见图 4~6。

SOD是清除氧自由基的重要抗氧化酶，其作用是清除超氧自由基O^2-，产生H₂O₂。不同质量浓度畜禽废水胁迫下，图 4中大薸叶片中的SOD含量均呈先升高再降低的趋势，低质量浓度胁迫下，胁迫6 d时，SOD含量增至最大为57.465 5 mg/(g·min)，为对照的220.71%，中质量浓度、较高质量浓度、高质量浓度处理组，均在胁迫4 d时SOD含量增至最大，分别是对照的243.56%、275.25%、298.03%，4个处理组胁8 d时均降至最低，分别是对照的65.55%、100%、39.08%、35.66%。这符合植物对胁迫反应的典型特征，即当胁迫发生后，植物会采取各种措施提高抗性以适应不良环境，但当胁迫发生超过植物忍受的极限时，其防御措施也就相应减弱乃至死亡。

POD、CAT同是植物体内清除H₂O₂等活性氧的重要酶，植物体内低质量浓度的H₂O₂主要靠POD在氧化相应基质时被消化。高质量浓度的H₂O₂主要靠CAT清除，从而使H₂O₂控制在较低水平，并与SOD等酶协同作用维持体内活性氧代谢平衡。所有处理组植物的CAT在8 d后均呈现出下降趋势。在四种质量浓度畜禽废水胁迫一周期后，大薸叶片的CAT活性变化较不明显，表明大薸叶片中的CAT对畜禽废水胁迫敏感程度较低。大薸叶片的POD含量均呈先升高后降低再上升的趋势，变幅差异较大(见图 6)，表明随着胁迫质量浓度、时间的增加，大薸叶片中的CAT活性酶的保护机制没发生作用，POD酶应激反映剧烈，抗氧化系统平衡失调，低质量浓度H₂O₂部分消除，高质量浓度H₂O₂积累，植物活性氧化加剧，植物样品萎焉。

2.3 植物性状及生长状况

植物生存状况间接反映了植物的耐污力，这也是植物能够达到湿地备选植物标准的重要条件之一^[11]。在中、低质量浓度试验中，实验前期，大薸的生物量有明显增长，水培根系逐渐粗壮。随培养时间增加，处理6 d后出现叶片变薄、叶尖组织失水变干，根系变软、断裂、缩短等现象，而较高、高质量浓度畜禽废水处理组约处理4~5 d后即出现此现象，在试验一周期后低质量浓度实验组生长正常，其余质量浓度实验组大薸叶片均呈现不同程度的老叶变黄、脱水萎焉、部分根系死亡脱落现象。结果见表 1、表 2。

根据试验期间观测结果，对每株植物的生长状况进行综合评定。根据由于每个指标在植物处理污水中的影响力不同，依次按照赋予影响值Q分别为10，10，5，5，每个指标又按照状况出现的严重程度分为3个等级R_x：没有出现症状的为最好，即得到全部重要值分数，然后按照字母下标数字1，2呈1/2，1/5递减。最后所得总重要值即为综合评定结果S，即S=Q·R_x^[12]。按照上述方法分析计算，从植物生长力比较，总重要值S从大到小依次为：处理Ⅰ(115)>处理Ⅱ(97.5)>处理Ⅲ(80.5)>处理Ⅳ(74.5)。据投放生物量和最终重量测定，计算植株特定生长率、分株速率，得出对照组、各处理组相互之间的初始投放量差异0.43%~2.70%。而随处理时间增加，植物体萎焉缩水，特定生长率呈降低态，对照组能正常生长，而低质量浓度畜禽废水处理组的大薸影响较小，处理较高质量浓度组和高质量浓度组骤降。

2.4 与其他湿地植物在处理畜禽废水效果的比较

因已报道的研究大都以中低质量浓度的畜禽废水作为处理对象，故只将本研究中的中低质量浓度的畜禽废水的处理效果列表与其他湿地植物相比较(见表 3)。

由表 3可知，大薸相对其他单一的湿地植物在较短时间内对低质量浓度畜禽废水中的CODcr去除率较高，氨氮的处理效果也可达到较好的程度。与组合湿地植物相比，畜禽废水的各污染指标去除率略低，特别是在TP的去除效果上。

3 结论

1) 大薸对畜禽废水中的有机物、氮有良好的去除效果，对磷的削减作用较弱。对CODcr的削减效果与畜禽废水初始质量浓度大致成负相关，最高达82.33%；对NH₃-N、TP的去除率较稳定，当初始质量浓度NH₃-N≥84.09 mg/L，TP≥6.01 mg/L，去除率分别稳定在60%、30%左右。

2) 至试验周期结束，低质量浓度、中等质量浓度、较高质量浓度组均能达到国家标准排放水平，而高质量浓度组中的NH₃-N含量也能达标。故大薸可以用于净化有机物、氮磷超标的水体，相较于其他植物，它具有工艺简单、成本低廉易得、耐受力强、处理周期短并可持续利用等优点，为利用入侵植物处理受污染水体和土壤建立研究基础。

3) 比较大薸系统和无植物系统，大薸对高质量浓度磷的富集效果较差，要达到更好的处理效果就要结合适宜的基质，由于大薸为漂浮植物，对基质的筛选主要考虑对污水中营养物质和有毒有害物质的吸附和沉积过滤效果。

4) 畜禽废水对大薸生理特性影响，通过对大薸叶片中POD、SOD、CAT的测定，说明大薸叶片中起主要保护作用的酶是POD，变化幅度最明显，对畜禽废水胁迫的敏感性、应激性最强。不同质量浓度畜禽废水对大薸的生理特性影响相似，但胁迫强度不同，各生理指标在长时间连续胁迫下的变化幅度为高质量浓度畜禽废水>较高质量浓度>中质量浓度畜禽废水>低质量浓度，说明质量浓度越高对芦苇的生理影响越强烈，见表 4。

4 讨论

对比已有的研究结果，周雄飞等^[20]对浮萍去除污染水体氮磷能力进行了研究，稀脉浮萍对TN去除率达到81.5%，对TP去除率达到78.2%。宋伟等^[21]的研究表明，水葫芦在30 d内对TN的去除率达79%~90%，对TP的去除率在50%左右。多数研究利用较长的水力停留时间，稀释控制进入植物系统的污水初始质量浓度，种植不同植物的湿地系统，配合填料基质的沉降、分解、过滤作用，能达到较好的处理效果。而本研究中大薸悬浮于4种质量浓度的畜禽废水中，排除基质处理的干扰，比较无植物组处理，4种质量浓度的水体均表现出良好的净化效果，经8 d的净化大薸对畜禽废水的CODcr、氨氮、总磷去除率分别达到43.51%~82.33%、57.81%~69.21%和18.47%~45.88%。表明可以将大薸用于净化有机物、氮磷超标的水体，虽然对水体中磷的削减作用欠佳，但是采用生物塘或人工生态系统方式，进行一定的植物组合，充分利用地形，促使塘中的水生植物通过光合作用吸收氮、磷用于自身的合成和增殖，提高塘中有机物和氮磷的去除功能。相较于其他植物，它具有成本低廉易得、耐受力强、处理周期短并可持续利用等优点。

1) 植物的生长受多个环境因素的影响(太阳辐射、降水、温度)，有相关研究^[22]表明大薸的生长对季节有较强的依赖性，因此对污水的净化能力也受相应的影响。由于西昌纬度较低、太阳辐射强，冬季室内水温也能达到大薸的正常生长所需，处理效果良好。因此在温度适宜的地区，适用性强。

2) 已有相关研究表明大薸不仅能有效处理营养化水体，还能吸收转移环境中的镉、铅等重金属^[23-24]。将大薸作为湿地植物用于畜禽废水的自然处理中，不仅能削减营养物质，还可进一步研究废水中重金属的削减。但由于其强入侵性，而且植物死亡分解后，植物体内吸收物在分解过程中会返还水体，且植物体腐化都将将造成二次污染，必须进行封闭式管理，并在固定周期内进行打捞。

3) 通过以上纯植物和水的相互作用研究，得出大薸系统对有机物和氮的良好处理效果，要同时取得磷的有效削减，并进一步稳定和提高水质，建立氧化塘、人工湿地，必须筛选出相互结合，有效去除磷的基质。

4) 通过实验观察到大薸在表面体征枯萎死亡下，仍具备良好的再生性，利用其旺盛的生命力和再生性，探讨其循环利用机制，找出大薸植株萎焉系数，在植株真正死亡前恢复其生理活性进行再改造和处理，既能避免二次污染又能循环净化水质，促成良性生态循环系统。

5) 大薸是入侵性漂浮植物，水葫芦是入侵性挺水植物，国内外已有水葫芦的相关利用，两种植物的景观性较好，考虑将入侵水生植物有效结合起来，建立封闭式管理的处理高质量浓度有机废水，在处理入侵植物的过程中利用其创造经济价值是一个不错的思路。