隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的集中化、規(guī)?；l(fā)展，產(chǎn)生了大量的畜禽糞便和尿液等養(yǎng)殖廢棄物。根據(jù)第一次全國污染源普查公報，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的糞便和尿液年產(chǎn)量已超過4億噸。由于養(yǎng)殖廢水中氮、磷、重金屬等污染物濃度高，處理不徹底容易破壞水體生態(tài)質(zhì)量，導(dǎo)致自然水質(zhì)惡化，誘發(fā)水體富營養(yǎng)化，最終對人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。目前，應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水凈化的主要措施包括固液分離、化學(xué)降解和微生物處理。雖然上述技術(shù)取得了良好的效果，但仍存在投資成本高、脫氮除磷效果差、副產(chǎn)物有二次污染風(fēng)險等問題。

狐尾藻是一種多年生沉水草本植物，對污水中高濃度的氮和磷具有良好的耐受性，常被用作污水處理的先鋒植物。同時，許多研究表明羊棲菜可以吸收和/或吸附重金屬元素(如鎘、鉛、鉻、銅等。)中，進(jìn)一步增強(qiáng)了其凈化效果。此外，羊棲菜生長迅速，收獲后可加工成牲畜飼料或肥料等高附加值產(chǎn)品，實現(xiàn)了氮磷資源的循環(huán)利用，具有重要的環(huán)保意義和應(yīng)用前景。目前，利用羊棲菜構(gòu)建人工濕地作為一種低成本、高效的處理方法，已經(jīng)成為污水處理特別是高污染污水處理的重要研究方向。本文重點介紹了狐尾藻凈化養(yǎng)殖廢水過程中有機(jī)物、氮、磷、重金屬等污染物的去除原理及其應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展，并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1.狐尾藻的生物學(xué)特性及其分類

狐尾藻又名輪葉狐尾藻，為多年生沉水草本植物，屬于矮牽?？坪苍鍖?。鼠尾藻適宜生活在pH7.0~8.0、日照充足、溫度適宜的微堿性環(huán)境中。它依靠不定根和莖葉從水和沉積物中獲取養(yǎng)分。羊棲菜具有很強(qiáng)的生存適應(yīng)性，能在4℃以上生長，在20~30℃的適宜水質(zhì)中能常年生長繁殖。它還具有抗低溫的能力。冬季寒冷，水面以上部分結(jié)冰，但能以根的形式在水體底部淤泥中越冬，故廣泛分布于我國江蘇、浙江、福建、廣東、廣西、山東、河北等南北方省份的池塘和溝渠中。

馬尾藻種類繁多，其中穗花馬尾藻和水生馬尾藻在我國較為常見且應(yīng)用廣泛(圖1)。絲狀完全分裂的狐尾藻(Myriophyllum spicatum)有露出水面的尖刺(直徑超過1毫米)。生存能力強(qiáng)，能在各種水體中良好生長。當(dāng)它生長旺盛時，可以覆蓋水體表面，遮擋陽光。所以要及時收割，防止穗層過厚影響水體其他生物的生長。狐尾藻原產(chǎn)于南美洲。莖節(jié)上部為死水，一般長30cm以上，下部為沉水爬行。有許多不定根生長，有輪生羽狀葉(4~6片)。它的葉子對陽光很敏感，暗淡的葉子在晚上合上，明亮的葉子在早上伸展。

二、狐尾藻在凈化養(yǎng)殖廢水中的作用

羊棲菜在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中具有很強(qiáng)的凈化功能，其高效的光合作用不僅提供了水中其他生物所必需的溶解氧，還能降解水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的超標(biāo)有機(jī)污染物。此外，羊棲菜可以吸收廢水中多余的氮、磷等元素，轉(zhuǎn)化為自身的營養(yǎng)物質(zhì)并穩(wěn)定地儲存在體內(nèi)，最終在羊棲菜收獲時將污染物從水中帶走，從而改善養(yǎng)殖廢水的水質(zhì)。

2.1有機(jī)污染物的降解

養(yǎng)殖廢水中的有機(jī)污染物主要來自畜禽糞便，通過化學(xué)需氧量(COD)來體現(xiàn)。羊棲菜在降解養(yǎng)殖廢水中有機(jī)污染物的過程中起著中介作用:一方面，它通過自身的光合作用釋放出氧氣，氧氣通過中空的圓柱莖傳遞到根部區(qū)域，再通過根莖節(jié)上的通氣組織釋放到養(yǎng)殖廢水水體中，加速了水體中大量異養(yǎng)微生物的生長繁殖， 從而使有機(jī)污染物被異養(yǎng)微生物分解成二氧化碳和水等小分子物質(zhì)，二氧化碳可作為羊棲菜光合作用的原料，促進(jìn)其生長。 另一方面，羊棲菜分蘗迅速，形成復(fù)雜的水下網(wǎng)狀吸收系統(tǒng)。一些有機(jī)污染物也能被羊棲菜吸收，直接儲存在體內(nèi)。收獲時，它們可以完全從水中去除。董等以20株狐尾藻PVC桶(40 cm× 50 cm× 60 cm)的種植密度處理COD濃度分別為342、226.34、138.92、109.20和90mg/L的豬場廢水，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過75天的處理，狐尾藻能有效去除養(yǎng)殖廢水中的COD，去除率分別為86.7%和86.7%。污水中有機(jī)污染物的去除效果還與水體的酸堿度、透明度、水溫有關(guān)。一般來說，適宜的pH值應(yīng)為7-8中等堿性，溫度應(yīng)為20-30℃。但透明度主要與處理水的濃度有關(guān)，濃度應(yīng)為20%~30%。當(dāng)沼液濃度超過50%時，過低的透明度會阻礙陽光投射，抑制狐尾藻的生長，從而降低有機(jī)污染物的降解。同時，考慮到鼠尾藻根腐病在生長后期會向水中釋放一些有機(jī)物，影響去除效果，適時采收也很重要。比如左金成等研究發(fā)現(xiàn)，羊棲菜長到水面時，可以沿著水面生長。一般可以從頂部6cm或12cm處采收，這樣可以避免因生長旺盛、光線不透光而導(dǎo)致水質(zhì)的改善，羊棲菜也能很快恢復(fù)生長。還發(fā)現(xiàn)羊棲菜在溫暖的春、秋、夏季生長旺盛，恢復(fù)期短(25~50d)，可增加采收頻率。在寒冷的冬季，恢復(fù)時間較長(4~5個月)，所以要減少收獲。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)狐尾藻的實際生長情況進(jìn)行采收。

2.2氮和磷的去除

養(yǎng)殖廢水中超標(biāo)污染物主要是高濃度的氨氮(NH4+-N)、磷等。氮和磷是包括狐尾藻在內(nèi)的水生植物的重要營養(yǎng)元素。蘇倩等報道，狐尾藻在去除養(yǎng)殖廢水中的氮和磷方面具有極其重要的作用，水體中的總氮和總磷與植物中氮和磷的積累呈負(fù)相關(guān)，其中植物中氮和磷的積累在7-8月達(dá)到較高水平，這是狐尾藻一年中的主要生長期，其大值分別為9.1g/m2和1.08g/m3。羊棲菜對養(yǎng)殖廢水中高濃度的NH4+-N具有很強(qiáng)的耐受性，與硝態(tài)氮(NO3--N)等其他氮源相比，優(yōu)先利用NH4+-N作為氮源。馬等發(fā)現(xiàn)羊棲菜對養(yǎng)殖廢水中的NH4+-N有很強(qiáng)的耐受性，與NO3--N N等其他氮源相比，優(yōu)先利用NH4+-N作為氮源，當(dāng)濃度為100~200mg/L時，NH4+-N的去除率達(dá)90%以上。當(dāng)NH4+-N濃度達(dá)到400mg/L時，羊棲菜的降解率可達(dá)60%以上。然而，當(dāng)NH4+-N濃度高于400mg/L時，處理5周后去除率僅為50%左右。上述過程主要通過莖和枝葉吸收污水中的NH4+-N，進(jìn)入植物體內(nèi)的氨氮通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3--N。這一過程可以降低狐尾藻因NH4+-N過量積累而產(chǎn)生的毒性，加速狐尾藻葉綠素合成，增強(qiáng)光合作用，促進(jìn)狐尾藻快速生長。此外，羊棲菜可以通過提高溶解氧(DO)含量和提高氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌等反硝化微生物的生長速率來提高養(yǎng)殖廢水中NH4+-N的去除效率。當(dāng)養(yǎng)殖廢水處于堿性環(huán)境時，NH4+-N本身也能自由揮發(fā)一部分。然而，后兩種作用對NH4+-N的去除效果小于狐尾藻。據(jù)報道，當(dāng)微生物活性受到抑制時，狐尾藻對NO3-N和NH4+-N的吸收沒有受到顯著影響，這表明NH4+-N的去除主要是通過快速生長的狐尾藻的吸收和流出物的收獲和轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)的。需要注意的是，污水中的NH4+-N與狐尾藻有一個合適的濃度比，濃度過高會抑制狐尾藻的生長，造成葉片黃化。例如，吳小妹等人利用狐尾藻凈化豬場沼液，發(fā)現(xiàn)水中NH4+-N濃度高于220mg/L會抑制狐尾藻的生長。上述抑制多疣狐尾藻光合作用的機(jī)制可能與其過量的氮同化代謝負(fù)荷和競爭光合作用有關(guān)。

養(yǎng)殖廢水中的磷主要以有機(jī)磷和不溶性無機(jī)磷兩種形式存在。羊棲菜對養(yǎng)殖廢水中磷的去除主要是通過羊棲菜與廢水中凈水微生物的相互作用來實現(xiàn)的。微生物有機(jī)磷被代謝分解成小的無機(jī)磷，可以被狐尾藻的莖吸收，然后將污水中的磷轉(zhuǎn)化為狐尾藻的生長需要。然后，吸收到狐尾藻體內(nèi)的磷元素在收獲時被帶出水體，從而實現(xiàn)磷的循環(huán)利用過程。郭俊秀的研究表明，狐尾藻對磷的吸附量隨著污水中磷濃度的增加而增加。濃度為0.8mg/L時，吸收量高，除磷率可達(dá)70.1%~92.7%。結(jié)果表明，0.4mg/L的磷濃度是最適宜的生長濃度，高于此濃度會抑制狐尾藻的生長。同時，羊棲菜等沉水植物能使水體pH值逐漸由中性變?yōu)閴A性，與水中微量鐵離子螯合形成Fe(OH)3膠體，從而吸附污水中的游離磷。

2.3重金屬元素的吸附

水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水一般含有銅、鉻、鉛等重金屬元素，在常規(guī)處理過程中主要通過化學(xué)絮凝從水中去除。結(jié)果表明，羊棲菜根系利用根細(xì)胞壁中特殊的多糖基團(tuán)分泌金屬螯合物或螯合沉積物中有毒重金屬，使重金屬聚集在根際附近。王的研究表明，水生植物對重金屬的吸附與其生理活動無明顯關(guān)系，在植物死亡后仍能進(jìn)行離子交換和結(jié)合吸附。李國欣等人發(fā)現(xiàn)，不同的pH值可以顯著影響狐尾藻對重金屬的吸附效果，線性Langmuir模型可以更好地預(yù)測狐尾藻對重金屬的吸附過程。重金屬鎘濃度為16~72mg/L時，pH 5為最適酸堿條件，每克狐尾藻可吸附3.02~29.07mg金屬鎘。此外，還發(fā)現(xiàn)狐尾藻處理的污水中重金屬鎘的含量應(yīng)低于100mg/L，當(dāng)濃度較高時，重金屬的毒害作用會抑制狐尾藻的生長。另一方面，羊棲菜可以通過被動擴(kuò)散和主動運輸將金屬元素進(jìn)一步吸收到細(xì)胞中，然后通過適時收獲將重金屬從污水中去除。薛培英等分析了狐尾藻細(xì)胞內(nèi)成分對銅的吸收和釋放。結(jié)果表明，狐尾藻對銅的較高吸收速率可達(dá)2 μm ol/(g & # 8226；Min)，且銅釋放量較低(僅為富集量的1/16左右)，推測其通過體內(nèi)抗氧化能力保護(hù)細(xì)胞免受銅等重金屬的損傷?？偟膩碚f，國內(nèi)外對狐尾藻治理重金屬污染的研究仍主要集中在效果應(yīng)用上，其吸附/吸收機(jī)理，特別是不同價態(tài)金屬元素和各種重金屬污染對其去除的影響仍需進(jìn)一步研究。

狐尾藻的凈水應(yīng)用技術(shù)和資源開發(fā)。

目前羊棲菜等生物被廣泛用于凈化污水，改善水質(zhì)。同時，羊棲菜被延伸開發(fā)資源產(chǎn)品，收獲回收的羊棲菜可作為潛在的飼料、肥料或生物燃料等高價值產(chǎn)品，實現(xiàn)羊棲菜的資源化利用。

3.1狐尾藻和其他水生植物的聯(lián)合處理

水生植物可以選擇性地吸收污水中不同形態(tài)的高濃度氮磷，因此不同的水生植物對污水的凈化效果不同。常等報道，不同水生植物如鳳眼蓮和伊樂藻聯(lián)合凈化污水時，對不同營養(yǎng)物質(zhì)有優(yōu)先吸收和不同的吸收率(7種大小相同的漂浮植物，沉水植物與漂浮植物重量相同)，鳳眼蓮對NH4+-N的較大吸收率可達(dá)0.230 mmol/(g & # 8226；h)，伊樂達(dá)0.018 mmol/(g & # 8226；h).因此，羊棲菜等水生植物在處理養(yǎng)殖廢水時，可以在不同的生長期起到凈化水質(zhì)的作用，避免單一水生植物生長周期的交替而引起的水質(zhì)波動。金春華等[3]的研究表明，與鳳眼蓮相比，狐尾藻優(yōu)先吸收NH4+-N，鳳眼蓮優(yōu)先吸收NO3--N，兩者在不同生長期的污水凈化能力不同。黃偉杰等研究了馬尾藻-水葫蘆、馬尾藻-金錢草等多種組合水生植物的凈化效果。將每種8株植物種植在含有11L水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水(NH4+-N濃度為20mg/L，總磷為1.8mg/L)的水族箱(16cm×22cm×80cm)中，其中復(fù)合植物交替種植。發(fā)現(xiàn)狐尾藻等單一水生植物的污水凈化效果和生物生長遠(yuǎn)不如狐尾藻和水葫蘆的復(fù)合組合，其中狐尾藻和水葫蘆對總氮和總磷的降解率分別比單一狐尾藻高10%和12%。因此，不同水生植物的組合可以彌補(bǔ)單一狐尾藻在污水處理中選擇性吸附的不足，從而提高水質(zhì)凈化效果。

3.2狐尾藻和微生物的聯(lián)合處理

羊棲菜對污水中高濃度氮磷的吸收僅限于溶解態(tài)氮磷，對污水中未完全釋放的有機(jī)氮磷沒有影響。除了自身的去除作用外，根際和污水中的微生物對鼠尾藻凈化養(yǎng)殖廢水也有重要作用。目前廣泛應(yīng)用的狐尾藻與微生物相結(jié)合的污水處理技術(shù)是狐尾藻人工濕地系統(tǒng)。研究表明，人工濕地系統(tǒng)依靠植物和微生物的聯(lián)合凈化，可以包括植物吸收和微生物降解等多個過程，彌補(bǔ)了單一狐尾藻的不足。同時，微生物與羊棲菜可以在系統(tǒng)中實現(xiàn)良性互動:微生物將污水中的有機(jī)磷、氮等大分子分解成小分子，被羊棲菜吸收利用；羊棲菜通過光合作用釋放氧氣，提高了污水中溶解氧的濃度，促進(jìn)了富營養(yǎng)化微生物的新陳代謝，加速其將不溶性生物大分子不斷降解為可溶性小分子。劉等發(fā)現(xiàn)，狐尾藻發(fā)達(dá)的網(wǎng)狀根系為微生物提供了附著載體，同時發(fā)達(dá)的根系還能調(diào)節(jié)根際微環(huán)境，促進(jìn)微生物的硝化反硝化作用，加速污水中高濃度污染物的降解和去除。俞兵等估計，人工濕地系統(tǒng)中狐尾藻吸收的總氮隨初始氮含量而變化。當(dāng)NH4+-N初始含量為200mg/L時，狐尾藻的吸收率和微生物硝化反硝化率分別達(dá)到29.7%和16.3%。需要注意的是，在人工濕地系統(tǒng)中，狐尾藻和微生物對污染物的去除效率會受到水溫、溶解氧、pH值等環(huán)境因素的影響。因此，在利用該技術(shù)處理養(yǎng)殖廢水時，需要對各種環(huán)境因素進(jìn)行優(yōu)化。

另一方面，由于根際微生物的利用有限，近年來國內(nèi)外研究人員也試圖通過外部添加功能微生物來提高狐尾藻的凈水效果。如吳等評價了固定化硝化細(xì)菌和狐尾藻聯(lián)合處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的效果。通過將200ml o d600為0.4~0.5的硝化細(xì)菌吸附到陶粒的微孔中，將固定化硝化細(xì)菌陶粒和狐尾藻分別以450.5g和250.6g用于含11L廢水的水族箱(30cm×20cm×25cm)中的污水凈化研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外源硝化菌與狐尾藻組合能顯著提高污水中氮和COD的去除效率，NO3-N、NH4+-N和COD的去除率分別可達(dá)50.83%、62.38%和67.23%，顯著高于單獨使用狐尾藻的去除率(40.78%、53.31%和33.35%)。

3.3羊棲菜的延伸、轉(zhuǎn)化和發(fā)展

利用羊棲菜處理養(yǎng)殖廢水時，需要及時收獲回收，以轉(zhuǎn)移廢水中高濃度的氮、磷，防止羊棲菜在生長后期腐爛變質(zhì)造成養(yǎng)殖廢水的二次污染。目前，對收獲的狐尾藻有多種利用和開發(fā)途徑。國內(nèi)許多學(xué)者對狐尾藻的營養(yǎng)成分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其富含粗蛋白、粗纖維、粗脂肪，以及畜禽生長所需的多種氨基酸和微量元素(表1)。它可用作食品和飼料領(lǐng)域的功能性產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，孫茜等人以羊棲菜為原料，分別以不低于106CFU/g的濃度接種干酪乳桿菌、植物乳桿菌或二者的組合，制備羊棲菜綠色飼料。在20~30℃處理30天后，發(fā)現(xiàn)與無乳酸菌發(fā)酵的羊棲菜相比，前者的粗蛋白含量比后者高12.6%，乳酸含量高131.2%。然而，目前對狐尾藻在飼料添加劑中應(yīng)用的評價試驗較少。在育肥豬中的應(yīng)用表明，日糧中添加10%的綠藻對育肥豬的生長性能沒有顯著影響，并能改善血清生化指標(biāo)和豬肉品質(zhì)。另一方面，羊棲菜從污水中吸收的氮磷可以作為循環(huán)的天然肥料覆蓋農(nóng)田，為農(nóng)作物提供養(yǎng)分。于等研究發(fā)現(xiàn)，茶園土壤以2.50kg/m2鮮重覆蓋后，土壤有機(jī)質(zhì)含量、速效氮和速效磷含量分別比裸地表層(0~20cm)提高了8.01%、11.45%和56.02%，表明利用馬尾藻作肥料可以降低生產(chǎn)成本，提高作物產(chǎn)量。此外，考慮到風(fēng)干的狐尾藻中纖維等成分含量較高，可以通過水解發(fā)酵生產(chǎn)乙醇/甲烷作為生物燃料。例如Koyama等人接種伊樂藻等5種沉水植物。和金魚藻屬。轉(zhuǎn)化為活性污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)沉水植物可以厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷，平均產(chǎn)甲烷量為279 ml/g，但目前這種利用還鮮有報道，有進(jìn)一步研究的空間。

四。狐尾藻應(yīng)用的不足及未來研究方向的展望。

狐尾藻凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水不僅能高效去除廢水中的各種污染物，還能降低處理成本，簡化處理工藝，并獲得多種下游高價值副產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的工業(yè)化養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢。然而，目前我國水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水凈化技術(shù)仍存在諸多難點，包括:一是氮磷污染物的去除效率，對重金屬、抗生素等特殊污染物的去除機(jī)理研究較少，難以從源頭上為進(jìn)一步提高狐尾藻的去污能力提供理論依據(jù)；其次，在實際應(yīng)用中，特別是在大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)中，狐尾藻的生長受自然環(huán)境(如透光率、溫度等)影響很大。)，缺乏穩(wěn)定的工程可控系統(tǒng)限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。第三，雖然近年來有利用收獲的狐尾藻制備飼料或肥料的報道，但其使用的安全性和有效性仍需進(jìn)一步提高。隨著研究的深入，以狐尾藻為主體的養(yǎng)殖廢水凈化技術(shù)將會有更廣闊的應(yīng)用前景。(來源:浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)與微生物研究所；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院)

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