生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法

摘要

本发明公开了生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法，准备实验所需要使用到的材料，包括翠芦莉、美人蕉、黄菖蒲、再力花、鸢尾和雨久花6种常见的生物滞留池植物，植物的生物量分别为：翠芦莉0.040g/cm2、美人蕉0.050g/cm2、黄菖蒲0.047g/cm2、再力花0.038g/cm2、鸢尾0.041g/cm2和雨久花0.043g/cm2。本发明所述的生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法，研究了植物对雨水中氮磷营养物的吸收动力学，表征了植物48h水力停留时间内对营养物的吸收能力，比较了6种植物对硝态氮(NO3‑‑N)、氨氮以及溶解性总磷(TSP)这3种离子的吸收动力学特征，验证了6种植物对氮磷污染物的吸收喜好，为目标污染物的高效吸收与特征植物的筛选提供科学依据。

说明书

技术领域

本发明涉及生物技术领域，特别涉及生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法。

背景技术

生物滞留池是低影响开发系统的核心技术措施之一，对营养物氮、磷等具有较好的去除效果，对总氮的去除率最高可达70％，总磷的去除率最高可达85％。生物滞留池对氮、磷的去除主要依靠植物的同化吸收作用、土壤中微生物的修复作用、填料的物理过滤、吸附、离子交换以及砾石层的固体沉淀作用。其中，植物同化吸收是生物滞留系统净化水体效能的关键因素之一，研究表明，种植植物提高氨氮的去除率最高可达90％，提高NO3--N的去除率27％～70％，提高TSP的去除率可达31％以上，植物生长过程中吸收氮、磷营养物，并通过定期收割等方式，实现营养物从生物滞留池中彻底去除，这是植物净化污染物最直接的方式，也是作用占比较大的方式，不同植物对氮、磷营养物的吸收净化能力不尽相同，因此，开展不同植物吸收效果的研究，对于筛选具有高效吸收性能的生物滞留池植物，具有重要的现实意义。

离子吸收动力学为研究植物对离子的吸收提供了工具和载体。上世纪50年代，Emanuel等首次将米氏方程用于植物吸收的研究，提出了米氏常数Km和最大吸收速率Ⅰmax等量化指标，为比较不同植物对氮、磷等营养物吸收的差异性提供了技术手段。目前，应用离子吸收动力学研究植物对营养物的吸收特性已十分普遍，如Abbasi等人研究表明，毛竹的Imax和Km相对较小，适合于低营养盐浓度的环境，而紫花苜蓿和芥菜的Imax和Km相对较大，适合处理高营养盐浓度的废水；檀香逸等研究发现，观音竹能够适应广泛的氮素浓度，而绿萝对氨氮和NO3--N的亲和力和吸收速率较小，仅可处理较高浓度的氮素水体；陈韬等研究表明，当雨水中氨氮、TSP浓度较高，生物滞留系统植物宜选用萱草，当雨水中NO3--N浓度较高宜选用丹麦草。通常，生物滞留池植物选择应依据本土植物优先、净化能力强、耐涝抗旱、经济和景观价值良好等原则，南方地区常见植物主要包括翠芦莉(Ruelliabrittoniana)、美人蕉(Canna indica L.)、黄菖蒲(Iris pseudacorus L.)、再力花(Thalia dealbata Fraser)、鸢尾(Iris tectorum Maxim.)以及雨久花(Monochoriakorsakowii Regel&Maack)等，但目前为止，尚未见关于上述水生植物的吸收动力学报道，因此，系统开展上述植物对氮、磷营养物的吸收动力学研究，筛选出适用于苏南地区的生物滞留池植物，可以为生物滞留池在苏南地区的工程应用提供基础支撑和技术参考，为此，我们提出生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法，研究了植物对雨水中氮磷营养物的吸收动力学，表征了植物48h水力停留时间内对营养物的吸收能力，比较了6种植物对硝态氮(NO3--N)、氨氮以及溶解性总磷(TSP)这3种离子的吸收动力学特征，验证了6种植物对氮磷污染物的吸收喜好，为目标污染物的高效吸收与特征植物的筛选提供科学依据，同时，通过对离子浓度、植物种类及营养物种类进行双因素方差分析，研究不同因素以及因素之间的交互作用对吸收动力学参数的影响，可以有效解决背景技术中的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法，包括以下操作步骤：

S1：材料准备：准备实验所需要使用到的材料，包括翠芦莉、美人蕉、黄菖蒲、再力花、鸢尾和雨久花6种常见的生物滞留池植物，植物的生物量分别为：翠芦莉0.040g/cm

S2：材料培养：平均气温23℃，湿度70％，为了减少植物组织内N、P积累对试验产生的干扰，试验正式启动前，用去离子水将6种受试植物冲洗干净，转入CaSO4溶液(0.2mmol/L，pH＝6.5)中饥饿处理3d，培养过程将植物放入1/2Hogland营养液中培养2周，每3d更换一次营养液，为了满足植物光合作用，光照条件如下：光照强度5000lx，光照周期为14h/10h；

S3：培养对照：采用营养物耗竭法确定48h水力停留时间内植物对雨水中氮、磷的吸收动力学参数，植物放入装有1L烧杯中培养，并在设计时间取样，试验设置了不培养植物的空白对照组；

S4：配制：分别配置了低、中、高三种浓度的吸收液，吸收液以0.2mmol/LCaSO4溶液为支持液，溶液中含有的NO3--N、氨氮、TSP，分别由硝酸钾(KNO3)、氯化铵(NH3Cl)和磷酸二氢钾(KH2PO4)配制，均为分析纯；

S5：取样：在吸收液中添加10mg/L的氨苄青霉素，抑制微生物生理活性，避免微生物的干扰，试验分别于0、1、2、4、8、12、22、26、30、36、48h取样；

S6：分析：利用SPSS软件进行双因素方差分析，确定因素A离子浓度、因素B植物种类、因素C营养物种类及其两两交互作用对吸收动力学参数的影响；

S7：结果：通过试验发现，未培养植物的空白对照组中氮、磷浓度无明显变化，6种植物对不同水平营养液中不同浓度的氮、磷营养物吸收进行显示，可知：氮、磷营养物离子浓度随着吸收时间的增加逐渐降低，经过30h吸收后曲线趋向平缓，说明植物对各种营养物的离子吸收逐渐饱和。

作为本申请一种优选的技术方案，所述S1步骤中生物滞留池中六种植物分别为包括翠芦莉、美人蕉、黄菖蒲、再力花、鸢尾和雨久花。

作为本申请一种优选的技术方案，所述S1步骤中植物的生物量分别为：翠芦莉0.040g/cm

作为本申请一种优选的技术方案，所述S6步骤中6种受试植物在48h水力停留时间内，对氨氮的去除率在37.83％～88.25％、NO3--N的去除率在15.02％～53.58％；中浓度处理组中，氨氮的去除率在54.51％～81.18％、NO3--N去除率介于15.94％～41.64％；高浓度处理组中，氨氮的去除率在36.38％～63.75％、NO3--N则介于12.89％～38.9％之间。

作为本申请一种优选的技术方案，所述S6步骤中分析6种受试植物48h内对不同浓度的TSP有较好的吸收效果，除低浓度的再力花以外，去除率均在30％以上，最高可达80％，植物对TSP吸收效果较好的原因是TSP进入植物细胞是一个主动运输过程，当植物体外磷的浓度大于植物细胞液的浓度时，植物就会通过细胞膜的主动运输从外界吸收磷，部分研究表明，种植植株的生物滞留池与未种植植株的相比，TSP的去除率提高了16％，相同条件下人工湿地去除率提高了14.9％。

作为本申请一种优选的技术方案，所述S6步骤中进行分析，在低浓度组中，对于NO3--N营养物，6种植物亲和力常数α介于1.65～22.25之间，排序为鸢尾＞翠芦莉＞黄菖蒲＞美人蕉＞雨久花＞再力花，鸢尾α值最大、再力花α值最小，表明NO3--N进入鸢尾速率最快，进入再力花速率最慢。

作为本申请一种优选的技术方案，所述S6步骤中进行分析，从亲和力常数来看，NO3--N进入鸢尾和翠芦莉的速率较快；米氏常数Km值介于1.21～3.21之间，大小排序为再力花＞翠芦莉＞黄菖蒲＞雨久花＞鸢尾＞美人蕉，美人蕉Km值最小，再力花Km值最大。

作为本申请一种优选的技术方案，所述S6步骤中进行分析，从米氏常数来看，美人蕉和鸢尾具有良好的耐贫瘠能力；最大吸收速率Ⅰmax值介于4.72～54.61之间，大小排序为翠芦莉＞鸢尾＞黄菖蒲＞雨久花＞再力花＞美人蕉。从最大吸收速率来看，翠芦莉、鸢尾有较高的最大吸收速率。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法，具备以下有益效果：该生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法，研究了植物对雨水中氮磷营养物的吸收动力学，表征了植物48h水力停留时间内对营养物的吸收能力，比较了6种植物对硝态氮(NO3--N)、氨氮以及溶解性总磷(TSP)这3种离子的吸收动力学特征，验证了6种植物对氮磷污染物的吸收喜好，为目标污染物的高效吸收与特征植物的筛选提供科学依据，同时，通过对离子浓度、植物种类及营养物种类进行双因素方差分析，研究不同因素以及因素之间的交互作用对吸收动力学参数的影响。

附图说明

图1为本发明生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法的不同浓度的氮、磷营养物吸收曲线示意图。

图2为本发明生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法中氮、磷动力学参数计算结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、2所示，生物滞留池中六种植物的氮磷吸收动力学特征研究方法，包括以下操作步骤：

S1：材料准备：准备实验所需要使用到的材料，包括翠芦莉、美人蕉、黄菖蒲、再力花、鸢尾和雨久花6种常见的生物滞留池植物，植物的生物量分别为：翠芦莉0.040g/cm

S2：材料培养：平均气温23℃，湿度70％，为了减少植物组织内N、P积累对试验产生的干扰，试验正式启动前，用去离子水将6种受试植物冲洗干净，转入CaSO4溶液(0.2mmol/L，pH＝6.5)中饥饿处理3d，培养过程将植物放入1/2Hogland营养液中培养2周，每3d更换一次营养液，为了满足植物光合作用，光照条件如下：光照强度5000lx，光照周期为14h/10h；

S3：培养对照：采用营养物耗竭法确定48h水力停留时间内植物对雨水中氮、磷的吸收动力学参数，植物放入装有1L烧杯中培养，并在设计时间取样，试验设置了不培养植物的空白对照组；

S4：配制：分别配置了低、中、高三种浓度的吸收液，吸收液以0.2mmol/LCaSO4溶液为支持液，溶液中含有的NO3--N、氨氮、TSP，分别由硝酸钾(KNO3)、氯化铵(NH3Cl)和磷酸二氢钾(KH2PO4)配制，均为分析纯；

S5：取样：在吸收液中添加10mg/L的氨苄青霉素，抑制微生物生理活性，避免微生物的干扰，试验分别于0、1、2、4、8、12、22、26、30、36、48h取样；

S6：分析：利用SPSS软件进行双因素方差分析，确定因素A离子浓度、因素B植物种类、因素C营养物种类及其两两交互作用对吸收动力学参数的影响；

S7：结果：通过试验发现，未培养植物的空白对照组中氮、磷浓度无明显变化，6种植物对不同水平营养液中不同浓度的氮、磷营养物吸收进行显示，可知：氮、磷营养物离子浓度随着吸收时间的增加逐渐降低，经过30h吸收后曲线趋向平缓，说明植物对各种营养物的离子吸收逐渐饱和。

进一步的，S1步骤中生物滞留池中六种植物分别为包括翠芦莉、美人蕉、黄菖蒲、再力花、鸢尾和雨久花。

进一步的，S1步骤中植物的生物量分别为：翠芦莉0.040g/cm

进一步的，S6步骤中6种受试植物在48h水力停留时间内，对氨氮的去除率在37.83％～88.25％、NO3--N的去除率在15.02％～53.58％；中浓度处理组中，氨氮的去除率在54.51％～81.18％、NO3--N去除率介于15.94％～41.64％；高浓度处理组中，氨氮的去除率在36.38％～63.75％、NO3--N则介于12.89％～38.9％之间。

进一步的，S6步骤中分析6种受试植物48h内对不同浓度的TSP有较好的吸收效果，除低浓度的再力花以外，去除率均在30％以上，最高可达80％，植物对TSP吸收效果较好的原因是TSP进入植物细胞是一个主动运输过程，当植物体外磷的浓度大于植物细胞液的浓度时，植物就会通过细胞膜的主动运输从外界吸收磷，部分研究表明，种植植株的生物滞留池与未种植植株的相比，TSP的去除率提高了16％，相同条件下人工湿地去除率提高了14.9％。

进一步的，S6步骤中进行分析，在低浓度组中，对于NO3--N营养物，6种植物亲和力常数α介于1.65～22.25之间，排序为鸢尾＞翠芦莉＞黄菖蒲＞美人蕉＞雨久花＞再力花，鸢尾α值最大、再力花α值最小，表明NO3--N进入鸢尾速率最快，进入再力花速率最慢。

进一步的，S6步骤中进行分析，从亲和力常数来看，NO3--N进入鸢尾和翠芦莉的速率较快；米氏常数Km值介于1.21～3.21之间，大小排序为再力花＞翠芦莉＞黄菖蒲＞雨久花＞鸢尾＞美人蕉，美人蕉Km值最小，再力花Km值最大。

进一步的，S6步骤中进行分析，从米氏常数来看，美人蕉和鸢尾具有良好的耐贫瘠能力；最大吸收速率Ⅰmax值介于4.72～54.61之间，大小排序为翠芦莉＞鸢尾＞黄菖蒲＞雨久花＞再力花＞美人蕉。从最大吸收速率来看，翠芦莉、鸢尾有较高的最大吸收速率。

实施例：

1、试验材料与方法

1.1试验材料与培养

试验以翠芦莉、美人蕉、黄菖蒲、再力花、鸢尾和雨久花6种常见的生物滞留池植物为研究对象，植物均购于南京当地某花卉市场。试验前，植物的生物量分别为：翠芦莉0.040g/cm

试验在温室内进行，平均气温23℃，湿度70％。为了减少植物组织内N、P积累对试验产生的干扰，试验正式启动前，用去离子水将6种受试植物冲洗干净，转入CaSO

1.2试验方法

采用营养物耗竭法确定48h水力停留时间内植物对雨水中氮、磷的吸收动力学参数。植物放入装有1L烧杯中培养，并在设计时间取样，试验设置了不培养植物的空白对照组。结合自测水质，参考其他研究对南京市政道路的雨水水质的分析，分别配置了低、中、高三种浓度的吸收液，试验吸收液的营养物质浓度如表1所示。吸收液以0.2mmol/LCaSO

表1试验吸收液的营养物质浓度(mg/L)

Tab.1 The Nutrient Concentration of the Experimental AbsorptionSolution(mg/L)

1.3分析方法

离子吸收曲线方程通常采用一元二次多项式方程：

y＝ax

式中：x为吸收时间，y为离子浓度，a、b、c为常数。

对方程(1)求负导得到浓度变化速率方程：

y'＝-(2ax+b) (2)

令x→0，得到y'＝-b即为浓度最大变化速率，由此可得到最大吸收速率为：

Ⅰ

式中：Ⅰ

将y'＝-1/2b带入式(2)中求出x，将其带入式(1)所得的y值为米氏常数K

利用SPSS软件进行双因素方差分析，确定因素A离子浓度、因素B植物种类、因素C营养物种类及其两两交互作用对吸收动力学参数的影响。

1.4测定项目与方法

水质指标检测方法及主要仪器如表2所示。

表2水质指标检测方法及主要仪器

Tab.2Detection Methods and Main Instruments for Water Quality Index

2、结果与分析

2.1氮、磷离子吸收曲线

通过试验发现，未培养植物的空白对照组中氮、磷浓度无明显变化，6种植物对不同水平营养液中不同浓度的氮、磷营养物吸收曲线如图1所示。可知：氮、磷营养物离子浓度随着吸收时间的增加逐渐降低，经过30h吸收后曲线趋向平缓，说明植物对各种营养物的离子吸收逐渐饱和。

在低浓度处理组中，6种受试植物在48h水力停留时间内，对氨氮的去除率在37.83％～88.25％、NO

6种受试植物48h内对不同浓度的TSP有较好的吸收效果，除低浓度的再力花以外，去除率均在30％以上，最高可达80％。植物对TSP吸收效果较好的原因是TSP进入植物细胞是一个主动运输过程，当植物体外磷的浓度大于植物细胞液的浓度时，植物就会通过细胞膜的主动运输从外界吸收磷。部分研究表明，种植植株的生物滞留池与未种植植株的相比，TSP的去除率提高了16％，相同条件下人工湿地去除率提高了14.9％。

2.2氮、磷吸收动力学

在低浓度组中，对于NO

对于低浓度氨氮营养物，从亲和力参数来看，翠芦莉亲和力常数最大，表明氨氮进入翠芦莉速率最快；从米氏常数K

对于低浓度TSP营养物，从亲和力参数α来看，翠芦莉的亲和力常数最大，表明低浓度TSP进入翠芦莉速率最快；从米氏常数来看，翠芦莉的K

2.3双因素方差分析

离子浓度对K

离子吸收动力学对研究植物根系吸收速率、阐明吸收机理以及筛选出吸收营养物高效的植物品种具有重要意义。对比6种受试植物对NO

在试验中，K

(1)氮、磷营养物离子浓度随着吸收时间的增加而降低，并在30h后植物对营养物的吸收逐渐饱和。48h水力停留时间内6种受试植物对氨氮的去除率在36.38％～88.25％，对NO

(2)在雨水污染物的去除效果方面，NO

(3)离子浓度对K

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二(一号、二号)等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。