CN115784456B

CN115784456B - 硝普钠在改善水葫芦净化富营养化水体上的应用

Info

Publication number: CN115784456B
Application number: CN202211540825.3A
Authority: CN
Inventors: 王丽红; 穆世晨; 韦俊宇; 庞俊杰; 华建敏; 朱程程
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2022-12-02
Filing date: 2022-12-02
Publication date: 2023-08-25
Anticipated expiration: 2042-12-02
Also published as: CN115784456A

Abstract

本发明公开了硝普钠在改善水葫芦净化富营养化水体上的应用，属于水体环境修复技术领域。包括如下步骤：(1)将长势良好的水葫芦移栽到自来水中5～7d，使其适应环境；(2)将步骤(1)中的水葫芦移栽到富营养化水体中，并添加一定量的硝普钠水溶液，混合均匀；(3)水葫芦种植1～2个月后将其全部打捞进行后续资源化的利用。本发明对水体TN去除率相较与无外源添加硝普钠的对照组提高了25.5％，水葫芦生长单位质量所需N提高了14.9％，提高了水葫芦对富营养水体的处理效率，使水葫芦快速完成对水体的净化。

Description

硝普钠在改善水葫芦净化富营养化水体上的应用

技术领域

本发明属于水体环境修复技术领域，具体涉及一种硝普钠在改善水葫芦净化富营养化水体上的应用。

背景技术

随着工业和农业的发展，大量未经处理的废水被排入湖泊河流，导致一些湖泊河口等缓流水体中氮、磷等营养物质含量不断增加，使原有的生态系统发生了结构和功能的退化。《2020年中国生态环境状况公报》显示，在开展营养状态监测的110个重要湖泊(水库)中，贫营养状态湖泊(水库)占9.1％，中营养状态占61.8％，轻度富营养状态占23.6％，中度富营养状态占4.5％，重度富营养状态占0.9％。因此水体富营养化仍是当前迫切需要解决的环境问题。

现阶段，水体富营养化的防治技术主要分为物理法、化学法和生物法。物理法操作简便，副作用小，无二次污染，主要包括人工曝气、物理吸附和河道疏浚等方法；化学法修复效果好、见效快，且无需对水质再处理，主要包括化学试剂法、絮凝沉淀法和催化降解法等。然而单纯的物理法大多成本较高，管理复杂；化学物质加入水中可能会对生态系统造成潜在危害不宜大面积使用。随着研究的不断深入，生物法凭借其不仅能去除富营养化水体中的氮、磷等营养物质，吸收、富集重金属元素，降解其它有毒有害污染物，还能减少活性污泥膨胀，节约资金与能源等诸多优点而越来越受到国内外学者们的关注。

生物修复中利用水生高等植物治理和修复受污水体具有明显的效果，已成为水体富营养化控制发展最快的一种手段。在众多可用于修复的水生植物中，水葫芦(Eichhorniacrassipes)是研究最早、最深入，也是实际生态修复工程中应用较广的水生植物。但是因为水葫芦适应性强，繁殖快，自然条件下不加管理便会阻塞航道，影响泄洪，同时水体中衰老死亡的水葫芦腐烂分解会进一步加深湖泊河流的富营养化水平，因此目前水葫芦修复污染水体多停留在研究试验阶段，并未在水体污染治理生态工程中得到大规模应用。

发明内容

[技术问题]

水葫芦对不同污染程度的水体均具有较强的适应性，其庞大的根系可以过滤并吸收水体中的污染物；但由于其本身生长繁殖极快，在完成对水体的净化后往往需要投入大量的人力物力进行打捞和后续的资源化利用，因此需要一种对水葫芦净化富营养水体方法的改进措施，在提高水葫芦对水体氮素营养吸收速率的同时，降低进化完成后水葫芦的生物量，以提升对富营养化水体的修复效率减轻净化完成后的后续工作量。

[技术方案]

为了解决上述问题，本发明在利用水葫芦净化富营养水体的同时外源添加硝普钠，促使水葫芦的生长发育重心由母株转移至分蘖，分蘖的生长和发育需要大量消耗母株所积累的营养物质，因此添加硝普钠后水葫芦对水体TN的吸收速率增加，另一方面水葫芦生物量增长单位质量的需N量增加。目前硝普钠广泛用于医药领域，本方法剂量对水体中其他生物无害，为水葫芦修复富营养化水体提供了一种方便、安全、高效的处理方法。

本发明的第一个目的是提供一种硝普钠联合水葫芦在净化富营养化水体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将长势良好的水葫芦移栽到自来水中，使其适应环境；

(2)将步骤(1)中的水葫芦移栽到富营养水体中，并添加的硝普钠水溶液，搅拌均匀；

(3)水葫芦种植一段时间后将其全部打捞进行后续资源化的利用。

进一步地，步骤(1)中，水葫芦应选用长势良好且生育期在花期之前的。

进一步地，步骤(1)中，在修复富营养化水体之前水葫芦在自来水养殖5～7d。

进一步地，步骤(2)中，水葫芦的种植面积约占水体总面积的10％～30％。

进一步地，步骤(2)中，硝普钠添加到富营养化水体后，应使水体中硝普钠的浓度在1～50μM之间。

进一步地，步骤(2)中，富营养水体的TN为1.2～20mg/L。

进一步地，步骤(3)中，水葫芦在种植1～2个月后进行打捞。

进一步地，步骤(2)中，所添加的硝普钠水溶液的浓度为60～120mM。

本发明的第二个目的是提供一种净化富营养化水体的方法，其特征在于，是使用硝普纳联合水葫芦，包括如下步骤：

(1)将长势良好的水葫芦移栽到自来水中，使其适应环境；

[有益效果]

(1)本发明使用硝普纳增加了水葫芦对水体氮素营养的吸收速率，提高了水葫芦对富营养化水体的修复效率，减少了水葫芦可能泛滥所造成的负面影响。

(2)本发明方法在提升水葫芦吸收氮素能力的同时增加了水葫芦生物量增长单位质量的需氮量，在同等情况下可以减少水葫芦最终收获时的生物量，以减轻水体净化完成后打捞和转移的工作量。

附图说明

图1为实施例及对照例中水葫芦在收获时的表型。

图2为实施例和对照例中水葫芦在收获时分蘖的表型。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

测试方法

1.水体TN浓度的测定方法：参照HJ 636-2012《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》测定。

2.水葫芦鲜重相对生长速率的测定方法：在将水葫芦移栽到富营养化水体之前和修复完毕将水葫芦打捞出来后，使用吸水纸吸干表面水分再用分析天平称量其鲜重。按如下公式(1)计算其相对生长速率：

其中，M₀是水葫芦的初始鲜重，M₁是水葫芦收获时的鲜重。

4.水葫芦对水体中TN的吸收速率和水葫芦生长单位质量所需N：通过测定初始和收获时的水体TN、水葫芦的生物量计算水葫芦对水体TN的吸收速率以及水葫芦每生长1g所需N量。计算公式分别为：

水葫芦生长单位质量所需

其中，TN₀是初始水体中的TN，TN₁是收获时水体中的TN；10为实验水体的体积，即10L；M₀是水葫芦的初始鲜重，M₁是水葫芦收获时的鲜重，T为处理时间。

5.水葫芦表型的记录方法：采用单反相机拍摄。

实施例中采用的硝普钠购自北京伊诺凯科技有限公司(纯度≥99％)；对照例中硝酸钾(KNO₃)和硫酸铵[(NH₄)₂SO₄]购自国药集团化学试剂有限公司(AR)；对照例中L-脯氨酸和3-吲哚丙酸购自北京伊诺凯科技有限公司(纯度≥98％)，水葫芦取自长广溪湿地公园。

硝普钠的作用机理为：硝普钠作为NO外源供体，其分子中的亚硝基基团在植物体内半胱氨酸、谷胱甘肽、或者其他2SH类化合物的存在下，通过细胞色素系统的催化，会逐步分解释放NO。NO作为气体信号分子，参与植物许多生长发有过程的调控，包括促进种子萌发、侧根形成，抑制植物组织成熟衰老，参与植物抗病防御胁迫反应等。

实施例1

一种利用外源NO供体硝普钠提高水葫芦吸收水体氮磷的方法，包括如下步骤：

(1)将生物量在10～20g之间且长势良好生育期在花期之前的水葫芦幼苗清洗干净，之后移栽到自来水中驯化培养7d，使其适应环境；

(2)使用体积为10L的1/10霍格兰营养液模拟富营养化水体，水体中TN＝14.44mg/L。将步骤(1)中的水葫芦移栽到富营养水体中，水葫芦的种植面积占水体面积的25％；

(3)向步骤(2)的水体中添加100mM的硝普钠溶液1mL，混合均匀，使水体中硝普钠的浓度为10μM，此时测得初始水体的TN值为15.25mg/L；

(4)水葫芦移栽28d后将其全部打捞收获。

实施例2

调整实施例1中硝普钠溶液的添加量为0.1mL，使富营养化水体中硝普钠的浓度为1μM，其它和实施例1保持一致。得到新的水体TN指标和水葫芦的相关数据。

实施例3

调整实施例1中硝普钠溶液的添加量为5mL，使富营养化水体中硝普钠的浓度为50μM，其它和实施例1保持一致。得到新的水体TN指标和水葫芦生物量的数据。

对照例1

将实施例(1)中添加的硝普钠溶液改为添加相同体积的去离子水且不种植水葫芦，其它和实施例1保持一致。得到新的水体TN指标。

对照例2

将实施例(1)中添加的硝普钠改为添加相同体积的去离子水，其它和实施例1保持一致。得到新的水体TN指标。

对照例3

将实施例(1)调整为不种植水葫芦，其它和实施例1保持一致。得到新的水体TN指标。

对照例4

将实施例(1)中添加的硝普钠改为添加60.66mg的KNO₃，使水体TN与实施例(1)中水体的TN相同，均为15.24mg/L，其它和实施例1保持一致。得到新的水体TN指标和水葫芦的相关数据。

对照例5

将实施例(1)中添加的硝普钠改为添加39.64mg的(NH₄)₂SO₄，使水体TN与实施例(1)中水体的TN相同，均为15.24mg/L，其它和实施例1保持一致。得到新的水体TN指标和水葫芦的相关数据。

对照例6

将实施例(1)中添加的硝普钠改为添加69.08mg的L-脯氨酸，使水体TN与实施例(1)中水体的TN相同，均为15.24mg/L，其它和实施例1保持一致。得到新的水体TN指标和水葫芦的相关数据。

对照例7

将实施例(1)中添加的硝普钠改为添加113.53mg的3-吲哚丙酸，使水体TN与实施例(1)中水体的TN相同，均为15.24mg/L，其它和实施例1保持一致。得到新的水体TN指标和水葫芦的相关数据。

对照例8

将实施例2调整为不种植水葫芦，其它和实施例2保持一致，得到新的水体TN指标。

对照例9

将实施例3调整为不种植水葫芦，其它和实施例3保持一致，得到新的水体TN指标。

将实施例1～3和对照例1～9的到水葫芦收获时期水体TN及水葫芦的生长速率和分蘖数量进行对比，结果如表1：

表1实施例1～3和对照例1～9的水体TN及水葫芦的生长发育情况

通过上述测试结果并结合附图可以看出：通过比较对照例(1)、对照例(3)、对照例(8)和对照例(9)可知，添加硝普钠会导致水体TN上升，且上升幅度随硝普钠的浓度增加而增加，当水体中硝普钠浓度为50μM时TN便会上升4.2mg/L，这主要是因为硝普钠本身含N。当种植水葫芦时，添加硝普钠会影响水葫芦的生长发育以及对水体TN的吸收速度。对比实施例(1)、实施例(2)与对照例(2)可以看出，低浓度硝普钠可以促进水葫芦分蘖的生长发育，增加水葫芦对水体TN的吸收速率；另外实施例(1)还增加了水葫芦生长单位质量的需N量，故实施例(1)中硝普钠的添加剂量优于实施例(2)。对比实施例(3)与对照例(2)可知，高浓度硝普钠会在抑制水葫芦生长的同时降低水葫芦对于水体TN的吸收速率，且硝普钠浓度过高也会使水体TN上升太大，在实际应用中并不可取。将实施例1和对照例4～7相比较，可以发现在实施例1中，即在水体中添加了10μM的硝普纳后，水葫芦对TN的吸收速率，以及水葫芦生长单位质量所需N都是最高的。这说明与其它含N的物质相比较，硝普纳对水葫芦生长发育的影响是将水葫芦的生长发育重心转移到分蘖上，由于植物分蘖的生长需要大量消耗母株所积累的有机物，因此硝普钠在提高水葫芦对水体氮素营养的吸收速率的同时还增加了水葫芦生物量增长单位质量的需N量，以此在提升修复效率的基础上降低了收获时打捞及后续处理的工作量。

综上，对调节水葫芦吸收富营养化水体中的氮素营养来说，最佳的外源活性物质是硝普纳，并且硝普纳的最佳使用浓度为10μM。此外，硝普钠已在医学领域有大量运用，本方法添加剂量下对其他水生生物无毒性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的技术和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.硝普钠联合水葫芦在净化富营养化水体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将长势良好的水葫芦移栽到自来水中，使其适应环境；

（2）将步骤（1）中的水葫芦移栽到富营养水体中，并添加硝普钠水溶液，搅拌均匀；

（3）水葫芦种植一段时间后将其全部打捞进行后续资源化的利用。

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，水葫芦应选用长势良好且生育期在花期之前的。

3. 根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，在修复富营养化水体之前水葫芦需在自来水中养殖5~7 d。

4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，水葫芦的种植面积占水面总面积的10%~30%。

5. 根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所添加的硝普钠水溶液的浓度为60~120 mM。

6. 根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，硝普钠添加到富营养化水体后，应使水体中硝普钠的浓度在1~50 μM之间。

7. 根据权利要求中1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，富营养水体的TN为1.2~20mg/L。

8.根据权利要求1~7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，水葫芦在种植1~2个月后进行打捞。

9. 根据权利要求中4所述的方法，其特征在于，所添加的硝普钠水溶液的浓度为60~120 mM。