成都生物所利用水生植物浮萍開展廢水處理研究獲系列進展

　　氮磷汙水的大量排放是造成我國水汙染的主要原因之一。目前主要技術是採用微生物將有機氮轉化為氮氣，將磷轉化為汙泥來除去氮磷，需要通過暴氣等消耗大量的電能技術來實現，運行費用高，而且難以實現資源的再利用。同時，氮磷又是農作物生長所必需的營養元素，但是因為廢水量大，氮磷的濃度相對於陸生為主的農作物需要較低而且廢水資源與農業生產在時間和空間分布上不匹配，因此難以通過作物實現廢水氮磷的有效利用。

　　水生植物浮萍是世界上最小的開花植物，其生長快，生物量大可達50噸/公頃.年，而且生物質質量高（木質素含量低，澱粉含量高），已經成為能源植物研究的熱點。中國科學院成都生物研究所趙海團隊與相關單位合作，從全球收集的浮萍資源中篩選出高效的浮萍株系，針對廢水中氮磷開發出的浮萍培養技術，可將廢水中的氮磷高效富集並轉化成高品質的生物質原料，為將生物能源原料生產與廢水處理結合提供了新的模式。

　　在雲南昆明中試規模條件下通過2年長時間系統研究浮萍與水葫蘆對汙水氮、磷吸收能力和資源化利用潛力，首次報導了浮萍（綠萍）具有與水葫蘆相當的氮、磷吸收能力和更高的資源化利用優勢（高生物量，低木質素含量）。其結果表明浮萍具有與目前公認的廢水處理能力最強的水葫蘆相當的氮磷吸收能力，全年平均浮萍水葫蘆氮分別為0.39和0.40 g/m2/d，磷分別為0.09和0.10 g/m2/d）；而浮萍的粗蛋白為33.34%、胺基酸25.80%、澱粉40.19%、磷1.24%。其品質遠優於水葫蘆。這項工作系統證明了浮萍在汙水氮磷處理和資源化回收利用中的巨大應用潛力，為浮萍系統在汙水處理與資源化利用提供了理論支撐。該研究成果已在國際刊物Bioresource Technology上發表研究論文（Potential of duckweed in the conversion of wastewater nutrients to valuable biomass: A pilot-scale comparison with water hyacinth, 163. 82–91）。

　　採用生物信息學技術研究了浮萍和水葫蘆根際微生物群落，發現水葫蘆高的氮去除能力主要來自其根際微生物的貢獻。通過向浮萍廢水處理系統中添加彈性填料，顯著提高了浮萍系統的氮去除能力（總氮去除率提高19.97%，氨氮去除率提高15.02%），其總氮去除效率為56.23%。進一步研究表明填料生物膜上高豐度的硝化菌（相對豐度約3%）和反硝化菌（相對豐度約24%）是其氮去除能力提高的根本原因。這項工作不僅深入揭示了微生物在浮萍和水葫蘆處理系統中的差異，而且通過人工模擬證明了硝化反硝化微生物的作用，更為重要的是通過微生物強化，已經顯著提升浮萍系統的汙水處理能力並提示這一系統的處理能力還有極大的提升空間。以上研究成果已發表在國際刊物Bioresource Technology上（Microbial community and removal of nitrogen via the addition of a carrier in a pilot-scale duckweed-based wastewater treatment system. Bioresource Technology, doi:10.1016/ j.biortech.2014.12.037），並申請了一項國家發明專利——一種浮萍栽培方法（201410505275.0）。

　　對浮萍廢水中試處理系統的水深、浮萍覆蓋率、收割周期、水力停留時間等運行條件進行了系統優化，獲得了較優的運行條件及較高的浮萍產量和處理效果：停留時間6天可使典型的生活汙水（氨氮濃度15mg/L左右、TN濃度15-20mg/L和TP濃度2-3mg/L）達標排放，該研究成果為浮萍在汙水處理及氮磷回收利用方面的規模化應用提供了重要的參考信息和依據，具有重要的現實指導意義。以上研究結果已發表2篇研究論文，分別在國際刊物Plant Biology上（Pilot-scale comparison of four duckweed strains from different genera for potential application in nutrient recovery from 9 wastewater and valuable biomass production. 2014 Jun 18. doi: 10.1111/plb.12204）和Water Science and Technology（Effects of operation parameters on nutrient removal from wastewater and high-protein biomass production in a duckweed-based (Lemma japonica) pilot-scale system, 2014.70(7):1195-1024），並申請了一項國家發明專利——同時提高浮萍澱粉和粗蛋白產量及汙水氮磷去除率的方法（201410198497.2）。

　　此外，研究人員還開展了利用浮萍治理重金屬尤其是稻田鎘汙染的系統研究。通過對收集自全球各地的500餘份浮萍資源的系統篩選與評價，綜合生物量增長、植株鎘積累與水體鎘去除等多個因素，篩選出對重金屬鎘具有最優富集效果的浮萍品系，實現了在中濃度和高濃度鎘汙染條件下（1mg/L和10mg/L Cd2+）生長7天，浮萍植株積累鎘含量達到300-6150 mg/kg，達到我國規定大米中鎘含量標準的1500-30000倍；在低濃度條件下（0.1mg/L和0.2mg/L Cd2+）生長10天，浮萍對水體中鎘的吸收率達到64.95-83.23%，同時幹基增長率還超過對照。由於浮萍可以與水稻同生態系統生長，因此利用浮萍吸收鎘對治理我國稻田鎘汙染和解決國家糧食安全問題具有十分重要的研究價值。目前，大田試驗正在開展中，已經在野外條件下實現了浮萍大量富集土壤中的鎘，浮萍植株中的鎘含量已達到15mg/kg。同時，通過組學研究發現浮萍具有數量巨大的與重金屬代謝相關的基因，轉錄組中發現的浮萍特有重金屬積累相關基因涉及了重金屬的吸收、轉運、區隔化、鈍化等全過程，從遺傳表達上也有力證明了浮萍具有超強的重金屬吸附能力。在稻田鎘汙染成為威脅我國環境和糧食安全最嚴峻挑戰的今天，該研究不僅展示了浮萍具有超富集重金屬尤其是鎘的能力，同時展現了其在稻田鎘汙染治理領域的巨大應用潛力。

 

圖1  水葫蘆與浮萍生長情況的比較 

 

圖2  浮萍與水葫蘆根際優勢類群分析 

 

圖3  浮萍規模化培養中試示範現場 

圖4  浮萍吸收稻田中鎘的大田試驗現場 

　　氮磷汙水的大量排放是造成我國水汙染的主要原因之一。目前主要技術是採用微生物將有機氮轉化為氮氣，將磷轉化為汙泥來除去氮磷，需要通過暴氣等消耗大量的電能技術來實現，運行費用高，而且難以實現資源的再利用。同時，氮磷又是農作物生長所必需的營養元素，但是因為廢水量大，氮磷的濃度相對於陸生為主的農作物需要較低而且廢水資源與農業生產在時間和空間分布上不匹配，因此難以通過作物實現廢水氮磷的有效利用。
　　水生植物浮萍是世界上最小的開花植物，其生長快，生物量大可達50噸/公頃.年，而且生物質質量高（木質素含量低，澱粉含量高），已經成為能源植物研究的熱點。中國科學院成都生物研究所趙海團隊與相關單位合作，從全球收集的浮萍資源中篩選出高效的浮萍株系，針對廢水中氮磷開發出的浮萍培養技術，可將廢水中的氮磷高效富集並轉化成高品質的生物質原料，為將生物能源原料生產與廢水處理結合提供了新的模式。
　　在雲南昆明中試規模條件下通過2年長時間系統研究浮萍與水葫蘆對汙水氮、磷吸收能力和資源化利用潛力，首次報導了浮萍（綠萍）具有與水葫蘆相當的氮、磷吸收能力和更高的資源化利用優勢（高生物量，低木質素含量）。其結果表明浮萍具有與目前公認的廢水處理能力最強的水葫蘆相當的氮磷吸收能力，全年平均浮萍水葫蘆氮分別為0.39和0.40 g/m2/d，磷分別為0.09和0.10 g/m2/d）；而浮萍的粗蛋白為33.34%、胺基酸25.80%、澱粉40.19%、磷1.24%。其品質遠優於水葫蘆。這項工作系統證明了浮萍在汙水氮磷處理和資源化回收利用中的巨大應用潛力，為浮萍系統在汙水處理與資源化利用提供了理論支撐。該研究成果已在國際刊物Bioresource Technology上發表研究論文（Potential of duckweed in the conversion of wastewater nutrients to valuable biomass: A pilot-scale comparison with water hyacinth, 163. 82–91）。
　　採用生物信息學技術研究了浮萍和水葫蘆根際微生物群落，發現水葫蘆高的氮去除能力主要來自其根際微生物的貢獻。通過向浮萍廢水處理系統中添加彈性填料，顯著提高了浮萍系統的氮去除能力（總氮去除率提高19.97%，氨氮去除率提高15.02%），其總氮去除效率為56.23%。進一步研究表明填料生物膜上高豐度的硝化菌（相對豐度約3%）和反硝化菌（相對豐度約24%）是其氮去除能力提高的根本原因。這項工作不僅深入揭示了微生物在浮萍和水葫蘆處理系統中的差異，而且通過人工模擬證明了硝化反硝化微生物的作用，更為重要的是通過微生物強化，已經顯著提升浮萍系統的汙水處理能力並提示這一系統的處理能力還有極大的提升空間。以上研究成果已發表在國際刊物Bioresource Technology上（Microbial community and removal of nitrogen via the addition of a carrier in a pilot-scale duckweed-based wastewater treatment system. Bioresource Technology, doi:10.1016/ j.biortech.2014.12.037），並申請了一項國家發明專利——一種浮萍栽培方法（201410505275.0）。
　　對浮萍廢水中試處理系統的水深、浮萍覆蓋率、收割周期、水力停留時間等運行條件進行了系統優化，獲得了較優的運行條件及較高的浮萍產量和處理效果：停留時間6天可使典型的生活汙水（氨氮濃度15mg/L左右、TN濃度15-20mg/L和TP濃度2-3mg/L）達標排放，該研究成果為浮萍在汙水處理及氮磷回收利用方面的規模化應用提供了重要的參考信息和依據，具有重要的現實指導意義。以上研究結果已發表2篇研究論文，分別在國際刊物Plant Biology上（Pilot-scale comparison of four duckweed strains from different genera for potential application in nutrient recovery from 9 wastewater and valuable biomass production. 2014 Jun 18. doi: 10.1111/plb.12204）和Water Science and Technology（Effects of operation parameters on nutrient removal from wastewater and high-protein biomass production in a duckweed-based (Lemma japonica) pilot-scale system, 2014.70(7):1195-1024），並申請了一項國家發明專利——同時提高浮萍澱粉和粗蛋白產量及汙水氮磷去除率的方法（201410198497.2）。
　　此外，研究人員還開展了利用浮萍治理重金屬尤其是稻田鎘汙染的系統研究。通過對收集自全球各地的500餘份浮萍資源的系統篩選與評價，綜合生物量增長、植株鎘積累與水體鎘去除等多個因素，篩選出對重金屬鎘具有最優富集效果的浮萍品系，實現了在中濃度和高濃度鎘汙染條件下（1mg/L和10mg/L Cd2+）生長7天，浮萍植株積累鎘含量達到300-6150 mg/kg，達到我國規定大米中鎘含量標準的1500-30000倍；在低濃度條件下（0.1mg/L和0.2mg/L Cd2+）生長10天，浮萍對水體中鎘的吸收率達到64.95-83.23%，同時幹基增長率還超過對照。由於浮萍可以與水稻同生態系統生長，因此利用浮萍吸收鎘對治理我國稻田鎘汙染和解決國家糧食安全問題具有十分重要的研究價值。目前，大田試驗正在開展中，已經在野外條件下實現了浮萍大量富集土壤中的鎘，浮萍植株中的鎘含量已達到15mg/kg。同時，通過組學研究發現浮萍具有數量巨大的與重金屬代謝相關的基因，轉錄組中發現的浮萍特有重金屬積累相關基因涉及了重金屬的吸收、轉運、區隔化、鈍化等全過程，從遺傳表達上也有力證明了浮萍具有超強的重金屬吸附能力。在稻田鎘汙染成為威脅我國環境和糧食安全最嚴峻挑戰的今天，該研究不僅展示了浮萍具有超富集重金屬尤其是鎘的能力，同時展現了其在稻田鎘汙染治理領域的巨大應用潛力。
 
圖1 水葫蘆與浮萍生長情況的比較 
 
圖2 浮萍與水葫蘆根際優勢類群分析 
 
圖3 浮萍規模化培養中試示範現場 

圖4 浮萍吸收稻田中鎘的大田試驗現場