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(zhì)質(zhì)量高（木質(zhì)素含量低，淀粉含量高），已經(jīng)成為能源植物研究的熱點。中國科學(xué)院成都生物研究所趙海團隊與相關(guān)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(fā)出的浮萍培養(yǎng)技術(shù)，可將廢水中的氮磷高效富集并轉(zhuǎn)化成高品質(zhì)的生物質(zhì)原料，為將生物能源原料生產(chǎn)與廢水處理結(jié)合，提供了新的模式。
1、在云南昆明中試規(guī)模條件下通過2年長時間系統(tǒng)研究浮萍與水葫蘆對污水氮、磷吸收能力和資源化利用潛力，首次報道了浮萍（綠萍）具有與水葫蘆相當(dāng)?shù)牡⒘孜漳芰透叩馁Y源化利用優(yōu)勢（高生物量，低木質(zhì)素含量）。其結(jié)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(dāng)?shù)牡孜漳芰Γ昶骄∑妓J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%、氨基酸25.80%、淀粉40.19%、磷1.24%。其品質(zhì)遠優(yōu)于水葫蘆。這項工作系統(tǒng)證明了浮萍在污水氮磷處理和資源化回收利用中的巨大應(yīng)用潛力，為浮萍系統(tǒng)在污水處理與資源化利用提供了理論支撐。
該研究成果已發(fā)表研究論文在在國際刊物Bioresource Technology上（Potential of duckweed in the conversion of wastewater nutrients to valuable biomass: A pilot-scale comparison with water hyacinth, 163. 82–91）。
圖1 水葫蘆與浮萍生長情況的比較
2、采用生物信息學(xué)技術(shù)研究了浮萍和水葫蘆根際微生物群落，發(fā)現(xiàn)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(tǒng)中添加彈性填料，顯著提高了浮萍系統(tǒng)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（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(tǒng)中差異，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(jīng)顯著提升浮萍系統(tǒng)的污水處理能力并提示這一系統(tǒng)的處理能力還有極大的提升空間。
以上研究成果已發(fā)表研究論文在在國際刊物Bioresource Technology（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）上，并申請了一項國家發(fā)明專利——一種浮萍栽培方法. 201410505275.0。
圖2 浮萍與水葫蘆根際優(yōu)勢類群分析
3、對浮萍廢水中試處理系統(tǒng)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(tǒng)優(yōu)化，獲得了較優(yōu)的運行條件及較高的浮萍產(chǎn)量和處理效果：停留時間6天可使典型的生活污水（氨氮濃度15mg/L左右、TN濃度15 -20mg/L和TP濃度2-3mg/L）達標(biāo)排放，該研究成果為浮萍在污水處理及氮磷回收利用方面的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了重要的參考信息和依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。
以上研究結(jié)果已發(fā)表2篇研究論文，分別在國際刊物Plant Biology （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）上，并申請了一項國家發(fā)明專利——同時提高浮萍淀粉和粗蛋白產(chǎn)量及污水氮磷去除率的方法.201410198497.2。
圖3 浮萍規(guī)模化培養(yǎng)中試示范現(xiàn)場
4、開展了利用浮萍治理重金屬尤其是稻田鎘污染的系統(tǒng)研究。通過對收集自全球各地的500余份浮萍資源的系統(tǒng)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(yōu)富集效果的浮萍品系，實現(xiàn)了在中濃度和高濃度鎘污染條件下（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(guī)定大米中鎘含量標(biāo)準(zhǔn)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%，同時干基增長率還超過對照。由于浮萍可以與水稻同生態(tài)系統(tǒng)生長，因此利用浮萍吸收鎘對治理我國稻田鎘污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(jīng)在野外條件下實現(xiàn)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(xué)研究發(fā)現(xiàn)浮萍具有數(shù)量巨大的與重金屬代謝相關(guān)的基因，轉(zhuǎn)錄組中發(fā)現(xiàn)的浮萍特有重金屬積累相關(guān)基因涉及了重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運、區(qū)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。在稻田鎘污染成為威脅我國環(huán)境和糧食安全最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的今天，本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(xiàn)了其在稻田鎘污染治理領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
圖4 浮萍吸收稻田中鎘的大田試驗現(xiàn)場