污染水體的濕地植物修復技術(shù)研究與應(yīng)用

魯敏，趙潔，李雪蕾，康文鳳

(1.山東建筑大學學報編輯部，山東 濟南 250101;2.山東建筑大學 藝術(shù)學院，山東 濟南 250101)

0 引言

水體受到重金屬、有機物和營養(yǎng)元素等多重污染，已成為世界性的環(huán)境問題。水資源是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源，也是基礎(chǔ)自然資源，是生態(tài)環(huán)境的控制性因素之一;同時，又是戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，是一個國家和地區(qū)綜合國力的有機組成部分。[1]目前，中國大多數(shù)城市和地區(qū)的水質(zhì)都受到不同程度的污染，水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)惡化、水生生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞，這導致了可利用水源的進一步減少，水資源的供給受到威脅、供需矛盾加劇等問題。如何保持水資源持續(xù)、健康的利用，延緩、阻止水生態(tài)系統(tǒng)的受損進程，已成為當今全球科學家關(guān)注研究的熱點之一。[2]修復污染水體具有十分重大的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，對于人類進步和社會的可持續(xù)發(fā)展也將產(chǎn)生深遠的影響。

目前，國內(nèi)外在修復污染水體方面先后都開展了相應(yīng)一系列的研究，提出了許多理論方法和實用技術(shù)，這其中生物修復技術(shù)(包括植物和微生物的修復)是最科學有效和經(jīng)濟的水體污染修復技術(shù)之一。[3]濕地植物不僅具有凈化水體和恢復生態(tài)的能力，同時還兼有美化環(huán)境的作用，所以利用濕地植物構(gòu)建濕地生態(tài)系統(tǒng)來進行污染水體的修復技術(shù)成為近年來治理污水的研究熱點。

1 植物修復技術(shù)概述

植物修復技術(shù)(Phytoremediation)是利用特定的植物對某種環(huán)境污染物的吸收、固定、超積累、降解、轉(zhuǎn)移、揮發(fā)及促進根際微生物共存體系等特性，降低或去除環(huán)境污染物，使污染環(huán)境得以恢復的科學技術(shù)。[4]

植物對污染水體進行修復的對象不僅包括水體中氮磷營養(yǎng)鹽、重金屬等無機物，也包括有機污染物。生長迅速的高等濕地植物，在生長期間可有效吸收并超富集水中的營養(yǎng)鹽，起著營養(yǎng)泵或營養(yǎng)庫的作用，通過合理構(gòu)建轉(zhuǎn)移出大量N、P等無機物，并維持水生植物生物量，使水體保持相當凈化能力，[5]這對水體的富營養(yǎng)化具有良好的修復作用。此外植物還可以通過直接吸收和降解、生物酶的作用或根際的生物降解方式去除重金屬、有機污染物。[6]

2 國內(nèi)外污染水體濕地植物修復技術(shù)的研究進展

水環(huán)境的惡化導致水生態(tài)系統(tǒng)的破壞，這極大的影響了人類的生存空間和社會的可持續(xù)發(fā)展。人們在反思并探討研究如何對受損水生態(tài)系統(tǒng)進行修復以及補償時，各國科學家對水生態(tài)系統(tǒng)的恢復方式和目標有不同的見解及定義。[7－8]但是，濕地植物的重要環(huán)境生態(tài)功能已經(jīng)為人們所認可。

2.1 國外研究進展

20世紀50年代，德國首先提出“近自然河道治理工程”的概念，強調(diào)河道的綜合治理，注重植物、動物的生態(tài)相互制約和協(xié)調(diào)作用。之后，世界各國對以追求人與自然和諧相處為目標的生態(tài)水利理論與技術(shù)展開了積極地探索。[9]

早在1965年日本在對琵琶湖進行綜合治理時，就提出恢復其自然生態(tài)系統(tǒng)的策略:在保護琵琶湖湖心水域生物生存環(huán)境的同時，對湖邊水域生態(tài)系統(tǒng)的生物生息空間進行合理性恢復，并在此基礎(chǔ)上以湖邊為中心建設(shè)放射狀的平原、丘陵、山地森林生態(tài)系統(tǒng)的生物生存空間和生息環(huán)境，最終將全流域的生態(tài)系統(tǒng)得以恢復。[10－11]

近年來西方發(fā)達國家在利用濕地植物修復污染水體方面的研究工作己由實驗室研究擴展到大規(guī)模田間試驗研究，由局部性污水處理發(fā)展到對整個城市以及湖泊河流污染的治理，由高校、科研機構(gòu)內(nèi)的研究發(fā)展到政府以及大公司企業(yè)的研究實驗，在這種實驗條件和迅速發(fā)展的趨勢下，更多的濕地修復植物種類被研究和利用。其中1987年美國在奧基喬比湖做的大型濕地植物凈化工程，總面積達200hm2，將濕地植物從個體研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究，并成為利用濕地植物治理湖泊的典型。而且這些研究在生物學和生態(tài)學的基礎(chǔ)性研究方面也日益擴大和深入，并為正在形成的環(huán)境生物工程學和生態(tài)工程學充實了理論依據(jù)和實踐內(nèi)容。[12]

2.2 國內(nèi)研究進展

我國對污染水體的修復技術(shù)應(yīng)用和研究起步較晚，上世紀70年代中期才開始做利用濕地植物凈化水質(zhì)方面的研究，包括靜態(tài)條件下單一植物或多種植物配植對污水的凈化作用，及利用動態(tài)方法研究濕地植物對污染水體的修復效果。[13]

近年來我國在利用某些濕地植物修復富營養(yǎng)化水體方面取得了一些成果。1984年在西湖開展了利用濕地植物恢復西湖水質(zhì)的研究實驗工作，這對西湖的生態(tài)恢復起了積極作用，1989年武漢中科院水生所在東湖進行了“東湖水生植被的實驗性恢復工程”，同時，南京地理與湖泊研究所在太湖也展開了恢復太湖大型濕地植物的研究實驗工作[14]，這些工作在積極推動當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)恢復的同時也為濕地植物修復污染水體的研究提供了大量的數(shù)據(jù)成果和寶貴的經(jīng)驗。此外，2000年寧波大學利用生物操縱技術(shù)成功控制了寧波月湖的藍藻水華，該項成果在2001年國際藍藻控制學術(shù)會議上得到了國內(nèi)外同行專家的一致贊同。

3 污染水體濕地植物修復技術(shù)機理和機制

3.1 濕地植物凈化水體的機理

濕地植物凈化污染水體有吸附、沉降、吸收、代謝、富集、濃縮等多種方式。

3.1.1 吸附、沉降作用

濕地植物發(fā)達的根莖在水中能形成一道密集的過濾層，當水流通過這道過濾層時，水體中的污染物質(zhì)可以被過濾掉，一些不溶性膠體會被根系吸附，在根系表面進行吸附、離子交換、整合、沉降等作用。同時，附著在根系上的一些微生物在進入內(nèi)源呼吸期后會發(fā)生凝聚作用產(chǎn)生菌膠團，其中有部分凝聚的菌膠團可通過沉降新陳代謝產(chǎn)物和懸浮性有機物來澄清周圍的水體。[15]

3.1.2 吸收作用

濕地植物發(fā)達的根系在植物生長發(fā)育過程中，能強烈地吸收、轉(zhuǎn)化和積累水體中的氮、磷等營養(yǎng)鹽以滿足自身的需要。實驗表明，濕地植物體內(nèi)氮磷的含量都達到或超過其生長所需最低的N和P閾值，而且隨著水體中氮磷含量的提高呈現(xiàn)規(guī)律性變化。[16]另外，因為濕地植物的生命周期比藻類要長，所以氮、磷營養(yǎng)鹽在濕地植物體內(nèi)儲存也更加穩(wěn)定。當濕地植物生長一段時間后被移出水生生態(tài)系統(tǒng)時，在其體內(nèi)儲存的氮磷等污染物也隨之移出了水體，水體因此得到了凈化。[17]

3.1.3 微生物作用

濕地植物發(fā)達的根系為微生物的生存和營養(yǎng)代謝提供了必要的場所和環(huán)境。植物根系通過釋放光合作用產(chǎn)生的氧氣而為微生物提供一個有氧環(huán)境，幫助其氧化分解周圍的沉降物，同時根區(qū)外地厭氧環(huán)境則利于微生物的反硝化作用。這種好氧厭氧的條件促使微生物進行硝化作用和反硝化作用的連續(xù)反應(yīng)，而能最大程度的去除污水中的含氮有機物分解所產(chǎn)生的氨態(tài)氮。

3.1.4 抑藻作用

濕地植物還對浮游藻類產(chǎn)生競爭抑制作用。一方面濕地植物通過光和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭，抑制藻類的生長;另一方面某些濕地植物根系能分泌出破壞藻類正常的生理代謝功能的抑藻物質(zhì)，通過這種方式達到抑制藻類生長的作用，如類固醇、菇類化合物等。[18]

3.2 濕地植物修復凈化效果

3.2.1 攔截外源污染物

外源污染物主要包括來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染和城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)生產(chǎn)生活污水，是導致水體富營養(yǎng)化污染的主要原因之一。在攔截外源污染物匯入水體時濕地植物發(fā)揮著重要的作用。實驗表明，植有豐富濕地植物的溝渠塘等洼地系統(tǒng)可有效減少城市生產(chǎn)污染物向水體的匯入，例如太湖地區(qū)通過生態(tài)隔離草帶的構(gòu)建，農(nóng)田土壤中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)向水體的遷移得到有效控制。

3.2.2 降解有機污染物

實驗表明，濕地植物可有效降解污染水體中高濃度的有機污染物。袁蓉等[19]利用鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)處理不同濃度的萘污水，凈化率最高可達到92.0%。黃文鳳等[20]對TNT和RDX混合廢水利用厭氧—水葫蘆—吸附組合工藝進行處理后可達到國家排放標準，并且發(fā)現(xiàn)在整個系統(tǒng)去除效果中水葫蘆對TNT和RDX的去除可占25%～40%。

3.2.3 吸收氮磷等營養(yǎng)鹽

濕地植物可大量吸收污染水體中的氮磷營養(yǎng)鹽。張彥海等[21]研究了在長江次級河流臨江河中美人蕉(Canna generalis)對河水中 N、P的去除情況，得出在0.8m3/(m2·d)的水力負荷條件下，美人蕉浮床系統(tǒng)內(nèi)DO逐級下降，在植物移除前對TP、NH3-N、TN 的平均去除率分別達到49.36%、66.08%、56.82%。

3.2.4 富集重金屬

油菜免耕稀植栽培與常規(guī)技術(shù)相比，具有不用耕整土地、移栽密度小、從種至收用工減少三分之一、節(jié)省生產(chǎn)投入、增產(chǎn)增收等優(yōu)點，相比常規(guī)栽培可增產(chǎn)25-35%，在冬油菜產(chǎn)區(qū)具有很好的推廣價值。

濕地植物還可以去除污染水體中的重金屬物質(zhì)。Zhu等[22]研究表明利用水葫蘆富集重金屬Cu6+、Cd2+最好，其次是 Cu2+、Se6+，再次是 Ni2+、As5+，并且發(fā)現(xiàn)水葫蘆的根部為重金屬主要富集器官。

3.2.5 抑制藻類生長

濕地植物有抑藻作用。1949年濕地植物對藻類有抑制的作用被Hasler等人首次發(fā)現(xiàn)。Kogan等研究指出金魚藻(Ceratophyllum demersum)能有效抑制藍藻水華，但對綠藻卻效果不明顯。Alka等指出，水葫蘆根和葉的滲濾液均能抑制斜生柵列藻的生長[23]。

3.2.6 抑制底泥中污染物再釋放

濕地植物對底泥中污染物再釋放的抑制，一方面是通過挺水植物和沉水植物發(fā)達的根莖起到固定底泥的作用而減少因風和魚類的活動所引起的底泥污染物再次懸浮;另一方面浮水植物和挺水植物通過對水流的阻尼而減少風浪擾動，這就限制了底泥中營養(yǎng)物質(zhì)的溶出速度。

3.3 濕地植物在污染水體修復中的應(yīng)用

3.3.1 人工濕地系統(tǒng)

人工濕地處理系統(tǒng)是人為的通過模擬自然濕地建造的濕地系統(tǒng)以用來處理污水的新型廢水處理工藝。人工濕地不僅具有建造成本低、運轉(zhuǎn)費用低、維護簡單、效果好等特點，而且能維護和恢復生態(tài)體系，這點對日益惡化的生態(tài)環(huán)境具有重要意義，也成為近年來水處理技術(shù)的研究熱點。人工濕地一般由基質(zhì)(如礫石等)和生長在其上的濕地植物微生物等構(gòu)成特定的濕地生態(tài)系統(tǒng)。在運行中含重金屬的污水緩慢流過生長有植物的基質(zhì)填料表面，在濕地植物和床體的共同作用下得到凈化。人工濕地的植物選擇類型也是多種多樣的，以成活率高、性能好、抗水性強、生長周期長、美觀以及具有一定經(jīng)濟價值的濕地植物為最佳，一般以挺水植物為主(如表1所示)。[24]目前人工濕地常用的濕地植物有蘆葦(Phragmites communis)、香蒲(Typha orientalis)、水芹菜(Oenanthe javanica)、 菱白(Zizania caduciflora)、浮萍(Lemna minor)、苦草(Vallisneria natans)、滿江紅(Azolla imbricata)、鳳眼蓮等。

表1 濕地植物三種類型

3.3.2 凈化塘

凈化塘也是利用植物凈化污水時常用的一種方式，它是以某種有特殊功能的濕地植物占絕對優(yōu)勢而組成的特殊水生生態(tài)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)通過濕地植物體的吸收、富積累等作用以及植物群落的阻濾、吸附、沉降等物理作用作用于水體中某種污染物而達到對污水的凈化效果。例如，通過向池塘內(nèi)投放水芹菜、黑麥草、香蒲等對重金屬有富集作用的植物，然后定期收割，便達到減少或去除重金屬的目的。由于植物依據(jù)其生理特性對不同污染物質(zhì)會有不同的吸收效應(yīng)，因此凈化塘在濕地植物的利用上，由一種植物為主發(fā)展到多種植物搭配，充分發(fā)揮各種植物的優(yōu)勢，以達到最佳的凈化效果。[25]

3.3.3 人工圍隔系統(tǒng)

采用人工圍隔系統(tǒng)建立水生植被來修復水域生態(tài)系統(tǒng)、治理污染水體是目前水域生態(tài)恢復研究的熱點。中國科學院南京地理與湖泊研究所[26]于2000年秋末冬初為凈化富營養(yǎng)化湖水在莫愁湖中建立圍區(qū)，先后引種鳳眼蓮、伊樂藻、菹草(Potamogeton crispus)和微齒眼子菜(Potamogeton distinctus)等濕地植物組建水生植被進行試驗，結(jié)果表明，組建的人工圍隔系統(tǒng)不僅能對湖的N、P有較高的去除率，對藻類有明顯的抑制作用，可以快速提高水體透明度，而且對外源污染物沖擊也有很強的緩沖能力。

4 展望

污染水體濕地植物修復技術(shù)是一種低投資、高產(chǎn)出且環(huán)境效益好的一項非常有應(yīng)用前景的水污染處理技術(shù)，它有治理費低、效果好且成效永久的特點，尤其是還具有良好的綜合生態(tài)效益等的諸多優(yōu)點。但由于植物修復技術(shù)是一門新興的技術(shù)，起步較晚，而且是一項復雜系統(tǒng)工程，不是單一學科隊伍可以解決的，目前在理論體系、修復機理及修復技術(shù)工藝上有許多不完善、不成熟的地方，因此不管是在基礎(chǔ)理論研究還是實踐應(yīng)用方面都有待深入研究。今后的發(fā)展趨勢大致有以下幾個方面。

(1)分子生物學和基因工程技術(shù)的應(yīng)用。在分子生物學方面展開相應(yīng)的研究，應(yīng)用分子生物學和基因工程技術(shù)將具有良好遺傳性狀的、生長周期短的、能適應(yīng)不同濃度不同地域和季節(jié)的、快速高效并能同時修復多種污染的基因?qū)氲綕竦刂参镏幸耘嘤嗟闹参镄缕贩N是今后植物修復的主要研究方向之一。

(2)推廣建設(shè)應(yīng)用植物修復污染的示范性基地。示范性基地便于研究的集中有效進行，在取得經(jīng)驗后也方便推廣。目前我國一些學者正在開發(fā)香根草生態(tài)工程，對Cr、As、Ni等重金屬的忍耐積累程度香根草要遠遠高于一般植物，且在短時間內(nèi)可以去除土壤中相當部分污染物質(zhì)，這一技術(shù)極有前景。

(3)尋找野生超積累植物。我國有豐富的野生植物資源，合理開發(fā)和研究新的野生植物在植物修復中的作用并應(yīng)用于污染治理中是有十分重要的意義的。

(4)超積累植物和耐重金屬及其根際微生物共存體系及重金屬在水體中的遷移規(guī)律及其在生態(tài)系統(tǒng)中的遷移機理的研究。

(5)研究修復污染植物的產(chǎn)后處理方式。大量富含污染物的植物收割后如不能合理盡快地加以處理，可能會對環(huán)境造成二次污染，這是阻礙植物修復技術(shù)發(fā)展的另一難題。目前的主要處理方式有高溫分解、焚燒、堆肥、直接壓縮等。

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