水生植物對污染水體修復(fù)的研究進展

溫閃閃，劉 芳

(南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

因大量工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活廢棄物排入水或土壤中，使得水質(zhì)和土壤受到嚴(yán)重污染。隨著對生態(tài)學(xué)與人類關(guān)系研究的深入，越來越多的研究者開始關(guān)注利用生態(tài)學(xué)原理修復(fù)受污染的水環(huán)境和土壤。水生植物作為自然界生態(tài)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，其特性決定了其凈化與修復(fù)水體污染的功能。

1 水生植物的凈化機理

1.1 水生植物自身特點

大部分水生植物長期生活在缺氧、弱光的環(huán)境中，在形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)上形成了一種特殊性，即具有很發(fā)達(dá)的根、莖、葉通氣組織，通過植株枝條和根系的氣體傳輸、釋放作用，將O2輸送至根區(qū)，在還原性的底泥中形成了氧化態(tài)的微環(huán)境，從而加強了根區(qū)微生物的生長和繁殖，增強了其降解作用。故水生植物的氣體交換與輸導(dǎo)作用對以水生植物為主體的生態(tài)工程處理系統(tǒng)的正常和高效運行具有重要意義［1，2］。

1.2 水生植物的吸收、富集作用

水生植物能吸收和富集一些有毒有害物質(zhì)［3］?？扇苄杂袡C物通過植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解過程被去除。竇磊等［4］的研究表明Pb、Zn 進入香蒲(Cattail)體內(nèi)，主要積聚在皮層細(xì)胞的細(xì)胞壁上，只有少量進入原生質(zhì)。

1.3 物理作用

大型水生植物在水中形成的茂密植被具有抑制風(fēng)浪和減緩水流的功能，可促進水中懸浮物的下降，以及減少底泥中顆粒物的再懸浮。屠清瑛等［5］在北京什剎海進行的生態(tài)恢復(fù)試驗證明改善光照和溶氧條件，人為扶持沉水植物的空間生態(tài)位，使其成為優(yōu)勢種群，能有效降低生物性和非生物性懸浮物濃度，提高水體透明度，增加了水生生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的有效性。

1.4 生物化學(xué)作用

在植物生長過程中，根系會向生長介質(zhì)中分泌出大量的有機物，這類分泌物中包含有大量的有機酸、氨基酸和活性酶等;根系表皮細(xì)胞死亡后在微生物的作用下分解為腐殖質(zhì)。這些分泌物和腐殖質(zhì)中有一系列功能團(如羥基、羧基、酚羥基、烯醇羥基以及芳環(huán)結(jié)構(gòu)等)，它們對含各種基團的化合物均具有極強的吸附能力。當(dāng)水流經(jīng)過時，不溶性膠體會被根系粘附或吸附，再通過生物化學(xué)作用，將水中的污染物降解。吳振斌等［6］通過人工濕地根區(qū)磷酸酶和脲酶活性的測定發(fā)現(xiàn)，其脲酶活性與總氮去除率有較明顯的相關(guān)關(guān)系，證明了植物磷酸酶對磷的去除起到很大作用。

1.5 對浮游藻類的競爭抑制作用

抑制作用也稱為植物的化感作用，Rice［7］將化感作用定義為一種植物通過向環(huán)境中釋放化學(xué)物質(zhì)影響其他生物生長的現(xiàn)象。許多研究都表明化感作用普遍存在于水體中。俞子文等［8］證實了水花生(Alternanthera Philoxeroides)、水浮蓮(Eichhirnia crasslpes)、滿江紅(Azolla Imbricata)、紫萍(Spirodela Polyrhiza)和西洋菜(Nasturitium Officinale)與雷氏衣藻(Chlamydomonas Reinhardi)有相生相克關(guān)系，從水花生、水浮蓮的種植水中得到的分泌物粗提物，也表現(xiàn)出對雷氏衣藻的克制效應(yīng)。

2 水生植物的凈化能力及自身代謝生長對水質(zhì)的影響

2.1 對水體中N、P 的去除

不同水生植物對污水凈化能力不同，但對氮、磷、鉀的去除途徑主要有植物吸收、沉淀、吸附作用和微生物固定等［9］。吳湘等［10］研究了挺水植物蘆葦(Phragmites Australis)、沉水植物金魚藻(Ceratophyllum Demersum L)和浮葉植物浮葉四角菱(Trapaceae)對池塘養(yǎng)殖廢水的凈化效果，發(fā)現(xiàn)它們對水體中氮的去除率關(guān)系如下:蘆葦＞浮葉四角菱＞金魚藻;對磷的去除率關(guān)系如下:蘆葦＞金魚藻＞浮葉四角菱?？梢娡λ参锾J葦對N、P 具有較好的去除能力。

蔡培英等［11］進行了7 種水生植物去除城市生活污水氮、磷效果的研究，結(jié)果表明7 種水生植物對生活污水中TP 的去除率均達(dá)60% 以上。黃輝等［12］對利用以浮萍為基礎(chǔ)的穩(wěn)定氧化塘的N、P 含量進行了連續(xù)3 年的監(jiān)測，監(jiān)測指標(biāo)包括N、P、BOD、COD、Fe3+和TSS 等，在這些指標(biāo)中，每一項都降低了60%以上。

任文君等［13］研究了4 種沉水植物在白洋淀富營養(yǎng)化環(huán)境下的生長狀況，以及對水體N、P 及有機物的凈化效果，試驗21 d 后，蓖齒眼子菜(Potamogeton Pectinatus L)、馬來眼子菜(Potamogeton Malaianus)、金魚藻和黑藻所在的生長體系對水體中TP 的去除率分別為83.59%、84.35%、87.84%和89.88%;對水體中氨氮的去除率都在75%左右;對TN 的去除率分別為79.40%、83.82%、88.51%和87.73%。綜合來看金魚藻和黑藻凈化效果較好。

宋 福 等［14］利 用 狐 尾 藻 (Myriophyllum Verticillatum L)、菹草(Potamogeton Crispus)、苦草(Vallisneria Natans Hara)、伊樂藻、金魚藻、篦齒眼子菜和輪藻等7 種沉水植物對受污染的草海水體的(含底泥)TN 去除率進行了試驗研究，試驗的27 d內(nèi)，對TN、TP 的去除率分別為80.31%和89.82%，得出多物種同時種植去除效果更好的結(jié)論。

童昌華等［15］利用人工模擬的方法，在低溫季節(jié)用金魚藻等6 種植物對養(yǎng)魚池污水進行凈化處理。結(jié)果表明，低溫季節(jié)6 種植物對TN、TP 和硝態(tài)氮仍有較好的吸收效果，無論TN，氨氮還是硝態(tài)氮狐尾藻的吸收率都是最高。

2.2 水生植物對重金屬的去除

有許多種濕地植物對污染廢水中的重金屬具有極強的富集能力，這些植物體內(nèi)的重金屬濃度可達(dá)其生長廢水中重金屬濃度的數(shù)百甚至數(shù)千倍。姜虎生等［16］研究了蘆葦、水芹菜(Apium Graveolens)、香蒲3 種水生植物對含鉻(Cr)污水的吸收和富集作用，結(jié)果表明蘆葦對Cr 的去除率高于水芹菜和香蒲。

任 珺 等［17，18］用 蘆 葦、菖 蒲 和 水 蔥(Scirpus validus Vahl)對不同鉛(Pb)濃度和鋅(Zn)濃度的富集能力進行了研究，結(jié)果表明水蔥、菖蒲、蘆葦均能夠有效吸收水體中的Pb，菖蒲對水體中Pb 具有最強的富集能力，蘆葦對Pb 的富集能力最弱;菖蒲對Zn 的吸收能力也高于水蔥和蘆葦。

徐德福等［19］以4 種挺水植物為材料研究了對重金屬鋅的抗性和去除能力。結(jié)果表明燈心草和菖蒲對鋅的抗性能力較強，茭白和美人蕉則較弱;而燈心草抗鋅毒害能力最強，當(dāng)處理鋅污染水體時，燈心草可作為一種工程植物。

2.3 水生植物耐鹽性

不同水生植物的抗鹽度能力也不同，李雙躍等［22］對蘆葦、香蒲和荷花3 種水生植物在不同鹽濃度下的SOD、POD 活性和MDA、葉綠素含量等進行了研究。結(jié)果表明蘆葦?shù)哪望}性最強，高鹽度下對蘆葦?shù)纳L沒有很大影響。

2.4 根系分泌物及根際微生物對廢水凈化作用

植物-微生物相互作用主宰了陸地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能，可溶性根系分泌物為微生物提供了豐富的有效碳源，根系分泌物是植物對環(huán)境條件本能反應(yīng)的一種特征物質(zhì)。植物和微生物進行協(xié)同代謝過程，袁東海等［23］通過對幾種濕地植物凈化生活污水的COD、TN 效果比較發(fā)現(xiàn)，植被系統(tǒng)凈化污染物的能力一方面取決于植物的生物量，另一方面取決于植被根際微生物的硝化反硝化作用。魏成等［24］研究了在不同植物組合條件下，人工濕地系統(tǒng)的污染物去除效果與植物根際微生物群落的相互關(guān)系。結(jié)果表明通過不同植物組合而成的濕地系統(tǒng)，可提高根際微生物群落功能多樣性，從而提高人工濕地污染物凈化的效果和穩(wěn)定性。

2.5 水生植物腐爛分解對水質(zhì)的影響

Tanner 等［25］研究利用水生植物處理人工濕地污水時發(fā)現(xiàn)，一定量的植物殘體可以促進整個系統(tǒng)的脫氮過程，但超過一定范圍，N、P 去除率會降低。唐金艷等［26］對6 種水生植物進行64 d 的腐爛分解試驗，結(jié)果表明水生植物在分解前期，會造成水體N、P 等營養(yǎng)元素激增和局部缺氧現(xiàn)象，但在分解后期，水體中硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮濃度開始下降，還發(fā)現(xiàn)挺水植物蘆葦腐解過程中的水體化學(xué)需氧量、TN 和TP 濃度最低，水質(zhì)最好。

3 水生植物凈化污染水體的工程與應(yīng)用研究

3.1 凈化塘

水生植物塘具有較高的去污效能，其出水水質(zhì)，特別是對氮、磷等的去除，比普通氧化塘系統(tǒng)好得多。在城市環(huán)境與城市生態(tài)靜態(tài)試驗中，水生植物塘對磷和有機物一級降解速率比一般菌藻共生塘平均高出兩倍以上［27］。楊鵬等［28］利用三級凈化塘處理工藝對云南省某農(nóng)業(yè)生活與農(nóng)業(yè)廢水進行了生態(tài)攔截與修復(fù)，凈化塘主要植物為當(dāng)?shù)刂参?，如茭白、蓮藕、洱海海菜、浮萍和鳳眼蓮等。實際運行結(jié)果表明該工藝處理效果良好，運行穩(wěn)定，對水體中TN、TP和COD 的累計去除率分別達(dá)到96.76%、95.08%和83.90%。

3.2 人工濕地系統(tǒng)

蘆葦和香蒲被公認(rèn)是人工濕地的首選植物，其種植簡單、繁殖能力強、管理要求粗放、處理效果好［29］。Valipour 等［30］用蘆葦和寬葉香蒲濕地系統(tǒng)凈化城市污水試驗表明，BOD 去除率達(dá)到86.59%。隋艷杰等［31］的研究也表明用蘆葦作濕地植被，對BOD、COD 和SS 去除效果好。成水平等［32］研究顯示，香蒲、燈心草人工濕地對COD 的去除率均達(dá)94%以上。

3.3 生態(tài)浮床技術(shù)

生態(tài)浮床技術(shù)是以水生植物為主體，運用無土栽培技術(shù)原理，以高分子材料等為載體和基質(zhì)，應(yīng)用物種間共生關(guān)系和充分利用水體空間生態(tài)位和營養(yǎng)生態(tài)位的原則。該技術(shù)不受水位變化的影響，維護管理方便。在改善水域環(huán)境的同時，增加水產(chǎn)品產(chǎn)量，是一種有效的水體原位修復(fù)和控制技術(shù)。利用浮床植物系統(tǒng)修復(fù)富營養(yǎng)化水體方面的工作已開展很多年，也取得了一定的效果［33，34］。周楠楠等［35］研究了蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk)和美人蕉(Canna Lily)兩種浮床植物系統(tǒng)對富營養(yǎng)化水體的凈化效果，結(jié)果表明兩種浮床植物系統(tǒng)對水體氨氮的去除率分別為89%和39%，對總磷的去除率分別為85%和36%。

3.4 根際過濾技術(shù)

根際過濾技術(shù)主要用來處理放射性廢水、重金屬廢水以及富含營養(yǎng)鹽廢水。它利用超積累植物的根系從廢水中吸收、富集和沉淀污染物，是更經(jīng)濟、更適于現(xiàn)場操作的原位污染治理技術(shù)。超積累植物可以對根際土壤中重金屬活化，螯合土壤中的重金屬，還原土壤中的重金屬。超積累植物積累的Cr、Co、Ni、Cu 和Pb 含量一般在1 000 mg/kg 以上，積累的Mn、Zn 含量在10 000 mg/kg 以上［36］。目前，有報道的超積累植物已有500 多種［37］。

3.5 對生活污水凈化

王慶海等［38］通過模擬人工濕地的方法測試了幾種高等水生植物對生活污水的凈化能力，結(jié)果表明對于N、P 和COD 去除情況，菖蒲的凈化能力高于蘆葦。于秋良等［39］試驗結(jié)果表明芹菜和吊蘭(Chlorophytum)對污水TP 的去除率分別為79.5%、88%，對氨氮的去除率分別為80%、80.3%，對COD的去除率分別達(dá)71.2%、76.33%。

3.6 對石油化工有機廢水凈化

周元清等［40］用慈菇、大薸(Pistia stratiotes Linn)和穗狀狐尾藻，進行有機廢水中的污染物的去除試驗。結(jié)果表明3 種植物對廢水凈化均有非常明顯的效果，其中穗狀狐尾藻對污染水體的TN、TP 的去除率均在90%以上。

劉建武等［41］選用鳳眼蓮、水花生、浮萍和紫萍對2.5 mg/L 的含萘污水進行處理，鳳眼蓮7 d 凈化率可達(dá)到97.1%。Soltan 等［42］研究發(fā)現(xiàn)，用鳳眼蓮凈化酚濃度為0.36 mg/L 的溶液30 ～40 h，酚可降至0.005 mg/L。于方磊等［43］研究了普生輪藻、豆瓣菜(Nasturtium officinale R. Br)和菹草對水體中苯的凈化作用，對苯的最大去除率分別達(dá)到35. 26%、69.71%和55.45%，普生輪藻和豆瓣菜均在18 ℃時去除率最高，而菹草在溫度較低時活性較強，在8 ℃時去除效率最高，故夏秋季可選用豆瓣菜，冬季則可選用菹草。

4 結(jié)論與展望

挺水植物對N、P 有較好的去除能力，對重金屬離子有較好的富集作用，耐鹽、凈化污水效果好。其代表植物蘆葦是水生植物塘的首選植物之一。浮水植物(如鳳眼蓮、浮萍)在凈化石化廢水、生活污水中對COD、BOD、NH3-N、TN 和TP 等都有很好的去除效果。鳳眼蓮對毒物的吸收能力高于蘆葦，鳳眼蓮、浮萍可作為生態(tài)修復(fù)的遴選物種。沉水植物中金魚藻、狐尾藻凈化修復(fù)能力很好，對有機物、重金屬、N、P 等去除效果都較明顯。

水生植物對水體的凈化能力與其生長狀態(tài)關(guān)系緊密，且環(huán)境溫度影響其生長狀態(tài)。第一，在工程設(shè)計上可以采用覆膜和改變生態(tài)位的越冬技術(shù)，覆膜即用無色透明的農(nóng)用塑料膜覆蓋植物群落，然后用大網(wǎng)孔的尼龍網(wǎng)罩在植物群落上，再將網(wǎng)壓入水中，使植株頂端沒于水面下5 ～10 cm，將漂浮生態(tài)位改變?yōu)槌了鷳B(tài)位。第二，考慮將兩種及以上不同溫度習(xí)性的水生植物共同種植來進行凈化處理污染水體［44］。如采用水生植物多種組合配置或多級水生植物串聯(lián)塘，形成一定的凈化層次，這樣有利于水生植物的生長和凈化功能的季節(jié)性交替互補。

由于超積累植物的數(shù)量少，因而今后應(yīng)繼續(xù)尋找和開發(fā)生物量大、超積累有害重金屬的植物，尋找更多指示污染物有效性的野生或栽培植物;此外可采用先進的基因工程技術(shù)改造植物，以獲得理想的超積累植物。

水體中污染物的種類繁多，因此應(yīng)加強植物的篩選、培育和合理搭配高效率的植物品種以滿足不同環(huán)境的修復(fù)需要［45-47］。此外及時清理植物枯枝敗葉，防止腐爛分解。如菹草在分解后期，會釋放大量的COD和TN 進入水體中，導(dǎo)致水體水質(zhì)變差［48］。所以，在水生植物修復(fù)污染水體過程中，對其進行全過程管理，也是防止二次污染的一項很重要的工作。

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