水生植物凈化水質(zhì)功能研究進(jìn)展*

王艷英 王曉磊 郜愛玲 董建華 應(yīng)苗苗 戎建濤 朱相成

1 溫州科技職業(yè)學(xué)院 溫州市農(nóng)科院 浙江溫州 325006 2 東營市城市管理局 山東東營 257091 3 杭州市林業(yè)科學(xué)研究院 杭州 310016

水生植物凈化水質(zhì)功能研究進(jìn)展*

王艷英1王曉磊2郜愛玲1董建華3應(yīng)苗苗1戎建濤1朱相成1

1 溫州科技職業(yè)學(xué)院 溫州市農(nóng)科院 浙江溫州 325006 2 東營市城市管理局 山東東營 257091 3 杭州市林業(yè)科學(xué)研究院 杭州 310016

文章從水生植物凈化水質(zhì)的過程機(jī)理、水生植物凈化水質(zhì)的主要技術(shù)、不同植物凈化水質(zhì)的功能差異等方面進(jìn)行闡述。結(jié)果表明：關(guān)于植物對水體修復(fù)效果的研究較為集中，但對植物修復(fù)水體的機(jī)理影響因素研究相對較少；水生植物凈化水質(zhì)的技術(shù)處于試驗(yàn)階段的較多，應(yīng)用于工程的較少；不同植物的凈化效果差異研究較多，植物凈化水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律的研究較少。關(guān)于運(yùn)用水生植物修復(fù)污染水體影響因素的機(jī)理性研究、不同植物凈化水體的時(shí)空變化規(guī)律研究及研究成果的工程實(shí)施和大規(guī)模應(yīng)用將成為今后重要的研究方向。

水生植物,凈化水質(zhì),功能研究

受各種工業(yè)廢料、生活污水、農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)排放的影響，河道水質(zhì)污染惡化成為很多地區(qū)面臨的環(huán)境問題，給人們的日常生活帶來了很多負(fù)面影響，嚴(yán)重地影響了居民的身體健康和城鄉(xiāng)景觀。污染水質(zhì)普遍存在著嚴(yán)重的有機(jī)污染、營養(yǎng)鹽污染、重金屬污染以及底泥對河水的污染等問題，對人們的生活產(chǎn)生了惡劣的影響，動(dòng)輒成為民眾和輿論轟動(dòng)的社會(huì)公眾事件，嚴(yán)重影響了城市的后續(xù)發(fā)展而備受社會(huì)的關(guān)注。自20 世紀(jì) 60 年代開始，德國和其他一些發(fā)達(dá)國家學(xué)者相繼開始采用植物進(jìn)行污水治理的研究。我國雖滯后10余年，但有關(guān)水污染治理從政策到科學(xué)研究都得到了較快發(fā)展。目前的研究內(nèi)容主要集中在不同水生植物凈化能力比較與評價(jià)[1-2]、治污植物的篩選[3-4]、對不同污染物去除率分析[5]等方面。水生植物作為水生生態(tài)環(huán)境中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的橋梁，不僅為城市居民提供了相對清潔、美觀的生態(tài)環(huán)境，而且具有成本低、效率高、可持續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，可以說在凈化水質(zhì)方面發(fā)揮著獨(dú)特的生態(tài)功能。因此，本文從水生植物凈化水質(zhì)的機(jī)理、凈化水質(zhì)的主要技術(shù)、不同水生植物凈化水質(zhì)的功能差異3個(gè)方面總結(jié)水生植物凈化水質(zhì)的研究現(xiàn)狀，并對以后的研究方向進(jìn)行展望，以期為城市河道的污水處理及景觀價(jià)值的提升提供參考。

1 水生植物凈化水質(zhì)的機(jī)理

目前國內(nèi)外對于植物凈化水質(zhì)機(jī)理方面的研究主要表現(xiàn)為水生植物凈化水質(zhì)所發(fā)揮的直接作用和間接作用2個(gè)方面。直接作用主要是指植物通過吸收、吸附、富集作用和植物的吸附過濾沉淀作用直接去除水中的污染物。間接作用主要包括與微生物的協(xié)同降解、抑藻、提高水的傳導(dǎo)性等方式。

1.1 水生植物凈化水質(zhì)的直接作用

1) 植物的吸收作用。利用植物的根系吸收污水中的氮磷等營養(yǎng)元素，但植物吸收氮素主要是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，也包括一些小分子含氮有機(jī)物如尿素和氨基酸等[6]，根系吸收磷素則主要為磷酸鹽形式，聚磷酸鹽和有機(jī)磷酸鹽很難被植物根系吸收[7]，另外對重金屬的吸收具有選擇性，只有部分溶解性的重金屬才能被植物吸收，而對不溶的金屬則不能被轉(zhuǎn)移到植物的根部，交換態(tài)的重金屬比其他任何形態(tài)都更易于被植物吸收，因?yàn)榻粨Q態(tài)重金屬離子通過與植物根部細(xì)胞壁上的離子交換點(diǎn)位結(jié)合進(jìn)入植物體[8]。

2) 植物的富集作用。針對污水中的重金屬及其有毒有害物質(zhì)，通常是通過鰲合和區(qū)室化等作用來耐受并吸收富集重金屬[9]，但污水中重金屬的存在方式多種多樣，重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制、酶系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制等也在發(fā)揮作用，所以整株植物對重金屬的去除通常是在多種機(jī)制的綜合作用下發(fā)揮效果。

3) 植物的吸附、過濾、沉淀作用。主要針對有機(jī)污染物和懸浮性大顆粒物。一方面通過降低近土壤和水體表面的風(fēng)速作用來增強(qiáng)底質(zhì)的穩(wěn)定性和降低水體的渾濁度；另一方面浮水植物通過根系形成一道密集的過濾層，不溶性膠體通過根系粘附或沉淀而沉降下來，同時(shí)附著于根系的細(xì)菌體在進(jìn)入內(nèi)源生長階段后也會(huì)發(fā)生凝聚，部分被根系所吸附，使周圍水體變清[10]。另外有些植物在生長代謝過程中還可以分泌大量的無機(jī)物，對污水中各種基團(tuán)的化合物具有較強(qiáng)的吸附能力。

1.2 水生植物凈化水質(zhì)的間接作用

1) 與微生物的協(xié)同降解作用。在協(xié)同降解過程中，微生物對污水中污染物的降解起到直接的作用，水生植物的生理代謝活動(dòng)間接為微生物的降解起到良好的協(xié)同和促進(jìn)作用。一方面水生植物的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)可以為微生物提供棲息環(huán)境和附著載體，為微生物提供更大的接觸表面積[11]；另一方面水生植物可使根區(qū)域形成好氧環(huán)境，在植物根際區(qū)域中，厭氧微生物不僅可以利用氧終端受體將有機(jī)物分解為二氧化碳和水，還可以通過無氧還原區(qū)域經(jīng)過發(fā)酵作用將有機(jī)物分解為二氧化碳和甲烷[12]。研究表明，有植物的水體中細(xì)菌數(shù)量顯著高于無植物系統(tǒng)，植物的根系分泌物還可以促進(jìn)某些嗜磷、氮細(xì)菌的生長，促進(jìn)氮、磷的釋放和轉(zhuǎn)化，從而間接提高凈化率[13]。

2) 抑藻作用。水生植物的抑藻作用機(jī)理主要存在于2個(gè)方面，一方面水生植物通過爭奪營養(yǎng)來抑制浮游藻類的生長；另一方面通過水生植物分泌釋放的化感物質(zhì)，如簡單酚類、脂肪酸、萜類、黃酮類等物質(zhì)，抑制浮游藻類的生長，化感物質(zhì)對藻類的生長抑制作用機(jī)理主要表現(xiàn)在破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)，影響藻細(xì)胞光合作用、呼吸作用、酶活性以及藻細(xì)胞內(nèi)小分子物質(zhì)的含量等5個(gè)方面[14]。

2 水生植物凈化水質(zhì)的主要技術(shù)

目前水生植物對污染水體的修復(fù)凈化技術(shù)主要有人工濕地技術(shù)[15]、緩沖帶[16]、生態(tài)浮床技術(shù)[17]和水生植物氧化塘技術(shù)[18]等。

2.1 生態(tài)浮床技術(shù)

生態(tài)浮床又稱人工浮島，是采用能夠漂浮在水面上的載體供植物、動(dòng)物和微生物生長的人工模擬生態(tài)系統(tǒng)，其主要功能包括凈化水質(zhì)、為生物創(chuàng)造生息環(huán)境，另外還能提升河道景觀，在很多地方被應(yīng)用于富營養(yǎng)化地表水的污染控制和修復(fù)中[19]，但該技術(shù)容易受季節(jié)、植物種類和生物量的限制，并且對于深度較大的水體，凈化效果不明顯。目前對生態(tài)浮床的研究多數(shù)局限在對富營養(yǎng)化水體的凈化效果和浮床植物的篩選方面，對于浮床植物組合的生理學(xué)和生態(tài)特性還有待于加強(qiáng)，此外不同的環(huán)境因素對植物凈化效率的影響還需要深入細(xì)致的研究。

2.2 人工濕地技術(shù)

人工濕地技術(shù)充分利用基質(zhì)-微生物-植物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、吸收和微生物的分解來實(shí)現(xiàn)對廢水的高效凈化[20]。多項(xiàng)研究表明，國內(nèi)已建立的人工濕地系統(tǒng)對水中污染物去除率都在50%以上[21]。目前對人工濕地處理污水的凈化機(jī)理研究的比較多[22]，關(guān)于凈化水質(zhì)的應(yīng)用研究主要集中在生物量較大的水生植被方面，并且局限于單一濕地類型、缺乏長期的效應(yīng)分析。

2.3 水生植物氧化塘技術(shù)

氧化塘技術(shù)主要用于處理各類污水中的有機(jī)污染物，目前關(guān)于氧化塘的凈化主要是關(guān)于沉水植物對污水N、P的去除，研究表明在城市河道的靜態(tài)中試試驗(yàn)中，水生植物氧化塘對磷和有機(jī)物一級降解速率比一般的菌藻共生塘平均高出2倍以上[23]。趙安娜等研究表明，沉水植物氧化塘處理污水的原理與自然水域自凈過程極其相似[18]。目前對水生植物氧化塘的應(yīng)用大多和人工濕地進(jìn)行組合構(gòu)建大型生態(tài)修復(fù)治理工程。

3 不同水生植物凈化水質(zhì)的功能差異

3.1 植物個(gè)體凈化水質(zhì)能力差異

受植物的生活型、生物量、株齡、處理時(shí)間、溫度、不同污水特征等影響，不同植物凈化水質(zhì)的效果存在顯著的差異。這些差異表現(xiàn)在不同的方面，主要有不同植物對重金屬的去除效果，對富營養(yǎng)化水體中氮、磷的凈化率，不同植物種類對藻類的抑制作用能力有所差異等。植物的根系狀況和植株的生長狀況是導(dǎo)致個(gè)體凈化水體能力不同的最主要原因。根系發(fā)達(dá)的水生植物凈化水質(zhì)能力大于根系不發(fā)達(dá)的水生植物，這是因?yàn)榇蟛糠种参锼赂o部分的富集能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部位[24]，根系起到主要的作用，但對氮磷的積累量地上部分大于地下部分[25]。此外，不同生活型水生植物對重金屬的去除效果也存在差異，大多數(shù)研究結(jié)果一般認(rèn)為：沉水植物>漂浮植物，浮葉植物>挺水植物[26]。但是漂浮植物的吸收積累能力并非所有種類都低于沉水植物，如浮萍對 Pb 的吸收就比其它種類水生植物高出2～27倍[27]。

水生植物生長狀況對污水的凈化率也有很大的影響。生長越旺盛、根系越發(fā)達(dá)的植株,其凈化能力越強(qiáng)[28-29]。生長速率不同的植物在生長過程中對營養(yǎng)物質(zhì)的需求和吸收能力不同，對微生物生長的促進(jìn)作用也不同。所以處于生長旺盛期的許多喜溫水生植物，一般表現(xiàn)出較高的凈化效率；處于衰老和死亡階段的許多喜溫水生植物，其凈化能力很低甚至喪失。但對于耐寒植物和一些沉水植物(如金魚藻、狗尾藻等)來說，情況卻相反，在寒冷季節(jié)對水體中污染物有較高的凈化率，如水芹、聚草等[30]。

另外，在不同季節(jié)，植物根區(qū)土壤微生物數(shù)量和酶活性也隨溫度發(fā)生變化。周旭丹等[31]通過模擬垂直流人工濕地污水系統(tǒng)，研究人工濕地植被凈化水質(zhì)的季節(jié)效應(yīng)。表明人工濕地植被能有效地凈化水質(zhì)，對各種污染物的凈化效果存在一定的季節(jié)差異。

所以不同類型的水質(zhì)狀況要根據(jù)不同植物的凈化能力進(jìn)行選擇，不同季節(jié)、不同水域的垂直空間要根據(jù)植物的凈化效應(yīng)進(jìn)行篩選應(yīng)用。

3.2 植物組合凈化水質(zhì)能力差異

在對不同植物凈化效果的研究基礎(chǔ)上，鑒于不同植物對不同污染因子的凈化能力不同，同一物種在不同的環(huán)境下對污染因子的凈化能力也所差異，很多學(xué)者考慮用多種植物的組合來凈化水體并進(jìn)行了大量的研究[32-33]?？傮w來說多種水生植物的合理配置產(chǎn)生的凈化效果比單一植物更好[34-35]。從生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建來說，水體環(huán)境中的群落配置能增加生物的多樣性，并形成穩(wěn)定的水生生態(tài)系統(tǒng)。但也有學(xué)者認(rèn)為，雖然植物組合比單一植物種植的效果有所改善,但植物之間也存在著競爭機(jī)制，會(huì)相互抑制生長，并不是所有的植物混合搭配種植就能提高水體的凈化效率[36]。另外一方面植物種類的不同、試驗(yàn)方法和條件的差異也會(huì)造成結(jié)論的巨大差異，所以植物組合種植比單一種植能否更有效地凈化水質(zhì)還需要更深入的研究和探討。

4 研究展望

伴隨城市的快速發(fā)展以及水污染問題對人們健康生活和城市健康發(fā)展帶來的威脅，如何運(yùn)用植物修復(fù)來解決劣質(zhì)類水體污染問題，為居民提供健康的生活環(huán)境，是目前以及將來很長一段時(shí)間城市發(fā)展中所要解決的重要課題?？傮w來看，水生植物與污水凈化之間的關(guān)系研究有如下發(fā)展趨勢：

1) 水生植物凈化污水的機(jī)理。目前水生植物凈化水質(zhì)的功能研究已經(jīng)比較深入和廣泛，從宏觀到微觀都有相關(guān)的機(jī)理揭示，雖然很多機(jī)理性的研究還帶有一定的異議，這種異議有可能是研究檢測方法或者檢測手段造成的，也有可能是由于環(huán)境因素所導(dǎo)致的差異，所以關(guān)于水生植物凈化水質(zhì)的影響因素方面的機(jī)理分析，特別是植物本身在凈化水質(zhì)過程中的生理過程和生態(tài)響應(yīng)機(jī)制如何還需要進(jìn)一步深入研究和探討，這些機(jī)理性的深入微觀的機(jī)理探究將為水生植物的水體治污工程提供重要的理論支撐，另外還可利用轉(zhuǎn)基因工程技術(shù)來構(gòu)建強(qiáng)治污能力的水生植物也是未來的趨勢。

2) 水生植物的組合。植物個(gè)體凈化能力有很大的差異，目前對植物治污技術(shù)的研究主要集中在利用單種生活型的植物來凈化水質(zhì)，對于植物組合、不同植物配置模式可以發(fā)揮的凈化效果的研究還很少。如何實(shí)現(xiàn)多種植物配置的優(yōu)勢互補(bǔ)，這是加強(qiáng)利用植物修復(fù)水質(zhì)的研究重點(diǎn)之一，這方面的研究豐富了，可以根據(jù)不同植物組合的治理效果，編制配套的不同污染特征的水體關(guān)于植物選擇的名錄和技術(shù)規(guī)程，為水污染治理和水體修復(fù)工程提供切實(shí)可行的植物選擇和配置方案。

3) 水生植物治污的工程應(yīng)用研究。研究其凈化水質(zhì)功能并不是研究的最終目的，關(guān)鍵還是如何指導(dǎo)實(shí)踐以及應(yīng)用于城市河道、湖泊河流的實(shí)際建設(shè)中，來促進(jìn)水生生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)和城市水環(huán)境的徹底改善。目前關(guān)于水生植物凈化水質(zhì)效果的研究主要停留在中試研究階段，基于這樣的現(xiàn)狀，在以后的研究過程中亟需加強(qiáng)研究成果和實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，將科研成果在實(shí)踐工程應(yīng)用中得到推廣。

4) 基于植物種類的選擇問題。對于我國豐富的植物資源庫來說，基于修復(fù)水體、凈化水體功能為出發(fā)點(diǎn)篩選和利用的植物還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，隨著人們對植物資源的開發(fā)和應(yīng)用，將有越來越多的植物資源經(jīng)過篩選、試驗(yàn)、改良等方式應(yīng)用于水體凈化和水體景觀構(gòu)造，這也是新形勢下林業(yè)工作者的主要任務(wù)。但在凈化水質(zhì)的植物種類選擇方面，不僅要考慮植物的凈化效果，還要綜合考慮植物的分布實(shí)際、抗逆性、美化價(jià)值等綜合因素，更重要的是還要加強(qiáng)后期的維護(hù)和管理，使植物凈化水體的功能得到最大化發(fā)揮。

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Research Progress in Water Purification Functions of Aquatic Plants

Wang Yanying1Wang Xiaolei2Gao Ailing1Dong Jianhua3Ying Miaomiao1Rong Jiantao1Zhu Xiangcheng1

(1.Wenzhou Vocational College of Science and Technology, Wenzhou Academy of Agriculture，Wenzhou 325006, Zhejiang, China;2.Dongying Municipal Bureau of Administration; Dongying 257091, Shandong, China;3.Research Institute of Forestry, Hangzhou Academy of Forestry, Hangzhou 310016, Zhejiang, China)

Due to the emission of industrial wastes, domestic sewage and agricultural chemicals, the deterioration of river water pollution have confronted many area as a severe problem, which has imposed many negative impacts on people’s daily life. As the primary producers in aquatic ecosystems, the aquatic plants could play a key role in purifying water, promoting the restoration of degraded aquatic system, maintaining a virtuous cycling of aquatic ecosystems and enhancing the urban landscape. This paper reviewed the process mechanism and main technologies of water purification of aquatic plants as well as the functional variation of different plants. The results indicated that there have been relatively more studies on water restoration while the studies on the factors to phytoremediation mechanism is insufficient; more technology of the water purification were on the pilot scale experiment, but less were applied in engineering; there have been relatively more studies on differences of water restoration capacity of plants while the study on spatial-temporal variation of different plants in purifying water quality is relatively less. In the next period, the factors to phytoremediation mechanism, spatial-temporal variation of different plants for purifying water quality, engineering implementation and large-scale application of research results would be the important fields of the research.

aquatic plant, water purification, functions research

2017-03-06

溫州市公益性科技計(jì)劃項(xiàng)目：“水培景觀植物的生態(tài)治污技術(shù)研究”(N20140034)；溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院博士

啟動(dòng)基金項(xiàng)目

王艷英(1983-)，女，博士，講師，研究方向?yàn)槌鞘辛謽I(yè)，E-mail：yingzi.1127@163.com

郜愛玲(1972-)，女，碩士，講師，研究方向?yàn)橹参锷砩鷳B(tài)，E-mail：gaoailing1222@163.com

10.3969/j.issn.1672-4925.2017.04.002