大型水生植物在水質(zhì)修復(fù)過(guò)程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展

殷紅桂, 唐子夏,唐可欣,曹文平

（徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院 江蘇 徐州 221111）

0 引言

水污染和水生態(tài)破壞是一個(gè)嚴(yán)重的全球性問(wèn)題，工農(nóng)業(yè)發(fā)展、人口劇增和自然災(zāi)難都導(dǎo)致了水體中有機(jī)污染物、植物性污染物、重金屬等濃度的快速增加，造成水體黑臭、水體富營(yíng)養(yǎng)化或江河湖庫(kù)的局部“湖泛”等水質(zhì)問(wèn)題，給水體生態(tài)環(huán)境和水質(zhì)安全帶來(lái)了很大的隱患[1-4]。

傳統(tǒng)的水污染處理方法不僅成本昂貴、運(yùn)行管理復(fù)雜，而且容易造成二次污染?；谒参锿铡⒏滴⑸锝到夂屯寥纼艋热刈饔玫娜斯竦?、人工浮床、穩(wěn)定塘等技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用各類水體凈化和修復(fù)過(guò)程中，比如：生活污水、工業(yè)污水、微污染源水等[5-7]。而且大型水生植物（簡(jiǎn)稱：水生植物）長(zhǎng)勢(shì)良好，有助于增強(qiáng)水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達(dá)到保護(hù)動(dòng)植物的目的，并能改善區(qū)域微環(huán)境和造就良好的景觀效果[8]。這些技術(shù)均以水生植物為核心和主體，水生植物起了重要作用。

1 水生植物修復(fù)機(jī)理和優(yōu)點(diǎn)

1.1 水生植物修復(fù)機(jī)理

水生植物系統(tǒng)對(duì)污染物去除的主要機(jī)理是：植物同化吸收、植物根系微生物氧化和其他介質(zhì)的凈化作用（比如：吸附作用、降解作用等），而且它們之間具有良好的協(xié)同作用和交互作用，其中植物根系微生物的礦化和氧化作用占主導(dǎo)地位。植物根系的“根圈效應(yīng)”可以將植物根系周圍看成一個(gè)固定的“生物反應(yīng)器”，植物根系越發(fā)達(dá)，該生物反應(yīng)器就越高效。植物同化吸收后進(jìn)行光合作用，通過(guò)“卡爾文”循環(huán)作用，生成的氧氣從植物葉面微孔和根系微孔釋放出來(lái)，達(dá)到改善微環(huán)境作用和植物根系微生物的供氧，提高了根系微生物的活性、數(shù)量；反過(guò)來(lái)，根系微生物強(qiáng)勁生長(zhǎng)后，協(xié)同改善植物根系周邊土壤肥力，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，強(qiáng)化了植物體內(nèi)酶濃度和活性，提高植物同化效果和植物抗脅迫能力[9-10]。

1.2 水生植物修復(fù)優(yōu)點(diǎn)

與常規(guī)的好氧生物處理和厭氧生物處理相比，水生植物修復(fù)優(yōu)點(diǎn)較多，被全世界廣泛推薦。其優(yōu)點(diǎn)以下：①無(wú)需另外構(gòu)建水質(zhì)凈化構(gòu)筑物、水電管道鋪設(shè)、復(fù)雜的管理和較多的人才編制；②無(wú)需額外的動(dòng)力，運(yùn)行動(dòng)力主要來(lái)源于太陽(yáng)能；③具有良好的景觀效應(yīng)，避開傳統(tǒng)污水處理中的臭味，凈化和景觀完美耦合；④如果選擇的植物是水稻、水芹、空心菜等經(jīng)濟(jì)性作物，還具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2 植物分類和特性

2.1 水生植物分類

水生植物包括挺水植物、浮葉根生植物、漂浮植物和沉水植物，水生植物是水生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。在自然或人工水質(zhì)凈化系統(tǒng)中，水生植物直接生長(zhǎng)在受污染水體中，對(duì)污染物的吸收能力和凈化能力相對(duì)較強(qiáng)，具有較好的生態(tài)修復(fù)效果。不同類型的水生植物具有不同的特性，并在不同的場(chǎng)合得到應(yīng)用。

2.2 水生植物特性和選擇

在水環(huán)境生態(tài)修復(fù)過(guò)程中，不同污染物污染場(chǎng)地修復(fù)對(duì)植物的選擇是不同的，通常會(huì)根據(jù)需要修復(fù)的污染物種類、水體的透明度、水中的溶解氧和使用區(qū)域以及氣候等等因素考慮選擇不同的水生植物。比如：被重金屬污染的土壤就必須選擇具有良好重金屬富集或超富集的植物，如：芥菜對(duì)重金屬Cd具有超積累效果；被有機(jī)物和氮素污染物污染的土壤盡量選擇根系發(fā)達(dá)和光合作用強(qiáng)的植物，如：美人蕉和菖蒲是選擇較多的植物；如果水體的透明度較高且水較深，可以選擇一些沉水植物，形成“水底森林”，實(shí)現(xiàn)微生物、魚類的和諧共存，目前一些水體修復(fù)系統(tǒng)中使用的仿生性填料就是根據(jù)沉水植物的特性而制作的。所以對(duì)植物的分類和特性研究是水體修復(fù)中重要的研究課題之一[11－12]。

3 植物凈化水質(zhì)及其調(diào)控

水生植物適合與地下水、地表水、生長(zhǎng)基質(zhì)進(jìn)行接觸式作用，水生植物是中空的組織結(jié)構(gòu)，利用水生植物的中空通道，水生植物能夠?qū)⒐夂献饔眯纬傻难鯕廨斔偷轿挥谒嬉韵碌闹参锔岛透抵車?/p>

3.1 水生植物的生長(zhǎng)調(diào)控

水生植物的根莖系統(tǒng)能夠幫助它們從生存環(huán)境中廣泛的吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；氧氣從葉，通過(guò)中空莖向下移動(dòng)到根系，轉(zhuǎn)移到根系的氧氣分泌到根系周圍形成“根圈效應(yīng)”，氧氣被單細(xì)胞生物（如細(xì)菌、放線菌、原生動(dòng)物等）用于生物降解和增殖過(guò)程，根系附近的微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解并產(chǎn)生眾多的簡(jiǎn)單化合物，簡(jiǎn)單化合物部分供植物生長(zhǎng)所有，部分被其他微生物分解為更簡(jiǎn)單的化合物[13]。

但是，很多植物修復(fù)系統(tǒng)中，水生植物根系生長(zhǎng)介質(zhì)環(huán)境較差，影響植物生長(zhǎng)，植物表現(xiàn)出缺素癥狀而導(dǎo)致水生植物同化吸收能力差、根系不發(fā)達(dá)和“根圈效應(yīng)”不顯著；如何提高水生植物的生長(zhǎng)效果，業(yè)內(nèi)人士做了大量的研究，常用的方法有：提高植物根系的含氧濃度和選用一些高效水生植物生長(zhǎng)介質(zhì)等方法，取得一定的效果[14]。本課題組采用農(nóng)業(yè)秸稈作為水生植物的生長(zhǎng)基質(zhì)，水生植物的缺素癥狀消失，脫氮效果和微生物豐度等明顯提高[15]。

3.2 低溫條件下的植物凈化作用的人工調(diào)控

低溫條件下植物進(jìn)入枯萎期，水生植物的光合作用消失殆盡，植物根系無(wú)法得到充足氧氣，“根圈效應(yīng)”也十分微弱；另外低溫條件下，植物生長(zhǎng)量非常有限。綜上所示，植物系統(tǒng)在低溫條件下修復(fù)和凈化作用非常微弱。

目前，業(yè)內(nèi)人士通過(guò)引進(jìn)一些耐低溫的植物品種（如：水芹、風(fēng)信子、鳶尾等）或采用覆蓋保溫的方法，使水生植物修復(fù)系統(tǒng)在低溫條件下保持一定的植物生長(zhǎng)量和“根圈效應(yīng)”，維持低溫條件的修復(fù)效果[16]。但是低溫條件下，植物根系微生物活性偏低、植物生長(zhǎng)量較少、植物酶活性不足仍然是困擾植物修復(fù)系統(tǒng)的主要問(wèn)題，而且外來(lái)物種的入侵問(wèn)題也是我們必須防范的一個(gè)方面。

3.3 重度污染河流中植物修復(fù)系統(tǒng)構(gòu)建

污染較重和溶解氧濃度偏低的水體采用植物修復(fù)，經(jīng)常會(huì)引起植物根系腐爛和枯萎，如何構(gòu)建重度污染水體生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)是一個(gè)值得研究問(wèn)題。人工增氧、投放基因工程菌或選擇耐污性植物進(jìn)行強(qiáng)化，比如：補(bǔ)充基因工程菌可以快速的降低水體中的污染物程度或增加微生物種群數(shù)量，從而快速的改善植物修復(fù)系統(tǒng)的生存環(huán)境。

本課題組構(gòu)建了生物膜反應(yīng)器和水生植物修復(fù)耦合系統(tǒng)，將生物膜降解和水生植物生態(tài)修復(fù)作用相互疊加、相互耦合，取得了較好的效果，對(duì)污染較重的水體異位修復(fù)提供一種途徑。

4 植物修復(fù)系統(tǒng)的不足之處

蘆葦、菖蒲、旱傘草、美人蕉等水生植物具有較強(qiáng)的耐受性，應(yīng)用較廣泛，對(duì)水體的透明度、水體的深度、水流和水體污染物濃度等表現(xiàn)出不一樣的效果，所以選擇要求不一樣。比如：有些地方為了不影響河水水面的景觀效應(yīng)、河道通航，經(jīng)常會(huì)選擇一些沉水性植物（如：金魚藻、沮草等），相對(duì)于挺水植物而言，沉水植物巨大和繁茂的莖葉為微生物提供吸附界面，具有較強(qiáng)的生物凈化效果，在水體修復(fù)過(guò)程中廣泛采用，被稱為“水底森林”，可以為魚類的棲息和產(chǎn)卵提供場(chǎng)所，也可以為水體沉積物的穩(wěn)定化提供條件。

植物修復(fù)系統(tǒng)具有成本低廉、管理簡(jiǎn)單、技術(shù)要求低和微環(huán)境改善好等優(yōu)勢(shì)，并具有良好的生態(tài)效應(yīng)，得到業(yè)內(nèi)人人士的認(rèn)可。但也存在諸多問(wèn)題。

4.1 修復(fù)系統(tǒng)的條件要求相對(duì)苛刻

植物修復(fù)系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)濃度、水體透明度、水體的溶解氧濃度等都具有較強(qiáng)的要求，有些植物種類尤為敏感，水中溶解氧較低、水體透明度較差、水中污染物濃度較高和成分復(fù)雜等情況，都有可能會(huì)引起水生植物的爛根、枯萎和枯死等問(wèn)題。

4.2 管理要求較高

植物修復(fù)系統(tǒng)管理必須及時(shí)和系統(tǒng)，如果不能及時(shí)收割水生植物，冬季腐爛枯萎的植物組織腐爛后會(huì)造成水體的局部污染（有時(shí)爆發(fā)為湖泛），對(duì)水質(zhì)安全和水體生態(tài)環(huán)境造成較大的威脅。有些水生植物（如：水蔥、吊蘭等）在使用過(guò)程中可能引起水質(zhì)的破壞，特別是氨氮。而且多數(shù)水生植物生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)，晚上溶解氧非常低，可能會(huì)引起水體中魚類的死亡。

4.3 植物入侵問(wèn)題

植物入侵問(wèn)題是值得認(rèn)真對(duì)待的，植物入侵會(huì)引起土著微生物種群特性的變化和生態(tài)系統(tǒng)的退化，甚至有些物種的滅絕，更有甚者會(huì)造成生態(tài)系統(tǒng)災(zāi)難[17]，比如：水葫蘆的引入導(dǎo)致了河道的堵塞、引起的魚類死亡和水體溶解氧低下以及生物種類單一化等問(wèn)題。

5 結(jié)論

植物修復(fù)手段是一種行之有效的方法和工程措施，并具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在過(guò)去的幾十年中受到廣泛的研究和應(yīng)用。許多水生植物都具有吸收、降解和吸附污染物的能力和潛力。水生植物系統(tǒng)作為一種天然修復(fù)系統(tǒng)的人工強(qiáng)化，在水體修復(fù)過(guò)程中可以代替其他方法。目前將水生植物修復(fù)技術(shù)和景觀園林技術(shù)相結(jié)合，不僅進(jìn)行水體污染物修復(fù)，而且實(shí)現(xiàn)水生植物造景功能。

但是，水生植物修復(fù)系統(tǒng)仍然有很多科學(xué)問(wèn)題和工程技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決，比如：水生植物的病蟲害防治工作起步較晚；水生植物收割后如何資源化、無(wú)害化利用等問(wèn)題也是值得思考的?；谒参镄迯?fù)系統(tǒng)仍然有大量的工作需要研究，需要依托生物學(xué)、化學(xué)、植物學(xué)、風(fēng)景園林等多學(xué)科、多領(lǐng)域的交叉融合才能有效解決。