浮萍科植物水環(huán)境修復及其資源化利用綜述

萬合鋒， 武玉祥， 秦華軍， 龍云川， 劉 勇， 袁 果

(1.貴州省生物研究所，貴州貴陽 550009； 2.貴陽學院生物與環(huán)境工程學院，貴州貴陽 550005)

隨著社會經濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化、工業(yè)化程度的提高，環(huán)境污染問題日益突出，影響人們的正常生活和健康[1]。治理污染水體常用的物理化學方法投資大且容易造成二次污染[2-3]。生物生態(tài)修復技術是近幾年迅速發(fā)展起來的污水治理新技術，遵循生態(tài)系統(tǒng)平衡的自然規(guī)律，通過培養(yǎng)動植物、微生物來吸收、降解[1]、轉化和轉移水中的污染物[3]，常用的工程措施有人工濕地、生物浮島、凈化塘、濾壩和濾床等[1，3]，具有處理效果好、成本低、操作簡單、不會形成二次污染和具有美學價值等特點[2，4-5]。

植物修復是生物生態(tài)修復的一種，主要通過利用水生植物富集、轉移氮、磷和重金屬等污染物質來治理和調節(jié)污染水體，國內外對該技術的應用研究較多[6-7]，也展現出了很好的修復效果[8]。本文以浮萍科植物[4]為論述對象，綜述其在環(huán)境修復中的作用，為探索低成本、低能耗、生態(tài)景觀效果好的治污新方法提供參考。

1 浮萍科植物的生物學特征

1.1 植物學分類

水生植物浮萍(Duckweed)[9]是浮萍科(Lemnaceae)植物的統(tǒng)稱[10]，屬被子植物門單子葉植物綱檳榔亞綱澤瀉目浮萍科，屬、種分類不完全一致，現已有的幾種分類是5屬37種、5屬40種、5屬38種、3屬6種、4屬28種[4-5，10-14]。其中，5屬分為多根紫萍屬(Spirodela)、少根紫萍屬(Landoltia)、浮萍屬[青萍屬[10](Lemna)]、蕪萍屬(Wolffia)和扁平無根蕪萍屬(Wolffiella)[4，10，13]；3屬分為紫萍屬(Spirodela)、浮萍屬(Lemma)、蕪萍屬(Wolffia)[11]。

常見的浮萍科植物[11]有紫萍屬的紫萍(S.polyrrhiza)[15](別稱紫背浮萍)[16-17]、少根紫萍[10]；浮萍屬的品藻(L.trisulca)、青萍(L.minor)(別稱浮萍[18-19]，小浮萍[20-21])、細脈浮萍(L.aequinoctialis)[22]、稀脈浮萍(L.perpusilla)、膨脹浮萍(L.gibba)[10]，三葉浮萍(L.paucicostata)[23]；蕪萍屬的蕪萍(W.arrhiza)[11]。近1個世紀的研究多集中在青萍、膨脹浮萍、紫萍和少根紫萍等4個品種上[10]。

1.2 形態(tài)特征

浮萍科植物是形體最小、結構最簡單的被子植物之一，植株為葉狀體，呈倒卵形或橢圓形。其組成為(3～6)mm×(2～4)mm的葉狀體加上長2～5 cm、直徑小于0.5 mm的1條細根[24]，葉狀體呈綠色，背面有時呈紫色[10，22]。

1.3 繁殖方式

1.4 生態(tài)習性

浮萍科植物生長的pH值和溫度域較寬[11]。有研究認為，浮萍的可生長溫度為10～35 ℃[27]或2～35 ℃[11]，最佳生長溫度為25 ℃[27]，當水溫低于5 ℃時，浮萍會進入休眠狀態(tài)沉入水底，水溫回升后重新恢復生機[27]，通常3月下旬至4月底，浮萍迅速生長，5月起繁殖速度和生物量趨于穩(wěn)定，并逐漸開始衰敗[28]。

1.5 地理分布

從熱帶到溫帶，從淡水到半咸水，從靜水到緩流均可見到浮萍科植物[24]，分布遍及世界各地[10]，在多數溫帶至熱帶地區(qū)全年可以見到[5，18]，多生長于水田、池沼、湖泊等靜水中[29]，在氨態(tài)氮含量較高的夏季自然水體中也可以見到[11]。

人們對浮萍的研究已廣布于江蘇(紫萍、青萍)[11]、廣西(青萍)[21，30]、四川(浮萍屬)[30-31]、安徽、浙江(浮萍屬)[32-33]、湖北[24]、山東[33]、上海[34](浮萍屬種)等省(市、區(qū))，其中污染較為嚴重的云南滇池稀脈浮萍和紫背浮萍較多[35]，因此其研究主要集中在浮萍屬和紫萍屬上。

2 浮萍科植物在環(huán)境修復中的應用

2.1 氮磷吸收轉移

2.1.1 吸收機理 浮萍類植物是吸收、轉化氮磷等營養(yǎng)物質的重要植物類群[22]，其主要通過促進硝化/反硝化速率來提高系統(tǒng)對總氮(total nitrogen，簡稱TN)以銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的形式)的去除[9]。夏季污水中的氨態(tài)氮(NH3-N)可通過氣態(tài)氨揮發(fā)、浮萍系統(tǒng)吸收/吸附和硝化反應去除，硝態(tài)氮(NOx-N)完全通過浮萍系統(tǒng)吸收/吸附去除；冬季硝化反應受到抑制，污水中的氨態(tài)氮主要通過氣態(tài)氨揮發(fā)去除，NOx--N 含量保持穩(wěn)定[34]。浮萍科植物會優(yōu)先吸收氨態(tài)氮[13，20]，只有當水體中的大部分氨態(tài)氮被消耗掉以后，才開始大量吸收其他形態(tài)的氮[13]。水體中氮磷的去除量與浮萍體內氮磷養(yǎng)分的積累量動態(tài)類似，二者在數量上十分接近，說明水體中氮磷的去除主要是通過浮萍對氮磷的吸收來實現的[36]。污水處理中常用浮萍與其他水生植物協(xié)同吸附水中的污染物質[36-37]。

2.1.2 影響因素

2.1.2.1 溫度、pH值的影響 高溫和低溫對浮萍的生長均有抑制作用，而低溫的抑制作用更明顯，低溫下浮萍體內與磷代謝有關的酶活性水平較低，限制浮萍對磷的吸收[27]。種云霄等認為，稀脈浮萍和紫背浮萍的氮磷含量受培養(yǎng)液溫度、光照影響，低溫可導致氮含量降低，低溫和低光照可導致磷含量降低[35]。浮萍正常生長的水體pH值為6～9[20]，但也可在pH值為4的條件下存活[38]。吳雪飛等調查發(fā)現，紫萍和青萍生長水體的pH值變化范圍為4.5～7.5[11]，偏離最佳生長pH值時，浮萍的生長和對磷的去除將受到抑制[27]。

2.1.2.2 溶液中氮磷含量的影響 種云霄等研究發(fā)現，浮萍氮磷含量受培養(yǎng)液中氮磷含量影響，低含量氮磷可導致浮萍氮磷含量降低[35]，實際應用中可根據污水中氮磷含量選擇品種進行去除[4，35]。

氮對浮萍生長的抑制主要是通過不同形態(tài)的氮和非離子態(tài)氨實現的，且氨的抑制尤為明顯[22]。在氨態(tài)氮為唯一氮源的條件下，當氨態(tài)氮含量為0.2～2.0 mg/L時，浮萍生長明顯被抑制；氨態(tài)氮含量>2.0 mg/L時，基本不能生長[20]；當NO3--N含量≤40 mg/L時，對浮萍生長沒有影響[20]。

開封建立了建制區(qū)局，實行市局與區(qū)政府雙重領導的新模式，被國家總局副局長滕佳材、郭文奇稱贊為“開封模式”。她指導建立了全省第一個規(guī)范化的鄉(xiāng)鎮(zhèn)（辦事處）食品藥品監(jiān)管所，為全省基層所建設開辟路子。為了壯大食品藥品監(jiān)管隊伍，提升監(jiān)管人員素質，她跑遍全國20多所“985”院校，引進2名博士和12名碩士；并招錄公務員117名，劃轉、調入469人，使全市監(jiān)管隊伍從200余人擴大到1000余人。她積極協(xié)調政校互動，率先在全省建立了食品藥品培訓基地、學生實習基地，開創(chuàng)了食品藥品教育與監(jiān)管工作相結合的新局面。

不同磷初始含量可影響紫萍對磷的吸收效率，蔡樹美等將水體初始磷含量設定為0.1～15.0 mg/L時發(fā)現，紫萍累積吸收磷量和吸收磷能力均隨磷初始含量的升高而增加，當初始磷含量為45.0 mg/L時，紫萍對磷的吸收量和吸收能力下降，生長受到抑制；初始磷含量在0.3～3.0 mg/L范圍內時，紫萍對磷的去除率會受到影響[16]。

2.1.2.3 表面活性劑的影響 溶液中的有機物含量會影響浮萍對氮磷的吸收，被高含量有機物污染的浮萍對氮磷的吸收力降低[37]。精細化工行業(yè)生產中使用的表面活性劑，會毒害浮萍生長，影響其對水體氮磷的吸收[6]。儲超等通過采用室內培養(yǎng)模擬富營養(yǎng)化水體的方法得出，當陰離子型表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(sodium dodecyl benzene sulfonate)和陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(cetyltrimethylammonium bromide)的含量達到10 mg/L時，紫背浮萍明顯受到損傷，氮磷吸收率出現負值，尤其對磷吸收的影響更為明顯[6]。

2.1.3 氮磷吸收效果 浮萍科植物對氮磷的吸收具有能力強[4]、投資少、能耗低、對污染物去除效果好等特點[36，39]，利用它凈化污水改善水質已成為環(huán)境領域的研究熱點[10，40]。吳雪飛等通過對江蘇省水域中的浮萍進行研究得出，浮萍可在氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷含量范圍分別為0～42、0.2～2.0、0.2～45.0、0.02～13.00 mg/L的水體中生存[11]；薛慧玲等研究得出，紫背浮萍可適應的氮、磷濃度至少分別為140、224 mg/L，且對磷有較強的去除能力[31]。

浮萍能有效轉化高含量氨態(tài)氮廢水中的氮元素，因此在凈化高含量氨態(tài)氮廢水(養(yǎng)殖污水)領域具有較大潛力[41]。張浩等為尋找處理高含量氨態(tài)氮廢水(豬場廢水等)的浮萍品種，對采集的520株浮萍品種分別在400、250 mg/L氨態(tài)氮下進行初篩和復篩，最終獲得2個具有較強氨態(tài)氮脅迫耐受性的優(yōu)勢品種——少根紫萍和多根紫萍；通過驗證試驗發(fā)現，少根紫萍可在800 mg/L氨態(tài)氮廢水中存活[38]。

不同種浮萍對水體氮磷的吸收去除效果不同。辛靜等以某污水處理廠的二級出水為供試水，考察少根紫萍和稀脈浮萍對水中氮、磷的去除及積累情況得出，稀脈浮萍對水中總氮、總磷的去除量分別是少根紫萍的1.6、2.2倍，且體內的氮、磷積累量分別是少根紫萍的1.6、1.9倍[36]。汪宴廷等研究3種浮萍(蕪萍、少根紫萍、青萍)對3種不同稀釋倍數豬場厭氧廢水中氮、磷的凈化效果，結果顯示，少根紫萍對污水氮、磷的凈化率超過了75%，凈化能力優(yōu)于蕪萍和青萍，適合作四川盆地凈化養(yǎng)殖廢水中氮、磷的優(yōu)化品種[30]；蔡樹美等研究表明，稀脈浮萍適用于低磷含量污水的凈化，紫萍適用于高磷含量污水的凈化[42]；鮑姝等在戶外條件下研究云南本地的4個浮萍品種在不同氮磷含量污水中的生長情況，結果發(fā)現，不同浮萍品種在不同氮磷含量污水中的最大生長速率、氮磷含量和氮磷固定能力存在明顯的種屬差異，其中本地多根浮萍具有最高的生長速率[7.38 g/(m2·d)]和氮固定能力[336.47 mg/(m2·d)][4]。

合理的工藝組合可以克服冬季氣候對浮萍單種體系污水處理系統(tǒng)的不良影響，實現浮萍污水處理系統(tǒng)在全年氣候條件下的連續(xù)運行和對污水中氮、磷的高效去除[39]。在處理廢水時最好選擇浮萍與其他水生植物的混養(yǎng)體系，以達到較穩(wěn)定的修復效果(特別是對有機污染物的去除[43])。例如，黃輝等在以稀釋牛場厭氧廢水為供試污水的條件下研究認為，在低有機污染條件下，浮萍單種體系對污水中氮、磷的凈化效果較好，但是當水體有機污染程度較高時，混養(yǎng)體系不僅能高效去除污水中的氮、磷，也能穩(wěn)定良好地去除水體中的高有機污染物[37，43]；黃輝以養(yǎng)豬場廢水為供試污水進行研究發(fā)現，在模擬冬季氣候條件下，少根紫萍-水花生的混養(yǎng)體系對供試廢水化學需氧量(chemical oxygen demand，簡稱COD)、總磷(total phosphorus，簡稱TP)、氨態(tài)氮的總去除率可維持在80%左右[39]。因此，在利用浮萍去除水中氮、磷營養(yǎng)物質時，應優(yōu)先考慮利用各地當季優(yōu)勢浮萍品種及不同品種浮萍的共生復合系統(tǒng)[11]。

2.2 有機物吸收轉移

一般情況，濕地植物在處理高負荷有機廢水時會受到不同程度的氧化脅迫，而浮萍對有機污染脅迫具有較高的耐受性，且在脅迫去除后具有一定的恢復能力。研究浮萍對水中有機污染物的耐受規(guī)律，可為人工濕地植物的選擇提供科學依據[44]。劉娥等研究浮萍對有機污染脅迫的耐受能力及脅迫去除后浮萍的恢復規(guī)律發(fā)現，當COD小于400 mg/L時，浮萍未受到氧化脅迫；當COD達到800 mg/L時，浮萍體內的活性氧自由基(reactive oxygen species，簡稱ROS)含量上升，細胞膜脂過氧化加劇，但抗氧化酶活性升高，抗氧化物質含量增加，浮萍可保持生長，脅迫去除后，抗氧化防御系統(tǒng)恢復到對照水平；值得注意的是，當COD超過1 000 mg/L時，會造成不可逆?zhèn)?，脅迫去除后也不能恢復正常生長[44]。

2.3 富集重金屬元素

浮萍在生長繁殖過程中對重金屬、化學污染物質、有毒有害物質也具有一定的富集作用[27，31]。

李伶等研究得出，浮萍可以吸收水體中低含量的鎘，受高含量鎘脅迫時反應敏感，可作為水體中鎘含量的指示植物[45]。唐艷葵等以青萍種浮萍為試驗材料，考察金屬離子含量梯度下青萍的生長狀況、葉片色素含量以及金屬離子含量對青萍金屬離子吸收能力的影響，結果表明，金屬離子含量越高，青萍生長受抑制的程度越嚴重；Cu(Ⅱ)對青萍的毒害大于Pb(Ⅱ)；在Pb含量為40 mg/L、Cu含量為4 mg/L時，青萍對Pb、Cu的平均單位鮮質量富集量分別為26.09、2.49 mg/g，同時青萍的生長受到抑制，葉綠素含量急劇下降，氮、磷從細胞中溶出，得出青萍比較適宜修復低含量Pb(Ⅱ)污染水體的結論[21]。張如金等研究甲酸、蘋果酸、檸檬酸等3種酸處理下的浮萍對鈾吸附作用的影響發(fā)現，3種酸處理下的浮萍對鈾的吸附量明顯提高[46]。

2.4 生物指示作用

浮萍科植物還可作環(huán)境中的指示生物。李天煜研究了我國特有的浮萍屬植物——稀脈浮萍對不同來源水(自來水、池塘水、湖水、滲濾液)水質的綜合評價和指示效果，在7 d的觀測期內發(fā)現，稀脈浮萍對水質具有一定的評價和指示作用，其葉狀體相對增殖率可用于水質的生物學監(jiān)測和綜合評價[24]。李伶等研究得出，浮萍是良好的水體污染物監(jiān)測植物和水體重金屬污染判定指示植物[45]。

3 浮萍科植物在環(huán)境毒理學中的應用

浮萍科植物也是有毒化學品生物毒性評價的常用植物[17，32]，是國內外生態(tài)毒理學研究中重要的試驗材料[19]，是最常用于毒性評價的維管束植物[26]。金小偉等以我國本土紫背浮萍為試驗材料，利用其生長抑制和葉綠素含量的變化，在96 h的試驗時間條件下成功地評價了3種氯酚類化合物(殺蟲劑、有機溶劑和合成染料)的毒性效應[17]。衛(wèi)麥霞等以三葉浮萍為試驗材料，采用光照恒溫培養(yǎng)法評價了咪鮮胺及其制劑和主要代謝物對浮萍的生態(tài)環(huán)境效應和生物毒性[47]。龔道新等以三葉浮萍為供試植物評價了咪鮮胺(prochloraz)及其制劑施?？?sportak)和主要代謝物對生態(tài)環(huán)境安全性、色素含量及組成的影響[23]。戴靈鵬等以體數量、鮮質量和葉綠素為測試指標進行浮萍生長抑制試驗，評價Cu和乙草胺單一和復合污染的毒性效應[32]。納米行業(yè)中納米顆粒的大量生產和應用可能會向環(huán)境中釋放生態(tài)毒性和水生生物毒性[48]；胡長偉等以不同含量的納米ZnO處理浮萍(LemnaminorL.)7 d后發(fā)現，50 mg/L納米ZnO對浮萍產生了顯著的脅迫作用[33]；梁藝懷等對我國本土常見的稀脈浮萍與標準試驗生物青萍進行毒性效應終點和毒性響應差異比較試驗，在環(huán)境基準研究和化學品安全管理中，青萍和圓瘤浮萍已在許多國家成為法定的植物毒性測試標準物[26]。

浮萍在生物治理藍藻水華中有一定的應用價值[29]。微囊藻毒素影響生物體健康，甚至可通過食物鏈傳遞到人體，張瑋等研究認為，浮萍可以去除0.058 ng/mg微囊藻[29]，浮萍塘能有效去除水體中的藻類，并將其維持在較低含量[9]。

4 浮萍科植物在農業(yè)生產、能源等領域中的利用

浮萍科植物在農業(yè)和能源領域也存在一定的開發(fā)利用價值，是一種優(yōu)質的飼料[40]，常用于草魚、家禽和牲畜等的飼養(yǎng)[4，17，23，31]，并且可以降低稻田溫室氣體的排放量[49]。例如，鄭燕玲等通過構建“浮萍-黃粉蟲”食物鏈顯著降低養(yǎng)殖成本[50]；Wang等研究認為，浮萍可以使稻田減排溫室氣體(CH4、N2O)，稻田溫室氣體排放量降低17%左右[49]。另外，浮萍富含生物質蛋白和淀粉[40]，可作為潛在的生物質能源原料開發(fā)[4，14]。如作為生物乙醇生產的原料[13，18，31]，采用厭氧干發(fā)酵產生沼氣、沼渣等持續(xù)利用。顧新嬌等以浮萍和奶牛糞為發(fā)酵原料在中溫條件下進行半連續(xù)厭氧干發(fā)酵試驗，測得容積產氣率可達0.50 L/(L·d)，原料產氣率達 0.33 L/g[以揮發(fā)性固體(volatile solid，簡稱VS)計][18]。黃衛(wèi)東等對浮萍與豬糞(干質量比1 ∶1，濕質量比7 ∶1)的混合物、豬糞進行中溫厭氧消化產氣性能的比較發(fā)現，浮萍與豬糞混合物的厭氧消化性能較優(yōu)，可以提高產氣率[51]。此外，浮萍還具有散熱、透疹、利尿等功效，具有一定藥用價值[10]。

5 結語與展望

浮萍科植物具有生長速度快、富含生物質蛋白和淀粉、適應環(huán)境能力強、易管理的特點，且具有較高的氮磷、有機物和重金屬等吸附轉移能力，在污水廢水生物生態(tài)修復處理、環(huán)境毒理學試驗和農業(yè)生產以及能源行業(yè)中的應用已經有大量研究。在當今能源短缺和環(huán)境問題日益突出的情況下，浮萍作為生物質原料和優(yōu)質水生植物在能源生產和環(huán)境保護中有巨大的潛在利用價值。

但也存在一些問題，一方面缺少科學管理，浮萍生物量的增長速率決定了其對氮磷的轉化能力[22]；水體中浮萍的惡性增殖也會抑制藻的光合作用，阻礙水體的表面復氧，影響溶解氧(dissolved oxygen，簡稱DO)含量，使水體厭氧且發(fā)黑發(fā)臭，死亡的浮萍又會腐爛分解，進一步加劇水體的表觀污染[28]，因此，須要科學管理、定期打撈，以防植物體在水中腐爛而導致氮磷重新進入水體產生污染[16]。一般根據培養(yǎng)規(guī)模、氮磷的去除目標及投入勞動量的強度確定收獲頻率和收獲量[22]。另一方面研究地域局限，浮萍對水質凈化和工程應用研究多集中在南方部分地區(qū)。多數地區(qū)還存在管理不善，甚至在氧化塘、池塘、湖泊等水環(huán)境中的浮萍多數處于無管理狀態(tài)[18]。這些問題既限制浮萍在水體凈化中的開發(fā)利用，又增加水體富營養(yǎng)化和藻華的概率[11]。

在今后的研究中，應繼續(xù)開發(fā)浮萍在水體污染修復和非糧生物質能源開放中的價值；拓展研究其在溫室氣體減排、農業(yè)生產利用和藥用等方面的價值；也要注意其在富集金屬和病原體時的安全性問題。

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