水污染植物修復(fù)技術(shù)探討

王波 韓誠(chéng)武 薛春梅

摘要 近年來(lái)，水生植物原位修復(fù)作為一種低耗高效的治理技術(shù)而受到重視。本文分析了水生植物在水污染修復(fù)中的機(jī)理、類型和種類，并對(duì)發(fā)展應(yīng)用前景進(jìn)行展望，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞 水污染；修復(fù)；水生植物

中圖分類號(hào) X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）14-0192-02

Abstract In recently，macrophytes in-situ phytoremediation receives attention as an low power and high efficiency treatment.This paper analyzed the mechanism，type and species of phytoremediation of polluted water，predicted its prospect，so as to provide references for relevant personnel.

Key words water pollution；phytoremediation；macrophyte

植物修復(fù)污染水體的研究是指利用植物在生長(zhǎng)過(guò)程中一系列生理、生化過(guò)程，吸收、降解、鈍化有機(jī)污染物的一種原位處理污染，部分或完全修復(fù)和消除有毒有害物質(zhì)[1]。1974年，Peterson等人利用水生植物去除湖泊、河流以及地下水的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。目前，全球共有近100個(gè)國(guó)家和地區(qū)開展了水生植物修復(fù)的相關(guān)研究，其中，中國(guó)、美國(guó)、印度研究最多。

1 水污染現(xiàn)狀及危害

由于工業(yè)、農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及民用廢棄物的不合理處置，水體中污染物質(zhì)越來(lái)越多，給環(huán)境造成嚴(yán)重影響。每年全世界有逾4 200億m3的污水排入江河湖海，5.5萬(wàn)億m3淡水受到污染，其中處理過(guò)的污水不足10%，污染物降低了水體的使用功能，加劇了水資源短缺。近年來(lái)，我國(guó)水污染事件頻發(fā)，每年發(fā)生逾1 700起。目前，我國(guó)75%的湖泊出現(xiàn)了不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化；90%的城市水域污染嚴(yán)重，地下水受到污染嚴(yán)重。水體中的污染物大多具有較高的穩(wěn)定性，不易被降解性，當(dāng)積累到一定的限度就會(huì)對(duì)水體—水生植物—水生動(dòng)物系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，并可能通過(guò)食物鏈直接或間接地影響人類的健康[2]。

2 水污染的分類

水污染指水體因某種物質(zhì)的介入而導(dǎo)致其理化性質(zhì)發(fā)生改變，造成水質(zhì)惡化，從而影響水的有效利用，破壞生態(tài)環(huán)境，直接或間接危害人體健康的現(xiàn)象[3]。污染物包括重金屬、有機(jī)氯農(nóng)藥、非農(nóng)藥有機(jī)污染物、酸堿污染、有機(jī)毒物、放射性污染等。

2.1 重金屬

重金屬為比重>5 g/cm3，原子序數(shù)>20的金屬元素，如Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Ni、As。水體重金屬污染都是在開采、冶煉、生產(chǎn)及使用過(guò)程中產(chǎn)生。千屈菜、鳳眼蓮、香蒲和蘆葦對(duì)Cu、Pb和Zn等重金屬污染嚴(yán)重水體的修復(fù)功效明顯，茭白對(duì)Cu、Zn和Mn的富集量均達(dá)到 60%以上，浮萍、水蔥和鳳眼蓮等水生植物對(duì)重金屬的富集功效為普通水生植物的2～3倍。

2.2 有機(jī)氯農(nóng)藥

農(nóng)藥和化肥在使用過(guò)程中，大部分未被吸收利用而殘留在土壤和漂浮在大氣中，通過(guò)降雨和地表徑流的沖刷進(jìn)入地表水和滲入地表水，進(jìn)而形成水污染[4]。樂(lè)果、敵敵畏含有有機(jī)磷農(nóng)藥的有機(jī)化合物，DDT、六六六含有機(jī)氯元素。DDT的代謝物都是持久性污染物，而水生植物鸚鵡毛、浮萍、伊樂(lè)藻可在6 d內(nèi)富集水環(huán)境中全部的DDT，并能將部分DDT降解為DDD和DDE。

2.3 非農(nóng)藥有機(jī)污染物

2.3.1 耗氧有機(jī)污染物。主要來(lái)源于動(dòng)物、植物殘?bào)w和生活、工業(yè)產(chǎn)生的易分解的有機(jī)物（碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等），如造紙、皮革、紡織、食品、石油加工、焦化、印染等工業(yè)廢水，其在分解過(guò)程中要消耗水中的溶解氧，致使環(huán)境缺少氧氣，進(jìn)而造成水生植物或水生動(dòng)物缺氧。

2.3.2 富營(yíng)養(yǎng)化有機(jī)物。含氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入水體，使水體富營(yíng)養(yǎng)化，藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，水中生物大量死亡，水生植物群落衰退，生物多樣性降低，使水環(huán)境系統(tǒng)遭到破壞。水生植物修復(fù)具有顯著的去除N、P的效果，鳳眼蓮去除NH3-N的效率最佳，美人蕉去除TN和TP的效率最佳。

2.3.3 有機(jī)毒物。有機(jī)毒物指氰化物、氟化物、三氯乙醛、酚、石油類和難分解的有機(jī)污染物，其大都來(lái)自礦山、冶煉廢水，或者工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排出的油類物質(zhì)及其衍生物。在海洋中，有機(jī)毒物主要來(lái)自油船的事故泄露、海底采油、油船壓艙水以及陸上煉油廠和生化工廠的廢水。水環(huán)境中的硝基芳香化合物污染主要來(lái)自于炸藥工業(yè)。

2.3.4 病原微生物。醫(yī)院廢水、生活垃圾滲水、人畜糞尿灌水等污水給水體帶來(lái)大量污染物的同時(shí)，也帶來(lái)大量病源微生物，主要分為病源菌、寄生蟲、病毒3類。

3 植物修復(fù)機(jī)理

3.1 吸收作用

水生維管束植物在水生生態(tài)系統(tǒng)中處于初級(jí)生產(chǎn)者的地位，與藻類相比，其生命周期長(zhǎng)，通過(guò)自身的生長(zhǎng)代謝可以大量吸收氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，儲(chǔ)存更加穩(wěn)定，代表性植物有浮葉植物和沉水植物。

3.2 微生物作用

水生植物群落為微生物和微型動(dòng)物提供了附著的基質(zhì)。植物根區(qū)外的厭氧環(huán)境有利于厭氧微生物的代謝，根區(qū)有氧環(huán)境有利于微生物的降解。含氮有機(jī)物分解所產(chǎn)生的氨態(tài)氮可通過(guò)硝化作用和反硝化作用去除[5]。

3.3 吸附、截留、沉降作用

不溶性膠體會(huì)被漂浮植物發(fā)達(dá)的根系吸附或截留，細(xì)菌在其進(jìn)入內(nèi)源呼吸期后會(huì)發(fā)生凝聚，菌膠團(tuán)可將懸浮性有機(jī)物和新陳代謝產(chǎn)物沉降下來(lái)。

4 植物修復(fù)類型

4.1 植物揮發(fā)

易揮發(fā)的污染物被植物吸收后可通過(guò)表面組織揮發(fā)到空氣中，而后被活性羥分解。如有毒的Hg2+經(jīng)植物揮發(fā)后變成低毒的Hg，高毒的硒經(jīng)植物揮發(fā)后變成低毒的硒化物[6]。

4.2 植物固定

植物可將有毒有害污染物固定至根、莖、葉中，降低污染物的活動(dòng)性，阻止其污染水體。當(dāng)植物死亡后，部分污染物隨著植物的分解而重回到環(huán)境中。

4.3 植物提取

植物從土壤中吸收、去除無(wú)機(jī)物，主要為重金屬和類金屬，目前已發(fā)現(xiàn)逾500種可從土壤中提取無(wú)機(jī)物的植物。

4.4 植物降解

植物通過(guò)同化作用，將有機(jī)污染物（如PAHs、TPHs、PCBs）和無(wú)機(jī)污染物（如氮氧化物、硫氧化物）降解。當(dāng)植物死亡時(shí)，大部分污染物已經(jīng)被降解為無(wú)毒性物質(zhì)或無(wú)機(jī)物，有效地避免二次污染。例如，桉樹可以有效降解三氯乙烯和甲基叔丁基醚，印度芥菜可以降解硒化物[7]。

4.5 植物根濾

植物根濾作用指植物去除水體污染物的功能。利用水培植物的根系從污水中吸收、富集或沉淀金屬及有機(jī)污染物。根濾既是可以修復(fù)淺水湖和濕地系統(tǒng)，又可以用來(lái)處理放射性核素廢水、重金屬?gòu)U水以及富含營(yíng)養(yǎng)鹽的廢水。

5 修復(fù)植物種類

水生植物是指生長(zhǎng)在水中或是生長(zhǎng)在水分充足而周期性缺氧的基質(zhì)上的任何大型植物，主要包括水生維管束植物和高等藻類。水生維管束植物主要包括挺水植物、浮水植物、飄浮植物和沉水植物，具有發(fā)達(dá)的機(jī)械組織和高大的個(gè)體。不同植物對(duì)污染物修復(fù)機(jī)制和效果各不相同，木本植物主要用于人工濕地污水處理，其具有處理量大、修復(fù)效果好、受氣候影響小、不易產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)。而禾本植物（如池杉）的須根具有較大的表面積，且處于污染物較多的土壤表層，可以吸收和積累更多的污染物。

5.1 挺水植物

挺水植物根生于底質(zhì)中，既可吸收底泥的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也可以吸收污染物。此外，挺水植物可沉降懸浮物，凈化水質(zhì)。挺水植物具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗逆性，具有凈化水中的懸浮物、氯化物、有機(jī)氮、硫酸鹽、重金屬的能力[8]，可修復(fù)水污染的挺水植物包括蘆葦、魚腥草、菖蒲、菰、澤瀉、蓼、梭魚草、鳶尾、千屈菜、蓮花等。

5.2 浮葉植物

浮葉植物的代表植物為荇菜、睡蓮、鳳眼蓮、浮萍，其根部漂浮于水中、葉完全浮于水面，整株植物可隨水漂泊，根和莖是主要吸收污染物的器官。浮葉植物耐污性強(qiáng)，具有較好的水體凈化作用，同時(shí)也具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但其擴(kuò)展能力較強(qiáng)，易造成泛濫。

5.3 沉水植物

沉水植物部分根扎于底質(zhì)，部分根懸浮于水中，根可以吸收底質(zhì)中的氮、磷，而莖葉可以吸收水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)固定于植物體內(nèi)，減少水中有害物質(zhì)的濃度，當(dāng)植物死亡后，部分被固定的物質(zhì)才會(huì)逐漸被釋放。沉水植物代表植物有伊樂(lè)藻、眼子菜、狐尾藻、金魚藻、苦草等[9]。

5.4 漂浮植物

漂浮植物在光照競(jìng)爭(zhēng)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其生長(zhǎng)力高，能夠吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。如狐尾藻、大茨藻和金魚藻能抑制藻類大量繁殖，配合種植，可改善水質(zhì)；在水質(zhì)較好的水域配合種植產(chǎn)氧強(qiáng)的品種改善溶解氧狀況，可逐步形成穩(wěn)定的良性循環(huán)的水域生態(tài)系統(tǒng)。

6 水污染研究方向

6.1 超累積植物的篩選與培育

尋找和開發(fā)生物量大、富集污染物能力強(qiáng)的超富集植物，是植物修復(fù)技術(shù)的首要任務(wù)。超積累植物具有較強(qiáng)的吸收能力、根系向莖葉轉(zhuǎn)移能力、葉片解毒和固定能力，可從長(zhǎng)期處于高污染的環(huán)境中尋找耐受型植物和具有超富積能力的植物。通過(guò)育種或轉(zhuǎn)基因技術(shù)將超富集性狀轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)速度快、適應(yīng)環(huán)境強(qiáng)的植物。有研究從遏藍(lán)菜的Zn、Cd超富集植物克隆到Zn（Cd）轉(zhuǎn)移蛋白基因、Fe轉(zhuǎn)移蛋白基因[10]。

6.2 與生物技術(shù)結(jié)合

利用生物技術(shù)獲得具有超級(jí)修復(fù)能力植物的方法主要有以下2種：一是通過(guò)限速酶的過(guò)表達(dá)，加速現(xiàn)在已知的植物降解機(jī)制的開發(fā)利用；二是通過(guò)轉(zhuǎn)入外部基因獲得全新降解途徑，將外部基因?qū)胫参锛?xì)胞染色體組中，從而獲得具有目標(biāo)特征的植物，如植物對(duì)多種污染物具有更高的抗逆性、富集能力和降解能力。將不同植物的不同優(yōu)良超累積特性集中于同一植物上，其針對(duì)性強(qiáng)，目標(biāo)也較明確，研究周期相對(duì)較短。

6.3 與微生物修復(fù)技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用

利用表面活性劑和電動(dòng)力學(xué)方法可明顯增強(qiáng)有機(jī)污染物的水溶性與微生物的降解，有效地增強(qiáng)污染物的生物可利用性，而微生物的活性又受多種因素影響，如農(nóng)藥的濃度、有機(jī)物種類和含量、微生物區(qū)系組成等。通過(guò)植物根系附近的微生物代謝作用，消耗水體中的溶解氧，使之呈現(xiàn)厭氧狀態(tài)，而這種厭氧狀態(tài)有利于反硝化過(guò)程 。

7 結(jié)語(yǔ)

植物修復(fù)成本低，沒(méi)有二次污染，但已知的大多數(shù)超富集植物生長(zhǎng)緩慢、生物量小，植物根系分布、氣候、土質(zhì)等因素制約了植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用。此外，在超富集植物時(shí)注意不要引入入侵植物，否則會(huì)使當(dāng)?shù)卦脖恢饾u被外來(lái)種替代，引起當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)損失，造成生物入侵。

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