人工濕地中水生植物對氮磷的吸收作用研究進展

吳陽 王哲 王兆珺 李坤 王立杰 任奕霖

【摘 要】近年來，我國水體富營養(yǎng)化問題日益加重，人工濕地中的水生植物能夠很好地去除富營養(yǎng)化水體中的氮磷，而且材料易得，景觀效果好，得到了廣泛應(yīng)用。本文闡述了不同生活型水生植物對氮磷的去除效應(yīng)、機制及差異，并對進一步研究提出展望，希望對人工濕地中水生植物的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義和理論價值。

【關(guān)鍵詞】人工濕地；水生植物；氮磷

富營養(yǎng)化是目前地表水面臨的重大環(huán)境問題之一。一般來說，湖泊富營養(yǎng)化可分為自然富營養(yǎng)化和人類富營養(yǎng)化兩類。自然富營養(yǎng)化過程在地質(zhì)時期發(fā)生得非常緩慢，但人類活動可大大加快自然營養(yǎng)化進程。目前，湖泊和水庫的加速營養(yǎng)化已成為世界性的環(huán)境問題，水體的富營養(yǎng)化代表水質(zhì)的嚴(yán)重退化，導(dǎo)致生態(tài)完整性、可持續(xù)性喪失，并影響水生生態(tài)系統(tǒng)的安全使用。我國水體富營養(yǎng)化情況十分嚴(yán)重，根據(jù)《2017年中國環(huán)境現(xiàn)狀報告》（MEPC，2018），在109個重點湖泊（水庫）富營養(yǎng)化監(jiān)測中，貧營養(yǎng)的9個，中營養(yǎng)的67個，輕度富營養(yǎng)的29個，中度富營養(yǎng)的4個。中國五大淡水湖泊中有三個富營養(yǎng)化，即太湖、滇池和巢湖。由此可見，封閉水體的富營養(yǎng)化已成為我國嚴(yán)重的亟待解決的問題。

了解如何控制和治理水體的富營養(yǎng)化，是全球為了促進可持續(xù)發(fā)展面臨的一個緊迫的問題，目前水體的富營養(yǎng)化處理技術(shù)主要涉及物理、化學(xué)和生物方法。然而物理方法如清除底泥等，成本太高且不能從根本上治理水體的富營養(yǎng)化；化學(xué)方法需要向水體中投入大量的化學(xué)試劑，有造成二次污染的風(fēng)險；生物方法具有最小的副作用，利用水生植物、動物、微生物的協(xié)同代謝，吸附水體中的過量營養(yǎng)物質(zhì)，且運行成本低，具有景觀效益，因此近年來生物治理方法被大量的開發(fā)利用。

1、濕地植物對氮磷的吸附效應(yīng)

1.1水體中氮磷的存在形式及吸附路徑

氮以有機態(tài)和無機態(tài)兩種形式存在于廢水中，有機氮主要包括氨基酸、尿素、尿酸、嘌呤、嘧啶等形式，無機氮主要包括銨（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）、硝酸鹽（NO3-）、一氧化二氮（N2O）及溶解于水中的氮氣或其他氮元素。有機氮的去除主要通過氨化作用和硝化作用，反硝化作用是人工濕地中TN去除的主要機制。植物的存在能大大提高氮的去除性能，它們能夠為根際微生物提供附著表面和氧氣，增強硝化作用；同時水生植物通過光合作用固定的碳能優(yōu)化有機物去除和反硝化過程。進入濕地的含磷化合物主要包括顆粒磷、溶解有機磷和無機磷酸鹽，主要通過底泥、水生植物、微生物3條平行途徑進行遷移轉(zhuǎn)化。由于不同種類的植物對氮磷的吸收能力不同，對富營養(yǎng)水體凈化效果存在較大差異。目前，挺水植物和沉水植物的多數(shù)種類被廣泛用于高濃度氮磷污水的治理，漂浮植物、浮葉植物多用于凈化氮磷污染程度低的水體。

1.2挺水植物對氮磷的吸附效應(yīng)

挺水植物是構(gòu)建人工濕地的主要類型植物，能夠攔截過濾、同化吸收污染物，同時具有生命周期比藻類、浮水植物長，容易通過收割去除氮磷等優(yōu)點，在人工濕地中得到了大量的應(yīng)用。常用的挺水植物有蘆葦、菖蒲、寬葉香蒲、燈芯草，水蔥等。商侃侃等比較了花葉蘆竹、旱傘草、再力花、香蒲、蘆葦5種常見挺水植物對低污染水中氮磷的凈化效果。結(jié)果表明，與對照相比，這5種挺水植物對NH3-N、TN、TP凈化效果顯著，但不同植物間處理效果差異不顯著。通過植物收割去除TN的大小順序為：旱傘草>蘆葦>再力花>花葉蘆竹>香蒲，去除TP的大小順序為：旱傘草>再力花>蘆葦>花葉蘆竹>香蒲。從積累效率來看，大小順序均為蘆葦>再力花>旱傘草>花葉蘆竹>香蒲。在選擇處理低污染水人工濕地植物時，雖然需要選擇高氮磷積累量的物種，但更應(yīng)選擇具有高氮磷積累效率的物種。樊開青等選取蘆葦、水蔥、水花生、香蒲和慈姑5種挺水植物為研究對象，通過室內(nèi)靜水試驗、分析比較了它們對重度營養(yǎng)化水體氮磷指標(biāo)的去除效果，結(jié)果表明這5種植物在富營養(yǎng)化水體中生長良好，均能不同程度地降低水體中氮磷類污染指標(biāo)，但對不同指標(biāo)的凈化效果不一樣。其中對總氮的去除能力大小排序為香蒲>蘆葦>水花生>慈姑>水蔥；對銨態(tài)氮的去除能力大小排序為：水花生>香蒲>蘆葦>慈姑>水蔥；對硝態(tài)氮去除能力大小排序為：水花生>蘆葦>慈姑>水蔥>香蒲；對總磷的去除能力大小排序為：水花生>水蔥>慈姑>香蒲>蘆葦；對磷酸鹽的去除能力大小排序為：蘆葦>水蔥>慈姑>水花生>香蒲。在工程實踐中可根據(jù)富營養(yǎng)化水體的實際污染情況，選擇合適的水生植物進行修復(fù)。

1.3沉水植物對氮磷的吸附效應(yīng)

由于沉水植物整株浸沒于水中，其根、莖、葉均能吸收氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，雖然單株生物量小，但往往能夠覆蓋在治理段底部，總生物量大，對氮磷的去除量也更大。應(yīng)用去除水體中氮磷的沉水植物主要有菹草、苦草、馬來眼子菜、微齒眼子菜、伊樂藻、黑藻、金魚藻、狐尾藻等。潘保源等研究了輪葉黑藻、金魚藻和狐尾藻對水體氮磷的凈化效果，發(fā)現(xiàn)對總氮的去除能力從大到小依次為輪葉黑藻>金魚藻>狐尾藻，對總磷的去除能力從大到小依次為輪葉黑藻>狐尾藻>金魚藻，輪葉黑藻適合于氮磷濃度較高水體的凈化且去除效率最好，是很好的水體凈化沉水植物。金樹權(quán)等[8]研究了輪葉黑藻、苦草、金魚藻、穗狀狐尾藻、微齒眼子菜5種寧波鄉(xiāng)土沉水植物后也發(fā)現(xiàn)輪葉黑藻對TN、TP的去除率最高，不同沉水植物處理的水質(zhì)TN、TP去除率變化范圍分別為63.8%～83.1%和49.2%～70.8%，均顯著高于空白處理的39.9%和36.9%。在低溫條件下，大聚藻和香菇草能夠正常生長，金魚藻基本停止生長，黑藻出現(xiàn)部分腐爛現(xiàn)象，而且大聚藻和香菇草對TN、TP的平均凈化率也要顯著高于金魚藻和黑藻，因此大聚藻和香菇草可作為冬季低溫條件下凈水工程的優(yōu)選沉水植物。

1.4漂浮植物對氮磷的吸附效應(yīng)

由于難以控制漂浮植物生長規(guī)模和適宜的蓋度，發(fā)揮最佳水體凈化效果，用于處理氮磷污水的漂浮植物種類較少，鳳眼蓮的應(yīng)用最為廣泛。鳳眼蓮對氮、磷去除率分別為50%～78.46%和68.16%～89.56%，水芙蓉對氮、磷去除率分別為57.58%～76.87%和72.28%～76.47%，蓮花竹對氮、磷去除率分別為0.60%～10.80%和2.48%～10.04%。鳳眼蓮和水芙蓉對氮磷的去除效果比較好。何娜等比較了包括大薸、鳳眼蓮在內(nèi)的漂浮植物和挺水植物去除氮磷的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)漂浮植物對氮磷的吸收貢獻率明顯高于挺水植物。

1.5浮葉植物對氮磷的吸附效應(yīng)

和漂浮植物相似，浮葉植物在處理氮磷污水的應(yīng)用也相對較少，主要有睡蓮、水罌粟、四角菱等，且多與其他植物配合應(yīng)用。吳湘等[10]研究了3類水生植物對池塘養(yǎng)殖廢水中氮磷的去除效果，在相同條件下脫氮除磷效果最好的是挺水植物蘆葦，浮葉植物浮葉四角菱脫氮效果較好， 除磷效果較好的是沉水植物金魚藻。蔡佩英等在不同濃度的模擬污水中培養(yǎng)9種水生植物，發(fā)現(xiàn)在低濃度下，荷花對總氮的去除率最高，達到48.75%。荇菜能顯著降低上覆水體中NH4+-N、TN以及PO43-P、TP的水平，同時由于植物的生長對藻類具有克制作用，使水體中藻類的數(shù)量降低，提高水體透明度，改善水質(zhì)。

1.6不同植物搭配對氮磷的吸附效應(yīng)

目前大量研究集中在篩選出氮磷凈化率最高的單一水生植物物種，然而在工程實踐中如果采用單一物種修復(fù)富營養(yǎng)化水體會出現(xiàn)系統(tǒng)波動性大、抗逆性抗蟲性差、水質(zhì)凈化效果不穩(wěn)定等問題，多種物種以及多種生活型水生植物的有機組合能提高小生境生物多樣性，增強人工濕地的抗逆和抗干擾能力。一般條件下多種植物組合對污染物的凈化效果更好，然而，不同的植物配置和實驗條件會導(dǎo)致凈化效果不同，有的植物配置后對污染物的凈化反而起抑制作用。因此最優(yōu)的植物搭配組合和適用條件還需要深入研究和探討。劉足根等分別以水菖蒲、狹葉香蒲、金魚藻、穗花狐尾藻4種沉水-挺水植物為先鋒種兩兩鑲嵌組合，最終確定了穗花狐尾藻+狹葉香蒲的鑲嵌組合為不同生活型水生植物組合凈化氮磷效果最優(yōu)模式。李淑英等[13]選擇三種耐污性極強的水生植物：慈姑，挺水植物；大薸，漂浮植物；穗狀狐尾藻，沉水植物，進行兩兩鑲嵌組合和三種同時使用，結(jié)果表明，永生植物鑲嵌組合后對富營養(yǎng)化水體中的TN和TP去除效果明顯，并且能夠長期維持此凈化效果；三種水生植物鑲嵌組合后對富營養(yǎng)化水體中的TN、TP的去除效果最好，最大去除率分別達到70.13%和99.32%。

2、濕地植物對氮磷的去除機制

2.1濕地植物對氮的去除機制

植物的生長繁殖需要營養(yǎng)，能夠有效地吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，可以通過收割成熟的植物來凈化水質(zhì)，對營養(yǎng)物質(zhì)如總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、磷酸鹽（PO43-）的去除有著積極作用。大量研究表明，植物的吸收作用與植株的生物量及根系的發(fā)達程度密切相關(guān)。崔麗娟等發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)N、P的積累量主要與植物的生物量存在線性相關(guān)，生物量對氮、磷積累量的影響大于植物體內(nèi)氮、磷濃度的影響，這一結(jié)果與蔣躍平等的研究結(jié)果一致，所以生物量可作為選擇人工濕地植物的一個重要指標(biāo)。此外，發(fā)達的根系也有利于污染物的去除，例如美人蕉根面積大，須根很長，對氮磷有較好的去除能力。

事實上，在人工濕地中，植物直接吸收作用去除的氮僅占20%～30%，大部分（60%～70%） 通過反硝化作用被微生物去除，因此，濕地植物的直接吸收作用不是去除氮的主要機制。植物根系的表面積為微生物提供附著的位置并為各種微生物的生長創(chuàng)造微環(huán)境，微生物的硝化-反硝化作用一直被認(rèn)為是人工濕地脫氮的主要途徑。硝化作用 （Nitrification） 是指首先由氨氧化菌將氨氮氧化成亞硝態(tài)氮， 然后再被硝化菌氧化成硝態(tài)氮的過程 （NH4+→NO2-→NO3-）；反硝化作用（Denitrification）指反硝化菌通過多步反應(yīng)將硝態(tài)氮最終還原為氮氣的過程 （NO3-→NO2-→NO→N2O→N2）。厭氧氨氧化菌驅(qū)動的厭氧氨氧化過程也作為一種新的微生物脫氮途徑在人工濕地去除氮研究中受到越來越多的關(guān)注。在大多人工濕地的微生物群落中， 細(xì)菌數(shù)量最多， 放線菌數(shù)量次之， 而真菌數(shù)量則最少。其中， 細(xì)菌中具有脫氮功能的氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量均處于較高水平，該特點使得人工濕地具有良好的脫氮效果。杜剛等研究表明，栽種植物能夠增加人工濕地的微生物數(shù)量，人工濕地微生物數(shù)量與TN去除率顯著正相關(guān)，栽種植物能夠改善人工濕地微生物數(shù)量與TN去除率之間的關(guān)系。同時濕地植物通過光合作用產(chǎn)生的氧氣通過根系在根區(qū)周圍形成氧化態(tài)的微環(huán)境，有植物的濕地生態(tài)系統(tǒng)比無植物的濕地生態(tài)系統(tǒng)氧氣濃度更高，氧化能力更強，根系泌氧可通過促進硝化作用顯著促進銨態(tài)氮的去除。目前， 人們對人工濕地微生物的研究已從傳統(tǒng)的間接功能性測定發(fā)展到分子水平有研究表明， 氮轉(zhuǎn)化速率與編碼氮轉(zhuǎn)化關(guān)鍵酶的基因存在著明顯的定量響應(yīng)關(guān)系，人工濕地內(nèi)部氮轉(zhuǎn)化過程之間存在多種耦合機制， 氮轉(zhuǎn)化速率受制于多種氮轉(zhuǎn)化菌群和功能基因的聯(lián)合作用。

2.2濕地植物對磷的去除機制

基質(zhì)吸附、水生植物的吸收和微生物作用是廢水除磷的3條平行途徑，3條途徑對磷去除的貢獻大小為：基質(zhì)>水生植物≥微生物 （短期結(jié)果） ，水生植物>基質(zhì)≥微生物 （長期結(jié)果）。水生植物吸收的磷含量不多，但卻對水體中磷的去除有很大貢獻，一方面，植物根區(qū)的微氧化環(huán)境， 有利于有機磷被微生物降解為無機磷，無機磷是植物生長必需的營養(yǎng)元素，可被植物吸收利用形成卵磷脂、核酸及ATP等，然后通過植物收割去除；另一方面， 由于植物具有龐大的根系， 磷可以通過底泥吸附而沉淀。郭萬喜等研究發(fā)現(xiàn)浮水植物如青萍和紫萍吸收的磷主要來自于上覆水， 而沉水植物如黑藻和水花生吸收的磷直接來自于沉積物。根據(jù)以往的研究報告，通過底物積累去除磷占磷輸入量的36.2-87.5%，而植物和微生物吸收約占1.3-26.4%，且含Ca和Fe的基質(zhì)可通過Ca、Fe與PO43-反應(yīng)而發(fā)生沉淀，因此認(rèn)為底物絡(luò)合沉淀是人工濕地中磷去除的關(guān)鍵機制。然而，當(dāng)修復(fù)水體中磷的濃度降低到一定值，已被底泥基質(zhì)吸附的部分磷可能會重新釋放到水體中，因此通過底泥對可溶磷的沉淀作用不能完全將磷從水體中去除。

具有解磷能力的微生物有很多，其中優(yōu)勢種有：不動桿菌屬 （Acinetobacter） 、氣單胞菌屬 （Aeromonas） 和假單胞菌屬 （Pseudomonas），有機磷和磷酸鹽沉淀磷主要是通過這些菌的協(xié)調(diào)作用轉(zhuǎn)化為溶解的磷酸鹽， 從而被植物體吸收利用，無機磷化合物也能得到分解和轉(zhuǎn)化。此外，植物根系分泌的分泌物，能夠促進磷細(xì)菌生長，從而間接提高凈化速率。研究結(jié)果表明，根土表面解磷微生物數(shù)量>根際土解磷微生物數(shù)量>本體土解磷微生物數(shù)量。

3.展望

利用水生植物構(gòu)建人工濕地能夠有效地治理富營養(yǎng)化水體，同時具有經(jīng)濟性和良好的景觀效果，目前在工程實踐中得到了廣泛地應(yīng)用。由于不同水生植物去除氮磷效果差別很大，水質(zhì)條件以及搭配方式不同也會影響去除氮磷的效果，而單一水生植物的篩選及對富營養(yǎng)水體氮磷的去除效果已被大量研究，建議進一步研究的內(nèi)容包括：研究不同水質(zhì)條件下的不同生活型水生植物的最優(yōu)配置，建立水生植物數(shù)據(jù)庫，更好地指導(dǎo)工程實踐，提高人工濕地的生物多樣性和景觀多樣性；植物-微生物的協(xié)同作用是水體去除氮磷的主要方式，而水生植物去除氮磷的凈化機制的研究相對較少，在分子水平上仍需進行進一步的研究；人工濕地的維護需要進一步考慮，及時收割打撈水生植物，以期達到最好的水質(zhì)凈化效果。另外，由于收割后的水生植物吸收了大量的污染物，如何處理這些植物也是需要考慮的問題。

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