水生維管束植物水體凈化污染物作用探討

程巖 紀(jì)和

摘要：概述了水生維管束植物的種類，總結(jié)了水生植物凈化水質(zhì)的主要機(jī)制及其對不同類別污染物的凈化作用，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，期望為水污染治理、水生態(tài)修復(fù)提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：水生維管束植物;水質(zhì)凈化;機(jī)制;污染物

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）18-0075-03

1引言

近年來，在我國社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展背景下，環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重，尤其水體污染問題十分突出。2015年，國家發(fā)布《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”），黨的“十九大”提出要發(fā)起污染防治攻堅戰(zhàn)，水環(huán)境質(zhì)量、水體水質(zhì)提升成為目前以及今后一段時間的緊迫工作。許多研究都已證實，水生維管束植物對不同類別的污染物都具有去除作用，可以很好的凈化水體水質(zhì)。使用水生植物凈化水質(zhì)屬于生態(tài)學(xué)范疇，符合綠色、環(huán)保理念，且具有成本低、能耗小、易管理、方式美觀等優(yōu)勢。本文概述了水生維管束植物的種類，總結(jié)了水生植物凈化水質(zhì)的主要機(jī)制及其對不同類別污染物的凈化作用，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，以期為水污染治理、水生態(tài)修復(fù)提供有益的參考。

2水生植物維管束植物概述

水生植物是指生理上依附于水環(huán)境或至少部分生殖周期發(fā)生在水中或水表面的植物類群，形成了一系列對于水環(huán)境的典型適應(yīng)性特征，主要體現(xiàn)在形態(tài)結(jié)構(gòu)及其功能上。水生植物分為三大類型，高等藻類、水生蘚類、水生維管束植物，其中水生維管束植物被廣泛應(yīng)用于污染水體的水質(zhì)凈化，該類植物為多細(xì)胞植物體，細(xì)胞分化明顯，組成各種不同功能的組織，有根、莖、葉的分化，通常具有發(fā)達(dá)的機(jī)械組織。水生維管束植物一般分為漂浮、沉水、浮葉、挺水四大類型，不同類型的水生維管束植物具有其相應(yīng)的生活習(xí)性、生長特點，對水體污染治理具有不同效果。這四種不同生活型的水生植物在水體污染治理中既可以單獨使用，也可以任意組合，能夠更好地發(fā)揮水生植物在水體污染防治中的功能和作用（表1）。

3水生維管束植物凈化水質(zhì)的機(jī)制

3.1吸收作用

水生維管束植物可通過根部或浸沒于水體中的莖葉吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，以保證植物正常生長、繁殖需要。有研究表明，水生維管柬植物具有過量吸收氮、磷等營養(yǎng)元素的能力，植物體內(nèi)氮、磷元素含量都達(dá)到或超過生長所需最低的氮和磷閾值。水生植物吸收氮素主要以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮形式，也包括一些小分子含氮有機(jī)物如尿素和氨基酸等，磷素則主要以磷酸鹽形式。水生植物對水體中的重金屬和有機(jī)污染物也具有吸收作用，通過吸收降解、脫毒后存儲于植物體內(nèi)。植物對重金屬的吸收具有選擇性，部分溶解性的重金屬可被植物吸收。當(dāng)水生植物被轉(zhuǎn)移出水生生態(tài)系統(tǒng)時，附著于水生植物體內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)或重金屬、有機(jī)物也隨之移出水體，從而起到凈化水質(zhì)的作用。

3.2吸附、沉降作用

部分根系發(fā)達(dá)的水生植物，其根系與水體接觸面積大，可形成密集的過濾層，水流通過時，懸浮顆粒和重金屬被根系阻隔沉降，在其表面進(jìn)行離子交換、鰲合、吸附、沉淀等。同時，水中的不溶性膠體可被水生植物根系吸附，植物根系上的部分菌膠團(tuán)可把懸浮性有機(jī)物和新陳代謝產(chǎn)物沉降下來。水生植物可減少水面風(fēng)速，降低水流速度，增強(qiáng)底質(zhì)的穩(wěn)定性，減少固體顆粒再懸浮情況的發(fā)生，為懸浮固體的沉降創(chuàng)造良好條件。此外，部分水生維管束植物在生長代謝過程中還可以分泌大量無機(jī)物，對水體中各種基團(tuán)化合物具有較強(qiáng)的吸附能力。

3.3富集作用

多數(shù)水生維管束植物具有較強(qiáng)的耐污能力，可通過鰲合和區(qū)室化等作用來耐受并吸收富集金屬離子、有機(jī)物等，將水體中的有毒有害物質(zhì)富集于植物體內(nèi)，從而達(dá)到降解水體污染物濃度的效果。例如有研究發(fā)現(xiàn)，在重金屬誘導(dǎo)下，鳳眼蓮體內(nèi)能產(chǎn)生有重金屬絡(luò)合作用的金屬硫肽，對水體中重金屬具有較強(qiáng)的富集作用。由于重金屬在水體中以多種形式存在，整株植物對重金屬的富集去除通常是重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制、酶系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制等多種機(jī)制綜合作用下的結(jié)果。

3.4微生物作用

微生物對水體中污染物降解起直接作用，水生植物群落為微生物提供了棲息環(huán)境和附著載體，其生理代謝活動間接為微生物的降解起到良好的協(xié)同和促進(jìn)作用。水生植物根系區(qū)域形成了一個好氧環(huán)境，大量微生物在基質(zhì)表面形成灰色生物膜，增加了微生物的數(shù)量和分解代謝的面積，從而有利于植物根區(qū)的污染物被微生物分解利用或降解去除。在根系外區(qū)域，厭氧微生物則通過硝化、反硝化實現(xiàn)降解效果。部分水生維管束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，提高氮、磷的釋放和轉(zhuǎn)化效率，從而間接提高凈化率。在富營養(yǎng)化水體中，水生維管束植物根莖上的反硝化菌、氮化菌等可加速氨氮向亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，有利于植物對養(yǎng)分的吸收與利用。

3.5抑藻作用

水生維管束植物和浮游藻類屬同一營養(yǎng)級水平，兩者間存在競爭關(guān)系。由于水生植物個體更大，生命周期更長，具有較大的競爭優(yōu)勢。水生植物的抑藻作用主要有以下2種途徑：一方面水生植物通過對光和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭來抑制藻類的生長;另一方面水生植物可分泌釋放單酚類、脂肪酸、菇類化合物、類固醇等抑藻物質(zhì)，通過化感作用抑制浮游藻類生長。某些水生植物根系能分泌釋放出克藻物質(zhì)，達(dá)到抑制藻類生長的作用。如菇類化合物、類固醇等?；形镔|(zhì)對藻類的生長抑制作用機(jī)理主要體現(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個方面。

4水生維管束植物對水體污染物的凈化作用

4.1氮磷等營養(yǎng)物

隨著經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展，生活污水排放、農(nóng)業(yè)面源污染等問題導(dǎo)致我國水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象十分嚴(yán)重。傳統(tǒng)物理、化學(xué)方法治理具有一定效果但易造成二次污染。大量研究表明，水生維管束植物對于去除水體氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，凈化污染水體水質(zhì)具有明顯效果，且符合綠色、生態(tài)的要求。水生植物對營養(yǎng)物去除主要通過微生物降解、植物體吸收等方式，維管束植物的產(chǎn)量往往較高，大量營養(yǎng)物被固定在其生物體內(nèi)，收割后即可從水體中去除，從而起到凈化水質(zhì)的作用。植物的種類是影響水生植物修復(fù)污染水體效果的首要因素，耿兵等研究表明，浮水植物對污染物的去除能力明顯強(qiáng)于挺水植物，約為挺水植物的3.15～5.64倍。AN-SOLA等比較了蘆葦、香蒲、黃菖蒲和水蔥4種水生維管束植物對氮、磷的去除效率，發(fā)現(xiàn)香蒲對總氮的去除率最高，黃菖蒲對總磷的去除率最高。水體的富營養(yǎng)化程度、氮的不同存在形態(tài)、植物種植方式以及溫度、pH、光照、微生物等都對水生植物對氮、磷等營養(yǎng)物的去除效率產(chǎn)生影響。例如，高光等研究表明水生植物對氮、磷的凈化率隨水體中氮、磷等元素的濃度增高而增大。多種植物種類組合較單種植物的水質(zhì)凈化作用更明顯。王國祥等研究表明，由浮水、浮葉和沉水植物組合的水生植物群落對污染湖泊中藻類和氮素具有顯著的去除效果，藻類生物量和TN濃度分別下降了58%和60%。

4.2重金屬

近年來，隨著各種工業(yè)行業(yè)（電鍍、電子、冶煉等）的發(fā)展以及固體廢棄物滲濾液排放，使得各類重金屬污染物進(jìn)入水體。重金屬不能被微生物所降解，因此通過生物吸收、富集從環(huán)境中去除是一個較好的選擇。諸多研究均表明，不同類型水生維管束植物對水體重金屬離子具有較好的吸收、富集作用，且水生維管束植物具有生物量大且易于后處理的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于重金屬污染水體的水質(zhì)凈化。水生維管束植物對重金屬的去除作用效果通常與植物生活型、生物量、株齡、時間、溫度、pH等因素相關(guān)，挺水植物一般具有發(fā)達(dá)的根系和較大的生物量，植物體內(nèi)可以蓄積大量重金屬且重金屬含量與外界污染水平相關(guān)，可以作為重金屬指示生物和蓄積物種。漂浮植物水浮蓮和風(fēng)眼蓮是兩種典型的重金屬蓄積植物，對Cu、Ag、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、Zn元素具有很好的蓄積效果。浮葉植物與其他生活型水生維管束植物相比重金屬蓄積能力相對較弱，其中部分植物物種對某些特定重金屬也有很好的蓄積能力，例如睡蓮對Cr⁶⁺的富集效果較好。許多種類沉水植物（金魚藻、輪葉黑藻、狐尾藻等）的根部、葉部均可蓄積高含量的重金屬。

4.3有機(jī)污染物

食品工業(yè)、造紙業(yè)、農(nóng)藥化肥等污水排放是水體有機(jī)污染的主要來源，有機(jī)物進(jìn)入到水體生物氧化分解過程會消耗水體中大量溶解氧，水體溶氧不足進(jìn)而導(dǎo)致水體發(fā)臭。大量研究表明，水生維管束植物可以有效地對水體中的有機(jī)污染物進(jìn)行清除和分解，進(jìn)而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。植物體對有機(jī)污染物的降解機(jī)制分為三方面：轉(zhuǎn)化、結(jié)合、分離。如浮萍、紫萍、水葫蘆、水花生等水生維管束植物對水體中的多環(huán)芳香烴化合物等有毒有機(jī)物具有較強(qiáng)的去除效果。鳳眼蓮對合成洗滌劑凈化作用明顯，對含有硫化氫印染廢水也具有較強(qiáng)的去除效果。劉建武等研究了鳳眼蓮凈化含萘廢水的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮主要依靠根系的吸附作用、吸收作用甚至根際微生物的降解作用凈化水體。此外，水生植物還可以消除工業(yè)廢水中的雙酚、酞酸酯等物質(zhì)。沉水植物狐尾藻等具有直接吸收降解三硝基甲苯（TNT）的能力。風(fēng)車草和香根草人工濕地對COD的去除率依然接近90%，且植物生長良好。

5水生維管束植物在水污染治理中的應(yīng)用前景

“水十條”發(fā)布以來，我國黑臭水體整治工作在全國各大城市全力鋪開推進(jìn)，水環(huán)境治理行業(yè)及其相關(guān)環(huán)保產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。目前，大部分城市黑臭水體整治工作已接近尾聲，進(jìn)一步提升河湖等水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是下一階段水污染治理的重點目標(biāo)。應(yīng)用水生植物治理水體污染、凈化水質(zhì)屬水生態(tài)修復(fù)范疇，已被證實具備諸多優(yōu)勢。水生維管束植物是構(gòu)建生態(tài)浮島、人工濕地等的生態(tài)修復(fù)工程的主要組成部分，同時具備雨洪調(diào)蓄、景觀營造、美化環(huán)境等作用，在未來水環(huán)境綜合整治、水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。未來應(yīng)加強(qiáng)不同類型水生維管束植物組合水質(zhì)凈化作用研究，加大植物資源的開發(fā)和應(yīng)用，并以工程項目為依托將小型或中型試驗推廣至工程應(yīng)用實踐研究。