水生蔬菜在水體修復(fù)中的應(yīng)用概況

羅競 ，柯衛(wèi)東 ，劉玉平 ，汪李平 ，劉義滿

（1.武漢市蔬菜科學(xué)研究所，430065；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院）

1 水生蔬菜對水質(zhì)凈化作用的研究成就

20世紀60年代初，國內(nèi)外專家學(xué)者就相繼將水生植物用于水質(zhì)凈化研究。由于水生植物凈化水體的效果良好，且凈化成本低廉，目前已成為修復(fù)受損水生生態(tài)系統(tǒng)的主要手段。以往的研究主要側(cè)重于凈化效果，較少考慮經(jīng)濟效益，所以研究者多選用鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）、喜旱蓮籽草（Alternantheraphiloxeroides） 和金魚藻（Ceratophyllum demersum）[1]等水生植物。雖然它們有較強凈化能力，有的可以作為飼料、肥料或燃料，但是相對水生蔬菜而言，其經(jīng)濟價值不高，還存在冬季凈化和二次污染問題，因此推廣應(yīng)用受到限制。1980年有專家學(xué)者開始對湖泊河流等污染水體無土栽培旱生經(jīng)濟植物的凈化效果及利用價值的研究。由戴全裕等[2]建立的廢水凈化與資源化生態(tài)工程體系就是以水培經(jīng)濟植物為主，它在處理含重金屬廢水和釀酒廢水的應(yīng)用中獲得較好的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。朱斌等[3]調(diào)查了近10 a來的95篇國內(nèi)外文獻，統(tǒng)計了不同水生植物在水質(zhì)凈化領(lǐng)域的研究頻率（表1）[3]。其中包括我國所研究水生植物45種，而劃歸為水生蔬菜的植物有香蒲（蒲菜）、水蕹、茭白、菱、蓮、水芹、睡蓮、慈姑、荸薺9種。其中，睡蓮主要用作花卉，但近些年開始作為水生蔬菜開發(fā)（菜用睡蓮）。表1中，水生蔬菜種類數(shù)占了20%；45種植物累計研究頻度等級為402次，而其中9種水生蔬菜為72次，占17.91%，說明水生蔬菜在水體凈化中應(yīng)用比較廣泛，占有重要地位。

2 水生蔬菜凈化水質(zhì)的特點

利用水生蔬菜凈化水體可以逐步恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)中水生植物群落，實現(xiàn)植物對營養(yǎng)鹽、重金屬和有機物污染的吸附、利用或轉(zhuǎn)移。同時，水生蔬菜還能夠為微生物提供附著共生空間，為水生動物提供食物來源，實現(xiàn)水生生態(tài)系統(tǒng)的良性物質(zhì)循環(huán)和能量流動。由于水生蔬菜是利用太陽能作為能量源，具有安全、成本低廉、生態(tài)協(xié)調(diào)及美化環(huán)境等作用，但是起效時間較長，生態(tài)穩(wěn)定性完善較為困難。相對于利用喜旱蓮籽草 （Alternantheraphiloxeroides）、 鳳眼蓮（Eichhornia crassipes） 和金魚藻（Ceratophyllum demersum）等水生植物而言，水生蔬菜經(jīng)濟效益更高，生物量易于控制，不會污染和影響水體美觀。

3 富營養(yǎng)化水體凈化機理的研究

3.1 吸收作用

水生蔬菜與其他作物一樣，其生長發(fā)育過程也需要吸收大量的N、P等營養(yǎng)元素。王旭明[4]試驗表明，水蕹菜對污水中的N、P的去除率可分別達到87.36%，76.4%，效果明顯。水生蔬菜被采收或清除時，植株吸收的營養(yǎng)物質(zhì)會一同從水體中輸出，從而實現(xiàn)凈化水體。

表1 凈化富營養(yǎng)化水體的水生植物研究頻率統(tǒng)計[3]

3.2 降解作用

水體中水生蔬菜在生長的同時，也為微生物與微型生物提供了棲息場所。這些生物還能加速截留有機膠體和懸浮物分解礦化。比如，芽孢桿菌可以將有機磷和不溶磷均降解為無機的可被水生蔬菜吸收利用的可溶性磷酸鹽。水生蔬菜根系分泌物質(zhì)能促進氮細菌、嗜磷菌的生長，進而間接達到提高凈化效率的作用。Reilly等[5]認為，在N的去除中細菌的降解作用占主要地位。

3.3 吸附、過濾、沉淀作用

豆瓣菜、蕹菜等水生蔬菜在進行浮水栽培時，能很快形成發(fā)達的根系，根系與水體接觸面積大，就能形成一道過濾層。當水流過時，不溶性膠體會被根系粘附或吸附然后沉降，其中有機碎屑也能沉降。有學(xué)者研究認為，內(nèi)源污染的主要原因就是水體中的有機碎屑[6]。同時，根系上附著的細菌在進入內(nèi)源生長階段后發(fā)生凝集，其中部分為根系所吸附，還有部分凝集的菌膠團便將懸浮性有機物及新陳代謝產(chǎn)物沉降。

3.4 對藻類的抑制作用

在水環(huán)境中，水生蔬菜和浮游藻類在吸收利用營養(yǎng)物質(zhì)和光能等方面有很強的競爭關(guān)系，前者個體大、生命周期長、吸收儲存營養(yǎng)鹽能力強，所以能間接抑制浮游藻類的生長[7]。

同時有些水生植物的根系還能分泌克藻物質(zhì)，也可以達到抑制藻類生長的效果。研究試驗表明，連續(xù)向銅綠微囊藻的生長水中滴加荷花和睡蓮的種植水，對銅綠微囊藻生長有明顯抑制作用，甚至使其細胞失去正常的光合作用的能力[8]。另外，在水生蔬菜的根際棲生的水蝸牛等動物能以藻類為食，減少水中藻類的數(shù)量。

3.5 其他作用

水體內(nèi)種植水生蔬菜后，可減小風(fēng)浪擾動，利于懸浮物質(zhì)沉降。在部分淺水湖泊，通過對水生蔬菜的收割或水生蔬菜植株殘體的沉積，部分生物營養(yǎng)元素深埋入沉積物中，使其脫離湖泊內(nèi)的營養(yǎng)循環(huán)，進入地球化學(xué)循環(huán)[9]。可以說水生蔬菜的存在，非常有利于形成一個健康良好的水生生態(tài)系統(tǒng)，并且能夠在較長的一段時間內(nèi)保持水質(zhì)的穩(wěn)定。

4 水生蔬菜對重金屬的富集作用

重金屬可以通過水體進入蔬菜，并通過食物鏈危害人類健康，尤其是鉛（Pb）、鎘（Cd）是動植物生長發(fā)育的非必需元素，在非常低的濃度下就會產(chǎn)生毒害作用[10]。水生植物對重金屬的吸收和富集有3種模式：①吸附在根的外圍；②轉(zhuǎn)運進根系中；③通過根系繼續(xù)向上部運輸。重金屬在水生植物體通過根系向上運輸和富集就會影響植株的光合作用、呼吸代謝、滲透調(diào)節(jié)以及活性氧的平衡[11]。

植物的不同器官對重金屬的富集量有較大差異，根中重金屬富集量比葉高。吳玉樹等[10]研究發(fā)現(xiàn)，菱角各器官鉛富集量表現(xiàn)為沉水葉≥漂浮葉＞莖＞果實，說明重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運能力十分有限。據(jù)文獻報道，鉛進入植物根部后，以微小的結(jié)晶體沉積于細胞壁上；還有報道稱，一些重金屬元素可與細胞中過剩的非蛋白質(zhì)巰基結(jié)合，形成不溶性的絡(luò)合物，大部分被束縛在根中，很少向其她器官轉(zhuǎn)移[12]，這為在受一定程度重金屬污染區(qū)域種植水生經(jīng)濟作物減輕水體重金屬污染的同時確保其采收部位重金屬含量符合安全標準提供了理論依據(jù)。由文輝等[13]在Cu、Cd、Pb和Zn重金屬污染水域種植水芹菜、水蕹菜的研究結(jié)果表明，重金屬主要集中于植株根部，超出食用標準，而莖、葉中含量相對較低，符合安全使用標準。黃凱豐等[14]的研究也發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫濃度高達50 mg/L時，蔣野茭茭白肉質(zhì)莖Cd的殘留量仍未超標，表明在適度重金屬污染區(qū)域種植某些耐性較強的水生蔬菜是可行的。但是茭白作為多年生植物，隨著生育期的延長，其產(chǎn)品器官中的Cd殘留量呈明顯上升趨勢[15]。關(guān)于重金屬殘留量與種植年限的關(guān)系還需進一步研究。

表2 幾種水生蔬菜在長江以南地區(qū)對污水的凈化期[2]

5 提高水生蔬菜凈化水質(zhì)效率的創(chuàng)新途徑

目前對有關(guān)超富集植物已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，科研人員試圖開發(fā)“超富集植物傾向”的傳統(tǒng)植物。通過育種或轉(zhuǎn)基因技術(shù)把超富集性狀轉(zhuǎn)移到生長速度快、適應(yīng)環(huán)境強的植物。從遏藍菜屬的Zn、Cd超富集植物淺蘭遏藍菜（Thlaspi caerulescens） 克隆到 Zn （Cd） 轉(zhuǎn)移蛋白ZNT1、ZNT2、ZNT4、ZNT5、ZTP1、ZNT1LC基因，F(xiàn)e 轉(zhuǎn)移蛋白IRT1G基因[16]，F(xiàn)e轉(zhuǎn)移蛋白IRT1G基因。但是目前將育種或轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用于植物修復(fù)的研究剛剛起步，成果還遠遠未能達到應(yīng)用水平。

6 存在的問題

6.1 水生蔬菜凈化周期

在冬季，大多數(shù)水生蔬菜枯萎死亡或生長緩慢，可利用周期性明顯（表2），難以做到周年運轉(zhuǎn)。植株殘體如果不及時清除，易引起二次污染，難以取得理想的凈化效果。

6.2 水生生態(tài)系統(tǒng)的重建與恢復(fù)

實踐表明，對湖泊富營養(yǎng)化的治理，應(yīng)該在截污、清淤和引水沖污等方面利用工程性措施來控制外源污染的基礎(chǔ)上[17]，全面以高等水生植物為主修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，并維持水體自身的良性循環(huán)。

生態(tài)系統(tǒng)中在水生植被恢復(fù)方面，挺水、浮水植物的恢復(fù)相對難度較小，沉水植物因水體過深或水底缺少種植土壤，重建和恢復(fù)難度很大[18]。沉水植物能給水生動物提供更多的生活棲息和隱蔽場所，增加水中的溶氧量，擴大水生動物的有效生存空間。沉水植物在水生生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)尤其是能見度和景觀營造方面的作用日益受到重視。20世紀50年代云南滇池草海清澈見底，沉水植物覆蓋度為80%，全湖有豐富的漁產(chǎn)品，水質(zhì)達到地面水Ⅱ類。如今，沉水植物幾乎已全部消亡，魚蝦基本絕跡，水質(zhì)為異常富營養(yǎng)化的超Ⅴ類水質(zhì)（GB 3838-2002）[19]。國內(nèi)外多位學(xué)者[20，21]的研究結(jié)果表明，沉水植被恢復(fù)后，草海水質(zhì)明顯改善，透明度大大提高，魚類蝦類等水產(chǎn)動物也重新出現(xiàn)。

因此，要想重建和恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)，僅僅依靠為數(shù)不多水生蔬菜植物是遠遠不夠的。而加快沉水植物的重建和恢復(fù)是湖泊治理和生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵，沉水、挺水和浮水植物從立體層次上合理配置后，再通過一系列的正反饋機制，才能真正達到抑制藻類、改善水質(zhì)的目的。

6.3 產(chǎn)品質(zhì)量安全問題

利用水生蔬菜植物進行水體治理，目的之一就是在對水體進行改良的同時，能夠收獲水生蔬菜產(chǎn)品，發(fā)揮水生蔬菜的最大效益。但是，如何防止水體污染物對水生蔬菜產(chǎn)品的影響，值得研究，尤其是受污染水體中有害物質(zhì)濃度（主要是重金屬和農(nóng)藥殘留等）對水生蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量安全的影響程度。如何在保證水生植物凈化水體的同時，保障水生蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量安全和產(chǎn)量等，今后應(yīng)該重點研究。

總的來說，相比其他物理化學(xué)及工程方法，利用水生蔬菜來治理富營養(yǎng)化水體，除了成本低、能耗小、治理效果好、對環(huán)境的干擾小等優(yōu)點外，最大的優(yōu)勢在于作物本身的經(jīng)濟價值較高，因此利用水生蔬菜凈化水質(zhì)前景廣闊。

[1]丁樹榮.高產(chǎn)水生維管束植物在城鎮(zhèn)污水資源中的作用及其發(fā)展前景[J].中國環(huán)境科學(xué)，1984，4（2）：10-15.

[2]戴全裕，陳源高，魏云.水培經(jīng)濟植物對釀酒廢水的凈化與資源化生態(tài)工程研究[J].科學(xué)通報，1996，41（6）：547-551.

[3]朱斌，陳飛星，陳增奇.利用水生植物凈化富營養(yǎng)化水體的研究進展[J].上海環(huán)境科學(xué)，2002，21（9）：564-576.

[4]王旭明.水蕹菜在污水凈化系統(tǒng)中的作用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，1997，14（1）：33-48.

[5]Reilly J F,Horne A J,Miller C D,et al.Nitrate removal from a drinking water supply with large free-surface constructed wetlands prior to groundwater recharge[J].Ecological Engineering,1999，14（1）：33-47.

[6]吳潔，虞左明.西湖浮游植物的演替及富營養(yǎng)化治理措施的生態(tài)效應(yīng)[J].中國環(huán)境科學(xué)，2001（6）：540-544.

[7]Scheffer M.The effect of aquatic vegetation on turbidity;how important are the filter feeders?[J].Hydrobiologia,1999(409):307-316.

[8]李磊，侯文華.荷花和睡蓮種植水對銅綠微囊藻生長的抑制作用研究[J].環(huán)境科學(xué)，2007（10）：2 180-2 186.

[9]李文朝.東太湖沉積物中氮的積累與水生植物沉積[J].中國環(huán)境科學(xué)，1997（5）：418-421.

[10]吳玉樹，王煥校，鮑亦佳.水生維管束植物對水體鉛污染的反應(yīng)、抗性和凈化作用[J].生態(tài)學(xué)報，1983，3（3）：185-195.

[11]熊春暉，許曉光，盧永恩.鉛鎘復(fù)合脅迫下蓮藕對鉛鎘的富集及其生理變化[J].園藝學(xué)報，2012，3（12）：2 385-2 394.

[12]Bonte J，de Cormis L空氣中的鉛污染對植物的危害[J].植物學(xué)參考資料，1980（6）：2-15.

[13]由文輝，劉淑媛，錢曉燕.水生經(jīng)濟植物凈化受污染水體研究[J].華東師范大學(xué)學(xué)報，2000（1）：99-102.

[14]黃凱豐，楊凱，江解增，等.鎘脅迫對茭白生長及產(chǎn)品殘留量的影響[J].中國蔬菜，2008（2）：12-14.

[15]江解增，黃凱豐，楊凱，等.茭白對葦末基質(zhì)中鎘的生理反應(yīng)及其鎘的殘留[J].園藝學(xué)報，2007，34（2）：407-410.

[16]Pence N S,Larsen P B,Ebbs S D,et al.The molecular physiology ofheavy metaltransportin the Zn/Cd hyperaccumulatorThlaspi/caerulescens[J].Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America,2000,97(9):4 956-4 960.

[17]王國祥，濮培民.若干人工湖調(diào)控措施對富營養(yǎng)化湖泊藻類種群的影響[J].環(huán)境科學(xué)，1999，20（2）：71-74.

[18]邱東茹，吳振斌，劉保元，等.武漢東湖水生植被的恢復(fù)試驗研究[J].湖泊科學(xué)，1997（2）：168-174.

[19]余國營，劉永定，丘昌強，等.滇池水生植被演替及其與水環(huán)境變化關(guān)系[J].湖泊科學(xué)，2000（1）：73-80.

[20]Annadotter H,Cronberg G,Aagren R,et al.Multiple techniques for lake restoration[J].Hydrobiologia,1999(136):77-85.

[21]宋碧玉，王建，曹明，等.利用人工圍隔研究沉水植被恢復(fù)的生態(tài)效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)雜志，1999（5）：21-24.