水生植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的機(jī)制

蔣 春，蔣薇薇，周 鵬，張 敏(.江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院，江蘇南京5;.句容市赤山湖管委會，江蘇鎮(zhèn)江400;.南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京007)

根據(jù)2012年《中國環(huán)境狀況公報(bào)》，我國60個(gè)國控重點(diǎn)湖泊中，輕度富營養(yǎng)和中度富營養(yǎng)的湖泊所占比例分別已達(dá)18.3%和6.7%［1］。這說明我國湖泊水體污染已日益嚴(yán)重，控制和治理水體污染已經(jīng)成為人們必須研究的課題。在以往的研究中，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)水生植物在富營養(yǎng)化水體修復(fù)中具有重要作用，并對此進(jìn)行了某些方面的研究，但缺少對水生植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的機(jī)制的綜合梳理。筆者主要就水生植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體機(jī)制方面的研究進(jìn)行較全面的綜合分析。

1 對營養(yǎng)物的消減

在富營養(yǎng)化水體中種植水生植物，能夠有效吸收水體中的氮、磷元素，實(shí)現(xiàn)對水體的原位修復(fù);同時(shí)，水生植物還能與微生物協(xié)同作用對污水中營養(yǎng)物進(jìn)行協(xié)同降解，從而實(shí)現(xiàn)污染物的消減。

1.1 吸收富集營養(yǎng)物 水生植物生長過程需要吸收大量氮、磷作為營養(yǎng)物質(zhì)合成自身物質(zhì)。根據(jù)植物這種生理生化特性，隨著植物生物量的增加，水體中的營養(yǎng)鹽被作為植物生長所需的養(yǎng)分加以利用，最后通過植物的人工收割而從富營養(yǎng)化水體中除去，從而降低水體中的氮、磷含量，減輕水體富營養(yǎng)化程度。羅固源等研究浮床栽培植物吸收氮磷能力時(shí)發(fā)現(xiàn)，植物吸收氮磷分別占浮床系統(tǒng)氮磷去除的比例分別為23.7% ～38.7%和55.6% ～79.6%［2］，說明植物吸收是浮床系統(tǒng)去除氮、磷的重要途徑之一。周真明等發(fā)現(xiàn)，植物吸收作用是NH4+-N和溶解性磷去除的主要途徑［3］。

1.2 與微生物協(xié)同降解營養(yǎng)物 協(xié)同作用是指微生物和大型水生植物對污水中有機(jī)營養(yǎng)物的協(xié)同降解作用。水生植物根際微生物的活動(dòng)可促進(jìn)元素轉(zhuǎn)化，促進(jìn)水生植物的生長;水生植物的根系可分泌氧和某些有機(jī)物，促進(jìn)微生物的新陳代謝，從而大大提高根際微生物的數(shù)量和活性;同時(shí)，水生植物群落的存在為微生物和微型生物提供了附著基質(zhì)和棲息的場所，這些微生物的氧化分解作用對修復(fù)富營養(yǎng)化水體起著重要作用［4］。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，水體污染物大多是通過微生物的轉(zhuǎn)化去除的，水生系統(tǒng)中基質(zhì)、濕地植物、微生物之間的互作是污染物去除的主要機(jī)制，而非植物的吸收作用［5］。但植物的作用也是不可缺少的，植物為微生物提供新陳代謝的碳源，并通過根系為微生物提供附著空間和一定的氧氣條件，從而促進(jìn)細(xì)菌的硝化和反硝化以及微生物在好氧、兼氧及厭氧狀態(tài)下的各種代謝活動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)水體污染物的清除，植物的生理代謝活動(dòng)直接關(guān)系到污染物的降解［4］。

2 對藻類生長的抑制

在水體生態(tài)環(huán)境中，高等水生植物與浮游藻類同屬于初級生產(chǎn)者，二者競爭營養(yǎng)、光照和生長空間等生態(tài)資源，另外，水生植物能釋放化感物質(zhì)，抑制浮游藻類生長，從而達(dá)到凈化水體的效果。高等植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的機(jī)制就是利用這種“競爭”關(guān)系，使藻型水體向草型水體轉(zhuǎn)化，豐富水生生物多樣性，恢復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)。

2.1 化感作用抑藻 化感作用(Allelopathy)是指植物、藻類、細(xì)菌和真菌在內(nèi)的生物產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物對生物和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。植物化感作用是通過向環(huán)境釋放化學(xué)物質(zhì)而實(shí)現(xiàn)的，這些起作用的化學(xué)物質(zhì)稱為化感物質(zhì)［6］。國內(nèi)外關(guān)于水生植物化感作用的研究非常廣泛，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾十種水生植物具有化感抑藻作用，如蘆葦(Phragmites communis)、蘆竹(Arundo donax)、苦草(Vallisneria natans)、金魚藻(Ceratophyllum demersum)、鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)、穗狀狐尾藻(Myriophyllum spicatum)等水生植物［7－10］，均具有較強(qiáng)的抑藻作用，這是其在水體生態(tài)系統(tǒng)中競爭資源取得優(yōu)勢的有效策略。研究發(fā)現(xiàn)，不同植物具有抑藻活性的部位不同;化感物質(zhì)對藻類的抑制作用具有明顯的選擇性，只有對特定的藻類具有顯著的抑制作用［11］;Pakdel等發(fā)現(xiàn)水生植物對藻類的抑制效應(yīng)受很多因素的影響［12］。

研究表明，大多數(shù)化感物質(zhì)具有廣譜性作用機(jī)制，能夠影響生物的許多生理生化過程。水生植物產(chǎn)生的化感物質(zhì)分泌釋放到環(huán)境中并作用于藻類生物，主要是通過打破細(xì)胞活性氧代謝系統(tǒng)平衡、破壞細(xì)胞膜、抑制藻細(xì)胞的光合系統(tǒng)、影響細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)及基因表達(dá)等幾個(gè)方面來抑制藻細(xì)胞的分裂或直接殺死藻細(xì)胞，從而減少藻細(xì)胞數(shù)量，抑制藻類的生長［13－14］。

2.2 營養(yǎng)、光競爭抑藻 從生態(tài)位來看，水生植物和浮游藻類在營養(yǎng)物質(zhì)的利用上是競爭關(guān)系。水生植物吸收水體和沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)，使得水體中營養(yǎng)物質(zhì)含量減少，間接影響浮游藻類的生長，因而能夠有效緩解湖泊富營養(yǎng)化過程［15］。汪麗等在研究不同類型水生植物群落對藍(lán)綠藻類的抑制作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)在荇菜群落中，水下20 cm光衰減率與水體chl-a顯著相關(guān)，說明浮葉植物對水面的遮光作用是其抑藻的重要原因［16］。研究發(fā)現(xiàn)，在自然水域中，水生植物抑制藻類的機(jī)制為對礦質(zhì)營養(yǎng)的競爭、遮光作用、植物化感作用三者的綜合作用，但各自的抑藻貢獻(xiàn)因具體的時(shí)空條件不同而有差異［17］。

3 促淤防蝕凈化水體

當(dāng)湖泊具有一定覆蓋度的水生植物時(shí)，可以改變湖水與底泥之間的物質(zhì)平衡交換，促使懸浮或溶解在湖水中的污染物質(zhì)向底泥轉(zhuǎn)移，同時(shí)，植物根系能夠固持底泥，減少底泥中污染物的再懸浮和溶解釋放，澄清凈化水質(zhì)［18］;有研究發(fā)現(xiàn)，鳳眼蓮等浮水植物通過根系與水體形成的過濾層，能夠?qū)⑺w中不溶性膠體粘附或吸附而沉降下來，對其中的有機(jī)碎屑的沉降效果尤其顯著［19］。管衛(wèi)兵等發(fā)現(xiàn)隨著圍隔內(nèi)沉水植被群落的構(gòu)建，圍隔內(nèi)水體中總氮、總磷和高錳酸鹽含量比圍隔外分別下降66.0%、50.0%和70.8%，溶解氧增加了 85.9%，水體透明度平均為 1.68 m［20］。

4 常見修復(fù)富營養(yǎng)化水體的水生植物

在總結(jié)水生植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的機(jī)制過程中，筆者同時(shí)總結(jié)出常見不同類型修復(fù)富營養(yǎng)化水體的水生植物［21－25］:挺水植物，如茭白、蘆葦、香蒲、水蔥、燈心草、水花生、菖蒲、石菖蒲、黃菖蒲、慈姑、荷花、旱傘草(傘草)、美人蕉、蘆竹、花葉蘆竹、再力花、水燭、姜花(蝴蝶花)、梭魚草、莎草、黑三棱等。其吸收水體中的污染物主要是根，能從底泥中吸收營養(yǎng)元素，降低底泥中營養(yǎng)物含量，并且可通過水流阻尼作用，使懸浮物沉降，還有與其共生的生物群落共同凈化水質(zhì)的作用［26］。浮葉及漂浮植物，如鳳眼蓮(水葫蘆)、野菱、菱角、水鱉、浮萍、荇菜、睡蓮等。其吸收污染物主要部分是根和莖，葉處于次要位置［26］。沉水植物，如狐尾藻、穗狀狐尾藻、菹草、金魚藻、苦草、伊樂藻、輪葉黑藻、蓖齒眼子菜等。其根莖葉對水體污染物都能發(fā)揮較好的吸收降解作用［26］。

5 問題與展望

水生植物應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)具有經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保等特性，無疑為我國日益惡化的水環(huán)境提供了良好的解決途徑。目前，水生植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的研究已經(jīng)取得一定成果，但在修復(fù)機(jī)制方面還很不深入，仍然存在很多問題有待解決。

水生植物與微生物協(xié)同降解作用在水體污染物去除過程中起著關(guān)鍵作用，但目前對其脫氮除磷機(jī)制的認(rèn)識還很膚淺，這方面的研究應(yīng)成為今后深入研究的重點(diǎn)。應(yīng)在微生物學(xué)方面深入研究脫氮除磷過程的本質(zhì)，以及整個(gè)生物修復(fù)系統(tǒng)不同修復(fù)階段所需微生物的種類和數(shù)量，這對于污染物的生物降解具有重要的意義。植物化感抑藻作用的影響因素及其機(jī)制還需要深入研究。各國研究者已經(jīng)從不同的植物中提取出幾種具有良好抑藻效果的化感物質(zhì)，但化感物質(zhì)抑制藻類的機(jī)制研究仍很缺乏［27］，尤其是化感物質(zhì)選擇性抑藻機(jī)制方面鮮見報(bào)道，這大大限制了化感抑藻劑的應(yīng)用。

從植物生理學(xué)角度研究和揭示水生植物對不同營養(yǎng)鹽、有機(jī)物等成分的吸收、運(yùn)輸及分解機(jī)制，篩選高效凈化水質(zhì)的植物品種，對實(shí)現(xiàn)水體的生態(tài)凈化具有積極意義。加強(qiáng)植物在不同水生生境下的相關(guān)抗性生理研究，提高水生植物對高度富營養(yǎng)化惡劣水體的適應(yīng)性，從而將水生植物修復(fù)技術(shù)運(yùn)用在更廣泛的污染水體中。這些問題將成為今后富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)的重要研究方向，特別是水體生態(tài)系統(tǒng)中水生植物與微生物協(xié)同降解機(jī)制及植物化感抑藻機(jī)制的深入研究。只有弄清植物修復(fù)機(jī)制，才能更好地指導(dǎo)水生植物修復(fù)污染水體的實(shí)踐應(yīng)用。

［1］鄭丙輝.“十二五”太湖富營養(yǎng)化控制與治理研究思路及重點(diǎn)［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2014(7):683－687.

［2］羅固源，鄭劍鋒，許曉毅，等.4種浮床栽培植物生長特性及吸收氮磷能力的比較［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009(2):285－290.

［3］周真明，葉青，沈春花，等.3種浮床植物系統(tǒng)對富營養(yǎng)化水體凈化效果研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010(1):91－95.

［4］韓永和，李敏.植物－微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)治理水體富營養(yǎng)化［J］.水處理技術(shù)，2012(3):1－6.

［5］李林鋒，年躍剛，蔣高明.植物吸收在人工濕地脫氮除磷中的貢獻(xiàn)［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2009(3):337－342.

［6］PAERL H W，OTTEN T G.Harmful Cyanobacterial Blooms:Causes，Consequences，and Controls［J］.Microbial Ecology，2013，65(4):995 －1010.

［7］LI F M，HU H Y.Isolation and characterization of a novel antialgal allelochemical from Phragmites communis［J］.Applied and Environmental Microbiology，2005，71(11):6545 －6553.

［8］HONG Y，HU H，XIE X，et al.Gramine-induced growth inhibition，oxidative damage and antioxidant responses in freshwater cyanobacterium Microcystis aeruginosa［J］.Aquatic Toxicology，2009，91(3):262 －269.

［9］NAKAI S，YAMADA S，HOSOMI M.Anti-cyanobacterial fatty acids released from Myriophyllum spicatum［J］.Hydrobiologia，2005，543:71 －78.

［10］胡廷尖，王雨辰，陳豐剛，等.鳳眼蓮對銅綠微囊藻的化感抑制作用研究［J］.水生態(tài)學(xué)雜志，2010(6):47－51.

［11］MEN Y J，HU H Y，LI F M.Effects of the novel allelochemical ethyl 2 －methylacetoacetate from the reed(Phragmitis australis Trin)on the growth of several common species of green algae［J］.Journal of Applied Phycology，2007，19(5):521 －527.

［12］PAKDEL F M，SIM L，BEARDALL J，et al.Allelopathic inhibition of microalgae by the freshwater stonewort，Chara australis，and a submerged angiosperm，Potamogeton crispus［J］.Aquatic Botany，2013，110:24 －30.

［13］ZAK A，MUSIEWICZ K，KOSAKOWSKA A.Allelopathic activity of the Baltic cyanobacteria against microalgae［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，2012，112(SI):4 －10.

［14］SHAO J，WU Z，YU G，et al.Allelopathic mechanism of pyrogallol to Microcystis aeruginosa PCC7806(Cyanobacteria):From views of gene expression and antioxidant system［J］.Chemosphere，2009，75(7):924 －928.

［15］劉海琴，高運(yùn)強(qiáng)，宋偉，等.水花生去除富營養(yǎng)化水體中氮磷及抑藻效果的實(shí)驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008(12):89－92.

［16］汪麗，王國祥，唐曉燕，等.不同類型水生植物群落對藍(lán)綠藻類的抑制作用［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2009(12):2567－2573.

［17］孫文浩，俞子文，余叔文.城市富營養(yǎng)化水域的生物治理和鳳眼蓮抑制藻類生長的機(jī)制［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1989(2):188－1955.

［18］秦伯強(qiáng)，胡維平，劉正文，等.太湖水源地水質(zhì)凈化的生態(tài)工程試驗(yàn)研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007(1):5－12.

［19］齊玉梅，高偉生.鳳眼蓮凈化水質(zhì)及其后處理工藝探討［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1999，7(2):136 －140.

［20］管衛(wèi)兵，陸鋒，許維岸，等.大型枝角類引導(dǎo)的沉水植物生態(tài)修復(fù)對太湖圍隔水質(zhì)的凈化效果［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué):上半月，2012(3):56－60.

［21］李莎莎，田昆，劉云根，等.不同空間配置的濕地植物群落對生活污水的凈化作用研究［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19(8):1951 －1955.

［22］黃雪方，李冬林，金雅琴，等.5種挺水植物對污水浸淹的生理反應(yīng)及凈水效果［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，36(5):66 －70.

［23］袁東海，任全進(jìn)，高士祥，等.幾種濕地植物凈化生活污水COD、總氮效果比較［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15(12):2337 －2341.

［24］候亞明.水生植物在污水凈化中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38(2):184 －188.

［25］陳有民.園林樹木花卉學(xué)［M］.北京:中國林業(yè)出版社，1990:65.

［26］夏曉方，鐘成華，劉潔，等.水生植物修復(fù)污染水體的研究進(jìn)展［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，28(4):398－400.

［27］YANG C，LIU S，ZHOU S，et al.Allelochemical ethyl 2-methyl acetoacetate(EMA)induces oxidative damage and antioxidant responses in Phaeodactylum tricornutum［J］.Pesticide Biochemistry and Physiology，2011，100(1):93－103.