水生植物對污染水體中氮磷含量凈化效果的研究進展

摘要氮、磷是引起水體富營養化、導致水質惡化的重要因素，因此去除氮、磷一直是污水處理的重要任務。人們越來越多地將目光轉向利用水生植物去除氮、磷營養物質、凈化水質上。綜述了近年來國內外應用水生植物修復氮、磷污染水體的方法、效果及其影響因素，探討了水生植物凈化污染水體的機制。最后，對今后水生植物研究進行了展望。

關鍵詞水生植物；氮；磷；凈化效果；研究進展

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）24-08317-02

Research Advances on Phytoremediation of Nitrogen and Phosphorus Polluted Water by Aquatic Macrophytes

ZHANG Youyuan， CHEN Zhensheng （Guiyang Academy of Landscape Gardening， Guiyang， Guizhou 550008）

Abstract Nitrogen and phosphorus are important factors causing eutrophication of water system and leading to deterioration of water quality， so the removal of nitrogen and phosphorus has always been an important task in wastewater treatment.Now people gradually pay more attention to the phytoremediation technique， which primary use the plants， animals and microbes for nutrient removal and water purification.The latest research achievement both at home and abroad on the polluted water purification by phytoremediation is summarized including the treatment performance and influence factors； the restoration mechanism of phytoremediation is also discussed.Finally， the future research of aquatic macrophytes was forecasted.

Key words Aquatic macrophytes； Nitrogen； Phosphorus；Purification effect；Research advances

隨著大量污染物排入水體，水體富營養化現象變得越來越嚴重。傳統的物理和化學方法[1-4]對于治理富營養化存在一定的局限性，并且可能造成二次污染，越來越多的學者開始研究生物方法[5-7]。在污染水體修復的各種方法中，利用水生植物進行修復是一種投資低、耗能低、無二次污染的新技術。水生植物修復受污染水體，是利用水生植物生長過程對氮、磷等營養物質的吸收而減少水體中這類污染物質，與此同時還可以分解、凈化水體中的其他有毒有害物質，如重金屬等。因此，植物修復更符合當今綠色、環保的要求，在國內外學術界已經引起高度重視。20世紀80年代以來，植物修復技術已經成為環境污染治理方面研究的熱點問題，并且開始進入產業化初始階段。

1水生植物的種類

陳友民等對水生植物是這樣定義的：生長在水中的植物[8]；也有一些專家對水生植物是這么定義的：指生理上依附于水環境或至少部分生殖周期發生在水中或水表面的植物類群[9]。我國通常把水生植物分為以下的4種類型[8-11]：①挺水植物。該類植物根扎于泥土中，莖和葉挺出水面，花開時離開水面，花色艷麗，如蘆葦（Phragmites australis）、菖蒲（Acorus calamus） 等；②浮葉植物。也稱浮水植物，該類植物根生長在泥土中，葉片漂浮于水面上或略高出水面，花開放時近水面，如芡（Euryale ferox） 、菱（Trapa bispinosa） 等；③漂浮植物。該類植物根飄于水中，葉完全漂浮在水面之上，可隨水飄移，如滿江紅（Azolla imbricata）、槐葉萍（Salvinia natans）等；④沉水植物。該類植物根扎于泥土中，莖葉整個沉入水中，通氣組織特別發達，以觀葉為主，如苦草（Vallisineria spiralis）、金魚藻（Ceratophyllum demersum）等。

2污染水體的植物修復機理

污染水體的植物修復技術應用植物對污染物的吸附、吸收、富集和降解（植物根系與根際微生物的聯合作用） 等作用，將污染物去除或固定，從而達到水體修復的目的。一般來說，幾乎所有的水生植物都能凈化污染水體，其功能主要表現為以下幾個方面。

2.1吸收作用水生植物根系發達，有利于吸收水體中的營養物質。鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）在生長過程中需要吸收大量的氮磷營養物，對凈化富營養化水體具有明顯的效果。劉建武等研究了鳳眼蓮凈化含萘廢水的機理，發現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[12]。有根的植物通過根部攝取營養物質，而浮水植物浸沒在水中的莖葉也能夠從水中攝取營養物質，許多根系不發達的沉水植物（如金魚藻屬）也能直接從水中吸收營養物質。沉水植物狐尾藻等還具有直接吸收降解三硝基甲苯（TNT）的能力[13]。水生植物的產量很高，大量營養物被固定在其生物體內，收割后營養物就能從水體系統中被去除。

2.2富集作用植物吸收污染物后，便富集、固定在體內或土壤中，從而降低了水體污染物的含量。研究表明，在重金屬誘導下，鳳眼蓮體內能產生有重金屬絡合作用的金屬硫肽[14]，因此對重金屬有很強的富集作用。

2.3沉降、吸附和過濾作用水生植物生長旺盛，根系發達，與水體接觸面積大，可形成密集的過濾層。香蒲（Typha orientalis）能形成縱橫交錯的地下莖網，水流緩慢時重金屬和懸浮顆粒被阻隔沉降，同時又在其表面進行離子交換、鰲合、吸附、沉淀等，不溶性膠體被根系吸附，凝集的菌膠團能把懸浮有機物和新陳代謝產物沉降下來[15]。

2.4生化作用大量研究表明，生化作用在植物凈化污水過程中同樣起到了很大的作用[16-18]。光合作用產生的O2和大氣中的O2直接輸送到植株各處，并向水中擴散，一方面根系通過釋放O2，氧化分解根系周圍的沉降物； 另一方面使水體底部和基質土壤形成許多厭氧和好氧小區，為微生物活動創造條件，形成“根際區”。這樣，植物代謝產物、殘體及溶解的有機碳就給濕地中的菌落提供了食物源。同時，大量微生物在基質表面形成灰色生物膜，增加了微生物的數量和分解代謝的面積，使植物根部的污染物（富集或沉降下來的） 被微生物分解利用或經生物代謝降解去除。在富營養化水體中，也可依靠水生植物根莖上的反硝化菌、氮化菌等加速氨氮向亞硝態氮和硝態氮的轉化，便于水生植物的吸收與利用，減小底泥營養鹽向水體的釋放量。

3水生植物對氮磷的凈化

3.1水生植物對氮磷凈化效果的研究現狀不同學者對水生植物氮磷的凈化效果都做了較為詳細的研究。付曉云等以千屈菜（Lythrum salicaria）、澤瀉（Alisma plantagoaquatica）、菖蒲、雨久花（Monochorria korsakowii）、慈姑（Sagittaria sagittifolia）5種水生植物為試驗材料，利用人工模擬方法，研究污染水體對這5種植物生長、生理的影響。結果表明，在污染水體中，菖蒲、雨久花生長最好，千屈菜較好，而澤瀉與慈姑稍差。試驗結束時，菖蒲、千屈菜、雨久花及澤瀉對水體中總氮、總磷去除效果顯著，總氮的去除率均在90%以上，總磷的去除率分別為96.13%、83.61%、75.84%和77.70%[19]。舒柳分別以鳳眼蓮、黃花水龍（Ludwigia peploides）、空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）、水鱉（Hydrocharis dubia）和浮萍（Lemna minor）5 種水生植物對總氮超過40 mg/L的生活污水進行了3個月的生態修復處理。結果表明，水生植物對總氮具有較好的去除效果，平均水平達到60%以上，5種水生植物的除氮率最高的為鳳眼蓮（86%），空心蓮子草最低（58%）。不同水生植物對其他形態氮的去除率也具有各自的特點，鳳眼蓮對氨氮的去除率最高（88%），黃花水龍最低（14%）；浮萍和鳳眼蓮對硝態氮的去除率相當，高達85%以上，空心蓮子草對硝態氮吸收較低（23%）[20]。何娜等采用人工配置污水的研究方法，對大薸（Pistia stratiotes）、鳳眼蓮、慈菇、菖蒲、香蒲和水蔥（Scirpus validus）這6種水生植物去除氮磷的效果進行了試驗研究。結果表明，所選植物都能較好地吸收水中的營養物質，對氨氮和硝態氮的去除率分別為93.71%～97.32%和76.69%～92.47%，對總磷的去除率為76.69%～92.47%，其中菖蒲對氨氮的去除效果最好，慈菇對硝態氮的去除率最高，香蒲對總磷的去除率最高。6種水生植物的氮、磷吸收貢獻率分別占水質氮、磷去除率的11.71%～54.57%和17.61%～64.56%。不同種類水生植物對不同污染物的去除能力存在較大差異，并提出可針對不同污染物來選擇水生植物，進行搭配組合修復污染水體的想法[21]。耿兵等選擇大薸（Pistia stratiotes）、浮葉眼子菜（Potamogeton natans）、萍蓬草（Nuphar pumilum）、香菇草（Hydrocotyle vulgaris）、花葉蘆竹（Arundo donax var.versicolor）、蘆竹（Arundo donax）和常綠鳶尾共7種浮水植物與挺水植物進行研究。結果表明，水生植物對氨氮和硝態氮的去除率分別為2118%～27.25%和32.65%～45.92%。水生植物對磷的去除率為10.57%～25.81%，其中香菇草和浮葉眼子菜尤為突出，去除率分別為25.81%和25.31%[22]。

3.2不同類型水生植物對氮磷凈化效果的比較耿兵等的研究表明，浮水植物對污染物的去除能力明顯強于挺水植物，為挺水植物的3.15～5.64倍[22]。其他一些學者分別對浮葉植物[23-25]、挺水植物[24，26]、沉水植物[27-29]對氮磷的凈化效果做了詳細研究，通過比較發現沉水植物對總氮的去除效果較差，挺水植物對總磷的去除效果一般。對比幾種水生植物，結果發現，部分挺水植物（如水芹菜）和部分沉水植物（如伊樂藻）對環境的適應性較強。因此，今后在水生植物種植的時候可以考慮進行多類型、多層次結構的種植方式，形成立體凈化，用來修復水體的富營養化問題，彌補水生植物修復污染水體在周年循環中的缺陷。浮葉植物中的水芹菜在凈化氮磷方面效果非常好。

4結語

綜上所述，水生植物在凈化污染水體中的營養物質方面具有良好的效果，且能適應不同程度富營養化水體的動態變化；水生植物在凈化水體的過程中具有成本低、對環境擾動小、少二次污染等特性，有利于水體環境的修復，且收割后的植物可以再次利用。但也應注意到水生植物對水體的修復也具有一定的局限性，還應在以下方面進行研究：①水生植物的選擇。水生植物種類繁多，但被利用和產生效果的僅幾十種，更多抗污染能力強的水生植物有待進一步的研究和開發；②水體污染具有特異性，不同水體之間的修復方式及利用的水生植物也各不相同，選擇多種適宜的水生植物，如何進行優化組合，形成立體配置，提高治理的效率，這還需要進行深入研究；③如何把握水生植物吸收污染物的量，及時收割，避免造成二次污染，達到最優處理效果，仍是今后研究的重點。總之，利用水生植物修復污染水體為我國及世界其他地區日益惡化的水環境提供了一個切實可行的解決辦法，具有良好的研究和應用前景。

參考文獻

[1] 王國祥，成小英，濮培民.湖泊藻型富營養化控制—技術、理論及應用[J].湖泊科學，2002，14（3）：273-277.

[2] 秦伯強，王小東，湯祥明，等.太湖富營養化與藍藻水華引起的引用水危機—原因與對策[J].地球科學進展，2007，22（9）：901-902.

[3] 過龍根.除藻與控藻技術[J].中國水利，2006（17）：34-36.

[4] 聶發輝，李田，吳曉芙，等. 藻型富營養化水體的治理方法[J]. 中國給水排水，2006，22（18）：11-14.

[5] JAYAWEERA M，ASAEDA T.Modeling of biomanipulation in shallow，eutrophic lakes： An application to Lake Bleiswijkse Zoom，the Netherlands[J]. Ecological Modeling，1996，85（2/3）：113-127.

[6] 張太平，陳韋麗.人工濕地生態系統提高氮磷去除率的研究進展[J].生態環境，2005，14（4）：580-584.

[7] 黃亞.植物修復富營養化及有機農藥污染水體技術研究[D].上海： 同濟大學2006： 19-36.

[8] 陳友民.園林樹木學[M].北京：中國林業出版社，1990：65

[9] 包滿珠.花卉學[M].北京：中國農業出版社，2003：394.

[10] 劉燕.園林花卉學[M].北京：中國林業出版社，1993：1-2.

[11] 倪樂意.大型水生植物[M].北京：科學出版社，1999：224-241.

[12] 劉建武，林逢凱，王郁.水生植物凈化萘污水能力研究[J].上海環境科學，2002，21（7）：412-415.

[13] JOSEPH B，HUGHES J.Transformation of TNT by Aquatic Plants and Plant Tissue Cultures[J].Envion Sci Techol，1997，31（1）：266-271.