水生植物腐解過程對水中重金屬遷移轉化影響的研究進展*

王 穎 唐艷葵 許子飏 韋柳伊 鄭廣益 梁 艷

(廣西大學環境學院，廣西 南寧 530004)

水生植物腐解過程對水中重金屬遷移轉化影響的研究進展*

王 穎 唐艷葵#ThongsalakSaktikoun許子飏 韋柳伊 鄭廣益 梁 艷

(廣西大學環境學院，廣西 南寧 530004)

一些水生植物對重金屬具有一定的耐受性和富集能力，越來越多的工程實踐成功地將水生植物應用于重金屬污染水體的修復。然而，水生植物進入衰亡期后，其腐解過程對水中重金屬的遷移轉化還不是很明確。綜述了水生植物對重金屬的富集作用及其殘體腐解過程，著重探討了腐解過程中產生的溶解性有機物(DOM)和由腐解滋生的微生物等與重金屬的相互作用，并結合目前的研究現狀提出了今后研究的發展方向。

水生植物 腐解 重金屬 遷移轉化

Abstract: Certain aquatic plants have tolerance and accumulation for heavy metals. More and more phytoremediation applications have been successfully implemented in remediation of heavy metal polluted water. However,the effects of decomposition process of aquatic plants on the fate of heavy metals in water are not clear. This review introduced the accumulation and decomposition of aquatic plants in water. The interaction of dissolved organic matter or microorganisms and heavy metals were discussed intensively. The future development trends of the related research had been presented based on the current status.

Keywords: aquatic plants; decomposition; heavy metals; fate

近年來，由于工業的不斷發展以及人類生活水平的不斷提高，通過各種途徑進入水體的重金屬越來越多，水體環境受到嚴重污染，水生生態系統遭到嚴重破壞。2011年，云南曲靖某公司非法傾倒鉻渣導致珠江源頭南盤江水質受到嚴重污染[1]。2012年，廣西龍江河鎘污染事故給當地的水生生態系統造成了嚴重影響[2]。水生植物對水中的重金屬有富集作用，能有效改善水體環境。富集重金屬的植物通過收割可將重金屬帶離水體。但是若水生植物殘體滯留在水體中其腐解過程還會對水體中重金屬產生什么影響呢？本研究就水生植物的腐解過程對重金屬的遷移轉化影響進行了綜述，以期為相關領域的深入研究提供一定的參考。

1 水生植物對重金屬的富集作用及其殘體腐解過程

1.1 水生植物對重金屬的富集作用

水生植物富集水中的重金屬的過程主要有被動或主動的跨膜運輸、離子交換、絡合等作用[3]，其富集能力取決于植物類型與重金屬類型的匹配[4]。任珺等[5]發現，挺水植物菖蒲(AcoruscalamusL.)對水體中鎘的富集能力最強。王忠全等[6]發現，挺水植物美人蕉(CannaindiaL.)對鉻、汞、鋅富集能力較強，而浮水植物水浮蓮(PistiastratiotesL.)對鉛、銅、鎘富集能力較強。喬云蕾等[7]研究了3種沉水植物對鎘和鋅的富集能力，發現苦草(Vallisnerianatans)>黑藻(Hydrillaverticillata)>金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)。HUANG等[8]發現，剛莠竹(Microstegiumciliatum)和圓葉節節菜(Rotalarotundifolia)表現出對錳強烈地富集作用。此外，沉水植物和漂浮植物由于其特殊的生理結構，還可通過植物表面吸附去除水中重金屬[9]。

1.2 水生植物的腐解過程

水生植物作為水生生態系統的重要組成部分，對整個水生生態系統的結構和功能具有重要影響，但水生植物死亡后會發生腐解。水生植物腐解過程十分復雜，一般可分為兩個階段：第1階段為易溶性物質淋溶和易分解物質降解，這一階段植物殘體質量快速減少；第2階段為難溶性物質與微生物或胞外酶作用緩慢分解[10]。曹培培等[11]發現，蘆葦(Phragmitesaustralias)、狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)等4 d的分解率達到18.7%、32.51%。李文朝等[12]在研究東太湖水生植物腐解時發現，浮葉植物最易腐解，半個月分解率就超過70%；沉水植物分解率不高，但其半個月的分解率與一年的分解率之比卻高達88.4%。水生植物殘體的生物量也是影響其腐解快慢的重要因素[13]。水生植物的腐解速率還與水體的酸堿度[14]以及營養元素的含量[15]有關。

水生植物腐解會造成水體二次污染。但水體中適量的水生植物腐解能有效改善水體氮磷等營養元素的循環。強蓉蓉等[16]研究發現，在鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)生物量小于4 kg/m2時腐解不會導致富營養化水體的進一步惡化，反而對透明度、總磷、總氮等指標有明顯的改善作用。

2 水生植物腐解過程對重金屬遷移轉化的影響

水生植物腐解過程對水中重金屬的遷移轉化產生影響主要有腐解過程產生的溶解性有機物(DOM)與重金屬相互作用、腐解水生植物滋生的微生物與重金屬相互作用等。

2.1 DOM與重金屬的相互作用

水生植物腐解過程中會釋放大量營養物質，其中一部分以DOM的形式存在。DOM包含氨基、亞甲基、羥基、羧基等多種官能團[17]3。TIPPING[18]發現，類蛋白物質與銅和鎘具有強烈的絡合作用，尤其是對銅。DOM中50%(質量分數，下同)～75%的物質為腐殖質，主要由腐殖酸和富里酸組成。腐殖酸和富里酸與重金屬發生絡合作用能提高重金屬的遷移能力[19]。侯博特等[20]認為，腐殖質對重金屬還有吸附作用。馮啟言等[21]發現，礦井水中的富里酸對銅具有較大的絡合容量，其中的酚羥基和羧基等官能團參與了反應。pH、離子強度等因素也會影響水環境中DOM與重金屬發生絡合作用[22]。CHRISTL等[23]發現，降低離子強度或者升高pH可以強化腐殖質對銅和鉛的絡合作用。

重金屬的毒性往往與其形態有關。DOM對重金屬的形態變化起著重要作用。有研究發現，DOM存在的情況下，砷對藻類的毒性較弱，若砷與DOM結合甚至還對藻類的生長有促進作用，但是游離態的砷卻嚴重抑制藻類的生長[24]。另有研究報道，銅與DOM形成絡合物或吸附在懸浮顆粒物表面，能有效降低其毒性[25]。SANCHEZ等[26]認為，腐殖酸與硅藻細胞壁結合，使得硅藻細胞壁的屏障作用增強，減弱了鉛對其的生物毒性。但也有研究認為，DOM與重金屬的遷移轉化沒有關系[27-28]。目前，大多數研究都僅針對DOM對重金屬遷移轉化的影響，而對DOM具體組分如何與重金屬結合的機制研究甚少。由于DOM組分復雜，不同化合物、不同官能團對重金屬的遷移轉化能力都有不同程度的影響，因此有必要進一步開展這方面的研究。

2.2 微生物與重金屬的相互作用

水生植物腐解第2階段主要是纖維素、木質素等有機物被微生物降解為無機物的過程[17]2。影響這一過程的主要因素是細菌和真菌的種類[29]以及群落結構[30]等。

細菌、真菌等微生物腐解有機物的過程能產生較多胞外聚合物，這些胞外聚合物可以固定重金屬[31]。有研究發現，水生絲孢菌產生的類蛋白物質能與重金屬發生有效的結合[32]，使其能夠耐受高濃度重金屬[33]。CHINNI等[34]發現，芽孢桿菌(Bacillus)所產生的錳氧化孢子能迅速氧化二氧化錳，使其能夠耐受高濃度的錳。另一方面，有些微生物甚至對重金屬也具有富集能力[35]。但另有研究發現，重金屬會抑制微生物的生長和繁殖[36]。SOLE等[37]發現，重金屬含量越高越不利于真菌的生長。NIYOGI等[38]也證實，在重金屬污染的區域，微生物的活性較低。

2.3 其他因素與重金屬的相互作用

重金屬的遷移轉化除受上述因素的影響外，還與其他生物或非生物因素有關[39]，如溫度、pH、溶解氧、動物的擾動等[40]。在水生植物腐解過程中，溫度起著至關重要的作用，在一定的生理適應范圍內，溫度能刺激生物活性、影響生態系統動力學平衡，進而影響水生植物殘體的分解速率[41]。通過植物殘體的腐解作用，富集的重金屬重新被釋放到水體從而產生二次污染[42]。在受重金屬污染的水體中，pH對水生植物腐解及微生物的生長也起著重要的作用[43]262。pH也是影響水環境中重金屬與固相表面結合作用的主要因素，直接影響溶液中固相表面的電荷和組分形態[44-45]，決定陰陽離子在液相和固相間的分配，進而影響重金屬的遷移轉化和生物效應[46]。此外，重金屬的遷移轉化還與重金屬本身的特性有關，不同重金屬的遷移能力本身各不相同[43]262。王新等[47]比較了5種重金屬的遷移能力，發現鋅、鎘遷移能力最強，銅、砷次之，鉛的遷移能力最弱。不同重金屬之間還可能相互作用，發生氧化還原或共沉淀反應。VARSANYI等[48]發現，生物膜表面的鐵能與砷發生氧化還原反應形成沉淀。

3 展 望

目前，關于水生植物腐解對水體水質影響的研究都取得了一定的進展，但是對于水生植物腐解過程對重金屬遷移轉化的影響研究還相對欠缺。在以下幾方面應展開深入研究：

(1) 水生植物腐解的第1階段應著重研究不同腐解時間對DOM成分、形態的影響，以期找到不同水生植物第1階段的確切時間；

(2) 水生植物腐解的第2階段應進一步明確水生植物殘體中的重金屬對微生物種群結構、活性等的影響；

(3) 探索水生植物腐解過程營養元素釋放與重金屬遷移轉化之間的關系；

(4) 水生植物腐解過程會產生沉積物，有必要研究沉積物中重金屬的遷移轉化及生物效應。

[1] 鑫經.云南曲靖完成14.84萬噸鉻渣“三防”工程[N].中國礦業報,2011-11-24(B01).

[2] 朱飛,李彥旭,許振成,等.龍江河水體與沉積物鎘污染特征與潛在生態風險評價[J].環境污染與防治,2013,35(11):56-61.

[3] WEIS J S,WEIS P.Metal uptake,transport and release by wetland plants:implications for phytoremediation and restoration[J].Environment International,2004,30(5):685-700.

[4] NYQUIST J,GREGER M.Uptake of Zn,Cu,and Cd in metal loadedElodeacanadensis[J].Environmental and Experimental Botany,2007,60(2):219-226.

[5] 任珺,陶玲,楊倩,等.蘆葦、菖蒲和水蔥對水體中Cd富集能力的研究[J].農業環境科學學報,2010,29(9):1757-1762.

[6] 王忠全,溫琰茂,黃兆霆,等.幾種植物處理含重金屬廢水的適應性研究[J].生態環境,2005,14(4):540-544.

[7] 喬云蕾,李銘紅,謝佩君,等.沉水植物對受重金屬鎘、鋅污染的水體底泥的修復效果[J].浙江大學學報(理學版),2016,43(5):601-609.

[8] HUANG Zhining,TANG Yankui,ZHANG Kaixuan,et al.Environmental risk assessment of manganese and its associated heavy metals in a stream impacted by manganese mining in South China[J].Human and Ecological Risk Assessment:An International Journal,2016,22(6):1341-1358.

[9] JHA V N,TRIPATHI R M,SETHY N K,et al.Uptake of uranium by aquatic plants growing in fresh water ecosystem around uranium mill tailings pond at Jaduguda,India[J].Science of the Total Environment,2016,539:175-184.

[10] 唐金艷.水生植物腐爛分解對水質的影響[D].南京：南京大學,2013.

[11] 曹培培,劉茂松,唐金艷,等.幾種水生植物腐解過程的比較研究[J].生態學報,2014,34(14):3848-3858.

[12] 李文朝,陳開寧,吳慶龍,等.東太湖水生植物生物質腐爛分解實驗[J].湖泊科學,2001,13(4):331-336.

[13] LECERF A,RISNOVEANU G,POPESCU C,et al.Decomposition of diverse litter mixtures in streams[J].Ecology,2007,88(1):219-227.

[14] DANGLES O,GESSNER M O,GUEROLD F,et al.Impacts of stream acidification on litter breakdown:implications for assessing ecosystem functioning[J].Journal of Applied Ecology,2004,41(2):365-378.

[15] SUBERRKROPP K,CHAUVET E.Regulation of leaf breakdown by fungi in streams:influences of water chemistry[J].Ecology,1995,76(5):1433-1445.

[16] 強蓉蓉,王國祥,張利民,等.鳳眼蓮死亡對湖泊水質的持續性影響分析[J].中國環境監測,2005,21(1):24-27.

[17] 聞麗.白洋淀植物腐解DOM特性及其與重金屬相互作用的研究[D].北京：北京化工大學,2014.

[18] TIPPING E.Cation binding by humic substances[M].Cambridge：Cambridge University Press,2002.

[19] WANG Suiling,MULLIGAN C N.Enhanced mobilization of arsenic and heavy metals from mine tailings by humic acid[J].Chemosphere,2009,74(2):274-279.

[20] 侯博特,李婉玲.重金屬離子與腐殖質的相互作用機理研究[J].農業與技術,2014,34(6):5,48.

[21] 馮啟言,張彥,孟慶俊.煤礦區廢水中溶解性有機質與銅的結合特性[J].中國環境科學，2013,33(8):1433-1441.

[22] 胡釋尹,李非里,方小滿.溶解性有機質對自然水體中重金屬生物有效性評價的影響[J].環境科學與技術,2016(1):27-31.

[23] CHRISTL I,METZGER A,HEIDMANN I,et al.Effect of humic and fulvic acid concentrations and ionic strength on copper and lead binding[J].Environmental Science & Technology,2005,39(14):5319-5326.

[24] 董麗嫻.溶解性有機質對砷形態及藻類有效性的影響[D].上海：同濟大學,2008.

[25] SUNDARAY S K,NAYAK B B,LIN S,et al.Geochemical speciation and risk assessment of heavy metals in the river estuarine sediments - a case study:Mahanadi basin,India[J].Journal of Hazardous Materials,2011,186(2/3):1837-1846.

[26] SANCHEZ M P,SLAVEYKOVA V I,BEIRAS R.Cu and Pb accumulation by the marine diatomThalassiosiraweissflogiiin the presence of humic acids[J].Environmental Chemistry,2010,7(3):309-317.

[27] SCHALLER J,MKANDAWIRE M,GERT D E.Heavy metals and arsenic fixation into freshwater organic matter underGammaruspulexL. influence[J].Environmental Pollution,2010,158(7):2454-2458.

[28] SCHALLER J,BRACKHAGE C,DUDEL E G.Limited transfer of uranium to higher trophic levels byGammaruspulexL. in contaminated environments[J].Journal of Environmental Monitoring,2009,11(9):1629-1633.

[29] DANG C K,CHAUVET E,GESSNER M O.Magnitude and variability of process rates in fungal diversity-litter decomposition relationships[J].Ecology Letters,2005,8(11):1129-1137.

[30] GUDASZ C,BASTVIKEN D,PREMKE K,et al.Constrained microbial processing of allochthonous organic carbon in boreal lake sediments[J].Limnology and Oceanography,2012,57(1):163-175.

[31] HUANG Yabing,WANG Wenhua,PENG An.Accumulation of Cu(Ⅱ) and Pb(Ⅱ) by biofilms grown on particulate in aquatic systems[J].Journal of Environmental Science and Health,Part A,2000,35(4):575-592.

[32] GUIMARAES S L,FELCIA H,JOAO B M,et al.Metal-binding proteins and peptides in the aquatic fungiFontanosporafusiramosaandFlagellosporacurtaexposed to severe metal stress[J].Science of the Total Environment,2006,372(1):148-156.

[33] JAECKEL P,KRAUSS G J,KRAUSS G.Cadmium and zinc response of the fungiHeliscuslugdunensisandVerticilliumcf.alboatrumisolated from highly polluted water[J].Science of the Total Environment,2005,346(1/2/3):274-279.

[34] CHINNI S,ANDERSON C R,ULRICH K U,et al.Indirect UO2oxidation by Mn(Ⅱ)-oxidizing spores ofBacillussp. strain SG-1 and the effect of U and Mn concentrations[J].Environmental Science & Technology,2008,42(23):8709-8714.

[35] 樊霆.真菌對重金屬的抗性機制和富集特性研究[D].長沙：湖南大學,2009.

[36] MOREIRINHA C,DUARTE S,PASCOAL C,et al.Effects of cadmium and phenanthrene mixtures on aquatic fungi and microbially mediated leaf litter decomposition[J].Archives of Environmental Contamination and Toxicology,2011,61(2):211-219.

[37] SOLE M,FETZER I,WENNRICH R,et al.Aquatic hyphomycete communities as potential bioindicators for assessing anthropogenic stress[J].Science of the Total Environment,2008,389(2/3):557-565.

[38] NIYOGI D K,CHEATHAM C A,THOMSON W H,et al.Litter breakdown and fungal diversity in a stream affected by mine drainage[J].Fundamental and Applied Limnology,2009,175(1):39-48.

[39] LI X,CUI B S,YANG Q C,et al.Litter quality and interactions of macrophytes tissues decomposition in a eutrophic shallow lake[J].Procedia Environmental Sciences,2012,13:1170-1178.

[40] LI Xia,CUI Baoshan,YANG Qichun,et al.Effects of plant species on macrophyte decomposition under three nutrient conditions in a eutrophic shallow lake,North China[J].Ecological Modelling,2013,252:121-128.

[41] PASSERINI M D,CUNHA SANTINO M B,BIANCHINI J I.Oxygen availability and temperature as driving forces for decomposition of aquatic macrophytes[J].Aquatic Botany,2016,130:1-10.

[42] ZHANG Honggang,CUI Baoshan,XIAO Rong,et al.Heavy metals in water,soils and plants in riparian wetlands in the Pearl River Estuary,South China[J].Procedia Environmental Sciences,2010,2:1344-1354.

[43] FERREIRA V,KORICHEVA J,DUARTE S,et al.Effects of anthropogenic heavy metal contamination on litter decomposition in streams - a meta-analysis[J].Environmental Pollution,2016,210.

[44] 朱時佳.共存重金屬及pH對自然水體生物膜吸附五氯酚的影響[D].長春：吉林大學,2015.

[45] 王文濤.水環境多種固相物質共存體系中各物質對Pb的吸附及pH值的影響研究[D].長春：吉林大學,2009.

[46] 陳瀟君.溶液pH值對鉛、鎘在自然水體生物膜上吸附與解吸動力學過程的影響[D].長春：吉林大學,2004.

[47] 王新,梁仁祿.土壤-水稻系統中重金屬復合污染物交互作用及生態效應的研究[J].生態學雜志,2000,19(4):38-42.

[48] VARSANYI I,KOVACS L.Arsenic,iron and organic matter in sediments and groundwater in the Pannonian Basin,Hungary[J].Applied Geochemistry,2006,21(6):949-963.

Effectsofdecompositionprocessofaquaticplantsonthefateofheavymetalsinwater:areview

WANGYing,TANGYankui,ThongsalakSaktikoun,XUZiyang,WEILiuyi,ZHENGGuangyi,LIANGYan.

(SchooloftheEnvironment,GuangxiUniversity,NanningGuangxi530004)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.020

2016-10-20)

王 穎，女，1991年生，碩士研究生，主要從事環境污染控制及修復研究。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.51668006、NO.51168001)；國家社會科學基金資助項目西部項目(No.15XKS018)；廣西自然科學基金回國基金資助項目(NO.2015GXNSFCA139015);廣西研究生教育創新計劃項目(No.YCSW2017036)。