沉水植物水體底質生態修復研究進展

李鶴男 ，孫永利＊，李鵬峰，黃鵬，馮玉杰

（1.天津大學環境科學與工程學院，天津 300072；2.中國市政工程華北市政設計研究總院有限公司，天津 300381）

過量的氮、磷等污染物的輸入會導致淡水水體及沉積物受污染，進而導致水體環境惡化。我國城市水體及沉積物中的氮和磷經多年累積，已經是水體內源污染的主要來源之一[1]。近年來水體及沉積物內部污染物負荷的控制越來越受到關注[1～4]。疏浚清淤可以快速將受污染的沉積物從水體中清除，但同時存在成本較高、清淤過程污染物釋放難以控制、噪聲大、水體斷面水位下降、底棲生物減少、有毒物質可能釋放到上覆水域以及疏浚物料難以處置等問題[5,6]。化學修復雖然見效快、費用低，但由于藥劑投加過量現象時有發生，容易引起水體的二次污染[7]。

水生植物因具有生態幅寬、易繁殖、生長快、較其他植物更加適合污染底泥修復的生物學特性，經常被用于水體底泥修復[8]。沉水植物具有可以降低水體營養物質質量比、促進懸浮物的沉積、提高污水自凈能力等諸多優勢，研究表明苦草可以通過根系覓食來滿足其養分需求，同時改善底泥性狀使其成為更適合植物生長的生境[9,10]。沉水植物（苦草）通過根際干擾可改變沉積物中的微生物群落結構，通常在采用沉水植物進行生態恢復的第一年，水體底質就會有明顯改善并有不同的微生物群落形成[10]。沉水植物由于長期浸泡在水中，可以直接吸收溶解氧等營養物質，為魚類提供食物并成為藻類的附著基質。Yun Cao 等通過測定了不同水深條件下苦草的丙二醛、超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、葉綠素和可溶性蛋白含量及根系活力，證實了苦草在水深低于120cm的環境下生長良好，超過此深度就顯示出明顯的衰老或死亡跡象[11]。此外，沉水植物還通過光合作用產生氧氣，增加溶解氧，吸收、沉淀、富集水體中的氮、磷[12]。

底泥是水體中主要的內源污染源之一，然而目前關于沉水植物的報道大多是圍繞水質改善、水體中污染物去除等內容開展的，對于底質影響的報道不多。本文綜述了沉水植物對城市水體底質的改善作用，重點關注了沉水植物用于改善底泥/沉積物的現狀和研究進展，為今后開展沉水植物研究和沉水植物應用于城市水生態系統修復提供了思路和方法。

1 沉水植物改善水體底質氧化還原特性研究現狀

氧化還原電位（ORP）可以較好地表征底泥氧化還原環境，ORP 越低，底泥還原性越強，底泥中的黑臭物質就越多，所以ORP 直接影響底泥黑臭污染的治理效果[13]。氧化還原特性可作為底泥是否污染/黑臭的評測指標[14]，水體及底泥的ORP、溶解氧（DO）等可以有效反映水體底質的健康狀況。俞欣等研究發現ORP 與pH、S2-、DO、SO42-的相關性較好，可以單獨作為水體和底泥黑臭現場監測的評價指標，用于入河污水、河道水體與河道底泥黑臭度的現場快速監測和定量評價[14]。孫慧群等對湖泊黑臭底泥進行了特征因子分析，發現COD 通過厭氧代謝直接影響氨氮、硫化物、Fe2+和Mn2+等黑臭生成物的形成；通過改變ORP 值影響這些物質的生成，嚴重黑臭的水體中底泥厭氧菌的數量及其分泌的有關酶類活性是底泥黑臭的關鍵因子[13]。

Elisa Soana 等對比了種植和不種植苦草的沉積物的理化指標變化情況，發現種植苦草的沉積物的氧化還原電位明顯高于對照微環境，因此認為根際泌氧是導致這一結果的主要原因，證實了苦草對于沉積物含氧微生態位的維持作用[15]。邢濤等探討了DO 晝夜波動對富營養化湖泊N2O 排放和活性氮去除效果的影響，結果顯示水生植物光合呼吸作用顯著增強了水體DO 和表層沉積物ORP 的晝夜波動幅度，并使水體DO的平均濃度增加[16]。Elisa Soana 等研究發現沉水植物根系和氮循環細菌之間的耦合作用可以有效改善系統中的氧通量，同時減少CH4等厭氧氣體的產生[17]。

2 沉水植物削減水體底質污染物研究現狀

2.1 碳、氮、磷

過量的氮、磷輸入是導致水體富營養化的主要原因[18]，因此，如何有效控制水體中的氮、磷仍是當前亟待解決的問題[19]。沉水植物作為湖泊、河流等生態系統中主要的高等植物，在富營養化水體的恢復中備受關注[19,20]。

目前已有一些針對沉水植物控制水體氮、磷的研究[21]。李啟升等通過室外模擬實驗，探究了氮負荷升高對淺水湖泊沉水植物生長的影響，結果表明氮負荷升高會對沉水植物的生長產生脅迫，因此認為外源氮、磷均需要控制[22]。Zhengjie Zhu 等以苦草為例，發現高濃度的氨氮（＞8mg/L）可以有效抑制水體中菌體的生長，因此建議利用苦草進行水體生態修復時，水體氨氮含量應滿足8mg/L[23]。Qing Yu 等研究發現夏季隨著銨態氮（NH4+）濃度的增加，尤其是浮游植物葉綠素的增加，浮游植物遮蔭會導致大型沉水植物減少，同時也會影響附生植物的生長[21]。

劉子森等發現沉水植物可通過根系分泌作用促進溶磷或是通過促進根際微生物群落的磷代謝活性增加沉積物中的生物可利用性磷含量[24]。高帥強等發現矮慈姑及其根系對底泥具有非常強的耐受性，矮慈姑的生長可較好地阻控底泥中氮、磷向上覆水釋放，使上覆水中的氮、磷維持在較低的濃度范圍[25]。研究表明通過苦草與人工生物膜耦合可有效提升對富營養化湖泊沉積物的修復效果，生物膜與苦草的合理組合可能將成為富營養化湖泊生態恢復的一種方法[1]。

2.2 重金屬

底泥中的重金屬毒性大、易于富集、不易降解，對底棲生物、水生植物和上覆水體中的生物會產生不利影響，并會通過生物鏈傳遞給人和動物，對環境和人體健康造成潛在威脅[26]。植物修復技術具有成本低、效果好、景觀美化的特點，利用自然界中存在或人工培育的富集植物，通過其吸附、氧化還原等作用，可降低或去除河流底泥中的重金屬[26]。

喬云蕾等選取苦草、黑藻、金魚藻進行實驗，結果表明：3 種植物均可作為重金屬Cd、Zn 污染的修復物種，苦草對重金屬Cd、Zn 的富集量大于黑藻和金魚藻，因此可考慮將苦草作為水體底泥Cd、Zn 復合污染生態修復的先鋒物種[27]。利用生態缸模擬靜態水體，考察苦草、黑藻和金魚藻等三種常見沉水植物對Cu、Pb 復合污染底泥的修復效果，經修復后的Cu-Pb 復合污染底泥可達到《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）中的Ⅱ級標準[28]。劉梅等研究了苦草、黑藻和伊樂藻三種沉水植物對淡水養殖池塘底泥中重金屬Cu 的去除效果，結果顯示對Cu 的富集能力從大到小依次為苦草＞輪葉黑藻＞伊樂藻，同時苦草對重金屬Cu 的脅迫具有更高的耐受性[29]。Mathieu Nsenga Kumwimba 等評估了長期處理生活污水的植物排水溝中金屬富集情況，發現植物對大多數金屬都有去除作用，其中鋁的去除率為 11%、鉀的去除率為89%[30]。

2.3 難降解有機物

多環芳烴（PAHs）是分布最廣的有機污染物之一，其中一些是已知的動物致癌物，也可能是人類致癌物[31,32]，通過生物強化技術實現生物修復是去除污染環境中PAHs 最有前景的方法之一[33]。張雨等考察苦草對PAHs 的修復效果，結果表明，種植苦草的沉積物對PAHs 的降解速率是未種植苦草的沉淀物對PAHs 降解速率的2—3 倍，苦草對沉積物中高分子量PAHs 的修復效果尤為顯著[34]。抗生素（磺胺類）藥物的廣泛應用引起了人們對其對環境的負面影響的關注。Liming Zhu 等研究了苦草對磺胺的生態毒理學影響及去除效果，發現苦草通過增加水體中DO、ORP和細菌多樣性顯著提高了對磺胺的去除效率[35]。

3 生物多樣性

在水體底質生態恢復的過程中，生物多樣性的恢復情況被認為是水體底質生態恢復效果的重要指標之一[36,37]。生態系統恢復工作的目標是將退化的環境恢復到與其原始狀態相似的狀態[36]。研究表明，水生植被可以在三個月內明顯改善濕地沉積物中的細菌群落結構和特定酶活性[38]。

陳登等探討了水蘊草、狐尾藻和苦草對根際沉積物中無機態氮含量和氮循環相關微生物數量的影響，發現反硝化是狐尾藻和苦草根際沉積物的主要脫氮方式，厭氧氨氧化過程是水蘊草根際沉積物的主要脫氮方式[20]。渠曉東等比較了蓖齒眼子菜、菹草、輪葉黑藻和金魚藻的修復區和對照區的大型底棲動物群落差異，結果表明采用沉水植物修復對大型底棲動物的密度、生物多樣性和群落結構的穩定恢復具有顯著效果[39]。Chuan Wang 等從西湖的兩個亞湖收集了種植和不種植苦草的沉積物樣本，結果表明苦草種植區沉積物全氮和有機質含量顯著低于未種植苦草區域，種植苦草的沉積物中參與C、N、S 元素循環的微生物相對豐度顯著高于無苦草種植的沉積物[40]。

4 展望

本文綜述了沉水植物用于改善城市水體及底質的研究進展，關注了沉水植物在城市水體及底質修復過程中在氧化還原特性、污染物去除率和生態重建等方面的優勢。然而目前沉水植物應用于城市水體改善過程中仍有諸多問題需要注意：

（1）沉水植物用于水體底泥修復的效能和工藝參數不清晰。比如水生植物—微生物協同作用于底泥修復對水體及底泥的理化性質和生境改善效能仍不清楚，底泥及水體中DO 和ORP 變化值、吸收凈化效能值、吸附與微生物協同凈化效能及邊界條件等一系列工藝參數還是空白。

（2）常用沉水植物的抗環境沖擊力弱。沉水植物抗污染負荷、抗水力沖刷、抗低溫能力較弱，在合流制溢流污染大的水體中不易存活；在感潮或有排水功能等有沖刷流速的河段難以扎根，容易流失；在北方地區越冬能力差，植株死亡后，如果不進行有效打撈會進一步增加內源污染。

（3）修復過程緩慢。由于缺乏合適的電子供體或受體且微生物活性有限，植物-微生物協同修復過程相對緩慢、周期較長，應用效果不理想。

（4）對于植物、微生物或功能材料修復水體的研究較多，而且大多集中在單純對水質改善情況的考察，而對水體及底泥聯合修復效能的研究較少，植物-微生物-功能材料聯合修復水體及底泥的效能報道更不多見。