沉水植物對(duì)水體污染的修復(fù)效果研究進(jìn)展

胡 昱，錢德雪，王利芬

（蘇州大學(xué)金螳螂建筑學(xué)院，江蘇蘇州 215000）

21 世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、城市化持續(xù)推進(jìn)和工業(yè)化規(guī)模擴(kuò)大，面臨的各類環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，其中水體污染受到廣泛關(guān)注。與物理、化學(xué)方法治理水體污染相比，水生植物對(duì)水體的修復(fù)作用更加生態(tài)環(huán)保。因此，研究沉水植物對(duì)水體污染修復(fù)效果有著深遠(yuǎn)的意義。

1 國(guó)內(nèi)水體污染現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)水體質(zhì)量現(xiàn)狀

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部《2021 年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》，2021 年在全國(guó)地表水監(jiān)測(cè)到的3 632 個(gè)水質(zhì)斷面（點(diǎn)位）中，劣Ⅴ類水質(zhì)占1.2%，Ⅰ～Ⅴ類水質(zhì)分別占6.9%、49.2%、28.8%、11.8%、2.2%。雖然仍有部分地區(qū)的水質(zhì)狀況較差，但是水體修復(fù)總體效果呈上升趨勢(shì)。我國(guó)長(zhǎng)江流域、珠江流域、西北地區(qū)和西南地區(qū)的水質(zhì)狀況為優(yōu)，遼河流域和海河流域的水質(zhì)為輕度污染。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快與人口快速集中，導(dǎo)致部分地區(qū)尤其是城市對(duì)淡水的需求急劇增加。然而，目前我國(guó)城市污水集中處理率在40%左右，有超過(guò)86%以上的老舊城區(qū)河流流域存在多項(xiàng)污染物超標(biāo)、水體黑臭化、嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化、生態(tài)系統(tǒng)退化等問(wèn)題[1]。水體污染一方面影響居住質(zhì)量和生活需要，另一方面對(duì)使用污染水體的人體和動(dòng)植物等生物造成不可逆轉(zhuǎn)的生理傷害。

1.2 國(guó)內(nèi)水體污染類型

目前，對(duì)水體污染物的定義集中在對(duì)人體有無(wú)危害——即進(jìn)入水體后使水體營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)發(fā)生危害人類變化的物質(zhì)。我國(guó)常見的水體污染有以下幾類：第一類是因水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量較高引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化。在人類日常生活中，生物生長(zhǎng)必需的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)入湖泊、河流、港口、海灣，在水流緩慢的水體中增加營(yíng)養(yǎng)元素含量，引起該水域內(nèi)藻類、浮游生物的大量繁殖，引發(fā)水體溶解氧下降，導(dǎo)致魚類和其他生物大量死亡。第二類是由汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、硒（Se）、砷（As）、鋇（Ba）、銅（Cu）和錳（Mn）等物質(zhì)造成的水體重金屬污染。這些重金屬元素在大型加工廠、礦場(chǎng)等地生產(chǎn)過(guò)程中隨著工業(yè)廢水排出，進(jìn)入水體后無(wú)法被降解，也極難發(fā)生化學(xué)變化產(chǎn)生沉淀物質(zhì)沉降在底泥中[2]，隨著食物鏈的富集作用，重金屬在較高等級(jí)生物體內(nèi)積累，最終進(jìn)入人體造成危害。第三類是由耗氧污染物造成的水體有毒有害有機(jī)物污染。這些有機(jī)物進(jìn)行厭氧分解，導(dǎo)致水中溶解氧減少，產(chǎn)生H2S、NH3和有難聞氣味的有機(jī)物，使水質(zhì)進(jìn)一步惡化[3]，影響魚類和其他水生生物生長(zhǎng)。第四類是富營(yíng)養(yǎng)化水體中的藻類污染，近些年來(lái)由于水體富營(yíng)養(yǎng)化造成藻類大量繁殖，水體藻類污染程度也逐年加深，赤潮或水華在全球范圍內(nèi)頻繁出現(xiàn)。第五類是由酸、堿、鹽等無(wú)機(jī)物造成的水體酸堿污染，在水體pH 值小于6.5（酸性）或者大于8.5（堿性）時(shí)，對(duì)水生生物會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)[4]。

2 沉水植物對(duì)水體的修復(fù)效果

沉水植物是指植物體全部位于水層下面進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程的水生植物。在淡水生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)中，沉水植物是許多藻類的競(jìng)爭(zhēng)者，這對(duì)控制水體生物量、治理富營(yíng)養(yǎng)化水環(huán)境起到了良好的生態(tài)治理效果[5-6]。沉水植物生活在水體下部區(qū)域，它們能夠從底泥、下部水體中吸收氮素、磷，從而比浮水植物具有更好的水體修復(fù)效果，也從一定程度上加大了所處環(huán)境的承載能力與自凈能力[7]。隨著學(xué)者們對(duì)沉水植物凈化作用關(guān)注度的提高，沉水植物對(duì)水體修復(fù)作用機(jī)制逐漸成為研究熱點(diǎn)。

2.1 沉水植物對(duì)水體氮、磷的去除作用

水體富營(yíng)養(yǎng)化是我國(guó)比較常見的一種水體污染現(xiàn)象，沉水植物可以吸收氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降低水體富營(yíng)養(yǎng)化程度。黃小龍等研究表明沉水植物是改善城市富營(yíng)養(yǎng)化水體水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境的有效手段，沉水植物可有效控制內(nèi)源負(fù)荷，有效降低水體中氮、磷的含量，同時(shí)抑制藻類的生長(zhǎng)，減低水體營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)[8]。沉水植物通過(guò)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收，減緩營(yíng)養(yǎng)鹽含量的升高[9]。沉水植物本身的生理生化反應(yīng)，吸收了水體中的氮、磷形成自身結(jié)構(gòu)中的核酸等，有效控制藍(lán)藻等的爆發(fā)[10]。沉水植物生長(zhǎng)周期也較長(zhǎng)，能夠比浮水植物更有效地提高水體氧化程度，顯著影響水體溶氧量、pH、無(wú)機(jī)碳等含量。富營(yíng)養(yǎng)化水域中沉水植物根際放氧會(huì)被迅速消耗，根際氧化區(qū)的形成減少了底泥中磷元素形成鐵-磷結(jié)合物，從底泥擴(kuò)散到水體中，從而在一定程度上降低磷元素的外排，凈化了水質(zhì)[11]。目前，對(duì)伊樂(lè)藻、苦草、金魚藻、菹草等沉水植物對(duì)水體修復(fù)效果研究比較多，部分植物對(duì)水體氮、磷起到了較為可觀的凈化作用，不同沉水植物對(duì)水體中總氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷等的去除率存在差異[12-17]。除此之外，也有學(xué)者探究了不同沉水植物組合對(duì)水體共同作用的凈化效果，如王文林等探究了菹草和伊樂(lè)藻群落對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)作用[17]；歐丹玲研究金魚藻、黑藻、苦草不同起始生物量配置組合下對(duì)水體的修復(fù)效果等[18]。

2.2 沉水植物對(duì)水體重金屬的吸附作用

目前我國(guó)的重金屬污染水體主要是指Hg、Cd、Pb、Cr、Ba等重金屬物質(zhì)產(chǎn)生的水體污染，重金屬不能被生物降解，相反卻能在食物鏈的累積作用下，成百上千倍地逐層富集，最后進(jìn)入人體，在人體內(nèi)與蛋白質(zhì)及酶等發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使其失去活性，當(dāng)這些重金屬在人體中累積達(dá)到一定含量時(shí)，會(huì)造成人體慢性中毒，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致死亡。沉水植物除了能夠?qū)Φ⒘椎绕鸬絻艋饔弥猓€能夠吸附并富集一些重金屬元素。經(jīng)過(guò)沉水植物修復(fù)的水體沉積物中，重金屬離子毒性減弱，對(duì)重金屬Cu、Mn 也有較大的吸收[19-20]。水生植物對(duì)重金屬的吸附效果遠(yuǎn)不及其對(duì)有機(jī)物或營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收與利用，但可以定期對(duì)部分植物體的人為收割，從而將其從環(huán)境中去除。研究表明受溫度、pH 等因素影響，對(duì)As、Hg、Cd 這三種重金屬的積累量，沉水植物＞浮水植物＞挺水植物[21-22]。目前，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者對(duì)苦草、黑藻、金魚藻、狐尾藻等幾種沉水植物對(duì)水體重金屬離子Hg、Se、Cu、Cd和Mn的去除率進(jìn)行了探索（見表1）[23-28]。

表1 幾種沉水植物對(duì)水體重金屬離子的去除率

2.3 沉水植物對(duì)有毒有害有機(jī)物的吸收作用

現(xiàn)有研究顯示沉水植物生長(zhǎng)前期所處水體化學(xué)需氧量有所降低[29]，沉水植物從河流、湖泊底泥中吸收有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物供自身生長(zhǎng)，同時(shí)也對(duì)部分小分子有機(jī)污染物有富集作用，通過(guò)促進(jìn)物質(zhì)的沉淀、微生物對(duì)物質(zhì)的分解來(lái)凈化所處水體。通過(guò)吸收水體中的酚類、氰類污染物，沉水植物體內(nèi)酶系統(tǒng)作用和生化作用對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化和分解，使其失去毒性，根系吸收的酚和氰，通過(guò)根際微生物的作用將其逐步分解、轉(zhuǎn)化。據(jù)Roxanne 等研究受TNT 污染地表水的植物修復(fù)技術(shù)，結(jié)果表明利用植物降解移除量可達(dá)100%[30]。據(jù)Perterson 等報(bào)道利用植物柳枝謖進(jìn)行TNT 的降解和修復(fù)也是一條有效途徑[31]。Joseph 等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物狐尾藻等還具有直接吸收降解TNT 的能力[32]。伊樂(lè)藻在6 d 內(nèi)可以完全富集水環(huán)境中的二氯二苯基三氯乙烷[33]。金魚藻或伊樂(lè)藻可以顯著降低地表水中異丙甲草胺的濃度[34]，在治理有機(jī)污染物等有明顯的效果。Zhou 等[35]對(duì)金魚藻、輪葉黑藻、馬來(lái)眼子菜、狐尾藻、伊樂(lè)藻5 種沉水植物都可以不同程度地去除氟化物。

2.4 沉水植物對(duì)水體藻類大量繁殖的抑制作用

水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致藍(lán)藻大量繁殖，嚴(yán)重影響水體生態(tài)系統(tǒng)健康。研究表明沉水植物對(duì)藻類生長(zhǎng)有抑制作用，一方面可以通過(guò)與藻類進(jìn)行礦物營(yíng)養(yǎng)等競(jìng)爭(zhēng)來(lái)對(duì)藻類生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，另一方面可以向水中分泌抑制藻類生長(zhǎng)化感物質(zhì)從而影響藻類細(xì)胞生長(zhǎng)[36-38]。不少學(xué)者研究表明從植物中提取了抑藻活性成分，如趙文婧采取超聲波-纖維素酶提取工藝，從苦草、金魚藻、穗花狐尾藻中提取化感物質(zhì)對(duì)銅綠微囊藻進(jìn)行了抑藻實(shí)驗(yàn)[39]；劉輝對(duì)金魚藻和水綿針對(duì)銅綠微囊藻的抑制作用及機(jī)理進(jìn)行了研究[40]；張勝娟從槐葉萍中提取到有效活性組分，對(duì)抑藻有著較好的效應(yīng)[41]。

近年來(lái)，不少學(xué)者關(guān)注沉水植物對(duì)藻類的抑制作用，對(duì)植物分泌物質(zhì)進(jìn)行大量篩選以研究出有效萃取植物體內(nèi)化感物質(zhì)的方法，如酚類物質(zhì)、萜類物質(zhì)等。研究發(fā)現(xiàn)化感物質(zhì)主要是通過(guò)降低藻類細(xì)胞內(nèi)葉綠素a 的含量，破壞藻類正常的生長(zhǎng)過(guò)程[42]，改變或裂解細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)[43]，降低酶活性[44]，破壞藻類細(xì)胞氧化還原反應(yīng)鏈，甚至改變基因表達(dá)來(lái)抑制、殺死細(xì)胞，從而減少藍(lán)藻的生長(zhǎng)。不同沉水植物通過(guò)產(chǎn)生不同種類的化感物質(zhì)對(duì)水體中的藻類細(xì)胞產(chǎn)生影響，比起用物理和化學(xué)方法對(duì)水體中泛濫的藻類進(jìn)行控制，具有更生態(tài)化、費(fèi)用更少、副作用更小的優(yōu)點(diǎn)，為進(jìn)一步研究沉水植物對(duì)藻類的抑制機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

3 研究展望

目前，在沉水植物對(duì)水體修復(fù)效果的相關(guān)研究中，研究較多的都是沉水植物對(duì)氮、磷兩種水體富營(yíng)養(yǎng)化代表性元素的吸收、凈化情況，對(duì)沉水植物品種選擇及重金屬吸附種類有一定局限性。對(duì)于如何將發(fā)揮凈化功能后的沉水植物進(jìn)行處理或回收利用的研究甚少，現(xiàn)有的可行方法局限在人工收割后統(tǒng)一進(jìn)行處理，是否可以用某些植物的部分組成成分加工成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上需要的肥料還有待深入研究，具有一定的實(shí)用價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值。針對(duì)沉水植物對(duì)水體中的不同污染物成分進(jìn)行凈化的研究，主要的研究方法有文獻(xiàn)歸納法、實(shí)地調(diào)研法、生理生化實(shí)驗(yàn)法等，針對(duì)沉水植物凈化作用的研究架構(gòu)相對(duì)單一，而且主要是針對(duì)某些特定植物進(jìn)行部分指標(biāo)含量的研究及對(duì)所處水體的取樣研究，試驗(yàn)所用植物是否對(duì)小、中、大不同體量的水域具有切實(shí)的效果還需要學(xué)者進(jìn)行深入探究和實(shí)踐檢驗(yàn)。

沉水植物可以不同程度地去除污水中的N、P、重金屬、有機(jī)污染物和抑制藻類泛濫，并且已廣泛應(yīng)用于污水處理中。通過(guò)分析水體中N、P 等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和分解機(jī)制，可以選擇不同的水生植物及其組合以適應(yīng)不同的目標(biāo)水體；也可以通過(guò)控制水生植物的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)凈化能力，修復(fù)被污染的水體，維持水質(zhì)。沉水植物凈化修復(fù)污水與其他物理、化學(xué)和工程方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：成本低、能耗低、處理效果好、環(huán)境污染少、有利于資源回收和整體生態(tài)環(huán)境的改善。由于這些顯著的優(yōu)越性，利用沉水植物凈化污水無(wú)疑為我國(guó)日益惡化的水環(huán)境提供了一種很好的生態(tài)治理方式，具有廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。