水生蔬菜在水體修復(fù)中的應(yīng)用概況

羅競(jìng) ，柯衛(wèi)東 ，劉玉平 ，汪李平 ，劉義滿

（1.武漢市蔬菜科學(xué)研究所，430065；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院）

1 水生蔬菜對(duì)水質(zhì)凈化作用的研究成就

20世紀(jì)60年代初，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者就相繼將水生植物用于水質(zhì)凈化研究。由于水生植物凈化水體的效果良好，且凈化成本低廉，目前已成為修復(fù)受損水生生態(tài)系統(tǒng)的主要手段。以往的研究主要側(cè)重于凈化效果，較少考慮經(jīng)濟(jì)效益，所以研究者多選用鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）、喜旱蓮籽草（Alternantheraphiloxeroides） 和金魚(yú)藻（Ceratophyllum demersum）[1]等水生植物。雖然它們有較強(qiáng)凈化能力，有的可以作為飼料、肥料或燃料，但是相對(duì)水生蔬菜而言，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高，還存在冬季凈化和二次污染問(wèn)題，因此推廣應(yīng)用受到限制。1980年有專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始對(duì)湖泊河流等污染水體無(wú)土栽培旱生經(jīng)濟(jì)植物的凈化效果及利用價(jià)值的研究。由戴全裕等[2]建立的廢水凈化與資源化生態(tài)工程體系就是以水培經(jīng)濟(jì)植物為主，它在處理含重金屬?gòu)U水和釀酒廢水的應(yīng)用中獲得較好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。朱斌等[3]調(diào)查了近10 a來(lái)的95篇國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，統(tǒng)計(jì)了不同水生植物在水質(zhì)凈化領(lǐng)域的研究頻率（表1）[3]。其中包括我國(guó)所研究水生植物45種，而劃歸為水生蔬菜的植物有香蒲（蒲菜）、水蕹、茭白、菱、蓮、水芹、睡蓮、慈姑、荸薺9種。其中，睡蓮主要用作花卉，但近些年開(kāi)始作為水生蔬菜開(kāi)發(fā)（菜用睡蓮）。表1中，水生蔬菜種類(lèi)數(shù)占了20%；45種植物累計(jì)研究頻度等級(jí)為402次，而其中9種水生蔬菜為72次，占17.91%，說(shuō)明水生蔬菜在水體凈化中應(yīng)用比較廣泛，占有重要地位。

2 水生蔬菜凈化水質(zhì)的特點(diǎn)

利用水生蔬菜凈化水體可以逐步恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)中水生植物群落，實(shí)現(xiàn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬和有機(jī)物污染的吸附、利用或轉(zhuǎn)移。同時(shí)，水生蔬菜還能夠?yàn)槲⑸锾峁└街采臻g，為水生動(dòng)物提供食物來(lái)源，實(shí)現(xiàn)水生生態(tài)系統(tǒng)的良性物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。由于水生蔬菜是利用太陽(yáng)能作為能量源，具有安全、成本低廉、生態(tài)協(xié)調(diào)及美化環(huán)境等作用，但是起效時(shí)間較長(zhǎng)，生態(tài)穩(wěn)定性完善較為困難。相對(duì)于利用喜旱蓮籽草 （Alternantheraphiloxeroides）、 鳳眼蓮（Eichhornia crassipes） 和金魚(yú)藻（Ceratophyllum demersum）等水生植物而言，水生蔬菜經(jīng)濟(jì)效益更高，生物量易于控制，不會(huì)污染和影響水體美觀。

3 富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化機(jī)理的研究

3.1 吸收作用

水生蔬菜與其他作物一樣，其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程也需要吸收大量的N、P等營(yíng)養(yǎng)元素。王旭明[4]試驗(yàn)表明，水蕹菜對(duì)污水中的N、P的去除率可分別達(dá)到87.36%，76.4%，效果明顯。水生蔬菜被采收或清除時(shí)，植株吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)一同從水體中輸出，從而實(shí)現(xiàn)凈化水體。

表1 凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體的水生植物研究頻率統(tǒng)計(jì)[3]

3.2 降解作用

水體中水生蔬菜在生長(zhǎng)的同時(shí)，也為微生物與微型生物提供了棲息場(chǎng)所。這些生物還能加速截留有機(jī)膠體和懸浮物分解礦化。比如，芽孢桿菌可以將有機(jī)磷和不溶磷均降解為無(wú)機(jī)的可被水生蔬菜吸收利用的可溶性磷酸鹽。水生蔬菜根系分泌物質(zhì)能促進(jìn)氮細(xì)菌、嗜磷菌的生長(zhǎng)，進(jìn)而間接達(dá)到提高凈化效率的作用。Reilly等[5]認(rèn)為，在N的去除中細(xì)菌的降解作用占主要地位。

3.3 吸附、過(guò)濾、沉淀作用

豆瓣菜、蕹菜等水生蔬菜在進(jìn)行浮水栽培時(shí)，能很快形成發(fā)達(dá)的根系，根系與水體接觸面積大，就能形成一道過(guò)濾層。當(dāng)水流過(guò)時(shí)，不溶性膠體會(huì)被根系粘附或吸附然后沉降，其中有機(jī)碎屑也能沉降。有學(xué)者研究認(rèn)為，內(nèi)源污染的主要原因就是水體中的有機(jī)碎屑[6]。同時(shí)，根系上附著的細(xì)菌在進(jìn)入內(nèi)源生長(zhǎng)階段后發(fā)生凝集，其中部分為根系所吸附，還有部分凝集的菌膠團(tuán)便將懸浮性有機(jī)物及新陳代謝產(chǎn)物沉降。

3.4 對(duì)藻類(lèi)的抑制作用

在水環(huán)境中，水生蔬菜和浮游藻類(lèi)在吸收利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和光能等方面有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，前者個(gè)體大、生命周期長(zhǎng)、吸收儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)鹽能力強(qiáng)，所以能間接抑制浮游藻類(lèi)的生長(zhǎng)[7]。

同時(shí)有些水生植物的根系還能分泌克藻物質(zhì)，也可以達(dá)到抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)的效果。研究試驗(yàn)表明，連續(xù)向銅綠微囊藻的生長(zhǎng)水中滴加荷花和睡蓮的種植水，對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)有明顯抑制作用，甚至使其細(xì)胞失去正常的光合作用的能力[8]。另外，在水生蔬菜的根際棲生的水蝸牛等動(dòng)物能以藻類(lèi)為食，減少水中藻類(lèi)的數(shù)量。

3.5 其他作用

水體內(nèi)種植水生蔬菜后，可減小風(fēng)浪擾動(dòng)，利于懸浮物質(zhì)沉降。在部分淺水湖泊，通過(guò)對(duì)水生蔬菜的收割或水生蔬菜植株殘?bào)w的沉積，部分生物營(yíng)養(yǎng)元素深埋入沉積物中，使其脫離湖泊內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)，進(jìn)入地球化學(xué)循環(huán)[9]。可以說(shuō)水生蔬菜的存在，非常有利于形成一個(gè)健康良好的水生生態(tài)系統(tǒng)，并且能夠在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)保持水質(zhì)的穩(wěn)定。

4 水生蔬菜對(duì)重金屬的富集作用

重金屬可以通過(guò)水體進(jìn)入蔬菜，并通過(guò)食物鏈危害人類(lèi)健康，尤其是鉛（Pb）、鎘（Cd）是動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育的非必需元素，在非常低的濃度下就會(huì)產(chǎn)生毒害作用[10]。水生植物對(duì)重金屬的吸收和富集有3種模式：①吸附在根的外圍；②轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)根系中；③通過(guò)根系繼續(xù)向上部運(yùn)輸。重金屬在水生植物體通過(guò)根系向上運(yùn)輸和富集就會(huì)影響植株的光合作用、呼吸代謝、滲透調(diào)節(jié)以及活性氧的平衡[11]。

植物的不同器官對(duì)重金屬的富集量有較大差異，根中重金屬富集量比葉高。吳玉樹(shù)等[10]研究發(fā)現(xiàn)，菱角各器官鉛富集量表現(xiàn)為沉水葉≥漂浮葉＞莖＞果實(shí)，說(shuō)明重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力十分有限。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，鉛進(jìn)入植物根部后，以微小的結(jié)晶體沉積于細(xì)胞壁上；還有報(bào)道稱(chēng)，一些重金屬元素可與細(xì)胞中過(guò)剩的非蛋白質(zhì)巰基結(jié)合，形成不溶性的絡(luò)合物，大部分被束縛在根中，很少向其她器官轉(zhuǎn)移[12]，這為在受一定程度重金屬污染區(qū)域種植水生經(jīng)濟(jì)作物減輕水體重金屬污染的同時(shí)確保其采收部位重金屬含量符合安全標(biāo)準(zhǔn)提供了理論依據(jù)。由文輝等[13]在Cu、Cd、Pb和Zn重金屬污染水域種植水芹菜、水蕹菜的研究結(jié)果表明，重金屬主要集中于植株根部，超出食用標(biāo)準(zhǔn)，而莖、葉中含量相對(duì)較低，符合安全使用標(biāo)準(zhǔn)。黃凱豐等[14]的研究也發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫濃度高達(dá)50 mg/L時(shí)，蔣野茭茭白肉質(zhì)莖Cd的殘留量仍未超標(biāo)，表明在適度重金屬污染區(qū)域種植某些耐性較強(qiáng)的水生蔬菜是可行的。但是茭白作為多年生植物，隨著生育期的延長(zhǎng)，其產(chǎn)品器官中的Cd殘留量呈明顯上升趨勢(shì)[15]。關(guān)于重金屬殘留量與種植年限的關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

表2 幾種水生蔬菜在長(zhǎng)江以南地區(qū)對(duì)污水的凈化期[2]

5 提高水生蔬菜凈化水質(zhì)效率的創(chuàng)新途徑

目前對(duì)有關(guān)超富集植物已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，科研人員試圖開(kāi)發(fā)“超富集植物傾向”的傳統(tǒng)植物。通過(guò)育種或轉(zhuǎn)基因技術(shù)把超富集性狀轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)速度快、適應(yīng)環(huán)境強(qiáng)的植物。從遏藍(lán)菜屬的Zn、Cd超富集植物淺蘭遏藍(lán)菜（Thlaspi caerulescens） 克隆到 Zn （Cd） 轉(zhuǎn)移蛋白ZNT1、ZNT2、ZNT4、ZNT5、ZTP1、ZNT1LC基因，F(xiàn)e 轉(zhuǎn)移蛋白IRT1G基因[16]，F(xiàn)e轉(zhuǎn)移蛋白IRT1G基因。但是目前將育種或轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用于植物修復(fù)的研究剛剛起步，成果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到應(yīng)用水平。

6 存在的問(wèn)題

6.1 水生蔬菜凈化周期

在冬季，大多數(shù)水生蔬菜枯萎死亡或生長(zhǎng)緩慢，可利用周期性明顯（表2），難以做到周年運(yùn)轉(zhuǎn)。植株殘?bào)w如果不及時(shí)清除，易引起二次污染，難以取得理想的凈化效果。

6.2 水生生態(tài)系統(tǒng)的重建與恢復(fù)

實(shí)踐表明，對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的治理，應(yīng)該在截污、清淤和引水沖污等方面利用工程性措施來(lái)控制外源污染的基礎(chǔ)上[17]，全面以高等水生植物為主修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，并維持水體自身的良性循環(huán)。

生態(tài)系統(tǒng)中在水生植被恢復(fù)方面，挺水、浮水植物的恢復(fù)相對(duì)難度較小，沉水植物因水體過(guò)深或水底缺少種植土壤，重建和恢復(fù)難度很大[18]。沉水植物能給水生動(dòng)物提供更多的生活棲息和隱蔽場(chǎng)所，增加水中的溶氧量，擴(kuò)大水生動(dòng)物的有效生存空間。沉水植物在水生生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)尤其是能見(jiàn)度和景觀營(yíng)造方面的作用日益受到重視。20世紀(jì)50年代云南滇池草海清澈見(jiàn)底，沉水植物覆蓋度為80%，全湖有豐富的漁產(chǎn)品，水質(zhì)達(dá)到地面水Ⅱ類(lèi)。如今，沉水植物幾乎已全部消亡，魚(yú)蝦基本絕跡，水質(zhì)為異常富營(yíng)養(yǎng)化的超Ⅴ類(lèi)水質(zhì)（GB 3838-2002）[19]。國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者[20，21]的研究結(jié)果表明，沉水植被恢復(fù)后，草海水質(zhì)明顯改善，透明度大大提高，魚(yú)類(lèi)蝦類(lèi)等水產(chǎn)動(dòng)物也重新出現(xiàn)。

因此，要想重建和恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)，僅僅依靠為數(shù)不多水生蔬菜植物是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而加快沉水植物的重建和恢復(fù)是湖泊治理和生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵，沉水、挺水和浮水植物從立體層次上合理配置后，再通過(guò)一系列的正反饋機(jī)制，才能真正達(dá)到抑制藻類(lèi)、改善水質(zhì)的目的。

6.3 產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題

利用水生蔬菜植物進(jìn)行水體治理，目的之一就是在對(duì)水體進(jìn)行改良的同時(shí)，能夠收獲水生蔬菜產(chǎn)品，發(fā)揮水生蔬菜的最大效益。但是，如何防止水體污染物對(duì)水生蔬菜產(chǎn)品的影響，值得研究，尤其是受污染水體中有害物質(zhì)濃度（主要是重金屬和農(nóng)藥殘留等）對(duì)水生蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量安全的影響程度。如何在保證水生植物凈化水體的同時(shí)，保障水生蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量安全和產(chǎn)量等，今后應(yīng)該重點(diǎn)研究。

總的來(lái)說(shuō)，相比其他物理化學(xué)及工程方法，利用水生蔬菜來(lái)治理富營(yíng)養(yǎng)化水體，除了成本低、能耗小、治理效果好、對(duì)環(huán)境的干擾小等優(yōu)點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢(shì)在于作物本身的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，因此利用水生蔬菜凈化水質(zhì)前景廣闊。

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