沉水植物對水體污染的修復效果研究進展

胡 昱，錢德雪，王利芬

（蘇州大學金螳螂建筑學院，江蘇蘇州 215000）

21 世紀以來，隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展、城市化持續(xù)推進和工業(yè)化規(guī)模擴大，面臨的各類環(huán)境污染問題日益突出，其中水體污染受到廣泛關注。與物理、化學方法治理水體污染相比，水生植物對水體的修復作用更加生態(tài)環(huán)保。因此，研究沉水植物對水體污染修復效果有著深遠的意義。

1 國內水體污染現(xiàn)狀

1.1 國內水體質量現(xiàn)狀

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部《2021 年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，2021 年在全國地表水監(jiān)測到的3 632 個水質斷面（點位）中，劣Ⅴ類水質占1.2%，Ⅰ～Ⅴ類水質分別占6.9%、49.2%、28.8%、11.8%、2.2%。雖然仍有部分地區(qū)的水質狀況較差，但是水體修復總體效果呈上升趨勢。我國長江流域、珠江流域、西北地區(qū)和西南地區(qū)的水質狀況為優(yōu)，遼河流域和海河流域的水質為輕度污染。隨著我國城市化進程加快與人口快速集中，導致部分地區(qū)尤其是城市對淡水的需求急劇增加。然而，目前我國城市污水集中處理率在40%左右，有超過86%以上的老舊城區(qū)河流流域存在多項污染物超標、水體黑臭化、嚴重富營養(yǎng)化、生態(tài)系統(tǒng)退化等問題[1]。水體污染一方面影響居住質量和生活需要，另一方面對使用污染水體的人體和動植物等生物造成不可逆轉的生理傷害。

1.2 國內水體污染類型

目前，對水體污染物的定義集中在對人體有無危害——即進入水體后使水體營養(yǎng)結構和理化性質發(fā)生危害人類變化的物質。我國常見的水體污染有以下幾類：第一類是因水體中氮、磷等營養(yǎng)鹽含量較高引起的水體富營養(yǎng)化。在人類日常生活中，生物生長必需的氮、磷等營養(yǎng)元素進入湖泊、河流、港口、海灣，在水流緩慢的水體中增加營養(yǎng)元素含量，引起該水域內藻類、浮游生物的大量繁殖，引發(fā)水體溶解氧下降，導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、礦場等地生產(chǎn)過程中隨著工業(yè)廢水排出，進入水體后無法被降解，也極難發(fā)生化學變化產(chǎn)生沉淀物質沉降在底泥中[2]，隨著食物鏈的富集作用，重金屬在較高等級生物體內積累，最終進入人體造成危害。第三類是由耗氧污染物造成的水體有毒有害有機物污染。這些有機物進行厭氧分解，導致水中溶解氧減少，產(chǎn)生H2S、NH3和有難聞氣味的有機物，使水質進一步惡化[3]，影響魚類和其他水生生物生長。第四類是富營養(yǎng)化水體中的藻類污染，近些年來由于水體富營養(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頻繁出現(xiàn)。第五類是由酸、堿、鹽等無機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，對水生生物會產(chǎn)生不良反應[4]。

2 沉水植物對水體的修復效果

沉水植物是指植物體全部位于水層下面進行生長發(fā)育進程的水生植物。在淡水生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結構中，沉水植物是許多藻類的競爭者，這對控制水體生物量、治理富營養(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]。隨著學者們對沉水植物凈化作用關注度的提高，沉水植物對水體修復作用機制逐漸成為研究熱點。

2.1 沉水植物對水體氮、磷的去除作用

水體富營養(yǎng)化是我國比較常見的一種水體污染現(xiàn)象，沉水植物可以吸收氮、磷等營養(yǎng)物質，降低水體富營養(yǎng)化程度。黃小龍等研究表明沉水植物是改善城市富營養(yǎng)化水體水質及生態(tài)環(huán)境的有效手段，沉水植物可有效控制內源負荷，有效降低水體中氮、磷的含量，同時抑制藻類的生長，減低水體營養(yǎng)化等級[8]。沉水植物通過對營養(yǎng)鹽的吸收，減緩營養(yǎng)鹽含量的升高[9]。沉水植物本身的生理生化反應，吸收了水體中的氮、磷形成自身結構中的核酸等，有效控制藍藻等的爆發(fā)[10]。沉水植物生長周期也較長，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、無機碳等含量。富營養(yǎng)化水域中沉水植物根際放氧會被迅速消耗，根際氧化區(qū)的形成減少了底泥中磷元素形成鐵-磷結合物，從底泥擴散到水體中，從而在一定程度上降低磷元素的外排，凈化了水質[11]。目前，對伊樂藻、苦草、金魚藻、菹草等沉水植物對水體修復效果研究比較多，部分植物對水體氮、磷起到了較為可觀的凈化作用，不同沉水植物對水體中總氮、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，也有學者探究了不同沉水植物組合對水體共同作用的凈化效果，如王文林等探究了菹草和伊樂藻群落對富營養(yǎng)化水體的修復作用[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水體的修復效果等[18]。

2.2 沉水植物對水體重金屬的吸附作用

目前我國的重金屬污染水體主要是指Hg、Cd、Pb、Cr、Ba等重金屬物質產(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，最后進入人體，在人體內與蛋白質及酶等發(fā)生強烈的相互作用，使其失去活性，當這些重金屬在人體中累積達到一定含量時，會造成人體慢性中毒，嚴重時導致死亡。沉水植物除了能夠對氮、磷等起到凈化作用之外，還能夠吸附并富集一些重金屬元素。經(jīng)過沉水植物修復的水體沉積物中，重金屬離子毒性減弱，對重金屬Cu、Mn 也有較大的吸收[19-20]。水生植物對重金屬的吸附效果遠不及其對有機物或營養(yǎng)鹽的吸收與利用，但可以定期對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，國內外已有不少學者對苦草、黑藻、金魚藻、狐尾藻等幾種沉水植物對水體重金屬離子Hg、Se、Cu、Cd和Mn的去除率進行了探索（見表1）[23-28]。

表1 幾種沉水植物對水體重金屬離子的去除率

2.3 沉水植物對有毒有害有機物的吸收作用

現(xiàn)有研究顯示沉水植物生長前期所處水體化學需氧量有所降低[29]，沉水植物從河流、湖泊底泥中吸收有機營養(yǎng)物供自身生長，同時也對部分小分子有機污染物有富集作用，通過促進物質的沉淀、微生物對物質的分解來凈化所處水體。通過吸收水體中的酚類、氰類污染物，沉水植物體內酶系統(tǒng)作用和生化作用對其進行轉化和分解，使其失去毒性，根系吸收的酚和氰，通過根際微生物的作用將其逐步分解、轉化。據(jù)Roxanne 等研究受TNT 污染地表水的植物修復技術，結果表明利用植物降解移除量可達100%[30]。據(jù)Perterson 等報道利用植物柳枝謖進行TNT 的降解和修復也是一條有效途徑[31]。Joseph 等學者研究發(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]。伊樂藻在6 d 內可以完全富集水環(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]，在治理有機污染物等有明顯的效果。Zhou 等[35]對金魚藻、輪葉黑藻、馬來眼子菜、狐尾藻、伊樂藻5 種沉水植物都可以不同程度地去除氟化物。

2.4 沉水植物對水體藻類大量繁殖的抑制作用

水體富營養(yǎng)化導致藍藻大量繁殖，嚴重影響水體生態(tài)系統(tǒng)健康。研究表明沉水植物對藻類生長有抑制作用，一方面可以通過與藻類進行礦物營養(yǎng)等競爭來對藻類生長產(chǎn)生抑制作用，另一方面可以向水中分泌抑制藻類生長化感物質從而影響藻類細胞生長[36-38]。不少學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對銅綠微囊藻進行了抑藻實驗[39]；劉輝對金魚藻和水綿針對銅綠微囊藻的抑制作用及機理進行了研究[40]；張勝娟從槐葉萍中提取到有效活性組分，對抑藻有著較好的效應[41]。

近年來，不少學者關注沉水植物對藻類的抑制作用，對植物分泌物質進行大量篩選以研究出有效萃取植物體內化感物質的方法，如酚類物質、萜類物質等。研究發(fā)現(xiàn)化感物質主要是通過降低藻類細胞內葉綠素a 的含量，破壞藻類正常的生長過程[42]，改變或裂解細胞膜結構[43]，降低酶活性[44]，破壞藻類細胞氧化還原反應鏈，甚至改變基因表達來抑制、殺死細胞，從而減少藍藻的生長。不同沉水植物通過產(chǎn)生不同種類的化感物質對水體中的藻類細胞產(chǎn)生影響，比起用物理和化學方法對水體中泛濫的藻類進行控制，具有更生態(tài)化、費用更少、副作用更小的優(yōu)點，為進一步研究沉水植物對藻類的抑制機制奠定基礎。

3 研究展望

目前，在沉水植物對水體修復效果的相關研究中，研究較多的都是沉水植物對氮、磷兩種水體富營養(yǎng)化代表性元素的吸收、凈化情況，對沉水植物品種選擇及重金屬吸附種類有一定局限性。對于如何將發(fā)揮凈化功能后的沉水植物進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，具有一定的實用價值、經(jīng)濟價值。針對沉水植物對水體中的不同污染物成分進行凈化的研究，主要的研究方法有文獻歸納法、實地調研法、生理生化實驗法等，針對沉水植物凈化作用的研究架構相對單一，而且主要是針對某些特定植物進行部分指標含量的研究及對所處水體的取樣研究，試驗所用植物是否對小、中、大不同體量的水域具有切實的效果還需要學者進行深入探究和實踐檢驗。

沉水植物可以不同程度地去除污水中的N、P、重金屬、有機污染物和抑制藻類泛濫，并且已廣泛應用于污水處理中。通過分析水體中N、P 等營養(yǎng)元素的吸收和分解機制，可以選擇不同的水生植物及其組合以適應不同的目標水體；也可以通過控制水生植物的數(shù)量來調節(jié)凈化能力，修復被污染的水體，維持水質。沉水植物凈化修復污水與其他物理、化學和工程方法相比，具有以下優(yōu)點：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疑為我國日益惡化的水環(huán)境提供了一種很好的生態(tài)治理方式，具有廣闊的市場和應用前景。