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水生植物对污染物的清除及其应用

2020-07-10 天景水生

人类的活动会使大量的工业、农业和生活废弃物排入水中，使水受到污染。水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类，基本上以化学性污染为主。具体污染杂质有无机污染物质、无机有毒物质、有机有毒物质、植物营养物质等。而对于这些污染物的清除中，水生植物起着非常重要的作用。水生植物指生理上依附于水环境、至少部分生殖周期发生在水中或水表面的植物类群。水生植物大致可区分为四类：挺水植物、沉水植物、浮叶植物与漂浮植物。而大型水生植物是除小型藻类以外所有水生植物类群。水生植物是水生态系统的重要组成部分和主要的初级生产者，对生态系统物质和能量的循环和传递起调控作用。它还可固定水中的悬浮物，并可起到潜在的去毒作用。水生植物在环境化学物质的积累、代谢、归趋中的作用也是不可忽视的。用水生植物来监测水生污染、对污染物进行生态毒理学评价及其进入生物链以后的生物积累、修饰和转运，对植物生态的保护和人畜健康方面有非常重要的意义。
1 水生植物对污染物的清除
1.1 水生植物对氮磷的清除
湖泊富营养化已成为一个世界性的环境问题。利用水生大型植物富集氮磷是治理、调节和抑制湖泊富营养化的有效途径之一。湖泊水环境包括水体和底质两部分，水体中的氮磷可由生物残体沉降、底泥吸附、沉积等迁移到底质中。对过去的营养状况的追踪表明，水生植物可调节温度适中的浅水湖中水体的营养浓度。而大型沉水植物则通过根部吸收底质中的氮磷，从而具有比浮水植物更强的富集氮磷的能力。沉水植物有着巨大的生物量，与环境进行着大量的物质和能量的交换，形成了十分庞大的环境容量和强有力的自净能力。在沉水植物分布区内， COD、BOD，总磷、铵氮的含量都普遍远低于其外无沉水植物的分布区。而漂浮植物的致密生长使湖水复氧受阻，水中溶解氧大大降低，水体的自净能力并未提高，且造成二次污染，影响航运。挺水植物则必须在湿地、浅滩，湖岸等处生长，即合适深度的繁衍场所，具有很大的局限性。
1.2 水生植物对重金属的清除
水生植物对重金属Zn、Cr、Pb、Cd、Co、Ni、Cu等有很强的吸收积累能力。众多的研究表明，环境中的重金属含量与植物组织中的重金属含量成正相关，因此可以通过分析植物体内的重金属来指示环境中的重金属水平。戴全裕在20世纪80年代初从水生植物的角度对太湖进行了监测和评价，认为水生植物对湖泊重金属具有监测能力。水生大型植物以其生长快速、吸收大量营养物的特点为降低水中重金属含量提供了一个经济可行的方法，例如可以通过控制浮萍的浓度使有机和金属工业废物的含量降低到最小。在室内实验中，浮萍可大幅度降低废水中的铁和锌，对锰的去除效率达100%。浮萍对重金属的富集程度超过了藻类和被子植物Azolla filliculoides，尤其是锌的富集系数很高，植株内的浓度比外面培养基内高2700倍。
1.3 水生植物对有毒有机污染物的清除
植物的存在有利于有机污染物质的降解。水生植物可能吸收和富集某些小分子有机污染物，更多的是通过促进物质的沉淀和促进微生物的分解作用来净化水体。农业污染是一种“非点状源”的污染，大多数农业污染物包括来自作物施肥或动物饲养地的氮磷以及农药等。对除草剂莠去津来说，它在环境中大量存在，小溪中一般为1～5 μg/L，含量较高时为20 μg/L，而靠近农田的区域达500 μg/L，甚至1 mg/L[18]。水生大型植物常生长在施用点附近，农药浓度很高，暴露时间很长，所以水生大型植物和浮游植物对于莠去津比无脊椎动物、浮游动物和鱼类更敏感。高等植物虽不能矿化莠去津，但可以用不同的途径来修饰。Zablotowics等[19]在研究藻类对伏草隆的降解中发现，纤维藻和月芽藻能使阿特拉津去烃基。衣、绿藻属也能降解阿特拉津。一种高忍耐性地衣的藻层比率的变化可显示出当地空气污染的变化。毒死蜱在伊乐藻和水体中的分布表明，水生植物可吸收有机成分并有将其从水生环境中去除的能力。金鱼藻对灭害威的吸着能力的研究中，生长活跃的小枝是老枝吸收的5倍。膜构造及其完整性好象是重要的决定因子。水生植物对RHC,DDT，PCBs残留的吸收和积累中，果实比植株，叶比根贮存更多。
1.4 水生植物与其他生物的协同作用对污染物的清除
根系微生物与凤眼莲等植物有明显的协同净化作用。一些水生植物还可以通过通气组织把氧气自叶输送到根部，然后扩散到周围水中，供水中微生物，尤其是根际微生物呼吸和分解污染物之用。在凤眼莲、水浮莲等植物根部，吸附有大量的微生物和浮游生物，大大增加了生物的多样性，使不同种类污染物逐次得以净化。利用固定化氮循环细菌技术，可使氮循环细菌从载体中不断向水体释放，并在水域中扩散，影响了水生高等植物根部的菌数，从而通过硝化-反硝化作用，进一步加强自然水体除氮能力和强化整个水生生态系统自净能力。这对进一步研究健康水生生态系统退化的机理及其修复均具有重要意义。
水生大型植物能抑制浮游植物的生长，从而降低藻类的现存量。在水生态环境中，水生高等植物对藻类的抑制作用较为明显。主要表现在两个方面：一是藻类数量急剧下降；二是藻类群落结构改变。水生植物与藻类在营养、光照、生存空间等方面存在竞争。除人工控制和低温等条件下，一般是水生植物生长占优势。
1.5 水生植物的其他净水（改善水质）功能
水生植物在不同的营养级水平上存在维持水体清洁和自身优势稳定状态的机制：水生植物有过量吸收营养物质的特性，可降低水体营养水平；减少因为摄食底栖生物的鱼类所引起沉积物重悬浮，降低浊度。水生植物的改善水质的功能，如稳定底泥、抑藻抑菌等，也具有重要的实践意义。氧气是一种非常重要的物质。水体富营养化引起的藻类水华造成水体透明度降低，饮用水质量下降。组织缺氧使大型植物退化，减少了水生植物多样性。海洋底层大陆架的缺氧，使海底生物大量死亡，给当地经济和人类生存带来了严重的威胁。沉水植物与沉积物、水体流动间有紧密联系。在生态系统中，它能起到提高水质，稳定底泥，减小浑浊的作用。
2 水生植物在污染治理中的应用
2.1 人工湿地
介质、水生植物和微生物是人工湿地的主要组成部分。其中的水生植物除直接吸收利用污水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外，还有输送氧气至根区和维持水力传输的作用。而且水生植物的存在有利于微生物在人工湿地纵深的扩展。污水中的氮一部分被植物吸收作用去除，同时可利用态磷也能被植物直接吸收和利用。通过对水生经济作物的不断收获，从而移出氮、磷等污染物。同时发达的水生植物根系为微生物和微型动植物提供了良好的微生态环境，它们的大量繁殖为污染有机物的高效降解、迁移和转化提供了保证。介质、水生植物和微生物的有机组合，相互联系和互为因果的关系形成了人工湿地的统一体，强化了湿地净化污水的功能[35]。
2.2 生物修复
生物修复是新近发展起来的一项清洁环境的低投资、高效益、应用方便、发展潜力较大的新兴技术。它利用特定的生物（植物，微生物或原生动物）吸收，转化，清除或降解环境污染物，实现环境净化，生态效应恢复的生物措施。对无机（主要是重金属）污染的生物修复主要是通过植物途径，又称植物修复，而对有机污染的生物修复则主要靠微生物的降解，吸收与转化等途径。虽然强调限制性排放，加强废物管理，然而随着人口的持续增长，工农业的迅速发展以及都市化的不断扩大，对水体的有机污染仍呈大幅度增长趋势。特别是近年来大量使用生物异源物，因抗性强，难以被微生物分解，使污染环境的恢复更加困难。
2.3 稳定塘
稳定塘法也叫生物塘、氧化塘，是通过人工控制生物氧化过程来进行污水处理的工艺，具有基建投资少、处理过程简单、易管理等特点，在中小型常规污水处理领域具有广泛的应用前景。它主要利用菌藻的共同作用处理废水中的有机污染物。稳定塘可用于生活污水、农药废水、食品工业废水和造纸废水等的处理，效果显著稳定。吴振斌等用综合生物塘系统处理城镇污水，结果发现COD、BOD、TSS、N、P等污染组分去除效率较高，细菌、病毒及诱变活性明显下降。在污水净化的同时，收获大量的水生植物及鱼，蚌等水产品。
2.4 水质净化
水质净化技术已成为养鱼工业可持续发展的瓶颈与筹码。20世纪80年代以来，已有利用浮游植物净化养殖污水的研究报道。但因藻水分离困难，使这种微藻净水模式在循环水养鱼系统中的应用受到限制。而大型植物则具有净化水质、节省能源和收获饵料的综合效果。高等水生植物对水环境中的污染物具有较强的吸收作用，其效能因植物种类及处理组合方式不同而异。高等水生植物净水效果的高低依赖于各自生理活性的增强（主要体现在酶活性的提高）。
2.5 湖泊治理与植被修复
沉水植物可以明显改善水体的理化性质。它的存在有效降低了颗粒性物质的含量，可改善水下光照条件，使透明度保持在较高水平，水体电导率也相对较低。水生植物还可以增强底质的稳定和固着。有人发现在热带地区，把水生植物和生物固定膜结合起来的处理系统在适宜的地带非常地适用。在比利时的佛来德斯的eekhoven水库，水生植物还被用于预过滤停滞水库的生物调节。在干燥气候下，两种高等水生植物Typha latifolia 和Juncus subulatus 都表现出较高的净化效率，其多孔性也有助于污水的过滤。

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