大型水生植物對(duì)污染水體的凈化作用和機(jī)理

1、大型水生植物對(duì)污染水體的凈化作用和機(jī)理屠曉翠1，蔡妙珍 2* ，孫建國 1(浙江師范大學(xué)初陽學(xué)院，金華 321004；浙江師范大學(xué)化學(xué) 與生命科學(xué)學(xué)院，金華321004)摘 要：大型水生植物在水污染治理中有著積極作用，能通過 (1) 物理的作用， 如植物根系會(huì)分泌含特殊的功能團(tuán)的有機(jī)物， 吸附、過濾和沉淀水中的化合物；(2)化學(xué)的作用，直接吸收和利用可利用態(tài)N、P,以及從周圍環(huán)境中交換吸附重金屬等； (3) 微生物的輔助作用達(dá)到凈化水質(zhì)的效果。因此大型水生植物將 成為很有前途的綜合處理污水的新生力量。關(guān)鍵詞：水體污染；大型水生植物；水體凈化；機(jī)理Abstract ：Macrophytes ha

2、ve positive roles in water pollution treatment . First, through physical functions, macrophytes can purge the polluted water. For example: The root of macrophytes c an excrete specialfunctiongroups which can absorb,filterand precipitate chemical compound of water. Second, throug h the function of ch

3、emistry, macrophytes absorb and utilize bioavailable N, P and exchange absorbtion heavy metals fr om the surrounding environment directly, etc. Third, through the auxiliary function of the microorganism , macrophytes can get the result of purifying water quality. So macrop hytes will become promisin

4、g force of comprehensive treatment sewage .Key words: water pollution ; macrophytes; water body purifi cation; mechanism近年來，隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，排入江河湖泊 的工業(yè)廢水和生活污水日益增加，而水處理設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后，引起了部分水 域環(huán)境的嚴(yán)重污染，富營養(yǎng)化的水域日益增多。工業(yè)廢水中一些具有“三致” 作用的難降解有毒有機(jī)污染物，因缺乏有效的處理方法，進(jìn)入水體后直接威脅 到人類的健康及其它生物的生存 1 。在污水處理中，傳統(tǒng)污染水處理方法如 生化二級(jí)處理法，

5、工藝成熟、處理效果理想，但建造、運(yùn)行、管理費(fèi)用過高； 化學(xué)法(如加入硫酸銅等)和換水法處理方法，雖然均有一定效果，但化學(xué)法 易產(chǎn)生二次污染，換水法不夠方便、經(jīng)濟(jì)，且僅適宜于小型水體。為了尋找高 效低耗的水污染處理技術(shù)， 20世紀(jì) 70年代，水生植物開始受到人們的關(guān)注。通常植物在生長過程中，能忍耐土壤中高濃度的污染物，植物的這種 抗毒性作用，為植物對(duì)土壤和水體中的污染物吸收和降解奠定了基礎(chǔ) 2 。水 生植物能吸收和富集水體中的有毒有害物質(zhì)， 并且在植物體內(nèi)的富集含量可以 達(dá)到污染物在水中濃度的幾十倍，幾百倍，甚至幾千倍以上，對(duì)水體的凈化起 到很好的作用。為此，本文就大型水生植物的生態(tài)功能進(jìn)行了概

6、括和分析，為科技工作者治理水體alliance20061111 發(fā)表于 >2006-11-8 8：5o：o4 H 全文評(píng)論引用推薦檔 案推給好友收藏到網(wǎng)摘2006-11-8大型水生植物對(duì)污染水體的凈化作用和機(jī)理(二)(接上)污染提供一些理論與依據(jù)1水生植物的含義1.1 水生植物的定義根據(jù)美國FICWD鑒別和描述管理濕地聯(lián)合手冊(cè)中的定義，水生植 物是指生長在水中或至少是由于水分充足而周期性缺氧的基質(zhì)上的任何大型 植物(包括水生植物或水生大型藻類)，尤其是在濕地和其它水生生境中的植 物3。1.2 水生植物的范圍大型水生植物主要包括水生維管束植物和高等藻類。具體可分為挺水、 浮葉、漂浮和沉水4

7、種類型4。挺水植物主要有蘆葦(Phragmitiscommunis Trin)、蓮(Nelumbo nuciferaGaertn.)、香蒲(Typha minima Funk.)、茭白(ZizaniaIatifolia Stapf)、菰(Ziza niacaduciflora) 等。漂浮植物主要為鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes Solms)、莼菜(Nymphoides peltata O.Kuntze)、大漂(Pistia stratiates L.)、水花生(Alternanthrraphiloxeroides)等。浮葉植物主要有兩棲蓼(Polygonum amphibium

8、 Linn.)、睡蓮 (Nymphaea albalinnaLinn.)、菱(Trapa quadrispinosa Roxb.spp.)、荷花(Nelumbo nucifera Gaertn )等。沉水植物的種類主要有菹草 (Potamogeton crispusLinn.)、水車前(Ottelia alismoides Pers.)、苦草(Velumbo nuciferaGaertn)、聚草(MyriophyllumspiatumL.)等。2大型水生植物的凈化機(jī)理水生植物凈化水體的特點(diǎn)是以大型水生植物為主體，植物和根區(qū)微生物共生，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，凈化污水，經(jīng)過水生植物直接吸收、微生物轉(zhuǎn)化、物

9、理 吸附和沉降等作用除去水體中的氮、磷和懸浮顆粒，并分解、吸收有機(jī)物，同 時(shí)對(duì)重金屬分子進(jìn)行吸收富集等。氮、磷被吸收后用以合成植物自身的結(jié)構(gòu)組 成物質(zhì)；對(duì)水生植物有毒害作用的某些重金屬和有機(jī)物則是脫毒后儲(chǔ)存于體內(nèi) 或在植物內(nèi)被降解。具體機(jī)理如下：2.1 吸附、過濾、沉淀作用覆蓋于濕地中的水生植物，使風(fēng)速在近土壤或水體表面降低，有利于水 體中懸浮物的沉積，降低沉積物質(zhì)再懸浮的風(fēng)險(xiǎn)，增加水體與植物間的接觸時(shí)間，同時(shí)還可以增強(qiáng)底質(zhì)的穩(wěn)定和降低水體的濁度 2。此外，在植物生長過 程中，根系也會(huì)向生長介質(zhì)中分泌出大量的有機(jī)物，這類分泌物中包含有大量 的有機(jī)酸和氨基酸等，而且根系表皮細(xì)胞由于進(jìn)行新陳代謝，

10、死亡后在微生物 的作用下分解為腐殖質(zhì)（胡敏酸、富里酸和胡敏素）等。這些分泌物和腐殖質(zhì)中 有一系列功能團(tuán)，如羥基（0H）、羧基（COOH）酚羥基、烯醇羥基以及芳環(huán)結(jié)構(gòu) 等，它們對(duì)含各種基團(tuán)的化合物均具有極強(qiáng)的吸附能力。如當(dāng)水葫蘆的根系接 觸到萘溶液時(shí)，溶液中的萘分子先經(jīng)過液相的外擴(kuò)散，隨后通過附著在根系表 面的液膜擴(kuò)散，甚至通過孔擴(kuò)散進(jìn)入到根系表面所形成的空隙中，最后吸附在 根系內(nèi)外表面的基團(tuán)上，當(dāng)這些基團(tuán)位置均被萘分子所占領(lǐng)后，由于萘為非極 性化合物，則溶液中的萘分子由于受到根系表面已吸附萘分子的排斥，便不能 吸附于根系表面，這就形成了水葫蘆根系對(duì)萘的單分子層吸附1。這使得水生植物根allia

11、nce20061111 發(fā)表于 >2006-11-8 8：49刃 H 全文評(píng)論引用推薦檔 案推給好友收藏到網(wǎng)摘2006-11-8大型水生植物對(duì)污染水體的凈化作用和機(jī)理（三）（接上）系與水體接觸面積很大，形成一道密集的過濾層，當(dāng)水流經(jīng)過時(shí)，不 溶性膠體會(huì)被根系粘附和吸附，水中的懸浮物則容易沉降下來，特別是將其中 的有機(jī)碎屑沉降下來。因此，浮葉植物的存在可大大降低水體中有機(jī)碎屑的含 量。與此同時(shí)，附著于根系的細(xì)菌菌體在進(jìn)入內(nèi)源生長階段后會(huì)發(fā)生凝集，一 部分也會(huì)為根系所吸附，一部分凝集的菌膠團(tuán)則把懸浮性的有機(jī)物和新陳代謝 產(chǎn)物沉降下來。2.2 吸收作用高等水生植物在生長過程中，需要吸收大量的N

12、 P、CO2和有機(jī)物等營養(yǎng)物質(zhì)，不僅它們的根部吸收沉積物中的營養(yǎng)鹽，還可通過莖葉吸收水中的 營養(yǎng)鹽。這對(duì)調(diào)節(jié)水體的pH溶氧乃至水溫，穩(wěn)定水質(zhì)，都有重要意義。2.2.1 對(duì)N、P的吸收大型水生植物直接吸收和利用可利用態(tài) N P,起到去N去P的作 用。它們直接從水底中吸收 N P,并同化為自身的結(jié)構(gòu)組成物質(zhì)（蛋白質(zhì)，核 酸等）2，當(dāng)水生植物被收割運(yùn)移出水生生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，大量的營養(yǎng)物質(zhì)也隨 之從水體中輸出，從而達(dá)到凈化水體的作用5。2.2.2 對(duì)重金屬和有機(jī)物的吸收和富集重金屬和有機(jī)物污染是當(dāng)今面積最廣、危害最大的環(huán)境問題之一。對(duì) 于此類污染物，水生植物生成了一套特殊的生理吸收機(jī)制。水生植物的根系能分

13、泌特殊的有機(jī)物從周圍環(huán)境中交換吸附重金屬。被吸附的重金屬離子通過質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑進(jìn)入根細(xì)胞，大部分金屬離子通過專一或通用的離子載體或通道蛋白進(jìn)入根細(xì)胞 6。吸收在根系內(nèi)的重金屬 主要分布在質(zhì)外體或形成磷酸鹽、碳酸鹽沉淀，或與細(xì)胞壁結(jié)合6。對(duì)重金屬的吸收，不同類型的大型水生植物的能力為：沉水植物漂浮植物挺水植物。 利用水生高等植物所具有的富集能力，從廢水中吸收重金屬離子，不僅能夠凈化水質(zhì)，還能夠?qū)σ恍┵F重金屬進(jìn)行回收利用。在的研究中，鳳眼蓮每克干物質(zhì)能吸收錳 1485g左右，鋅295g,鉛 185g 左右。對(duì)于有機(jī)物，植物

14、對(duì)它的吸收有著不同的代謝機(jī)制，如酚類進(jìn)入植物體后參與 糖代謝,和糖結(jié)合生成酚糖苷,或被多酚氧化酶和過氧化物酶氧化而解除毒性8。2.3微生物的輔助作用在污水處理系統(tǒng)中，微生物對(duì)各種污染物的降解起著很重要的作用， 在氮的去除過程中，盡管有植物的吸收，但硝化和反硝化作用仍是主要的去除 機(jī)制9。在大型水生植物系統(tǒng)中水生植物根際區(qū)域?yàn)槲⑸锎x提供了所需 要的微環(huán)境。大型水生植物通過植株枝條和根系的氣體傳輸和釋放作用，能將光合作用產(chǎn)生的氧氣或大氣中的氧氣輸送至根系，一部分供植物呼吸作用，一部分 通過根系向根區(qū)釋放，擴(kuò)散到周圍缺氧的環(huán)境中，在還原性的底泥中形成了氧 化態(tài)的微環(huán)境，加強(qiáng)了根區(qū)微生物的生長和繁

15、殖，促進(jìn)了好氧生物對(duì)有機(jī)物的 分解，并有助于硝化菌和反硝化菌的生長10，大量反硝化菌的存在，能利用 豐富的氮源和碳源，進(jìn)行強(qiáng)烈的反硝化反應(yīng)，最終一部分氨氮以氮?dú)獾男问饺?除11。根區(qū)以外則適于厭氧微生物群落的生存，進(jìn)行有機(jī)物的厭氧降解。因 此，盡管微生物起著直接的作用，但植物的作用也是不可缺少的，植物的生理 代謝活動(dòng)直接關(guān)系到污染物的降解8。例如，種植鳳眼蓮后，水體中可以增 加大量的異養(yǎng)細(xì)alliance20061111 發(fā)表于 >2006-11-8 8:48:30 H 全文評(píng)論引用推薦檔 案推給好友收藏到網(wǎng)摘2006-11-8大型水生植物對(duì)污染水體的凈化作用和機(jī)理（四）（接上）菌，而異

16、養(yǎng)細(xì)菌是主要的分解者之一，它的增加可以大大加速有機(jī)物 的分解。又如，某些水生植物的根際微生物以芽抱桿菌為優(yōu)勢(shì)菌種，而芽抱桿 菌具有很強(qiáng)的降解有機(jī)磷的能力，它們能將有機(jī)磷、不溶解磷降解為無機(jī)的、 可溶的磷酸鹽，從而使植物能直接吸收利用11。此外，水生植物的根系還可 分泌能促進(jìn)嗜磷、氮細(xì)菌生長的物質(zhì)，進(jìn)一步促進(jìn)氮、磷的釋放和轉(zhuǎn)化，從而 間接提高進(jìn)化率。2.4對(duì)有害藻類的抑制作用大型水生植物中的漂浮植物如鳳眼蓮等對(duì)水域中藻類的繁衍生長及 其結(jié)構(gòu)的抑制和破壞作用12，是水質(zhì)凈化的生物學(xué)基礎(chǔ)。一方面，大型水生植物和浮游植物在營養(yǎng)物質(zhì)和光能的利用上是競爭 者，前者個(gè)體大，它的存在削弱了光線到達(dá)水體的強(qiáng)度，

17、阻礙了植物覆蓋下的 水體中藻類的大量繁殖；又由于大型水生植物的生命周期比藻類長，吸收和儲(chǔ) 存營養(yǎng)鹽的能力強(qiáng)，死亡時(shí)才會(huì)釋放氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，因此，氮、磷在其體 內(nèi)的儲(chǔ)存比藻類穩(wěn)定8。例如在西湖小南湖區(qū)恢復(fù)生長聚草、茜草等水生植 物后，水質(zhì)明顯變好，透明度大大提高，與主體湖相比，浮游植物密度和葉綠素a大幅度下降13。另一方面，某些水生植物能產(chǎn)生化感物質(zhì)（如酚、生物堿等）抑制有害 藻類的生長。這些物質(zhì)能促進(jìn)或抑制其它個(gè)體或自體的生長。在高濃度的化感 物質(zhì)作用下，有些藻細(xì)胞體積增大，細(xì)胞內(nèi)油滴也增大，細(xì)胞顏色變淺，有些甚至變成白色，細(xì)胞結(jié)構(gòu)逐漸融解破壞14，生長受到了強(qiáng)烈的抑制。例如， 用石菖蒲或鳳

18、眼蓮的種植水培養(yǎng)藻類，可破壞藻類的葉綠素a，使其光和速率、細(xì)胞還原TTC能力顯著下降15。再如，在研究鳳眼蓮和蘆葦根系分泌物對(duì)柵 藻超微結(jié)構(gòu)及生長代謝的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，鳳眼蓮和蘆葦?shù)母抵袝?huì)分泌N-苯基-2-萘胺等化學(xué)物質(zhì)，對(duì)柵藻有明顯的克生作用，藻的數(shù)量逐步減少。柵藻生 長受影響后，細(xì)胞中葉綠體片層腫脹甚至解體，線粒體消失，質(zhì)膜、核膜受破 壞，光合放氧的速度明顯下降，SOD舌性受到嚴(yán)重抑制，可溶性蛋白的含量四 天后直線下降12。另外，水生植物根圈還會(huì)棲生著某些小型動(dòng)物，如水蝸牛，能以藻類 為食。3展望國內(nèi)外利用水生植物在水污染控制中的作用建立了許多污水處理系 統(tǒng)，主要有：漂浮植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)和沉水植物系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在應(yīng)用 過程中，具有投資低，能耗低，處理過程與自然生態(tài)系統(tǒng)相融性更大8等優(yōu)點(diǎn)。但是不同的水生植物對(duì)不同污染物的凈化機(jī)制效果不同，因此，根據(jù)各地 的具體情況進(jìn)行植物篩選和系統(tǒng)觀測(cè)研究，則是選擇理想物種，發(fā)揮植物最大 潛能的有效途徑。利用水生植物對(duì)污水的凈化作用對(duì)污染水體的修復(fù)過程，很 少有廢物和排放物產(chǎn)生，無疑為我國日益惡化的水環(huán)境修復(fù)提供了一個(gè)良好的 途徑，具有廣闊的市場和應(yīng)用前景2。但有些污染物被植物吸收后并不能被 植物分解吸收，這些污染物就會(huì)進(jìn)入食物鏈在生物間循環(huán)。如魚喜食菹草嫩枝 葉，被菹草富集的污染物沿食物鏈進(jìn)入魚體內(nèi)16