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水生植物对氮磷及重金属污染水体的净化作用

刘伸伸 张震 何金铃 马友华 胡宏祥 张春格

刘伸伸, 张震, 何金铃, 马友华, 胡宏祥, 张春格. 水生植物对氮磷及重金属污染水体的净化作用[J]. 浙江农林大学学报, 2016, 33(5): 910-919. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.05.025
引用本文: 刘伸伸, 张震, 何金铃, 马友华, 胡宏祥, 张春格. 水生植物对氮磷及重金属污染水体的净化作用[J]. 浙江农林大学学报, 2016, 33(5): 910-919. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.05.025
LIU Shenshen, ZHANG Zhen, HE Jinling, MA Youhua, HU Hongxiang, ZHANG Chunge. Purification effect of aquatic plants on nitrogen, phosphorus and heavy metal polluted water[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2016, 33(5): 910-919. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.05.025
Citation: LIU Shenshen, ZHANG Zhen, HE Jinling, MA Youhua, HU Hongxiang, ZHANG Chunge. Purification effect of aquatic plants on nitrogen, phosphorus and heavy metal polluted water[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2016, 33(5): 910-919. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.05.025

水生植物对氮磷及重金属污染水体的净化作用

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.05.025
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 31540051

安徽国土资源厅科技项目 2015-K-14

安徽国土资源厅科技项目 2013-K-06

安徽农业大学学科骨干培育项目 2014XKPY-48

详细信息
    作者简介: 刘伸伸,从事生态工程研究。E-mail:694376819@qq.com
    通信作者: 张震,副教授,博士,从事植物生态学和生态恢复等研究。E-mail:xjzhangzhen@163.com
  • 中图分类号: S7-05;X52

Purification effect of aquatic plants on nitrogen, phosphorus and heavy metal polluted water

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出版历程
  • 收稿日期:  2015-09-17
  • 修回日期:  2016-02-27
  • 刊出日期:  2016-10-20

水生植物对氮磷及重金属污染水体的净化作用

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.05.025
    基金项目:

    国家自然科学基金资助项目 31540051

    安徽国土资源厅科技项目 2015-K-14

    安徽国土资源厅科技项目 2013-K-06

    安徽农业大学学科骨干培育项目 2014XKPY-48

    作者简介:

    刘伸伸,从事生态工程研究。E-mail:694376819@qq.com

    通信作者: 张震,副教授,博士,从事植物生态学和生态恢复等研究。E-mail:xjzhangzhen@163.com
  • 中图分类号: S7-05;X52

摘要: 为了治理氮、磷浓度过高造成的水体富营养化和工业过程中产生的重金属污染问题,水生植物有去除效果较显著、易于获得、有良好景观改善作用等优势而被广泛地应用于水体净化中。通过文献查阅和野外调查,综述了不同生活型水生植物的常见种类,阐释了其对氮、磷及重金属等消减作用的机制和差异性表现。在此基础上,分析了水生植物在水体净化研究中存在的问题,并提出了研究展望。文章对于农业面源污染防治中水生植物的应用具有一定的指导意义和理论价值。

English Abstract

刘伸伸, 张震, 何金铃, 马友华, 胡宏祥, 张春格. 水生植物对氮磷及重金属污染水体的净化作用[J]. 浙江农林大学学报, 2016, 33(5): 910-919. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.05.025
引用本文: 刘伸伸, 张震, 何金铃, 马友华, 胡宏祥, 张春格. 水生植物对氮磷及重金属污染水体的净化作用[J]. 浙江农林大学学报, 2016, 33(5): 910-919. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.05.025
LIU Shenshen, ZHANG Zhen, HE Jinling, MA Youhua, HU Hongxiang, ZHANG Chunge. Purification effect of aquatic plants on nitrogen, phosphorus and heavy metal polluted water[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2016, 33(5): 910-919. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.05.025
Citation: LIU Shenshen, ZHANG Zhen, HE Jinling, MA Youhua, HU Hongxiang, ZHANG Chunge. Purification effect of aquatic plants on nitrogen, phosphorus and heavy metal polluted water[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2016, 33(5): 910-919. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.05.025
  • 中国环境问题较为突出,包括由氮、磷浓度过高所引起的水体富营养化和工业化工程中产生的重金属污染等。水体富营养化会影响水质,降低水的透明度,影响水中植物的光合作用,导致溶解氧的过饱和状态,从而对水生动物产生危害,严重时可导致鱼类大量死亡等[1]。由于重金属在水体中不能被微生物降解,当重金属在水体中积累到一定程度时就会对水生动植物和水体生态系统产生危害。当生物体内重金属含量达一定限度时,将出现生理受阻、发育停滞等受害症状,严重时导致死亡。目前,针对水体富营养化和重金属污染的治理主要有物理、化学和生物方法。水体富营养化的物理处理方法包括截污、调水冲污、膜过滤法及人工曝气等;化学方法主要是添加化学药剂和吸附剂以去除水中的悬浮物和有机质,如氧化法、非氧化法和物化法等;生物方法包括人工湿地、生物膜法、人工浮岛等[2-4]。水体重金属污染的物理处理方法有蒸发法、换水法和稀释法等;化学方法包括电解法和化学沉淀法等;生物方法有微生物絮凝法和生物吸附法等[5-7]。在处理富营养化和重金属污染水体时,传统的物理方法难以达到根治目的,如引水冲污和稀释的效果不能长期保持,且在缺水地区的可行性较差[2]。化学方法虽效果明显但易产生残留和造成二次污染,如沉淀和絮凝可应用于常规的污水处理,治理程度小的污染,对程度大的污染有一定的局限性[8]。生物方法主要通过利用微生物、水生动植物及其构成的生态系统对污染物进行迁移、转化和降解,达到水体净化的目的。相对于物理化学方法而言,生物方法具有处理效果好、能耗少、成本低和污染小等优点,能够与绿化环境及景观改善相结合,实现生态修复的最大效益。因此,利用生物方法修复受污染水体受到越来越多的关注。本文通过文献查阅与野外调查,整理了不同生活型水生植物的常见种类,阐释了其降氮除磷及消减重金属等的差异性表现,以期对农业面源污染防治提供理论依据。

    • 水生植物是指能够长期在水中正常生活并顺利繁殖下一代的植物,对水的依赖性较大,具有分布广、生长速度快、病害少等特点。根据水生生物的生态习性,一般分为4类,即挺水植物、漂浮植物、浮叶植物和沉水植物[9-10]

    • 挺水植物的根或地下茎生长于泥土中,下部或基部沉于水中,茎和叶绝大部分挺立水面。其茎秆一般直立,通气组织发达,能有效行使疏导作用。常见挺水植物有禾本科Gramineae的芦苇Phragmites australis,茭白Zizania latifolia,莎草科Cyperaceae的荸荠Eleocharis dulcis,荆三棱Scirpus fluviatilis,香蒲科Typhaceae的香蒲Typha orientalis,天南星科Araceae的菖蒲Acorus calamus及其他科的一些种类。

    • 漂浮植物的根沉于水中,但不接触基底,株体漂浮于水面。常见漂浮植物中蕨类植物占绝大多数,如浮萍科Lemnaceae浮萍Lemna minor,紫萍Spirodela polyrhiza,满江红科Azollaceae满江红Azolla imbricate,槐叶萍科Salviniacae槐叶萍Salvinia natans等,还有部分水鳖科Hydrocharitaceae的植物等[9-10]

    • 浮叶植物植株扎根基底、根状茎发达,无明显的地上茎或茎细弱不能直立,叶片漂浮于水面上。常见浮叶植物有睡莲科Nymphaeaceae睡莲Nymphaea tetragona,菱科Trapaceae菱Trapa bispinosa和龙胆科Gentianaceae莕菜Nymphoides peltatum等。

    • 沉水植物根茎生于泥中,整个植株沉入水中,具发达的通气组织。该类植物的有性繁殖部分可沉水、浮水或挺立于水面。常见沉水植物主要包括眼子菜科Potamogetonaceae的马来眼子菜Potamogeton wrightii和微齿眼子菜Potamogeton maackianus,金鱼藻科Ceratophyllaceae金鱼藻Ceratophyllum demersum,水鳖科Hydrocharitaceae的黑藻Hydrilla verticillata和苦草Vallisneria natans,茨藻科Najadaceae的大茨藻Najas marina,水马齿科Callitricheaceae,小二仙草科Haloragidaceae,轮藻科Characeae等植物。

    • 通过查阅文献和野外调查,发现55种水生植物在污水防控中经常使用(表 1)。其中,挺水植物有24种,漂浮植物9种,浮水植物8种,沉水植物14种。在这55种水生植物中,1年生草本植物有8种,多年生草本植物43种,多年生或稀1年生植物4种,无木本植物。沉水植物与浮叶植物中1年生草本数量多于挺水植物与漂浮植物。

      表 1  常见水生植物

      Table 1.  Analysis of common aquatic plants

      生态类型种名生活型实际应用
      挺水植物伞形科天胡荽属香菇草Hydrocotyle vulgaris多年生草本氮、磷污水
      水芹菜属水芹Oenanthe javanica多年生草本氮、磷污水,低浓度铅、铬
      小二仙草科狐尾藻属聚草Myriophyllum spicatum多年生草本氮、磷污水
      寥科寥属水寥Polygonum hydropiper1年生草本锰(超积累)、汞等
      苋科莲子草属喜旱莲子草Alternanthera philoxeroides多年生草本高氮污水,铜、铅和锌
      水蕹属水蕹属水蕹置Ipomoea aquatica多年生草本锌、铜、铬、镉和砷等
      千屈菜科千屈菜属千屈菜Lythrum salicaria多年生草本氮、磷污水
      禾本科芦苇属芦苇Phragmites australis多年生草本氮、磷污水,铜、锌、铅、铬、镉等
      菰属茭白Zizania caducjflora多年生草本氮、磷污水,铅、镉等
      芦竹属芦竹Arundo donax多年生草本氮、磷污水,铜、锌、铅、铬等
      天南星科天南星属水芋Calla palustris多年生草本氮、磷污水
      菖蒲属石菖蒲Acorus tatarinowii多年生草本氮、磷污水
      菖蒲A. calamus多年生草木氮、磷污水,镉富集强,铅、锌较弱
      鸢尾科鸢尾属鸢尾Iris tectorum多年生草本氮、磷污水
      黄菖蒲I.pseudacorus多年生草本氮、磷污水
      莎草科荸荠属荸荠Eleocharis dulcis多年生草本抑制藻类生长
      薦草属荆三棱Scirpus yagra多年生草本氮、磷污水
      水葱S. lacustris var. tabernaemontani多年生草本镉富集量高
      莎草属茳芏Cyperus malaccensis多年生草本氮、磷污水,铬、镉等
      风车草 C. alternifolius多年生草本氮、磷污水,磷去除率高
      纸莎草C. papyrus多年生草本氮、磷污水,适应性差
      泽泻科慈菇属慈菇Asarum sagittaria多年生草本氮、磷污水,铜、铅、锌等
      香蒲科香蒲属香蒲Typha orientalis多年生草本氮、磷污水,总氮去除率高,铬的去除
      灯芯草科灯心草属灯芯草Juncus effusus多年生或稀
      1年生草本
      铜、锌、铅、镉等
      漂浮植物天南星科大藻属大薸Pistia stratiotes多年生草本氮、磷污水
      雨久花科凤眼蓝属凤眼莲Eichhornia crassipes多年生或1
      年生草本
      氮、磷污水,锌、铅、汞、镉、铜等
      浮萍科浮萍属浮萍Lemna minor多年生草本氮、磷污水,硼、铬、铅、镉、硒等
      紫萍属紫萍Spirodela polyrhiza1年生草本富集硼、铬、镍、硒等
      满江红科满江红属满江红Azalla imbricate1年生草本氮、磷污水
      水鳖科水鳖属水鳖Hydrocharis asiaticus多年生或稀
      1年生草本
      铜、铅、锌等
      睡莲科莼属莼菜Nymphoides peltata多年生草本富集锌
      槐叶苹科槐叶苹属槐叶苹Salvinia natans1年生草本富集铬、镍、硒等
      柳叶菜科水龙属水龙Lussieua repens多年生草本氮、磷污水
      浮叶植物寥科寥属两栖寥Polygenum amphibium多年生草本锌净化能力较强
      菱属Trapa quadrispinosa1年生草本镉、铅等
      睡莲科莲属荷花Nelumbo nucifera多年生草本氮、磷污水,总氮去除率高
      睡莲属睡莲Nymphaea albalinna多年生草本氮、磷污水,铬、铜、锌等
      龙胆科莕菜属莕菜Nymphoides peltatum多年生草本氮、磷污水,锌、铜、铅、镍、铬去除率相对弱
      金银莲花N. indica多年生草本氮、磷污水
      柳叶菜科丁香寥属黄花水龙Ludwigia peploides多年生草本氮、磷污水,抑制藻类生长
      花蔺科水罂粟属水罂粟Hydrocleys nymphoides多年生草本低浓度氮、磷污水
      沉水植物水鳖科水筛属水筛Blxa japonica1年生草本砷、锌、铜、镉、铅等
      伊乐藻属伊乐藻Elodes canadensis多年生或稀1
      年生草本
      氮、憐污水,总氮去除率高,镉去除率好
      苦草属苦草Vallsnerria spiralis多年生草本铜、镉、锌、汞等
      黑藻属黑藻Hydrilla verticillata多年生草本氮、磷污水,砷、锌、铜、镉、铅等
      眼子菜科眼子菜属菹草Potamogeton crispus多年生草本氮、憐污水,总憐去除率高,铜、铅、锌等
      微齿眼子菜P. maackianus多年生草本氮、磷污水
      马来眼子菜P. malaianus多年生草本氮、磷污水
      篦齿眼子菜P. pectinatus多年生草本氮、磷污水
      泽泻科慈菇属矮慈菇Sagittaria pygmaea1年生草本铜、铅和锌等
      金鱼藻科金鱼藻属金鱼藻Ceratophyllum demersum多年生草本氮、磷污水,砷、锌、铜、镉、铅
      轮藻科轮藻属轮藻Chara vaillant多年生草本氮、磷污水
      茨藻科茨藻属大茨藻Najas marina1年生草本氮、磷污水
      小二仙草科狐尾藻属狐尾藻Myriophyllum sp.多年生草本氮、磷污水,锌、铅和铜
      大聚藻M. aquadcum多年生草本氮、磷污水,耐低温
    • 水生植物在生长过程中可直接吸收污水中的氮、磷等营养物质来维持自身生长发育,其根际为微生物的生存和营养物质的降解提供了必要场所和好氧、厌氧条件,有利于加速污染物的降解[11]。氮在水体中有2种存在方式:有机形态、无机形态,前者包括氨基酸、尿素、尿酸、嘌呤和嘧啶等,后者主要包括铵态氮(NH4+),亚硝酸盐(NO2-),硝酸盐(NO3-),一氧化二氮(N2O)及溶解于水中的氮气或其他氮元素[12]。植物主要通过氨化作用、硝化和反硝化作用、生物量同化等方式去除水体中的氮。当总氮进入水体后,先经过微生物的氨化作用转化为氨态氮,然后直接被植物吸收或挥发;铵态氮则通过硝化作用氧化成硝态氮才能被植物吸收利用[13]。一些根系发达的挺水植物,不仅可以大量吸收无机态的氮,还通过发生硝化与反硝化作用将水体中的氮转化成氮气逸出。水体中的磷主要包括元素磷、正磷酸盐、缩合磷酸盐和有机团结合的磷等,其存在形式主要为正磷酸盐,可溶性总磷(包括溶解有机态磷、溶解无机态磷)、颗粒态总磷(包括有机胶体结合磷、颗粒有机态磷和颗粒无机态磷)[14]。磷是植物生长必需的营养元素,植物庞大的网状根系促进了其对水中磷酸盐和滞留颗粒态磷的直接吸收,并合成自身所需的核酸、卵磷脂及三磷酸腺苷等,然后通过植物的收割而移除[15]。不同水生植物的生长特性和氮、磷吸收能力各异,因而其水质净化能力存在较大的差异。

    • 目前,挺水植物用于处理氮磷污染水体的实例较多,常见的有芦苇、菖蒲、香蒲、美人蕉、慈菇、千屈菜等。在氮磷去除效果上,香蒲、空心莲子草、千屈菜、野慈菇和黄菖蒲等对总磷的去除率较高,菖蒲则对总氮的净化效果良好。芦竹、金边石菖蒲和香菇草的氮磷综合去除效果较好。大聚藻、香菇草、水芹和美人蕉等水质净化能力良好,可作为氮磷去除的优选植物使用。汤显强等[16]对芦苇、香蒲等7种水生植物去氮除磷效果进行了比较分析,发现水葱、香蒲和芦苇可作为有效去除氮磷的北方人工湿地备选植物。金边石菖蒲和香菇草对总氮的去除率分别为86.22%和91.13%,对总磷的去除率分别为87.94%和92.09%,可作为人工湿地的首选植物[17]。在模拟的轻度、中度和高度富营养污水中,空心莲子草对磷的去除效果最佳(79.50%~94.00%)[18]。何娜等[19]研究发现,菖蒲和水葱对污染水体中的铵态氮具有较好的去除能力,香蒲对总磷的去除率最高,慈菇则对硝态氮的去除率最高。COOPER等[20]研究发现,种植有水烛和灯芯草的人工湿地中氮、磷的量分别比无植物的对照基质中的量低18%~28%和20%~31%。孙譞等[21]对12种挺水植物净化模拟污水的研究中发现,千屈菜对总磷的净化效果最好,菖蒲对总氮的净化效果为佳,综合考虑净化速率和最终净化率, 千屈菜、野慈菇和黄菖蒲对总氮、总磷的净化效果尤为突出。

    • 应用于处理氮磷污水的漂浮植物种类较少,主要有凤眼莲、大薸、浮萍等。其中,凤眼莲应用最为广泛,对氮磷的净化效果较为突出,优于大薸及浮萍等。浮萍对水体中磷的去除效果相对较差。何娜等[19]对大薸、凤眼莲等6种水生植物氮磷去除效果进行研究,表明6种植物都能较好地吸收水中营养物质,其中漂浮植物大薸、凤眼莲对氮磷的吸收贡献率明显高于挺水植物慈菇、菖蒲、香蒲和水葱吸收贡献率。在废水的净化效果上,凤眼莲对氮磷的去除效果优于石莲花和大薸[22]。另有研究表明,在高浓度氮磷污水中,与其他8种植物相比,凤眼莲对总氮和总磷的去除率均最高(分别为40.42%和69.58%)[23]。浮萍对水体中的氮也有一定去除作用,去除率达到58.17%[24]

    • 与漂浮植物类似,浮叶植物在处理氮磷污染水体中的应用也相对较少,主要有水罂粟、睡莲、莕菜等。水罂粟景观效果好,可在富营养程度较低的水体中单独应用,或与其他植物配合应用[25]。蔡佩英等[23]发现,在3种浓度模拟污水中,9种水生植物对总氮的去除率差异较大,荷花对总氮的去除率最高。叶月等[26]研究发现,菱角对富营养水体中总氮、总磷、化学需氧量的去除率分别为53.51%,33.86%和67.52%,水中溶氧量和透明度有较大增加,可有效改善富营养化水体的水质。另有研究表明,莕菜对水体中的氮也有一定去除作用,去除率可达64.43%[24]

    • 应用于氮磷污染水体的沉水植物主要有眼子菜科的菹草、马来眼子菜、微齿眼子菜,水鳖科的伊乐藻、黑藻,金鱼藻科的金鱼藻及小二仙草科的狐尾藻等。其中,金鱼藻、黑藻、轮叶黑藻去氮除磷效果较为突出。大聚藻、水芹和微齿眼子菜可用于冬季的富营养化水体净化,菹草适用于高富营养条件下对总磷的去除。金鱼藻对氮、磷的去除率分别达到62.70%和60.10%以上,眼子菜对总氮去除率为65.51%,对总磷去除率为85.87%[17-18]。与其他植物相比,大聚藻对总氮和总磷的净化增效较高,可作为冬季低温条件下生态净水工程的优选水生植物[27]。菹草-伊乐藻群落对总氮、铵态氮、总磷的去除率达50.7%,83.2%和32.0%,且能有效缓解菹草死亡对水质产生的不利影响[28]。5种能越冬的水生植物(伊乐藻、微齿眼子菜、竹叶眼子菜、石菖蒲和水芹菜)中,在不同的营养条件下,水芹和微齿眼子菜的脱氮除磷效果最好[29]。在总磷的去除效率上,轮叶黑藻>狐尾藻>金鱼藻,在总氮的去除效率上,轮叶黑藻>金鱼藻>狐尾藻,轮叶黑藻对水体中的氮磷去除效率最好,是一种很好的水体净化植物[30]。黑藻生长在水底,其根、茎叶全部与水接触,可以通过整株植物来吸收营养物质,因而对水体氮磷的净化能力较强[31]。在净化氮磷污染水体中,挺水植物和沉水植物的多数种类已被广泛应用于高浓度氮磷污水治理。除少数种类(凤眼莲等)外,漂浮植物和浮叶植物多用于氮磷污染程度低的水体净化。与浮水植物相比,挺水植物和沉水植物的生长量较大、根系发达且输氧能力较强。该2类植物能够将大量氧气输送至根部区域,有利于好氧微生物的呼吸,使得其根区细菌群落可以更好地与污染物发生相互作用[32-33]。在有挺水或者沉水植物为基础的生态系统,生化需氧量、化学需氧量、总氮和铵态氮都远低于以漂浮植物为基础的生态系统[34]

    • 水生植物对重金属污染水体的修复方式有:植物积累、植物挥发和植物固化等。为了适应水体中重金属的逆境胁迫,水生植物根系最先感应并迅速做出反应,通过分泌有机酸或植物螯合物(如植物螯合肽),使游离在根系周围的重金属离子发生螯合作用,根系具有的滞留效应可以帮助植物富集更多的重金属[35]。此外,植物根系分泌物也能直接或间接影响金属离子的迁移率和毒性,植物庞大的根区及其产氧作用为微生物生长提供了适宜的环境,也促进了污水中重金属的氧化和沉降[36-37]。目前,水生植物已广泛应用于重金属污染水体的生态修复。

    • 谢辉等[38]研究发现,水葱可以耐高质量分数镉和较广的pH值范围,其地上和地下部分镉富集量分别高达264.71 mg·kg-1和234.39 mg·kg-1。RAI等[39]发现,水蕹对铜、铬、镉和砷具有较好的蓄积能力。3种植物中,积累锌的总量大小顺序为茭白>美人蕉>灯心草,茭白积累锌的总量是灯心草的1.79倍[40]。在重金属污染地区,水芹地上部分锌质量分数为647.57 mg· kg-1,且富集系数为0.81,转运系数大于1[41]。水葱、菖蒲、芦苇均能有效吸收水体中的镉,对镉的去除最高分别可达10 074.17 mg·kg-1,14 759.33 mg·kg-1和4 620.00 mg·kg-1,可用作重金属镉污染水体的植物修复[42]。TÜRKER等[43]研究发现,硼在芦苇根区富集的质量分数为97.00~106.00 mg·kg-1,根区的质量分数范围是茎的2倍和叶子的4倍。AGUILAR等[44]在湿地种植香蒲属植物,在初始质量浓度高达30.00 mg·L-1的铬污水中,取得了非常好的效果,铬去除率达到99%。挺水植物种类繁多,已被广泛地运用于净化重金属污染水体。常见的有芦苇、菖蒲、灯芯草、水蕹、水葱及美人蕉等。其中,芦苇的重金属吸附能力较强,已较多地用于硼、铜、锌、铅、铬、镉等金属元素的去除。水葱、菖蒲对镉的富集系数较高,水芹和茭白则对锌、具有高积累能力。水蕹可用于铜、铬、镉和砷等重金属污染水体的净化。

    • 陈明利等[45]研究发现,凤眼莲与水蕹能明显去除污水中的锌与镉,对镉去除率可以提高65.30%,锌去除率可提高43.70%。NARAIN等[46]研究了采用凤眼莲去除铬的实验,在初始质量浓度为0.006 2 mg·L-1的条件下达到80.26%的铬去除率。在垃圾渗滤液中重金属的吸附研究中,浮萍对铬和铅的吸附率最大, 适用于铬与铅量高的重金属废水处理[47]。种云霄等[48]发现,在污染物的去除潜力上,除凤眼莲外,大漂、浮萍、紫萍、槐叶萍和满江红等都可大量富集污水中的金属元素。与挺水植物相比,应用于处理重金属污染水体的漂浮植物种类较少,主要有雨久花科的凤眼莲,其次为浮萍科的浮萍及天南星科的大薸等。其中,凤眼莲对锌、铬、镉、铅、锰的吸附效果较好,浮萍蓄积铬和铅的能力较佳。凤眼莲和大薸均适用于短期水体重金属汞、铅、镉、锌、铜等的复合污染。

    • CHOO等[49]研究表明,利用睡莲处理铬污染废水,发现其对1.00 mol·L-1铬去除率可达93%。KUMAR等[50]发现,在镉、铅质量浓度分别为0.11和0.71 mg·L-1的水体中,菱对这2种元素的蓄积分别可达13.05和87.75 mg·kg-1,表明菱对镉和铅有很好的蓄积能力,而莲则对铜和锌有很强的蓄积能力。浮萍已被公认为高潜力的硼积累品种,其对废水中的镉、砷也有较好的积累能力[51-52]。荇菜对镉和锌的耐受能力较小,耐受范围值分别低于0.50和1.00 mg·L-1[45]。将金银莲花植株置于质量浓度为16.00 mg·L-1的汞培养液中4 d,其根部受害程度达到8.1%[53]。与漂浮植物类似,应用于处理重金属污染水体的浮叶植物也较少,仅有菱、莲、浮萍及两栖蓼等。其中,菱对镉和铅吸附能力较强,浮萍对硼有较高的蓄积能力。荇菜的重金属吸附能力则较弱,莲适用于铜、锌、镉污染水体的生态修复。

    • 潘义宏等[54]研究发现,金鱼藻、黑藻、八药水筛、小眼子菜、穗状狐尾藻等5种水生植物同时对砷、锌、铜、镉、铅具有较强的吸收和富集能力,在重金属复合污染水体修复中潜力较大。彭克俭等[55]研究发现,龙须眼子菜对镉、铅有较强的吸收能力,当镉、铅处理液浓度分别为6.67和83.00 μmol·L-1时,其对镉、铅的生物累积量分别达496.00和10 800.00 mg·kg-1。KESKINKAN等[56]的研究表明,狐尾藻和金鱼藻能将重金属锌、铅和铜元素从溶液中移出,可用于从水体中去除重金属。水蓼对重金属铜表现出耐性特征,苦草、青葙、金鱼藻对铅、镉具有共富集特征[57]。不同的沉水植物对周围环境反应能力的大小各异,对重金属元素铜、镉、锌的富集能力顺序依次为菹草>黑藻>狐尾藻>苦草[58]。在沉水植物中,处理重金属污染水体应用较多的有苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻及眼子菜等。其中,龙须眼子菜对镉、铅的富集能力较强,轮叶黑藻适用于较高浓度铜污染水体的治理,伊乐藻对镉的抗性较大,可用于镉污染废水的生态修复。金鱼藻、狐尾藻等对砷、铜、镉、锌、铅具有较强的吸附能力,在修复重金属复合污染水体中潜力较大。由于水生植物的形态特征、生物学特性等不同,其对重金属的蓄积能力也有较大差异,沉水植物比其他生活型植物能更好的吸收和富集水体中的重金属[59-60]。因为沉水植物的表皮细胞没有角质层和蜡质层,可直接吸收水中的气体、水分及矿质营养,这些表皮细胞逐渐取代根的机能,根逐渐退化甚至消失[54]。当水体受到重金属污染后,沉水植物将依赖茎叶更多地吸收环境中的重金属元素。

    • 水生植物对富营养化和重金属污染水体具有良好的净化效果,加之材料易于获得且一般具有良好的景观提升作用,被日益广泛地应用到实际当中。水生植物对污染水体的净化机制仍将是当前富营养化和重金属污染水体生态修复的研究重点。为了进一步开展水生植物在农业面源污染防控中的应用研究,建议从以下几个方面开展相关研究:不同生活型植物对同一污染类型水体的净化能力存在较大差异。现有的研究多局限于单一生活型植物对污染水体的净化效果对比研究及简单的植物筛选,在水生植物的水体净化机制方面和不同生活型植物对同类型污染水体净化效果的对比研究相对较少。对于水生植物的水质净化效果研究多数集中于室内静水条件,非静水条件下的研究实例较少,且缺乏不同季节水生植物水质净化效果的对比研究。由于水体的氮磷和重金属污染具有复合性,因此,应加强对不同生活型植物的混合种植来治理氮磷及重金属复合污染水体的相关研究。

参考文献 (60)

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