狐尾藻在农业面源污水生态修复中的作用研究进展_赵文哲.pdf

狐尾藻在农业面源污水生态修复中的作用研究进展赵文哲，张 志，宋 颂，易 军，陈学军，夏宗良（河南农业大学生命科学学院，河南郑州；河南省生态环境科学研究院，河南郑州；河南省生态环境损害鉴定评估与修复工程技术研究中心，河南郑州）摘要 以种植业和养殖业为主的农业面源污染源造成土壤和水体污染日益加重，严重威胁我国农业和农村的环境质量安全。水生植物狐尾藻作为一种污染物富集植物，在农业农村污染水体生态修复和治理中具有广阔的应用前景。对狐尾藻的生理生态特性、重金属、氨氮和磷等富营养成分的吸收降解机制及其影响因素进行综述；同时，对今后狐尾藻在基因组学和生物技术育种方面的研究提出建议和展望，为进一步研究和利用狐尾藻进行污染生态修复提供科学依据。关键词 狐尾藻；污染水体；生态修复；富营养化中图分类号 文献标识码 文章编号（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，），；基金项目 河南省重大科技专项（）；河南省生态环境科学研究院基本科研业务费项目（）。作者简介 赵文哲（），男，河南郑州人，硕士研究生，研究方向：植物分子生物学。通信作者，教授，博士，博士生导师，从事植物抗逆分子生物学研究。收稿日期；修回日期 近年来，以种植业和养殖业为主的农业面源污染源造成土壤和水体污染日益加重，严重威胁我国农业和农村环境质量安全。农业面源污水中的重金属、氨氮和磷、有机物污染物等具有隐蔽性和累积性，可通过多种途径进入食物链，严重影响人类身体健康和生命安全。因此，进行农业面源污水修复是保障我国农业安全生产、实现乡村振兴和现代农业高质量发展亟待解决的重要问题。植物修复技术具有成本低、操作简便、适用性强、经济价值突出、美化环境等优点，在农业面源污染修复中广泛应用。杨林章等提出了农业面源污染防控“”技术（即“源头减量过程阻断养分再利用生态修复”）。等报道了采用绿狐尾藻构建一套农业农村污水生态治理技术体系，对控制农业面源污染水体具有显著效果。由此可见，狐尾藻作为一种污染物富集植物在农业农村污水生态修复和治理中具有广阔的应用前景。该研究综述狐尾藻的生理生态特性及重金属、氨氮和磷等吸收降解机制及其应用，为进一步研究和利用狐尾藻进行污染生态修复提供科学依据。生理生态特性狐尾藻属（）是被子植物门、双子叶植物纲、小二仙草科的水生植物，可以挺水或沉水生长，多年生，生长在在湖泊、河流、池塘、沟渠、湿地等环境中。狐尾藻属共包含约 个种，在世界范围内广泛分布。狐尾藻可以通过有性生殖形成种子进行繁殖，可以是雌雄同株，例如穗花狐尾藻（），也可以是雌雄异株，例如绿狐尾藻（）。狐尾藻最主要的繁殖方式是无性繁殖，其茎节处可以生根，在水中蔓延生长，茎部的断枝也容易再生出新的植株。狐尾藻好光喜温，在夏季快速生长繁殖，有一定的抵抗低温的能力。由于其快速繁殖的能力以及较好的适应性，狐尾藻在很多国家地区被列为入侵物种和恶性杂草。李裕元等在我国温带和亚热带的 个试验站对绿狐尾藻的适应性和竞争力开展研究，结果表明由于受越冬能力、本土水生植物的竞争以及天敌危害等因素的影响，绿狐尾藻在我国大范围的自然扩张比较有限。生态修复功能狐尾藻对污水中的多种成分具有很强的生态修复和净化能力。狐尾藻通过光合作用为污水中其他生物提供生长所需的有机物和溶解性氧气，还可以通过根部或茎叶吸收、利用污水中的氮、磷等营养物质。另外，镉、铬、铜等重金属被狐尾藻吸收后，也会贮存在体内。对有机污染物的降解 化学需氧量（）是指水体中需要被氧化的还原性物质的量，被作为衡量水中有机物质含量多少的指标。值越大，说明水体受有机物的污染越严重。等收集了排放城市污水的河流中的水样，分析了 条件下狐尾藻对水中有机物质的降解效果。结 安徽农业科学，（）：果表明，处理 后污水的 值显著下降，后 降低了，证明狐尾藻对污水中的有机物质具有明显的去除效果。研究表明，狐尾藻可以通过多种机制降解或去除污水中的阿拉特津、氟乐灵、去草净、噻草酮等有机污染物。吸附固定。狐尾藻发达的根茎可以在水中形成庞大的网状结构，对有机物进行吸附固定、防止其在水中扩散。促进微生物的降解能力。狐尾藻通过光合作用大大增加了水体中的溶解氧，进而促进了水体中分解有机物的微生物的快速繁殖和降解速率。降解后的有机营养成分还可以被狐尾藻等水生植物吸收利用，从而达到降解污水中有机污染物的目的。董文斌等对养殖场一五级的养殖废水进行去污效果检测，结果表明 后水样的 去除率均值可达，其中一级废水 去除率高达，五级废水 去除率达，显示出较强的去除有机污染物的效果。徐哲研究了深圳市丁山河上中下游 个由狐尾藻构建的人工湿地在污水厂尾水净化中的应用效果，结果表明，个湿地的污染物去除率达到，显示出狐尾藻湿地高效的生态修复效果。另外，绿狐尾藻和活性污泥（含有大量微生物）联用的污水处理系统，可以大大提高对污水中有机物的降解效果。水体富营养化的修复 水中氮、磷等营养物质过量导致水体被污染的现象称为水体富营养化。水体富营养化会影响水质，造成水的透明度降低，阳光难以穿透水层，对水中植物的光合作用产生影响，导致水中的溶解氧少，对水生动物危害极大，甚至导致水生动物死亡。水体富营养化此前大多使用物理法或化学法来治理，但是都存在投入大、治理不彻底的缺点。利用植物进行水体富营养化修复已经证实是一种环保有效的方式。狐尾藻对水体中的氮、磷的吸收利用能力较强，狐尾藻湿地可吸氮 （）和磷 （）（相当于 头和 头猪的排放量）。狐尾藻对铵态氮、硝态氮、总氮的吸收率都达到 以上，表明狐尾藻对氮的吸收去除效率效果非常显著。吴晓梅等检测了穗花狐尾藻在不同的水力停留时间对氮、磷的去除效果，结果表明随着水力停留时间的增加，狐尾藻体内氮、磷含量均呈现先增后减的变化趋势。肖顺明对狐尾藻的全株、根、茎、叶进行不同浓度下氮、磷的吸收速率的试验，结果表明狐尾藻对氮、磷吸收速率受氮磷浓度的影响，且对氮的吸收效率为磷的 倍。因此，狐尾藻对氮、磷的吸收和去除能力很强，很适合用于水体的富营养化修复。但要及时对狐尾藻进行打捞收割，防止狐尾藻枯萎后产生腐烂释放，造成水体的二次污染。对重金属的吸附 水体中重金属的污染一直是污水处理的难题。常见的重金属污染包括铜、镉、铅等污染。常规的清除方法主要依靠物理吸附、化学絮凝，电化学以及膜处理法等，工艺复杂、费用高，既不经济又容易引入新的污染。引入水生植物通过自身代谢吸附水体中的重金属，环保又高效，是当下非常有潜力的污水净化策略。研究表明，狐尾藻在清除水体重金属污染方面具有较大的潜力。穗花狐尾藻对镉、铬等重金属具有较强的生物吸附力，且受 的影响。当铬初始浓度为 时，具有最高的吸附效率；溶液中共存的钙离子对狐尾藻生物吸附镉的能力有竞争作用，提高浓度会影响镉的吸附；热力学计算表明穗花狐尾藻对镉的吸附属于吸热的自发过程，在一定镉浓度下，升温有助于提高吸附能力。穗花狐尾藻对铅也具有类似的吸附能力，通过模型计算表明穗花狐尾藻对铅离子具有最大的理论吸附量 ，铜离子和锌离子可以干扰铅离子的吸附；铅离子主要由于产生离子交换而被吸附，相较于钾离子和钠离子，二价钙离子与镁离子更容易发生交换；与对铬的吸附一样，同样影响穗花狐尾藻的吸附能力。此外，吴晓梅等研究表明，狐尾藻对于生猪养殖场沼液的铜离子和锌离子具有较好的富集能力，其中水力停留时间为 时可获得狐尾藻最大的沼液净化效率。总体来看，目前对狐尾藻吸收积累重金属的研究依然较少，尤其对其吸附积累金属或重金属离子的机制尚需要深入研究。狐尾藻生态修复的影响因素近年来，国内外学者对影响狐尾藻净化能力的环境因素进行了研究，主要包括温度、光照、等。温度 狐尾藻生长最适温度为 ，高温或低温会对其生态修复功能产生一定的影响。安娜研究发现高温条件下狐尾藻对氨氮的去除率达，对总氮的去除率达；低温条件下，对氨氮和总氮的去除率下降至。另外，低温环境下，狐尾藻需要 的适应期。总体来说，狐尾藻在高温条件下，可以维持净化和耐受的能力；在低温条件下，净化和耐受的能力会大大降低。光照 不同光照条件对植物的生长发育、物质代谢、光合作用等产生重要影响。狐尾藻的生长和净水效果也会受光照的影响，在不同光质的照射下，其生长发育、光合作用会受到影响，进而影响其对污水的净化效果。胡清泉等比较了红光、蓝光、白光和自然光 种光质条件下，狐尾藻的生物量、叶绿素含量和、氮磷的降解效率，结果发现在红蓝光 时生物量最高；在白光时叶绿素含量明显低于其他 种光质；在红蓝光 时狐尾藻对污水的降解效果最好，这表明光质对狐尾藻的光合能力及净化水体的效果有显著影响。桑雨璇等研究了 种光照强度对沉水植物菹草和狐尾藻 富 集 磷 的 效 果，结 果 发 现 菹 草 在 光 照 强 度 为 （）时的生长速率和水体磷富集能力显著高于光照强度为 （）时的情况，而狐尾藻的生长速率和富集磷的效率在 种光照强度下差异不显著。水生植物对水体 的反应较敏感，酸性条件会对水生植物产生毒害作用，造成根茎损伤甚至植株枯萎死亡。但是水体 也不宜过高，这同样会对水生植物造成不利影响。目前的研究表明，狐尾藻的生长和净水能力需要适宜的。李国新等研究了不同 条件下狐尾藻对重金属镉的吸附效果，并利用 模型进行了拟合分析。结果显示，低于 的强酸环境下狐尾藻的表面组织已经遭到破 卷 期 赵文哲等 狐尾藻在农业面源污水生态修复中的作用研究进展坏，不具备吸附重金属的能力；在 范围内镉吸附能力受 影响较大，其中 为 时理论吸附量最大。杨旻研究了 对狐尾藻去除不同形态氮的效果的影响，结果显示，在 为 的中性条件下狐尾藻对铵态氮、硝态氮具有最大的吸收速率和亲和力，并且对铵态氮、硝态氮和总氮的去除能力最强；在弱酸和弱碱的条件下虽具有一定的吸收能力，但有所减弱。这表明狐尾藻对水体中不同物质的吸收和降解可能具有不同的最适宜。展望狐尾藻对农村农业污水中的氮、磷等富营养成分及重金属等有毒物质具有较强的吸附吸收作用，通过植物收获可以彻底去除污染物，并回收氮磷等富营养物质，在农业面源污染的生态修复中具有很好的推广应用前景。目前在狐尾藻的生理生态特性及生态修复机制研究取得了较好的进展，今后还需要从以下方面进行深入系统的研究。加强狐尾藻的基因组学和抗性育种研究 狐尾藻好光喜温，夏季生长繁殖较快，但到了冬季气温降至 以下，许多狐尾藻植株的水上部分出现冻害，严重影响狐尾藻的生长。随着基因组学和现代分子生物学技术的发展，有望通过现代生物技术培育耐寒狐尾藻新品种。因此，今后需要加强狐尾藻基因组学领域的基础研究，为新品种的培育提供理论支撑。加强狐尾藻与附生微生物互作机理的研究 微生物菌群附着在水生植物茎、叶和根生物膜上，对湿地污染物的去除具有重要作用。狐尾藻和附生微生物之间复杂的相互作用，及其对氮、磷、重金属等吸收、吸附、去除的作用机理还需要进一步的研究。加强狐尾藻的栽培管理和资源化利用研究 针对狐尾藻湿地生态修复技术体系需求，完善配套栽培和病虫害防治等技术措施，加强绿狐尾藻湿地的采收、维护及资源化利用等相关配套装备的研发，从而加快该技术成果在环保领域的推广应用。参考文献 ，（）：孙宏，李宁，汤江武，等狐尾藻在养殖污水净化中的作用原理及相关应用进展中国畜牧杂志，（）：，：，（）：，：，：，：，：张维理，武淑霞，冀宏杰，等中国农业面源污染形势估计及控制对策 世纪初期中国农业面源污染的形势估计中国农业科学，（）：，：杨林章，施卫明，薛利红，等农村面源污染治理的“”理论与工程实践：总体思路与“”治理技术农业环境科学学报，（）：，：，：，（），（）：，（），（）：洪亚萍外来种粉绿狐尾藻在全球变化背景下的入侵性研究武汉：武汉大学，李裕元，李希，吴金水，等绿狐尾藻区域适应性与生态竞争力研究农业环境科学学报，（）：，：，（），：（），（）：董文斌，何铁光，蒙炎成，等狐尾藻对养殖废水的减控去污效果南方农业学报，（）：徐哲绿狐尾藻在污水厂尾水水质净化改善中的应用效果研究长沙：湖南农业大学，：厉金炳，徐小燕，袁金钱，等利用狐尾藻综合治理规模养殖场污水的原理及效果分析浙江畜牧兽医，（）：吴晓梅，叶美锋，吴飞龙，等狐尾藻净化生猪养殖场沼液的研究农业环境科学学报，（）：肖顺明不同氮、磷浓度对绿狐尾藻生长及氮、磷吸收的影响研究长沙：湖南农业大学，李国新，薛培英，李庆召，等 对穗花狐尾藻吸附重金属镉的影响环境科学研究，（）：，：李国新，陈国元，李青松，等穗花狐尾藻对镉的生物吸附特性研究安全与环境学报，（）：李国新，颜昌宙，赵超，等穗花狐尾藻铅吸附特征与机理环境科学研究，（）：吴晓梅，叶美锋，吴飞龙，等狐尾藻对生猪养殖场沼液、的富集与净化效果福建农业学报，（）：安娜狐尾藻生物膜强化稳定塘处理养殖废水工艺优化石家庄：河北科技大学，胡清泉，沙茜，杨仁灿，等不同 光质对狐尾藻生长及畜禽养殖污水净化效率的影响湖北农业科学，（）：桑雨璇，杨珈乐，熊怡，等不同光照和磷水平下两种沉水植物磷富集和钙磷含量的比较环境科学，（）：杨旻 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