中国外来入侵水生植物及其在污染水体生态修复中的应用进展.pdf

植物资源与环境学报 ():综述.收稿日期:基金项目:国家重点研发课题()江苏省自然科学基金青年基金项目()作者简介:崔 键()男河南信阳人博士研究员主要从事水生植物资源高效利用与生态环境修复研究通信作者:.引用格式:崔 键 彭 颖 周 阳 等.中国外来入侵水生植物及其在污染水体生态修复中的应用进展.植物资源与环境学报 ():.中国外来入侵水生植物及其在污染水体生态修复中的应用进展崔 键 彭 颖 周 阳 钱燕萍 李金凤 李 健 赵淑颖 姚东瑞.江苏省中国科学院植物研究所(南京中山植物园)江苏省植物资源研究与利用重点实验室 江苏 南京.南京晓庄学院环境科学学院 江苏 南京 .江苏大学环境与安全工程学院 江苏 镇江.江苏开放大学环境生态学院 江苏 南京 摘要:随着社会经济与工农业的快速发展以及人类活动加剧外来生物以及以氮、磷为主的富营养化和重金属、有机物等污染物正不同程度威胁中国水生态安全、生物多样性及国民经济高质量发展 相对价格高、工程量大和二次风险高的物理和化学措施以水生植物为核心的生物生态法在水生态修复中备受青睐和广泛应用 中国外来入侵水生植物物种多虽然这些物种入侵程度不同但其分布相对集中在东部平原区和云贵高原区 过去 年来中国在防控外来入侵水生植物的同时 挖掘凤眼蓝 (.).、喜旱莲子草 (.).和大薸(.)等在污染水体生态修复方面的功能和实际应用取得了一定进展发现外来入侵水生植物在不同水体和不同污染物类别间有一定的修复差异且部分物种表现出与本土植物间的比较优势对水体污染物的去除机制主要包括植物吸收与同化、根系分泌物与根际微生物互作以及植物降解与挥发等 本文全面梳理了中国外来入侵水生植物物种及地理分布分析了凤眼蓝、喜旱莲子草和大薸等典型外来入侵水生植物修复污染水体的效果与机制指明外来入侵水生植物的重要研究方向认为未来在利用外来入侵植物进行水生态修复时应兼顾防控和资源高值化综合利用及科普教育的协同工作关键词:中国外来入侵水生植物 富营养化 重金属 有机污染 生态修复中图分类号:.文献标志码:文章编号:():./.(.).():.植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷 .(.).(.).:水生态系统具有重要的生态、社会经济、文化和美学价值而水生植物在水生态系统和各营养级的相互作用中起着核心作用是生态系统健康的指示物种 随着中国社会经济和工农业的快速发展水环境和生态功能受到富营养化、重金属和有机污染等威胁影响了生物多样性和人类健康 亟需采取有效的修复措施使受损的水生态系统恢复到健康状态目前水生态修复措施主要包括物理、化学和生物修复具有成本低、原料来源广泛、生态环境效益好等优点的水生植物修复是一种典型的生物修复手段用于水生态修复的水生植物除了具有生长快、生物量产量高、生物量积累和吸收能力高以及对污染物耐受性强等特点还需其资源兼顾饲料、肥料、化妆品、治疗剂、生物吸附剂、生物燃料和食品等 种或多种功能过去的几十年里由于气候变化、国际货物交流密切、土地利用变化、水文改变、鸟类迁徙等原因包括水生植物在内的生物入侵速度显著加快并对当地生态系统产生一定的入侵风险如通过资源竞争降低原生大型植物和浮游植物的生物量和多样性减少溶解氧含量进而引起浮游动物的生物量和多样性降低改变其他营养级生物(例如底栖无脊椎动物和微生物)的群落结构影响碳周转和养分循环过程威胁水生态系统服务功能、区域经济高质量发展和人类福祉 中国地域辽阔自然地理特征多样为来自世界各地的植物提供了丰富的栖息地 据统计中国外来水生植物有 种其分布区面积约占中国陆地总面积的/中国当前有关外来入侵水生植物的研究多集中在其生态安全风险评估和防控措施上 实际上外来入侵水生植物在中国污染水体修复中也发挥了一定作用如凤眼蓝(.).尽管每年因打捞耗费 亿至 亿元但每公顷凤眼蓝可消纳 人排出的氮、磷同时可以富集和吸收重金属以及降解农药和抗生素等并已成功应用于生活污水、养殖废水、工业废水、地表径流以及富营养化河流和湖泊等水体的生态修复随着中国社会经济和工农业的发展以及人类活动加剧水体中污染物呈现多元化如以氮、磷为主的富营养化以及重金属污染和抗生素等有机污染 一些学者尝试利用更多外来入侵水生植物进行生态修复 相关生态修复效果与机制的研究虽然历时较长但仍相对零散、缺乏系统性 本研究通过系统梳理中国外来入侵水生植物物种与空间分布、典型外来入侵水生植物在污染水体修复中的效果与机制提出未来外来入侵水生植物的防控和相关水生态修复的重要研究方向以期为水体外来物种入侵防治及水生态精准修复提供支撑助力水生态功能与安全第 期崔 键 等:中国外来入侵水生植物及其在污染水体生态修复中的应用进展 中国外来入侵水生植物物种与空间分布 据统计中国共有外来水生植物 科 属种 总体上看受气候、地理格局、城市化进程及进出口贸易等因子影响中国福建、广东、广西、贵州、海南、湖南、江苏、江西、安徽、云南、浙江、上海、香港、澳门和台湾等地区外来入侵水生植物分布最广泛主要外来入侵水生植物按入侵等级可分为级(恶性入侵类)、级(严重入侵类)和级(局部入侵类)级包含的种类己入侵 个省(直辖市、自治区)占中国省(直辖市、自治区)总数的.(表)由表 可见:级有大薸(.)、凤眼蓝、喜旱莲子草 (.).和互花米草(.)种 前 种在福建、广东、广西、贵州、海南、河南、湖北、湖南、江苏、江西、山东、四川、云南、浙江、上海、重庆、香港、澳门和台湾均有分布大薸在安徽、天津和西藏也有分布凤眼蓝在河北、陕西和山西也有分布喜旱莲子草在河北、安徽、甘肃、辽宁、青海、陕西、山西、北京和天津也有分布互花米草在福建、广东、广西、海南、江苏、山东、浙江、上海、香港、澳门、台湾、辽宁和天津有分布 级有粉绿狐尾藻(.).、巴拉草 (.).和大米草(.)种这 种在福建、广东和海南均有分布粉绿狐尾藻在湖南、台湾、江苏、浙江、云南、江西、湖北、河南和安徽也有分布巴拉草在湖南、台湾、澳门和香港也有分布大米草在江苏、浙江、澳门、广西、天津、辽宁和山东也有分布 级 有 水 蕴 草 ()、伊乐藻(.)、水盾草 表 中国主要外来入侵水生植物物种、入侵等级及分布地 种类)分布地 大薸 福建广东广西贵州海南河南湖北湖南江苏江西山东四川云南浙江上海重庆香港澳门台湾安徽天津西藏 凤眼蓝 福建广东广西贵州海南河南湖北湖南江苏江西山东四川云南浙江上海重庆香港澳门台湾河北陕西山西 喜旱莲子草 福建广东广西贵州海南河南湖北湖南江苏江西山东四川云南浙江上海重庆香港澳门台湾河北安徽甘肃辽宁青海陕西山西北京天津 互花米草 福建广东广西海南江苏山东浙江上海香港澳门台湾辽宁天津 粉绿狐尾藻 福建广东海南湖南台湾江苏浙江云南江西湖北河南安徽 巴拉草 福建广东海南湖南台湾澳门香港 大米草 福建广东海南江苏浙江澳门广西天津辽宁山东 水蕴草 福建安徽广东湖南湖北浙江江苏江西广西云南重庆贵州四川台湾辽宁 伊乐藻 福建安徽广东湖南湖北浙江江苏江西广西云南重庆贵州四川上海陕西山西河南 水盾草 福建安徽广东湖南湖北浙江江苏江西广西云南重庆台湾上海北京 南美天胡荽 福建安徽广东湖南浙江江苏江西台湾上海澳门 细叶满江红 湖南江苏浙江云南台湾河南 槐叶蘋 福建广东浙江江苏台湾香港海南 ):入侵等级 .:恶性入侵类 :严重入侵类 :局部入侵类 .植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷(.)、南 美 天 胡 荽(.)、细叶满江红(.)和槐叶蘋 (.).种水蕴草、伊乐藻和水盾草在福建、安徽、广东、湖南、湖北、浙江、江苏、江西、广西、云南和重庆均有分布水蕴草在贵州、四川、台湾和辽宁也有分布伊乐藻在贵州、四川、上海、陕西、山西和河南也有分布水盾草在台湾、上海和北京也有分布南美天胡荽和槐叶蘋在福建、广东、浙江、江苏和台湾均有分布南美天胡荽在安徽、湖南、江西、上海和澳门也有分布槐叶蘋在香港和海南也有分布细叶满江红在湖南、江苏、浙江、云南、台湾和河南有分布 随着以生物生态法为核心的水生态修复的不断深入外来植物南 美 天 胡 荽 和 扁 叶 慈 姑 (.).因其适应性强根系生长裂变速度极快在华南及长江中下游地区开始定殖、扩散此外南美天胡荽和扁叶慈姑已被美国、澳大利亚、南非和欧洲部分国家列为有害植物但扁叶慈姑在中国尚未被列入有害植物名录南美天胡荽虽然属于级却未被足够重视 由于南美天胡荽入侵能力强如果不采取有效防治措施极易在长江中下游地区泛滥成灾 因此应进一步加强对南美天胡荽和扁叶慈姑等外来水生植物的风险管控根据外来入侵物种危害程度中国分别于 年、年、年、年分 批发布了中国外来入侵物种名单其中凤眼蓝、喜旱莲子草和互花米草第 批入选大薸和水盾草分别在第 和第 批入选 为进一步加强外来物种管控和区域生物多样性的营建与维持 年中国又发布了重点管理外来入侵物种名录凤眼蓝、喜旱莲子草、互花米草、大薸和水盾草 种入选 由于互花米草集中分布在中国滨海地区对其研究主要集中在生理生态、种群作用、生态系统影响和防控措施方面较少将其应用在区域水生态修复中 因此本研究以凤眼蓝、喜旱莲子草、大薸和水盾草为典型外来入侵水生植物物种综述其在中国水生态修复中的研究进展 中国典型外来入侵水生植物对污染水体的生态修复效果.对富营养化水体的修复效果随着人类活动加剧氮、磷等营养元素大量进入水体导致水体富营养化和藻华等对水生态环境产生较大危害 与本土植物相比外来入侵水生植物由于其高适应性和超富集能力往往表现出更高的营养去除效率 已被广泛应用于富营养化水体的净化 然而由于水体污染成因、水生植物自身的生物学和物候特性以及修复时长等差异外来入侵水生植物对氮、磷具有一定选择性呈现不同的修复效果(表)且与本土植物间存在差异 由表 可见:多数研究集中在凤眼蓝和大薸喜旱莲子草次之而水盾草则鲜见报道 在不同富营养化水体中凤眼蓝对总氮、总磷的去除率分别为.和喜旱莲子草和大薸对总氮的去除率分别为.和.对总磷去除率分别为.和 刘盼等对凤眼蓝和大薸的研究发现富营养化程度相同时大薸对总氮和总磷的去除率(分别为.和.)优于凤眼蓝(分别为.和.)蔡 佩 英和 舒柳比较了凤眼蓝和喜旱莲子草对污水的修复效果发现凤眼蓝对总氮和总磷的去除优势明显去除率分别为.和.高于喜旱莲子草(分别为 和.)杜兴华等研究了凤眼蓝、喜旱莲子草和大薸对围隔养鱼尾水的净化效果发现 种植物对总氮和总磷的去除率分别为.和.其中对总氮的去除率由高至低依次为大薸、喜旱莲子草、凤眼蓝对总磷的去除率由高至低依次为凤眼蓝、大薸、喜旱莲子草 与本土植物相比 大薸对总氮和总磷的去除率分别较黑藻 (.)低.和.个百分点喜旱莲子草对总磷的去除率(.)高于灯芯草(.)(.)和 金 鱼 藻(.)(.)凤眼蓝对总磷的去除率()低于菹草(.)()、金鱼藻()和竹叶眼子菜()()而优于菖蒲(.)和睡莲()总体上看凤眼蓝和大薸适于水体富营养化尤其是地表水环境质量标准()中劣 类水(总氮浓度大于 或总磷浓度大于.)的修复由表 还可见:就水体类型而言已有研究中模第 期崔 键 等:中国外来入侵水生植物及其在污染水体生态修复中的应用进展 表 中国典型外来入侵水生植物对富营养化水体的修复效果)水体类型(污染物浓度)()/)去除率()()文献凤眼蓝 景观水 (.)(.)(.)生活污水 (.)(.)(.)模拟富营养化水 (.)(.)(.)模拟富营养化水 (.)(.)(.)模拟富营养化水 (.)(.)(.)模拟富营养化水 (.)(.)(.)模拟富营养化水 (.)()()模拟富营养化水 (.)()()模拟污水 ()(.)(.)模拟污水处理厂尾水 ()(.)()巢湖烔炀湿地水塘水样 (.)(.)()富营养化湖水 (.)()()()蛋鸭养殖废水 (.)(.)(.)中华鳖养殖废水 (.)()()围隔养鱼尾水 (.)(.)(.)喜旱莲子草 生活污水 (.)()模拟污水 ()(.)(.)模拟污水 (.)(.)(.)围隔养鱼尾水 (.)(.)(.)大薸 模拟富营养化水 (.)(.)(.)模拟富营养化水 (.)(.)(.)模拟污水处理厂尾水 ()(.)()模拟富营养化水 (.)(.)(.)畜禽废水 (.)(.)(.)奶厅废水 (.)(.)(.)围隔养鱼尾水 (.)(.)(.)水盾草 模拟富营养化水 (.)(.)(.):总氮 :总磷 .):培养或观测时长 :未报道 .)括号中的百分数为培养或观测期间水体中不同污染物的最大去除率 .植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷拟水体较多实际水体则以养殖水体为主 丁爱芳等发现凤眼蓝对景观水和生活污水中总氮的去除效果相当(去除率分别为.和.)而对总磷的去除效果存在较大差异(去除率分别为.和.)氮、磷梯度试验发现在总氮、总磷初始浓度分别为.和.情况下凤眼蓝对不同模拟富营养化水体中总氮、总磷的去除率分别为 和 且对总氮的去除率随其初始浓度升高而降低并呈极显著相关关系对总磷的去除率随其初始浓度升高而升高并呈极显著相关关系 在总氮、总磷初始浓度分别为.和.情况下大薸对 种模拟富营养化水体中总氮、总磷的去除率分别为.和.且大薸对总氮和总磷的去除率随其初始浓度升高而升高 在实际养殖水体中大薸对厌氧处理后的奶厅废水净化效果较好处理 (总磷和化学需氧量浓度分别为.和.)可达到城镇污水处理厂污染物排放标准()中二级排放标准(总磷和化学需氧量浓度分别为 和 )凤眼蓝用于净化蛋鸭养殖废水时在秋季处理 总氮、总磷浓度分别从.和.降低至.和.去除率分别为.和.低于模拟水体的 和 推测原因是随着秋季温度降低凤眼蓝和微生物的活动及生长减慢导致总氮、总磷的去除率较低 综上所述在选择水生植物进行污染水体修复时应充分考虑物种和气候等条件.对重金属污染水体的修复效果随着社会经济和工业化进程加快重金属污染物随大气沉降、径流和管道等排放到自然水体中致使水体中重金属污染风险升高威胁水生态安全和人体健康 近 年来中国外来入侵水生植物被尝试应用在重金属污染水体修复中但多数应用在模拟场景中涉及的重金属为、和(表)由表 可见:已有的重金属污染水体修复研究主要集中在凤眼蓝上 凤眼蓝对 的去除效果较好富集系数可达.凤眼蓝处理 对初始浓度 水体中 的去除率为.凤眼蓝对 也有较好的去除效果处理 对初始浓度 和 水体中 的去除率分别达到.和.在 与其他金属复合污染水体中凤眼蓝对、和 的富集效果以对 的效果最好(富集系数为.)分别为 和 的.和.倍对、和 的富集效果以对 的效果最好(富集系数为.)对 和 的效果次之(富集系数分别为.和.)而对 和 的效果较差(富集系数分别为.和.)对、和 的去除效果以对 的效果最好(去除率为.)对 的效果次之(去除率为.)对 和 的效果较差(去除率分别为.和.)此外刘美伶还发现凤眼蓝处理 对自配重金属污水中、和 单一重金属污染的去除率分别为.、.和.而在、和 复合污染中其对、和 的去除率均下降分别降到.、.和.可见凤眼蓝对重金属的富集能力受复合重金属种类的影响 此外水体酸碱度也影响凤眼蓝对复合重金属污染水体的修复效果田秀芳等的研究结果显示:在 .条件下凤眼蓝对、和 的最佳净化周期为 对 的去除效果最好去除率达.在 .条件下凤眼蓝对、和 的最佳净化期也为 但 在 就达到最大去除率(.)因此在选择凤眼蓝对复合重金属污染水体进行修复时不仅要考虑重金属的种类还要考虑水体的酸碱度由表 还可见:大薸对水体中、和 的去除效果与凤眼蓝相当 而喜旱莲子草对、和 的去除效果与凤眼蓝存在较大的差异表现为喜旱莲子草对 的去除效果(去除率为.)较好为凤眼蓝的.倍而对、的去除效果则较差去除率分别为.、.和.分 别 为 凤 眼 蓝 的.、.和.与本土植物相比处理 喜旱莲子草与美人蕉(.)对、和 的去除效果相当凤眼蓝对、和 的去除率略高于美人蕉对 的去除率略低于美人蕉凤眼蓝处理 对 和 的去除效果与芙蓉(.)相当但对 的去除效果显著低于芙蓉凤眼蓝对 的富集系数仅为芙蓉的.喜旱莲子草对 的富集效果(富集系数为.)强于鸭跖草(.)(富集系数为.)水盾草对 具第 期崔 键 等:中国外来入侵水生植物及其在污染水体生态修复中的应用进展有较为显著的富集作用.条件下水盾草对 的富集系数在处理 达到最大值(.)相比于金鱼藻处理 对 的富集系数(.)水盾草对 的吸收速度较慢但金鱼藻在.溶液中仅能存活 表现出不耐受性.对有机污染水体的修复效果随着工农业的发展大量有机污染物如抗生素、多环芳烃和农药等流入水体由于其生物富集效应高、危害大且难以有效处理威胁水生态功能和人体健康成为当前水体污染治理的关键及难点之一 年左右学者开始利用外来入侵水生植物 表 中国典型外来入侵水生植物对污染水体重金属去除效果 水体类型(污染物浓度)()/)去除效果)去除率()()富集系数()()文献凤眼蓝 模拟污水 ()(.)(.)(.)(.)含镉水 ()(.)练江污染水 (.).:(.)(.)(.)(.)(.).:(.)(.)(.)(.)(.)自配重金属污水 (.)(.)(.)(.)模拟污水 (.)(.)(.)(.)模拟污水 (.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)模拟污水 (.)(.)(.)(.)(.)模拟铜离子废水 ()(.)喜旱莲子草 模拟污水 ()(.)(.)(.)(.)重金属水 ()(.)(.)大薸 模拟镉污染水 (.)(.)模拟污水 (.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)练江污染水 (.).:.:水盾草 模拟铜离子废水 (.)(.):培养或观测时长 .)括号中的百分数和数值分别为培养或观测期间水体中不同污染物的最大去除率和富集系数 .植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷处理水体中化学需氧量()、生化需氧量()、残留杀虫剂(苯酚、马拉硫磷和萘等)和石油污染等(表)由表 可见:凤眼蓝处理 对水体中 的去除率为 喜旱莲子草处理 对 的去除率为.大薸和水盾草对污染水体修复的研究较少在处理 对 的去除率为 外来入侵水生植物处理污染水体中 的研究也较少凤眼蓝、喜旱莲子草和大薸处理 内对水体中 的去除率为 此外以上 种典型外来入侵水生植物中仅有凤眼蓝被尝试用于处理水体中残留杀虫剂(去除率为.)仅有个别学者将凤眼蓝和喜旱莲子草用于处理石油化工废水表 中国典型外来入侵水生植物对有机污染水体修复效果)水体类型(有机物浓度)()/)去除率()()文献凤眼蓝 模拟富营养化废水 (.)(.)模拟污水处理厂尾水 ()()巢湖烔炀湿地水塘水样 ()(.)石油化工废水 (.)(.)(.)淀粉废水 ()()模拟富营养化水 ()()盆栽苯酚 ().(.)模拟箱苯酚 (.).(.)氧化塘苯酚 (.).(.)马拉硫磷废水 ()(.)含萘污水 (.)(.)模拟抗生素污染水 ()(.)抗生素污染水 ()(.)(.)抗生素污染水 ()(.)(.)喜旱莲子草 石油化工废水 (.)(.)(.)低浓度污水 ()(.)污水库污水 ()(.)黄花沟污水 ()(.)中温发酵沼液 ()(.)大薸 模拟污水处理厂尾水 ()()畜禽废水 ()(.)生活废水 (.)(.)()模拟抗生素污染水 ()(.)抗生素污染水 ()(.)(.)抗生素污染水 ()(.)(.)水盾草 模拟富营养化水 ()(.):化学需氧量 :生化需氧量 :苯酚 :马拉硫磷:萘 :磺胺 :氨苄青霉素 :盐酸四环素 :盐酸金霉素 :盐酸土霉素 .:未报道 .):培养或观测时长 .)括号中的百分数分别为培养或观测期间水体中不同污染物的最大去除率 .第 期崔 键 等:中国外来入侵水生植物及其在污染水体生态修复中的应用进展 由表 还可见:随着水体中抗生素浓度的增加以及人们对水体中抗生素风险认知的提升 年以来学者着手探索凤眼蓝和大薸等去除水体中抗生素的研究 徐子健比较了凤眼蓝、大薸和美人蕉对磺胺的去除效果发现 种植物对 磺胺的去除率较高(.)显著高于无植物组(.)且美人蕉对磺胺的去除率高于凤眼蓝和大薸而凤眼蓝和大薸间差异不明显陈小洁等尝试利用凤眼蓝和大薸处理水体中抗生素发现处理 时 种植物对盐酸四环素的去除率相当(分别为.和.)而凤眼蓝对氨苄青霉素的去效率(.)低于大薸(.)凤眼蓝处理 对盐酸金霉素和盐酸土霉素的去除率分别为.和.分别为大薸的.和.倍综上所述外来入侵水生植物在不同水体和不同污染物类别间有一定的修复差异且部分物种表现出与本土植物间的比较优势 由于凤眼蓝和大薸为浮水植物且适生范围广、繁育速度快一旦疏于管理将引发生态风险 因此利用外来入侵水生植物修复水体中污染物时应根据生态学原理合理搭配植物种类适时对水生植物进行收割确保植物的生物量及其密度控制在一定范围内 虽然凤眼蓝和大薸营养成分丰富已被用来制作饲料、肥料和生物炭等然而由于目前打捞和资源化成本较高难以规模化利用并维持长期效果因此其资源高值化路径仍是该领域研究的重难点 中国外来入侵水生植物对污染水体生态修复的机制 包括水生植物在内的外来入侵植物对水体污染物去除的主要机制为植物富集、萃取、降解、挥发、根系过滤与沉降以及微生物协同等本研究将其归纳为植物吸收与同化、根系分泌物与根际微生物互作以及植物降解与挥发 个方面.植物吸收与同化机制植物对氮、磷等营养元素的利用是通过氮、磷信号转导调控植物生长对养分的应答表现为对氮、磷等营养元素的吸收、转运和同化作用机制 最新的研究发现植物利用氮、磷等营养元素的过程涉及复杂的生理和分子过程如硝酸盐转运蛋白负责根部氮的吸收与同化鉴定出、/、等转录因子以及、等这些转录因子和 在植物吸收、转运和同化环境中氮、磷等营养元素时发挥重要作用 例如:通过抑制 泛素连接酶基因()的表达来促进磷的吸收和转运等但其在靶向调控植物吸收与同化氮、磷等营养元素的机制仍不清晰 当前这些机制研究多集中在拟南芥 (.).以及水稻(.)和玉米(.)等作物上而在外来入侵水生植物上的研究尚集中在其对氮、磷等营养元素的吸收与同化数量、重金属的萃取及其影响因子上相关机制多借用拟南芥和水稻等对营养盐的吸收与同化机制较少涉及到相关转录因子和 主要原因在于对外来入侵水生植物基因组认识的缺失.根系分泌物与根际微生物互作机制植物在生长过程中会分泌有机物到外界环境中根系分泌物主要分为高分子化合物和低分子化合物根系分泌物可直接影响根部酸化、沉淀、螯合及氧化还原作用从而络合重金属离子和结合有机物降低外部环境中污染物的毒性和风险如植物对重金属的稳定化机制同时植物根际存在多种微生物菌群微生物分泌有机酸、表面活性剂和酶等物质植物根系与根际微生物共同作用改变根际环境促进植物对环境中营养盐、重金属和有机污染物的吸收和降解 凤眼蓝和大薸等水生植物根际是水体大气养分交换的重要部分在水中形成好氧厌氧区利用硝化和反硝化途径及植物对营养盐的吸收从而净化富营养化水体 研究结果表明:凤眼蓝和大薸通过向水体中输送 来促进微生物的分布和去除污染物通过硝化和反硝化途径去除总氮的贡献率分别可达 和 大薸无法直接同化有机物需要自身根系及根际微生物的辅助其根系分泌物与脱落根系结合成较为黏稠的絮状物进而沉降悬浮物和可溶性有机物 罗雪梅等发现凤眼蓝去除化学需氧量()主要依靠根系吸附作用、微生物降解及微生物在氮、磷去除过程中对碳源的消耗等 浓度极低时微生物活动不强主要依靠凤眼蓝的根部吸附碳源充足时微生物对有机物的去除明显同时体系中 浓度升高时氮、磷浓度也升高脱氮除磷过程中对碳源的消耗也有利于 的去除 徐子健比较了凤眼蓝、大薸和美人蕉植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷对磺胺的去除效果发现植物吸收仅占磺胺去除量的.微生物特别是拟杆菌门()对磺胺降解发挥了重要作用 袁蓉等发现凤眼蓝的根际微生物在净化萘污水的过程中发挥了重要作用而在凤眼蓝根、茎中未检测到萘其原因是萘难以通过凤眼蓝根部细胞壁故难以在凤眼蓝体内富集李淑英等研究大薸根际微生物对、和 的应激反应结果表明:高浓度的 和 可以刺激氨化细菌的增殖低浓度 和 对硝化细菌有刺激作用说明根际微生物可协同植物在重金属胁迫下生长 邢淑萍等综述了根际促生菌在植物受 胁迫时利用自身组织结构或分泌螯合剂等方式降低重金属有效性促进植物生长 可见根系分泌物和根际微生物在外来入侵水生植物去除水体污染中发挥重要作用但相关根系分泌物根际微生物环境的互作机制仍不明晰.植物降解与挥发机制植物降解与挥发机制主要发生在有机污染以及、和 等的去除过程 环境污染物通过被动吸收进入植物体内随后被代谢或分解成较小碎片的化合物并储存在植物组织中或将挥发性较低的化学物质转化为挥发性更强的形式如、氨等并通过挥发过程将污染物释放到大气中 植物体内加氧酶()和脱氯酶()在污染物的降解过程中发挥重要作用芥菜(.)可将含 化合物(如硒化二甲酯和二甲基联硒)、和 挥发到空气中 然而挥发到空气中的污染物还将通过大气干湿沉降回到水环境中造成二次污染实际上外来入侵水生植物无论是修复自然水体还是模拟水体中的污染物都不是单一机制作用的而是多种机制共同作用的结果 夏会龙等以国内常用农药马拉硫磷作为研究对象发现凤眼蓝的吸收与代谢作用对污染物的去除贡献率占.主要机制并非是在凤眼蓝体内积累马拉硫磷而是吸收后对其进一步降解 陈小洁等发现凤眼蓝和大薸在短时间内对水体中抗生素有明显的清除效果可能原因在于根部的吸收、降解、富集或分泌某种酶类的共同作用 姜登岭等发现水盾草人工浮岛对化学需氧量()的去除主要是通过植物的吸收和吸附以及微生物的吸收和分解 李晶等论述了包括外来入侵水生植物在内的湿地植物对不同类型污染物(过量氮、磷以及重金属和有机污染物)的去除机制指出未来可结合高通量、宏基因组测序等先进的分子生物学研究手段深入解析污染物降解基因和蛋白质及其代谢途径提出探索植物微生物互作机制在去除水体污染物的重要性 可见在解析外来入侵水生植物对污染水体生态修复机制时应综合利用物理、化学、微生物和分子生物学等现代技术全面剖析复杂水环境中的植物修复机制并精确定量助力水生态的精准修复 中国外来入侵水生植物的防控当前中国外来入侵植物在模拟水体及生物塘和养殖塘等可控水体或小水体应用较多在氮、磷、化学需氧量()和重金属等的去除上发挥显著作用但因其繁殖速度等的不可控性在大面积水体或不可控水体中应继续保持慎重应将生物安全放在首位以其入侵风险的防控为主将其固定或阻隔在重点修复的小规模水域内发挥其生态修复功能与价值 目前防控中国外来入侵水生植物的主要措施包括以下 个方面:)源头防控 充分利用国内外的入侵水生植物数据库及相关研究成果和先进技术(如大数据和人工智能技术)加强外来水生植物入侵风险的综合评估对已入境物种入侵风险的再评估对未入境物种建立预警与准入制充分评估其入侵风险等级后再对低风险物种批准入境防患于未然)人工和机械防除及隔离带构建 该措施效果显著但投入人工和机械成本较高治标不治本且打捞的植物残体需要进一步处理需要持续专项经费投入)化学防治如除草剂(克芜踪、草甘磷、苄嘧磺隆和恶草灵等)该方法见效快但二次污染风险较大如化学药剂的残留及其对水体生物的毒害等)生物防治如引入凤眼蓝的天敌(昆虫和真菌等)、捕食者(河蟹等)和本土植物次生代谢产物(如赤霉素)等 该方法成本低、无化学污染、效果持久但见效慢以及因所引天敌的非可控性和不确定性而引发二次风险建议加强本土植物筛选工作)资源化利用如青饲料、绿肥、堆肥、生物炭和次生代谢产物开发(如降/抑藻的化感物质、生物农药、中药和口服液等)等 现阶段该方法仍处于探究和熟化阶段)综合治理即物理、化学和生物等多方法的联合应用 目前该方法虽然取得了一定的成效但仍没有第 期崔 键 等:中国外来入侵水生植物及其在污染水体生态修复中的应用进展将外来入侵水生植物完全清除或入侵面积大幅减少的成功案例 因此应加强防控与资源高值化利用的联合充分发挥外来入侵植物的生态修复功能和资源高效利用)科普教育 科普与科技创新同等重要是外来入侵水生植物防控的重要一环而当前公众对入侵物种的认识不够不能满足包括水生植物在内的外来入侵生物防控管理的实际需求 因此应结合新媒体技术开展图书、网络、公众号、短视频、线下宣讲和融入体验等多形式和多手段的科普活动让全民参与到外来入侵水生植物的调查、监测和资源化等防控工作中 结论和展望中国外来入侵水生植物物种多入侵程度虽然不同但其分布相对集中在东部平原区和云贵高原区外来入侵水生植物在水生态修复中的物种相对较少主要集中在凤眼蓝、大薸和喜旱莲子草上且相关水生态修复研究多集中在模拟试验和局部小试中水体单一污染物的去除以及植物对污染物的响应和富集而在野外污水处理厂尾水湿地、养殖尾水湿地以及河流和湖泊等局部水体和多污染物场景的去除效果与机制尚不清晰加强外来入侵水生植物生物学的基础研究利用多学科先进技术厘清其基因组成和遗传转化体系挖掘具有抑制或减少其种子形成和生长的本土植物及相关功能成分开发建立以利用为导向的外来入侵水生植物的防控机制 随着基因组学以及大数据和人工智能技术的发展与成熟未来应加强对南美天胡荽和扁叶慈姑等外来水生植物入侵风险的防控及基因组学信息的获取厘清外来入侵水生植物在中国区域入侵演化过程与策略及其对多污染物协同去除的分子机制和微生物协同机制助力外来入侵水生植物的防控及其在区域水生态环境治理中应用当前中国外来入侵水生植物大多来源于热带和亚热带地区具有典型的物候特征尤其在温带的秋冬季不能自然越冬而死亡死亡后的植株若不能及时移出水体其腐解过程中释放的温室气体、水溶性有机物、重金属及以氮和磷为主的营养盐等将造成二次生态风险 此外因多数外来入侵水生植物含水量高、生物量大且有效防控的天敌等生态措施不足造成集中打捞成本高是限制外来入侵水生植物大规模进行水生态修复应用的一个重要瓶颈 虽然部分国家已经开展了相关打捞设备的研发但目前仍缺乏对集中打捞的高含水量外来入侵水生植物残体的资源高值化利用路径 由于水体中污染物比较复杂用于水生态修复的外来入侵水生植物残体应分类开展资源高值化利用途径如富含氮、磷等营养元素的易腐解植物残体可用于冬闲农田的培肥等富含重金属等的植物残体可用于工业绿色催化剂的开发等富含纤维和碳氢等的植物残体可用于生物炭和绿色能源等碳中和产品的开发延长水生态修复产业链助力乡村振兴和双碳经济的发展受水域的连通性、行政区化管理及行业分工的影响中国外来入侵水生植物的跨区域和跨行业的多部门协同防控机制尚待建立和完善 此外应强化对公众的科普与宣传教育提高公众对外来入侵水生植物的认知鼓励其参与到外来入侵水生植物的调查、监测与水生态治理场景和防治工作中 因此未来在利用外来入侵植物进行水生态修复时应兼顾防控和资源高值化综合利用及科普教育的协同工作参考文献:.:.:.:./:./:.:.:.植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷 张超越.基于水热炭化的水葫芦资源化利用的研究:着眼于燃料品质提升.广州:华南理工大学:.崔 键 杜 易 丁程成 等.中国湖泊水体磷的赋存形态及污染治理措施进展.生态环境学报 ():.:.(.).:.:.:.():.:.:.于海澔.中国水生植物外来种的区系组成、分布格局与扩散途径.武汉:武汉大学:.严 靖 唐赛春 李惠茹 等.中国外来入侵植物志:第五卷.上海:上海交通大学出版社:.张志勇 严少华 徐寸发 等.水葫芦修复污染水体的功能及其在工程应用中所面临的挑战.生态环境学 ():.刘鹤莹 杨 鹏 支苏丽 等.大薸对污水中污染物净化作用和效果分析.农业资源与环境学报 ():.:.:.王 涵 杜德林 刘生博 等.大薸对奶牛场废水中耐药基因的去除效果和驱动因子分析.农业工程学报 ():.():.():.梁嘉慧 戴子熠 左平 等.基于 文献计量的互花米草研究进展分析.海洋开发与管理 ():.():.:.:.丁爱芳 唐玉娣 刘爱芳 等.种水生植物对富营养化水体的净化效果研究.南京晓庄学院学报 ():.潘保原 杨国亭 穆立蔷 等.漂浮植物对富营养化水体中氮磷去除效果研究.植物研究 ():.刘盼 宋超 朱华 等.种水生植物对富营养化水体的净化作用研究.水生态学杂志 ():.张 芳.不同水生植物对富营养化水体净化效果和机理的比较.南京:南京理工大学:.张志勇 郑建初 刘海琴 等.凤眼莲对不同程度富营养化水体氮磷的去除贡献研究.中国生态农业学报 ():.胡朝华.以凤眼莲为主的水生植物对铜污染与富营养化水体生物修复研究.武汉:华中农业大学:.罗雪梅 黄 帅 樊 华 等.凤眼莲对不同富营养化程度水体的净化效果研究.湖北农业科学 ():.蔡佩英.水生植物对城市污水的生物净化效果研究.福州:福建农林大学.徐子健.水生植物与微生物对水环境典型污染物的去除效果研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.丁海涛 黄文涛 邓呈逊 等.水生植物对富营养化水体的净化效果研究.佳木斯大学学报(自然科学版)():.:.().:.:.杜兴华 王春生 许国晶 等.种水生植物净化养殖水体、效果的研究.海洋湖沼通报 ():.舒 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