水生植物对微污染水体生态修复的研究综述.pdf

第53卷第2 期2024年2 月水生植物对微污染水体生态修复的研究综述秦腾,骆辉,陈厉曼,刘猛,谢士猛,杨明宇,蔡吉祥,何宝杰3（1.江苏海洋大学土木与港海工程学院，江苏连云港2 2 0 0 5;2.南京林业大学土木工程学院，江苏南京2 10 0 37；3.重庆大学建筑城规学院，重庆40 0 0 44）摘要：系统总结不同水生植物对河流等微污染水体生态修复效率，阐述水生植物修复水体的净化机制并分析水生植物在净化过程中的影响因素（温度、透明度、污染物浓度）及其互相作用机制，结果显示挺水植物对Hg、Fe、Cu、Zn等污染物的去除率分别为32.6%39.7%,44.9%51.4%,6 3.7%7 0.5%，7 4.7%7 9.4%，沉水植物对Co、Ni、C u、Zn 的去除率分别为44.7%45.3%,55.7%59.3%,6 4.8%6 9.4%,6 1.3%6 5.4%。可为生态修复工程中水生植物的优选工作提供理论基础。关键词：水生植物；植物修复；净化机理；微污染水体中图分类号：TQ033;X522;TU9911文献标识码：A文章编号：16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 39 8-0 5Research on ecological restoration ofmicropolluted water by aquatic plantsQIN Teng,LUO Huil,CHEN Li-min,LIU Meng,XIE Shi-meng,YANG Ming-yul,CAI Ji-xiang,HE Bao-jie(1.School of Civil and Ocean Engineering,Jiangsu Ocean University,Lianyungang 222005,China;2.College of Civil Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China;3.Faculty of Architecture and Urban Planning,Chongqing University,Chongqing 400044,China)Abstract:This paper systematically summarizes the ecological restoration efficiency of different aquaticplants on slightly polluted water bodies,such as rivers.Explain the purification mechanism of aquaticplant restoration water body and analyze the influencing factors(temperature,transparency,pollutant con-centration)and the interaction mechanism of aquatic plants in the purification process.The results showedthat the pollutant removal rate of Hg,Fe,Cu and Zn were 32.6%39.7%,44.9%51.4%,63.7%70.5%,74.7%79.4%,respectively.The removal rate of Co,Ni,Cu,and Zn were 44.7%45.3%,55.7%59.3%,64.8%69.4%,and 61.3%65.4%,respectively.This paper can provide a theo-retical basis for the preferred work of aquatic plants in ecological restoration projects.Key words:aquatic plants;phytoremediation;purification mechanism;polluted water bodies随着社会经济的迅速发展，我国湖泊的水环境问题日益严重。传统的水污染处理方法不仅成本高、操作管理复杂，而且容易造成二次污染。基于水生植物同化吸收、根系微生物降解和土壤净化三重功能的人工湿地、人工浮床、稳定池等技术得到了很大发展，广泛应用于生活污水、工业污水和微污染源水等各种水净化和恢复过程中2。而水生植物的良好生长有助于增强水生态系统的稳定性,达到保护动植物的目的,改善区域微环境，创造良好的景观效果3。近年来国内外学者就植物修复技术在污水处理方面的机制和应用进行了大量研究，易睿等4研究发现水生植物马来眼子菜和苦草随着时间的推移对TN、T P的去除效果明显提高，去除率高达收稿日期：2 0 2 3-0 4-10）修改稿日期：2 0 2 3-0 6-19基金项目：国家自然科学基金（52 10 8 32 2）；江苏省重点研发计划（社会发展）面上项目（BE2021681）；连云港市社会发展项目（SF2130）；新疆生物固废资源化工程技术研究中心开放课题（KSUGCZX2022）；江苏省研究生实践创新计划（KYCX2023-24）作者简介：秦腾（2 0 0 0），男，山东菏泽人，在读硕士研究生，师从杜良讲师。电话：19 8 516 512 8 9,E-mail：19 8 516 512 8 9 16 3.c o m通信作者：骆辉（19 9 0-），男，江苏连云港人，讲师，博士。电话：152 9 8 39 6 0 2 3,E-mail：w a t e r n j f u.e d u.c n应用化工Applied Chemical Industry68.4%;刘雯等5研究发现水生植物白的根系分泌物对COD的去除效果以及对污水的净化效果都要好于美人蕉，其3,57,9 d的去除率分别为47.4%,51.7%,56.3%,62.1%。因此,选择抗高污染负荷的水生植物，对于高浓度污水处理生态修复系统中植物品种的选择具有重要意义。本文系统总结不同水生植物对河流等微污染水体生态修复效率,并分析水生植物修复水体的净化机理（吸收、克藻）以及重金属（Zn、Cu、M n）的去除等相关研究成果,具体阐述水生植物在净化过程中的影响因素（温度、透明度、污染物浓度），最后分析其水生植物对不同污染物去除率的净化技术进行了总结和展望。Vol.53No.2Feb.2024第2 期1不同类别水生植物的净化效果对比1.1挺水植物类挺水植物植株较高大，根、根茎一般生长在水体的底泥下，茎、叶挺出水面。常见的挺水植物有芦苇、菖蒲、蒲、羽毛草、香蒲、鸢尾、香菇草等。研究发现6,挺水植物对Hg、Fe、Cu、Zn 的去除率分别为32.6%39.7%,44.9%51.4%,6 3.7%70.5%，7 4.7%7 9.4%。羽毛草、鸢尾地上部分Cd富集量分别为0.8,0.6 mg/株,地下部分Cd富集量分别为3.5,10.8 mg/株,对Cd的平均去除率分别为50.2%,53.3%，两种植物对Cd的去除效果顺序:鸢尾 羽毛草。菖蒲、石菖蒲对Cr、Pb、Cd 去除率分别58.1%6 6.5%,6 3.2%6 7.5%，71.4%73.7%7。同一时间内营蒲、石蒲对水体TN的去除率为（56.50.4)%，（6 0.9 0.2)%，随时间的增加菖蒲、石菖蒲对水体TN的去除率为(60.30.2)%，(7 1.30.7)%8。由此可见，石菖蒲有极显著的净化效果。1.2漂浮植物漂浮植物生长在浅水中,通气功能强，繁殖快。常见的漂浮植物有睡莲、凤眼莲、大藻、浮萍、水浮莲、细绿萍等。其中凤眼莲对水体氮的效率最好，水浮莲对水体磷的净化最快，睡莲对水体氮的效率仅次于凤眼莲9。凤眼莲生长的三个阶段对水体TN的去除率分别为（6 3.6 0.3)%，（6 6.2 0.9)%，（7 3.8 0.5)%；睡莲三个阶段对水体TN的去除率分别为（57.6 0.3)%，（6 5.6 0.4)%，（7 1.7 0.2)%；水浮莲生长的三个阶段对水体TN的去除率分别为（2 2.7 0.7)%，（34.6 0.4）%，植物营蒲凤眼莲狐尾藻苦草睡莲道草植物蒲凤眼莲狐尾藻苦草睡莲草秦腾等：水生植物对微污染水体生态修复的研究综述表1不同水生植物对TP的吸收作用Table 1Absorption of TP by different aquatic plantsTP/(mg:L-)10 d20d1.91 0.131.01 0.101.85 0.040.90 0.082.43 0.132.17 0.042.71 0.082.13 0.112.01 0.071.36 0.042.97 0.112.25 0.07表2 不同水生植物对TN的吸收作用Table 2Absorption of TN by different aquatic plantsTN/(mg:L-)10 d20d10.88 0.219.38 0.199.73 0.775.95 0.6010.04 0.638.73 0.569.74 1.018.39 0.8811.25 0.338.94 0.249.03 0.928.87 0.82399（47.7 0.5）%;3种植物体内富集氮能力的顺序为：凤眼莲 睡莲 水浮莲；凤眼莲生长的三个阶段对水体TP的去除率分别为（39.30.9)%，(42.50.7)%，（44.9 0.7)%；睡莲三个阶段对水体TP的去除率分别为（2 9.7 0.7)%，（34.50.5)%，（41.50.7)%；T P的去除率在缓慢生长时期最高，为（7 3.50.2)%。3种植物体内富集磷能力的顺序为：水浮莲 凤眼莲 睡莲。1.3沉水植物沉水植物长期沉没于水下，通气组织发达。常见的沉水植物有苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、草、眼子菜等10。研究发现8,沉水植物对 Co、Ni、Cu、Zn的去除率分别为44.7%45.3%，55.7%59.3%,64.8%69.4%,61.3%65.4%;草在064.4 mg/L的培养液中随时间的增加,对 Cd 的去除率高达50.4%以上。随时间的增加狐尾藻、眼子菜对TN去除率为6 9.3%,54.5%,对TP去除率为7 1.7 6%,52.7%，狐尾藻是两种沉水植物中净化TN、T P效果最好；不同沉水植物对水体TN、T P平均去除率变化范围分别为55.4%57.9%和49.5%54.6%，水体TN、T P去除率大小顺序均为：黑藻金鱼藻 草 狐尾藻 眼子菜。2水生植物对微污染水体的净化机理2.1水生植物的吸收作用不同水生植物在生长过程中,对污染物TN、T P有不同层次的吸收能力，见表1、表2。吴爱平研究表明,水生植物对TN和TP的吸收值达到生长的最低标准时，会随着水体营养水平提高表现出不同规律性。30d0.41 0.090.39 0.080.84 0.060.98 0.090.63 0.030.78 0.0530d2.59 0.182.49 0.584.78 0.884.19 0.412.69 0.444.61 1.0160d0.27 0.040.15 0.050.44 0.040.58 0.070.31 0.020.54 0.0360d1.45 0.121.07 0.322.31 0.431.07 0.270.57 0.271.75 0.3790d0.11 0.030.09 0.040.12 0.030.02 0.020.07 0.010.15 0.0290 d0.48 0.080.44 0.071.02 0.030.04 0.010.05 0.031.08 0.05400窦磊等12 研究表明Pb、Zn 进人不同水生植物体内，一般只存留在细胞表面,很少一部分进人“核心”；张凤娥等13发现金鱼藻、黑藻等水生植物吸收较低浓度TP和TN时效果显著，吸收范围分别在19.7%22.4%,17.5%21.6%;阳承胜等14通过比较4种植物对重金属的吸附与富集效果,结果表明，4种植物的吸附范围分别为37.4%41.7%，45.9%47.5%,54.7%57.3%,65.2%67.4%,其中富集能力最强的当属草；Amadofilho等15研究表明,菖蒲和金鱼藻对Cd的富集最多,富集系数分别为33.4和2 2.6，但对Hg富集量极少，富集系数分别为2.6 和1.9。2.2水生植物的克藻作用水生植物体型大,生命周期长，对藻类的生长种类植物名称挺水植物香蒲芦香豆酸、阿魏酸、香草酸、芥子酸、丁香酸、咖啡酸石蒲细辛醚灯芯草二氢菲类、四氢花漂浮植物凤眼莲沉水植物苦草丽藻川蔓藻轮藻3水生植物的净化能力3.1又对水体中N、P的去除不同的水生植物对N和P的吸收能力不同,植物净化、吸收、吸附和沉淀的方式也不同。吴湘等19 通过沉水植物金鱼藻、挺水植物芦苇和浮叶植物浮叶四角菱对废水的净化能力对比,结果表明它们对N的去除效果为：芦苇 浮叶四角菱 金鱼藻;对P的去除效果为:芦苇 金鱼藻 浮叶四角菱。由此可见挺水植物芦苇对N、P具有较好的去除能力。任文君等2 0 研究发现在白洋淀富营养化环境下的2 种沉水植物对水体N、P的平均去除率分别为54.7%,51.4%,6 9.6%6 6.8%，对TN的平均去除率分别为55.2%,59.5%，对TP的平均去除率在60.4%左右,综合来看金鱼藻和黑藻净化效果较好；童昌华等2 1研究发现6 种水生植物在低温季节仍然对TN、T P有较好的去除效果，去除率高达59.7%，处理7 d后,对TN去除能力序列为狐尾藻微齿眼子菜 马来眼子菜 凤眼莲 苦草 金鱼藻;对TP去除能力序列为狐尾藻、微齿眼子菜马来眼子菜、凤眼莲、苦草 金鱼藻；提高透明度能力序列为金鱼藻、微齿眼子菜 狐尾藻、马来眼子菜、凤眼莲 苦草。宋福等2 研究了7 种沉水植物（狐尾藻、草、苦草、伊乐藻、金鱼藻、篦齿眼子菜和轮藻）在2 7 d应用化工有抑制作用，见表3，因而竞争优势非常明显，首先水生植物通过体型的优势增强对光和营养物质的吸收从而来影响藻类的生长,其次通过化感作用抑制藻类生长。Waridel等16 从齿眼子菜中提取抑制羊角月牙藻生长多个半日的化感物质，主要是花烷型二,范围在6.1 6.7 mol/L;Li等17 从芦苇中分离出对铜绿微囊藻、蛋白核小球藻具有显著的抑制效果的甲基乙酰乙酸乙酯（EMA）化感物质,EC50为451.7 mol/L;Nakai等18 发现穗花狐尾藻分泌物中含有对铜绿微囊藻有显著抑制作用的酚酸类化感物初质（焦酸、没食子酸、儿茶素）和脂肪酸（正王酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸)结果表明，水生种植物对藻类有较好的抑制作用。表3不同水生植物克藻效应Table 3The effect of different aquatic plants化感物质棕榈酸、胆固醇油酸酯、水杨醛亚油酸、非那烯、双非那烯二氢猕猴桃内酯二硫环戊烷半日花烷二菇类噻茂烷、甲硫基内对草海污染水体（含沉积物）中TN和TP的去除效果,结果表明7 种沉水植物对TN、T P的平均去除率分别为7 2.1%,6 2.1%,6 6.4%,59.3%,57.3%，59.7%,45.7%;许航等2 3研究发现水花生和水葫芦塘对校园生活污水和食堂废水的N、P全年都具有较高的去除效果,对 NHs-N 去除率在 6 1.4%72.8%,TN去除率在6 3.7%7 9.4%,TP去除率在60.3%66.1%。3.2对重金属的去除不同的水生植物对污染废水中重金属的富集能力不同。生命周期越长，植物体内重金属浓度越高。姜虎生等2 4研究发现3种水生植物（芦苇、水芹菜、香蒲)对污水中的铬（Cr)有较强的吸收和富集作用，去除率分别为6 7.9%，6 3.9%，6 5.3%，结果表明芦苇对Cr的去除效果最好。任珺等2 5研究发现3种水生植物（芦苇、菖蒲和水葱）对水体的铅(Pb）和锌（Zn）有较好的吸收作用,结果表明芦苇、菖蒲和水葱对水体铅（Pb）和锌（Zn）去除率分别为2 2.7%，6 4.3%，49.2%，45.7%,71.2%,51.2%，对铅（Pb）吸收能力序列为菖蒲 水葱 芦苇,对锌(Zn)吸收能力序列为菖蒲水葱 芦苇,由此可见菖蒲对水体的 Pb 和Zn吸收效果最好,水葱其次；徐德福等2 6 研究不同挺水植物对不同重金属的抗性和吸收能力,结果表明秧草对Zn的去除效果最好，去除率高于6 5.2%。孙翔等7 研究发现5种水生植物（穗花狐尾第53卷有效抑制藻类抑制率/%斜生栅藻、小球藻4.4铜绿微囊藻1.5水华鱼腥藻79.3羊角月牙藻11.4雷氏衣藻15.7铜绿微囊藻9.4谷皮菱形藻52.6普通小球藻22.7谷皮菱形藻2.1第2 期藻、金鱼藻、凤眼莲、黄菖蒲、美人蕉）对Hg、Co、Cu、Mn有不同程度的去除效果,对Hg的去除效果最好是穗花狐尾藻,去除率达到6 4.7%；凤眼莲对于Co的去除效果最好，去除率达到6 6.1%,并且显著高于金鱼藻、穗花狐尾藻、美人蕉；凤眼莲对于Cu的去除效果最好，不同浓度下去除率均能达到73.9%，显著高于穗花狐尾藻、水芙蓉、黄菖蒲、美人蕉；凤眼莲对于Mn的去除效果最好，去除率达到67.5%，并且显著差异于金鱼藻、穗花狐尾藻、美人蕉、黄菖蒲等。3.3水生植物耐盐性盐废水污染的水体中含有大量的无机氮、磷营养物质,以及极少量的COD,不易生物降解,造成水体富营养化,抑制水生植物生长。傅春平等2 7 发现两种水生植物（香蒲和葱花)对高盐再生水有显著的净化效果,结果表明,当盐度在48 0 0 50 0 0 mg/L之间时,香蒲对水质有较好的净化效果，当盐度在5000mg/L以上时,水葱对水质净化效果最好,香蒲较差，根据当地水质，对NO;-N、NH,-N、T P、PO-P、COD和TN的去除率分别为16.7%2 2.5%，55.4%69.8%,77.4%79.6%,7.4%11.5%,44.9%59.6%，55.7%6 5.8%，由此可见两种水生植物对水体的营养物质有明显的降解作用。唐运平等2 8 通过调查发现4种水生植物（三棱草、香蒲、水葱、芦苇）受水体TDS（总溶解固体）浓度的影响,芦苇、香蒲和三棱草在水体TDS浓度600010000mg/L时生长状况良好，美人蕉和水葱在水体TDS浓度350 0 6 0 0 0 mg/L时长势良好;刘小川等2 9 研究发现7 种挺水植物的耐盐性受盐度的影响，千屈菜、芦苇和香蒲在10%盐度下耐盐性最好,水葱、黄花鸢尾和黑三棱在5%的盐度下耐盐性一般,耐盐性依次为:芦苇 千屈菜 香蒲水葱 黄花鸢尾 黑三棱 梭鱼草;赵卉琳等30 通过实验发现盐度在10.7%11.5%时芦苇、千屈菜和香蒲的耐盐能力最好,盐度在5.3%7.4%时水葱、荐菜、黄花鸢尾和黑三棱耐盐能力最好，盐度低于5%时,梭鱼草的耐盐能力最差。侯晨等31研究发现当盐浓度在30 7.4375.2mmol/L时,沙芦的耐盐性强于水芦,随着盐浓度的增加沙芦愈伤组织的细胞活力从7 5.4%增加到117.6%，水芦愈伤组织的细胞活力从7 5.4%减少到39.7%,结果表明在盐胁迫下水芦受到的伤害明显高于沙芦,这也反映了植物体内普遍存在的交叉适应性现象;王卫红等32 研究发现9 种沉水植物会根据盐度的增加表现出较大的差异性，通过采用河道底泥直接种植法和无底泥逐渐增加盐度水培法测量出沉水植物的相对生长率，川蔓藻和篦齿眼子菜能耐受的盐度在10.1 15.4g/L,草在5.36.7g/L,金鱼藻在7.6 10.1 g/L。秦腾等：水生植物对微污染水体生态修复的研究综述5结论与展望（1)不同水生植物对轻污染水中氮、磷的去除能力较好,对重金属离子的富集能力较好，耐盐性和污水净化效果较好。芦苇、菖蒲等挺水植物可吸收溶解态和悬浮微粒中的污染物,对Hg、Fe、Cu、Zn等金属物具有良好的吸收效果；水葫芦、浮萍等漂浮植物可净化石化废水和生活污水,对COD、BO D、NH-N、T N、T P等污染物具有良好的去除效果。(2)水生植物的生长状态受环境温度影响，通过采用水生植物多种组合配置或多级水生植物串联塘来提高水生植物的生长期，由于水生植物对水体的净化能力与其生长状态关系紧密,所以通过以上的方法可以形成一定的净化层次,实现水生植物净化功能的季节性交替互补。(3)水体中有多种污染类型,进一步的研究应侧重于加强有效植物品种的选择、培育和合理共40147水生植物水体修复的影响因素4.1温度水生植物的生长和吸收都受温度的影响。当温度在植物适应范围内时,随着温度的升高,植物的生长速度加快，对水中氨、磷等营养物质的去除效果也增强。夏秋季节，很多嗜温水生植物处于旺盛生长期，同时表现出较高的净化效率，因为水生植物的净化能力与自身的生长代谢有关。蔡鲁祥33研究表明沉水植物的生物量增加或减少时,水体水温也相应的升高或降低；客涵34 的研究结果表明：9 月份水温与水生植物的生物量呈负相关,分析可能的原因是草的大量死亡对水生植物的生物量产生影响;周汉娥等35通过比较不同水生植物的生长特性，结果表明大部分沉水植物在1530对 TP的净化能力达到2.8 g/（g d），对TP的净化能力达到41.2 g/（g d)；而大部分挺水植物在2 0 2 5对TP的净化能力达到2.4 g/(gd),对 TP 的净化能力达到41.5 g/(gd)。4.2透明度水体透明度表示光在水体中的透射深度，其大小随水体、悬浮物和浮游植物对人射光吸收和散射的差异而变化。所以悬浮物的成分和含量很大程度上影响水体的亮度，水体的透明度会影响水生植物的生长。周汉娥等35研究表明水体的透明度降低会影响光强从而阻碍沉水植物的光合作用，使其无法生存；李一平等36 表明水体透明度能够直观反映湖泊水下光场的分布情况，是沉水植物生态恢复的基础条件；王琪等37 的研究结果表明,透明度是影响滇池淹没植物覆盖度的主要因素;白凤青等38 研究表明沉水植物只有在光补偿（点）深度以上进行正常的光合作用和呼吸才能生长,并且需要在水体的一定深度处存在光补偿点和补偿深度。402植,以满足各种环境修复的需要。其他措施还应包括及时清理枯叶和枯枝,防止腐烂。因此,在水生植物修复被污染水体的过程中，开展全过程管理，防止二次污染也是一项非常重要的工作。参考文献：1校杨皓然.湖南省常见水生植物的耐污与去污能力比较研究D.长沙：中南林业科技大学,2 0 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