基于胁迫影响的人工湿地植物筛选研究进展

陶正凯, 荆肇乾, 陈蕾, 陶梦妮, 王印

基于胁迫影响的人工湿地植物筛选研究进展

陶正凯, 荆肇乾*, 陈蕾, 陶梦妮, 王印

南京林业大学土木工程学院, 江苏 南京 210037

植物是人工湿地技术的重要组成部分。人工湿地植物对于湿地生长环境胁迫因素的适应能力是湿地植物筛选的重要考虑因素,环境限制是人工湿地植物筛选的刚性条件。综述了污染物、盐度、温度、有毒物质、病虫害等显著影响因子对植物生长的影响以及植物对胁迫影响因子适应性的研究进展。应加强植物对胁迫因子抗性的机理研究, 结合目标水体加强选育培养工作, 构建科学筛选体系。

湿地植物; 环境选择; 胁迫影响; 适应性; 筛选分析

0 前言

人工湿地技术是一项由基质-微生物-植物构成的复合污水处理系统。德国的Seidel博士较早研究发现了芦苇()对于重金属等污染物的去除作用, 进一步开启了对人工湿地技术的研究热潮。人工湿地技术经过几十年的开发, 取得了较好的发展[1-2]。但是依然存在湿地植物生长易受环境影响、处理效果不稳定、占地面积大等缺陷。如何根据人工湿地的处理要求、植物对胁迫因子的适应性和环境条件进行植物的筛选和配置尤为重要[3]。综述了人工湿地植物耐污性、耐盐性、耐寒能力、抗病虫害和抗有毒物质能力等方面研究进展, 以期为基于胁迫影响的人工湿地植物筛选提供参考。

1 植物胁迫因子的影响

植物对胁迫影响因子的适应能力是人工湿地技术研究的重要内容。MOHAMED M S等[4]人研究表明在植物高度多样化的人工湿地中, 长时间运行后环境对植物表现出一定的选择性。原本有25种植物, 但由于环境的限制和种间竞争的压力, 只有7种物种存活下来。分子系统发育分析和光合生理研究表明, 自然选择的植物主要是具有C4或类C4光合途径的单子叶植物。尽管在人工湿地中最初使用的物种减少了72%, 但BOD、COD、TSS、总磷、氨和硝酸盐的去除率仍保持在高水平, 分别为90%、80%、94%、60%、50%。同时, 即使没有特定的消毒步骤, 微生物水试验显示, 大肠菌群和链球菌的总减少率也高达99%。说明环境限制是植物选择的刚性条件。

2 植物对胁迫因子适应性研究

人工湿地植物对环境胁迫因子适应能力的考查包括耐污性、耐盐性能、耐寒能力、抗病虫害和抗有毒物质能力等[5]。

2.1 耐污性

湿地植物对于人工湿地系统去除污染物的能力存在显著性影响, 种植植物的湿地组合比未种植植物的湿地组合的污染物去除率和系统稳定性提高[6]。梁雪等[7]人提出湿地植物大多具有对污水产生抗性的能力, 且这种抗性具有代间传递的特性。植物的种类对污染物的去除有显著影响。研究表明植物种类不同, 各人工湿地中总氮、氨氮和总磷的去除率差别显著, 有机物去除率差别较小[8]。张彩莹等[9]在齿果酸模()对猪场废水处理的研究中发现齿果酸模对猪场废水有较强的耐污能力和较好的净化效果。在NH3-N为150 mg·L-1左右的废水中, 齿果酸模对废水中NH3-N、TN、TP及COD的平均去除率超过70%。黄菖蒲()、芦苇水平潜流人工湿地对水产养殖废水典型污染物的COD和抗生素等均有较好去除效果[10]。植物作为生态修复工具直接吸收去除污染物质的贡献不是最主要的, 其根系的分泌物和对微生物供给可生物利用的碳和氧气的作用更加重要[11]。Suwasa K等[12]人研究表明高负荷条件下植物对系统去除污染物的影响主要是通过植物根系改变系统的水力传导性能并减少系统堵塞, 植物直接吸收去除污染物的定量贡献较小。

2.2 耐盐性能

对于处理含盐量较高的污水以及高盐分土壤地区的人工湿地, 耐盐能力是筛选湿地植物的重要考虑因素。宋凤鸣等[13]在对70余种耐盐湿地植物的筛选研究中系统分析了湿地植物耐盐指标和常见的耐盐湿地植物, 指出不同研究针对的指标有所不同, 得出的耐盐性结论不完全一致, 应当结合实际来考察其耐盐能力。

PANTIP K等[14]对盐水条件(电导率范围为14—16 ms·cm-1)下的8种人工湿地植物进行比较, 发现互花米草()、香蒲()、异马唐()、莎草()均可在一定电导率的废水中存活。同时对 BOD5、总悬浮固体、氨氮、总磷均有一定去除效果, 异马唐和香蒲对污染物的去除效果更加显著。刘佳宁[15]研究表明盐地碱蓬()和芦苇人工湿地对含盐废水的处理达到了很好的效果。盐地碱蓬和芦苇湿地系统COD相对去除率在盐度为0.7%时达到了最佳,分别为83.44%和88.54%。盐浓度对芦苇去除污水中氮的影响不大, 盐地碱蓬在盐度为1.4%时对氮的相对去除率达到最大值135.69%, 两系统对总磷的去除率也在盐度为1.4%时达到最高值。王静等[16]研究了海水盐度对植物净化作用的影响, 结果表明, 进水COD约160 mg·L-1时, 芦苇床和碱蓬()床去除率最高分别达到81.1%和71.8%。进水COD约120 mg·L-1时, 混合植物床去除率最高达到77%。

郭焕晓等[17]对香蒲等在北方沿海高盐度地区人工湿地的应用研究表明, 香蒲、睡莲()、水葱()、美人蕉()和黄花鸢尾()对氮和磷都有较好的去除效果。黄花鸢尾不仅具有较好的耐盐性和较好的脱氮除磷效果,还具有较好的景观效益。黄花鸢尾适宜在中国北方土壤盐碱化地区推广。李玫等[18]通过对秋茄()等5种华南沿海常见湿地植物的生理响应研究, 发现5种植物对含盐污水的抗性。其抗性大小关系依次为秋茄>拉关木()>桐花树()>芦苇>短叶茳芏(), 秋茄和拉关木可用作华南沿海湿地修复。李芊芊等[19]基于对中国南方沿海及海岛的野外调查及文献调研, 从23种南方滨海耐盐植物种筛选出扁秆藨草()、海雀稗()、川蔓藻()、海马齿()和盐地碱蓬为耐盐性能最强的植物品种。张力等[20]研究了水葱、芦苇等5种植物处理不同盐度梯度的含盐废水, 结果得出芦苇、水葱对水质净化效果较好。对含盐污水的耐受能力关系是水葱>芦苇>美人蕉>碱蓬>空心莲子草()。在干旱、半干旱地区, 由于年降水量较少, 年蒸发量较大, 导致人工湿地土壤和水体含盐量较高, 褚润等[21]研究不同盐度下香蒲、鸢尾()、芦苇的外部形态、生理特性指标变化及其对污水中化学需氧量、总氮和总磷的净化效果,筛选出适宜高盐人工湿地的植物为芦苇, 其它依次为香蒲、鸢尾。

2.3 耐寒能力

人工湿地植物的耐寒耐热性是应对气候变化和季节更替的现实要求[22–23]。由于大部分的湿地植物为热带、亚热带植物, 因此低温条件下的人工湿地植物应用是湿地技术的难点。选用湿地植物应当遵循适地原则, 适应当地气候条件, 同时考虑季节搭配, 实现高效稳定运行[24]。常见的耐寒植物有德国鸢尾()、黄菖蒲、香菇草()、狐尾藻()、虎耳草()、木槿()等[25]。Fan J L等[26]人研究发现沉水植物菹草()的应用显著提高了低温条件下表面流人工湿地处理污染河水的性能。COD、氨氮和总氮的平均去除率分别为92.45%、93.70%和55.62%。一级去除速率常数也反映出种植菹草的系统具有较好的污染物去除效果。菹草是理想的耐低温人工湿地植物。殷晓乐[27]在季节性植物搭配强化净水效果研究中提出通过使用耐寒菹草和芦苇组合种植, 交替发挥生长优势。既保证了对污染物的稳定去除, 又实现了一年四季对污水的净化。周卿伟等[28]研究表明冬季亚热带地区种植有水龙()和美人蕉的人工湿地总体处理效果较好,同时对氮磷的吸收效果好、生物量大,水龙和美人蕉是适宜亚热带地区寒季应用的人工湿地植物. 此外, 部分研究者提出在人工湿地可以通过引入木本陆生植物, 以应对冬季大部分水生草本植物枯死的问题[29]。GONZÁLEZ J M等[30]提出将杨树()、桤木()、白蜡树()和柳树()等木本植物引入潜流湿地, 取得了良好的效果。陈永华等[31]人将夹竹桃()、栀子花()、女贞()、木槿引入人工湿地, 取得了很好的处理效果。此外木本植物还具有根系发达、输氧和代谢能力强、生长期长和可增加立体空间生态多样性等优点。

2.4 抗病虫害

人工湿地植物容易滋生病虫害, 发生病虫害后, 不宜采用化学农药治理。因此, 湿地植物病虫害治理应该以防治为主。选取植物时要选择抗病能力强、生长健壮的品种和植株。系统内应配置多样化的植物品种, 以防止病虫害的大面积集中爆发。发生病虫害后可以考虑采用灯光诱杀等物理方法治理, 或者应用一些病毒制剂等生物农药或植物性农药处理, 并将病株及时拔除焚毁。

2.5 抗毒性

人工湿地在处理有毒物质含量较高的废水时受到一定限制, 植物处理系统抗有毒物质能力不强[32]。污水中的有毒物质主要为重金属[33–34]、有机物[35–37]、无机物等。

有毒物质种类和性质复杂, 对植物生长影响的作用机制包括抑制生长、影响根际微生物活性、失水死亡等等[38–40]。植物对这类物质的修复作用主要体现在直接吸收、吸附、光降解、微生物降解等方面[41]。HUAN F等[42]人研究表明, 从表皮到维管束的金属运输和根组织中的金属分布有明显的差异, 这取决于金属和植物种类。作为植物生长必需的营养物质, Cu和Zn可被根吸收, 共享相同的运输路径和类似的机制。铁和锰, 除了作为植物的主要营养成分外, 还可以形成Fe斑块和Fe-Mn氧化物, 在植物中通过清除表皮中的其他金属来控制其他金属运输。

高志勇等[43]在湿地植物处理纺织工业废水研究中提出水葫芦()的根部具有对染料、重金属等污染物的高适应性和高吸收性, 而且具备较高的价格优势, 可以应用于工业水处理。水葫芦、浮萍属()植物、水芹菜()、蒲草属()植物等具有降低废水中镉、汞和铅含量的优势。研究表明石菖蒲()在锌胁迫下具有较高的耐性。根系对锌有较强的滞留作用, 同时通过体内的抗氧化系统清除细胞内过多的活性氧,以缓解过量的Zn胁迫[44]。香蒲对铅有较好的抗性且富集能力强, 适合处理高浓度铅废水。鸭拓草抗性较差, 但处理富集效果较好, 因此适合处理低浓度铅废水[45]。菖蒲()适宜处理低浓度铅污水, 其对铅的耐受能力有限[46]。近期研究首次在分子基础上理解了金属超积累的植物对金属的容忍度。分子技术促进了对植物的基因调控系统和植物体内金属平衡的研究, 其研究进展将有利于进一步研究植物修复技术和植物对极端金属环境的容忍性。研究表明湿地植物对重金属Cd、Cr、Hg、Pb、Zn的富集效果差异显著。水葱根部对重金属镉的富集最好, 芦苇根部对重金属铬、汞、铅、锌的富集最好[47–48]。周桑扬等[49]人在湿地植物去除重金属的作用机制研究中发现植物主要通过吸收和积累以去除重金属。在这一过程中, 存在许多起关键作用的转运蛋白和基因。因此可以通过加强对这类蛋白和基因的研究来提高植物吸收转运重金属的能力。

ONUR C T等[50]人在湿地植物对湿地中硼去除影响研究中发现B去除率最大的是种植了宽叶香蒲()的CWs(Constructed Wetlands)系统, 平均去除率达64%, 无植物系统的去除效率最低(去除率为38.1%)。CWs中主要B去除途径是通过质量平衡模型进行的沉积物储存, 植物对CWs中整体去除B的贡献较小。但是CWs中植物的可以直接吸收B组分, 影响过滤能力, 从而提高根际周围的沉积物吸附水平。HUI Z等[51]研究了两种杂交品种的杨树对高硼(B)和硒(Se)盐水的处理能力, 结果表明其对污水中的硼和硒具有较高的耐受性和积累能力。

郭金鹏[52]研究植物收割对湿地去除多环芳烃的影响表明, 植物收割后对萘、菲、芘和苯并[a]芘去除率分别提高0.89%—17.86%、1.56%—20.31%、11.36%—31.82%和 0.00%—26.67%。湿地种植芦竹后对2环萘和3环菲的去除率去除率分别提高10.12%和4.17%。李润青等[53]研究表明在低温条件下AgNPs胁迫使得湿地土壤脲酶和脱氢酶活性受到影响, 进而影响氨氧反应, 降低湿地脱氮能力。而湿地植物根系有利于根际脱氮菌的生长, 香蒲根际土壤的硝化强度高于黄菖蒲和菖蒲, 可应用于低温条件下提高湿地脱氮效率[54]。董静[55]研究了具有优良的阿特拉津降解性能的AMF(丛植菌根真菌)-美人蕉共生系统。通过接种丛枝菌根真菌有效解决了阿特拉津植物生长胁迫所导致植物修复效率低下的问题。应当加强植物种类、根系微生物、有毒物质等方面之间的相互作用机制研究, 提高植物对有毒物质胁迫因子的耐受能力。

3 结论与展望

湿地植物环境胁迫因子对人工湿地处理能力及植物生长性能存在重要的影响, 今后应当结合不同的环境条件和处理要求, 进一步强化对富集能力强、适应能力好的湿地植物的筛选、培育等工作。结合不同植物对各种胁迫影响因子适应能力的研究现状, 建议主要从以下几个方面对基于胁迫影响的人工湿地植物科学选配进行深入研究; 1)加强对湿地植物固定、吸收和转运污染物质的机理研究。2)采用生物基因技术, 加强抗性植物基因选育培育工作, 培育适应能力强、去污能力好的植物品种。3)结合填料选择、菌种引种、综合配置等构建复合缓冲系统以提高污染物质的去除能力和湿地系统的稳定性, 确立科学的筛选评测指标, 构建完善的人工湿地植物筛选评测体系。

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Research progress on the selection of artificial wetland plants based on stress influencing factors

TAO Zhengkai, JING Zhaoqian*, CHEN Lei, TAO Mengni, WANG Yin

School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China

Plant is an important part of constructed wetland technology. The adaptability of constructed wetland plants to environment stress factors is an important consideration for wetland plant selection. Environmental constraints are the rigid conditions for plant selection of constructed wetlands. The effects of significant influence factors such as pollutants, salinity, temperature, toxic substances, pests and diseases on plant growth and the adaptability of plants to stress-affecting factors were reviewed. The mechanism of plant resistance to stress factors should be strengthened. The breeding work should be focused and a scientific screening system should be built according to the target water body.

wetland plants; environmental selection; coercive influencing factors; adaptability; screening analysis

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.027

X-1; X5

A

1008-8873(2019)06-184-06

2018-12-02;

2019-01-19

国家自然科学基金项目(41301545); 国家科技支撑计划项目(2015BAL02B04); 住房和城乡建设部科学技术项目(2015-K7-012)

陶正凯(1996—), 男, 江苏盐城人, 硕士研究生, 主要从事水污染控制技术研究, Email: kaisom@foxmail.com

荆肇乾, 男, 博士, 教授, 主要从事水污染控制技术研究, Email: zqjing@njfu.edu.cn

陶正凯, 荆肇乾, 陈蕾, 等. 基于胁迫影响的人工湿地植物筛选研究进展[J]. 生态科学, 2019, 38(6): 184-189.

TAO Zhengkai, JING Zhaoqian, CHEN Lei, et al. Research progress on the selection of artificial wetland plants based on stress influencing factors[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 184-189.