水生维管束植物水体净化污染物作用探讨

程岩 纪和

摘要：概述了水生维管束植物的种类，总结了水生植物净化水质的主要机制及其对不同类别污染物的净化作用，并对其应用前景进行了展望，期望为水污染治理、水生态修复提供有益的参考。

关键词：水生维管束植物;水质净化;机制;污染物

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）18-0075-03

1引言

近年来，在我国社会经济持续高速发展背景下，环境污染问题也日趋严重，尤其水体污染问题十分突出。2015年，国家发布《水污染防治行动计划》（简称“水十條”），党的“十九大”提出要发起污染防治攻坚战，水环境质量、水体水质提升成为目前以及今后一段时间的紧迫工作。许多研究都已证实，水生维管束植物对不同类别的污染物都具有去除作用，可以很好的净化水体水质。使用水生植物净化水质属于生态学范畴，符合绿色、环保理念，且具有成本低、能耗小、易管理、方式美观等优势。本文概述了水生维管束植物的种类，总结了水生植物净化水质的主要机制及其对不同类别污染物的净化作用，并对其应用前景进行了展望，以期为水污染治理、水生态修复提供有益的参考。

2水生植物维管束植物概述

水生植物是指生理上依附于水环境或至少部分生殖周期发生在水中或水表面的植物类群，形成了一系列对于水环境的典型适应性特征，主要体现在形态结构及其功能上。水生植物分为三大类型，高等藻类、水生藓类、水生维管束植物，其中水生维管束植物被广泛应用于污染水体的水质净化，该类植物为多细胞植物体，细胞分化明显，组成各种不同功能的组织，有根、茎、叶的分化，通常具有发达的机械组织。水生维管束植物一般分为漂浮、沉水、浮叶、挺水四大类型，不同类型的水生维管束植物具有其相应的生活习性、生长特点，对水体污染治理具有不同效果。这四种不同生活型的水生植物在水体污染治理中既可以单独使用，也可以任意组合，能够更好地发挥水生植物在水体污染防治中的功能和作用（表1）。

3水生维管束植物净化水质的机制

3.1吸收作用

水生维管束植物可通过根部或浸没于水体中的茎叶吸收水体中的营养物质，以保证植物正常生长、繁殖需要。有研究表明，水生维管柬植物具有过量吸收氮、磷等营养元素的能力，植物体内氮、磷元素含量都达到或超过生长所需最低的氮和磷阈值。水生植物吸收氮素主要以铵态氮和硝态氮形式，也包括一些小分子含氮有机物如尿素和氨基酸等，磷素则主要以磷酸盐形式。水生植物对水体中的重金属和有机污染物也具有吸收作用，通过吸收降解、脱毒后存储于植物体内。植物对重金属的吸收具有选择性，部分溶解性的重金属可被植物吸收。当水生植物被转移出水生生态系统时，附着于水生植物体内的营养物质或重金属、有机物也随之移出水体，从而起到净化水质的作用。

3.2吸附、沉降作用

部分根系发达的水生植物，其根系与水体接触面积大，可形成密集的过滤层，水流通过时，悬浮颗粒和重金属被根系阻隔沉降，在其表面进行离子交换、鳌合、吸附、沉淀等。同时，水中的不溶性胶体可被水生植物根系吸附，植物根系上的部分菌胶团可把悬浮性有机物和新陈代谢产物沉降下来。水生植物可减少水面风速，降低水流速度，增强底质的稳定性，减少固体颗粒再悬浮情况的发生，为悬浮固体的沉降创造良好条件。此外，部分水生维管束植物在生长代谢过程中还可以分泌大量无机物，对水体中各种基团化合物具有较强的吸附能力。

3.3富集作用

多数水生维管束植物具有较强的耐污能力，可通过鳌合和区室化等作用来耐受并吸收富集金属离子、有机物等，将水体中的有毒有害物质富集于植物体内，从而达到降解水体污染物浓度的效果。例如有研究发现，在重金属诱导下，凤眼莲体内能产生有重金属络合作用的金属硫肽，对水体中重金属具有较强的富集作用。由于重金属在水体中以多种形式存在，整株植物对重金属的富集去除通常是重金属形态转化机制、酶系统保护机制等多种机制综合作用下的结果。

3.4微生物作用

微生物对水体中污染物降解起直接作用，水生植物群落为微生物提供了栖息环境和附着载体，其生理代谢活动间接为微生物的降解起到良好的协同和促进作用。水生植物根系区域形成了一个好氧环境，大量微生物在基质表面形成灰色生物膜，增加了微生物的数量和分解代谢的面积，从而有利于植物根区的污染物被微生物分解利用或降解去除。在根系外区域，厌氧微生物则通过硝化、反硝化实现降解效果。部分水生维管束植物的根系分泌物还可以促进某些嗜磷、氮细菌的生长，提高氮、磷的释放和转化效率，从而间接提高净化率。在富营养化水体中，水生维管束植物根茎上的反硝化菌、氮化菌等可加速氨氮向亚硝态氮和硝态氮的转化，有利于植物对养分的吸收与利用。

3.5抑藻作用

水生维管束植物和浮游藻类属同一营养级水平，两者间存在竞争关系。由于水生植物个体更大，生命周期更长，具有较大的竞争优势。水生植物的抑藻作用主要有以下2种途径：一方面水生植物通过对光和营养物质的竞争来抑制藻类的生长;另一方面水生植物可分泌释放单酚类、脂肪酸、菇类化合物、类固醇等抑藻物质，通过化感作用抑制浮游藻类生长。某些水生植物根系能分泌释放出克藻物质，达到抑制藻类生长的作用。如菇类化合物、类固醇等。化感物质对藻类的生长抑制作用机理主要体现在破坏藻细胞结构，影响藻细胞光合作用、呼吸作用、酶活性以及藻细胞内小分子物质的含量等5个方面。

4水生维管束植物对水体污染物的净化作用

4.1氮磷等营养物

随着经济社会高速发展，生活污水排放、农业面源污染等问题导致我国水体富营养化现象十分严重。传统物理、化学方法治理具有一定效果但易造成二次污染。大量研究表明，水生维管束植物对于去除水体氮、磷等营养物质，净化污染水体水质具有明显效果，且符合绿色、生态的要求。水生植物对营养物去除主要通过微生物降解、植物体吸收等方式，维管束植物的产量往往较高，大量营养物被固定在其生物体内，收割后即可从水体中去除，从而起到净化水质的作用。植物的种类是影响水生植物修复污染水体效果的首要因素，耿兵等研究表明，浮水植物对污染物的去除能力明显强于挺水植物，约为挺水植物的3.15～5.64倍。AN-SOLA等比较了芦苇、香蒲、黄菖蒲和水葱4种水生维管束植物对氮、磷的去除效率，发现香蒲对总氮的去除率最高，黄菖蒲对总磷的去除率最高。水体的富营养化程度、氮的不同存在形态、植物种植方式以及温度、pH、光照、微生物等都对水生植物对氮、磷等营养物的去除效率产生影响。例如，高光等研究表明水生植物对氮、磷的净化率随水体中氮、磷等元素的浓度增高而增大。多种植物种类组合较单种植物的水质净化作用更明显。王国祥等研究表明，由浮水、浮叶和沉水植物组合的水生植物群落对污染湖泊中藻类和氮素具有显著的去除效果，藻类生物量和TN浓度分别下降了58%和60%。

4.2重金属

近年来，随着各种工业行业（电镀、电子、冶炼等）的发展以及固体废弃物渗滤液排放，使得各类重金属污染物进入水体。重金属不能被微生物所降解，因此通过生物吸收、富集从环境中去除是一个较好的选择。诸多研究均表明，不同類型水生维管束植物对水体重金属离子具有较好的吸收、富集作用，且水生维管束植物具有生物量大且易于后处理的优势，被广泛应用于重金属污染水体的水质净化。水生维管束植物对重金属的去除作用效果通常与植物生活型、生物量、株龄、时间、温度、pH等因素相关，挺水植物一般具有发达的根系和较大的生物量，植物体内可以蓄积大量重金属且重金属含量与外界污染水平相关，可以作为重金属指示生物和蓄积物种。漂浮植物水浮莲和风眼莲是两种典型的重金属蓄积植物，对Cu、Ag、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、Zn元素具有很好的蓄积效果。浮叶植物与其他生活型水生维管束植物相比重金属蓄积能力相对较弱，其中部分植物物种对某些特定重金属也有很好的蓄积能力，例如睡莲对Cr⁶⁺的富集效果较好。许多种类沉水植物（金鱼藻、轮叶黑藻、狐尾藻等）的根部、叶部均可蓄积高含量的重金属。

4.3有机污染物

食品工业、造纸业、农药化肥等污水排放是水体有机污染的主要来源，有机物进入到水体生物氧化分解过程会消耗水体中大量溶解氧，水体溶氧不足进而导致水体发臭。大量研究表明，水生维管束植物可以有效地对水体中的有机污染物进行清除和分解，进而达到净化水质的目的。植物体对有机污染物的降解机制分为三方面：转化、结合、分离。如浮萍、紫萍、水葫芦、水花生等水生维管束植物对水体中的多环芳香烃化合物等有毒有机物具有较强的去除效果。凤眼莲对合成洗涤剂净化作用明显，对含有硫化氢印染废水也具有较强的去除效果。刘建武等研究了凤眼莲净化含萘废水的机理，发现凤眼莲主要依靠根系的吸附作用、吸收作用甚至根际微生物的降解作用净化水体。此外，水生植物还可以消除工业废水中的双酚、酞酸酯等物质。沉水植物狐尾藻等具有直接吸收降解三硝基甲苯（TNT）的能力。风车草和香根草人工湿地对COD的去除率依然接近90%，且植物生长良好。

5水生维管束植物在水污染治理中的应用前景

“水十条”发布以来，我国黑臭水体整治工作在全国各大城市全力铺开推进，水环境治理行业及其相关环保产业迅速发展。目前，大部分城市黑臭水体整治工作已接近尾声，进一步提升河湖等水质标准是下一阶段水污染治理的重点目标。应用水生植物治理水体污染、净化水质属水生态修复范畴，已被证实具备诸多优势。水生维管束植物是构建生态浮岛、人工湿地等的生态修复工程的主要组成部分，同时具备雨洪调蓄、景观营造、美化环境等作用，在未来水环境综合整治、水生态修复领域具有广阔的应用前景。未来应加强不同类型水生维管束植物组合水质净化作用研究，加大植物资源的开发和应用，并以工程项目为依托将小型或中型试验推广至工程应用实践研究。