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植物养护

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植物养护 PLANT

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水生植物对污染水体修复的研究进展

时间 : 2019-06-12 04:28

  人类文明进程的加快导致了大量的工业、农业和生活废弃物排入水或土壤中,使水质和土壤受到严重污染。随着对生态学与人类关系研究的深入,越来越多的研究者开始关注利用生态学原理修复受污染的水环境和土壤。水生植物作为自然界生态系统中生产者的一员,其特性决定了具有净化与修复水体污染的功能。

  1 水生植物的净化机理

  1.1 水生植物自身特点

  大部分水生植物长期生活在一种缺氧、弱光的环境中,形态解剖结构上就形成了一种特殊性,即具有很发达的根、茎、叶通气组织,通过植株枝条和根系的气体传输和释放作用,将O2输送至根区,在还原性的底泥中形成了氧化态的微环境,从而加强了根区微生物的生长和繁殖,增强了其降解作用。故水生植物的气体交换与输导作用对以水生植物为主体的生态工程处理系统的正常和高效运行具有重要意义。

  1.2 水生植物的吸收富集作用

  水生植物能吸收和富集一些有毒有害物质。可溶性有机物通过植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代谢降解过程被去除。窦磊等研究表明,Pb、Zn进入香蒲(Cattail)体内,主要积聚在皮层细胞的细胞壁上,只有少量进入原生质。

  1.3 物理作用

  大型水生植物在水中形成的茂密植被具有抑制风浪和减缓水流的功能,可促进水中悬浮物的下降,以及减少底泥中颗粒物的再悬浮。屠清瑛等在北京什刹海进行的生态恢复试验证明,改善光照和溶氧条件,人为扶持沉水植物的空间生态位,使其成为优势种群,能有效降低生物性和非生物性悬浮物浓度,提高水体透明度,增加了水生生态修复的有效性。

  1.4 生物化学作用

  在植物生长过程中,根系会向生长介质中分泌出大量的有机物,这类分泌物中包含有大量的有机酸、氨基酸和活性酶等;根系表皮细胞死亡后在微生物的作用下分解为腐殖质。这些分泌物和腐殖质中有一系列功能团,如羟基、羧基、酚羟基、烯醇羟基以及芳环结构等,它们对含各种基团的化合物均具有极强的吸附能力。当水流经过时,不溶性胶体会被根系粘附或吸附,再通过生物化学作用,将水中的污染物降解。吴振斌等通过人工湿地根区磷酸酶和脲酶活性的测定发现,其脲酶活性与总氮去除率有较明显的相关关系,证明了植物磷酸酶对磷的去除起到很大作用。

  1.5 对浮游藻类的竞争抑制作用

  抑制作用也称为植物的化感作用,Rice将化感作用定义为一种植物通过向环境中释放化学物质影响其他生物生长的现象。许多研究都表明化感作用普遍存在于水体中。俞子文等证实了水花生(Alternanthera Philoxeroides)、水浮莲(Eichhirnia crasslpes)、满江红(Azolla Imbricata)、紫萍(Spirodela Polyrhiza)和西洋菜(Nasturitium Officinale)与雷氏衣藻(Chlamydomonas Reinhardi)有相生相克关系,从水花生、水浮莲的种植水中得到的分泌物粗提物,也表现出对雷氏衣藻的克制效应。

  2 水生植物对不同污染物的净化能力及自身代谢生长对水质的影响

  2.1 对水体中氮、磷、钾的去除

  不同水生植物对污水净化能力不同,但对氮、磷、钾的去除途径主要有植物吸收、沉淀、吸附作用和微生物固定等。吴湘等研究了挺水植物芦苇(Phragmites Australis)、沉水植物金鱼藻(Ceratophyllum Demersum L)和浮叶植物浮叶四角菱(Trapaceae)对池塘养殖废水的净化效果,发现它们对水体中氮素的去除率:芦苇>浮叶四角菱>金鱼藻;磷素的去除率:芦苇>金鱼藻>浮叶四角菱,可见挺水植物芦苇对氮磷具有较好的去除能力。

  蔡培英等进行了7种水生植物去除城市生活污水氮、磷效果的研究,结果表明7种水生植物对生活污水中TP的去除率均达60%以上。黄辉等对利用以浮萍为基础的稳定氧化塘的N、P含量进行了连续3年的监测,监测指标包括N、P、BOD、COD、Fe3+和TSS等,在这些指标中,每一项都降低了60%以上。

  任文君等研究了4种沉水植物在白洋淀富营养化环境下的生长状况,以及对水体氮、磷及有机物的净化效果,试验21天后,蓖齿眼子菜(Potamogeton Pectinatus L)、马来眼子菜(Potamogeton Malaianus)、金鱼藻和黑藻所在的生长体系对水体中总磷的去除率分别为83.59%、84.35%、87.84%和89.88%;对水体中氨氮的去除率都在75%左右;对总氮的去除率分别为79.40%、83.82%、88.51%和87.73%,综合来看金鱼藻和黑藻净化效果较好。

  宋福等利用狐尾藻(Myriophyllum Verticillatum L)、菹草(Potamogeton Crispus)、苦草(Vallisneria Natans Hara)、伊乐藻、金鱼藻、篦齿眼子菜、轮藻等7种沉水植物对受污染的草海水体的(含底泥)总氮去除速率进行了试验研究,试验的27 d内,对总氮、总磷的去除百分率分别为80.31%和89.82%,得出多物种同时种植去除效果更好的结论。

  童昌华等利用人工模拟的方法,在低温季节用金鱼藻等6种植物对养鱼池污水进行净化处理。结果表明,低温季节6种植物对总氮、总磷和硝态氮仍有较好的吸收效果,无论总氮,氨氮还是硝态氮狐尾藻的吸收效率都是最高。

  2.2 水生植物对重金属的去除

  有许多种湿地植物对污染废水中的重金属具有极强的富集能力,这些植物体内的重金属浓度可达其生长废水中重金属浓度的数百甚至数千倍。姜虎生等研究了芦苇、水芹菜(Apium Graveolens)、香蒲3种水生植物对含铬(Cr)污水的吸收和富集作用,结果表明芦苇对Cr的去除率高于水芹菜和香蒲。

  任珺等进行了芦苇、菖蒲、水葱(Scirpus validus Vahl)对不同镉(Cd)浓度和锌(Zn)浓度的富集能力研究,结果表明:水葱、菖蒲、芦苇均能够有效吸收水体中的Cd,菖蒲对水体中Cd具有最强的富集能力,芦苇对Cd的富集能力最弱;菖蒲对Zn2+的吸收能力也高于水葱和芦苇。

  徐德福等以4种挺水植物为材料研究了对重金属锌的抗性和去除能力,结果表明:灯心草和菖蒲对锌的抗性能力较强,茭白和美人蕉则较弱。而灯心草抗锌毒害能力最强,当处理锌污染水体时,灯心草可作为一种工程植物。

  2.3 水生植物耐盐性研究

  对于含盐废水,尤其是无机氮、磷营养盐含量高,COD含量相对较低,不易生化降解的受污染的水体极易富营养化。付春平等研究了香蒲湿地及水葱对泰达地区高含盐再生水的净化效果。结果表明香蒲在盐度高达4 800 mg/L时水质净化效果仍良好;水葱对含盐量高达5000 mg/L的污染水仍具有明显的净化效果。在泰达再生水景观河道实际水体中,对COD、TN、NO3--N、NH3-N、TP、PO43--P的去除率分别为21.37%、61.84%、72.35%、9.30%、49.09%、56.52%,并且两者都能够降低水体的pH值。

  不同水生植物的抗盐度能力也不同,李双跃等对芦苇、香蒲、荷花3种水生植物在不同盐浓度下的SOD、POD活性和MDA、叶绿素含量等进行了研究。结果表明芦苇的耐盐性最强,高盐度下对芦苇的生长没有很大影响。

  2.4 根系分泌物及根际微生物对废水净化作用

  植物-微生物相互作用主宰了陆地生态系统的生态功能,可溶性根系分泌物为微生物提供了丰富的有效性碳源,根系分泌物是植物对环境条件本能反应的一种特征物质。植物和微生物进行协同代谢过程,袁东海等通过对几种湿地植物净化生活污水COD、总氮效果比较发现,植被系统净化污染物的能力一方面取决于植物的生物量,另一方面取决于植被根际微生物的硝化反硝化作用。魏成在不同植物组合条件下,研究了人工湿地系统的污染物去除效率与植物根际微生物群落的相互关系。结果表明,通过不同植物组合而成的湿地系统,可提高根际微生物群落功能多样性,从而提高人工湿地污染物净化的效率和稳定性。

  2.5 水生植物腐烂分解对水质的影响

  Tanner等在研究利用水生植物处理人工湿地污水时发现,一定量的植物残体可以促进整个系统的脱氮过程,但超过一定范围,氮、磷去除率会减小。唐金艳等对6种水生植物进行64天的腐烂分解试验,结果表明,水生植物在分解前期,会造成水体氮、磷等营养元素激增和局部缺氧现象,但在分解后期,水体中硝态氮和亚硝态氮浓度开始下降,还发现挺水植物芦苇腐解过程中的水体化学需氧量、总氮和总磷浓度最低,水质最好。

  3 水生植物净化污染水体的工程与应用研究

  3.1 净化塘

  水生植物塘具有较高的去污效能,其出水水质,特别是对氮、磷等营养物的去除,比普通氧化塘系统好得多。在城市环境与城市生态静态实验中,水生植物塘对磷和有机物一级降解速率比一般菌藻共生塘平均高出两倍以上。杨鹏等利用三级净化塘处理工艺对云南省某农业生活与农业废水进行了生态拦截与修复,净化塘主要植物为当地植物,如茭白、莲藕、洱海海菜、浮萍和凤眼莲等。实际运行结果表明,该工艺处理效果良好,运行稳定,对水体中总氮、总磷和COD的累计去除率分别达到96.76%、95.08%和83.90%。

  3.2 人工湿地系统

  芦苇和香蒲被国际上公认是人工湿地的首选植物,其种植简单、繁殖能力强、管理要求粗放、处理效果好。Valipour用芦苇和宽叶香蒲湿地系统净化城市污水试验表明,BOD去除率达到86.59%。隋艳杰等研究也表明,用芦苇作湿地植被,BOD、COD和SS去除效果好。成水平等研究显示,香蒲、灯芯草人工湿地对COD的去除率均达94%以上。

  3.3 生态浮床技术

  生态浮床技术是以水生植物为主体,运用无土栽培技术原理,以高分子材料等为载体和基质,应用物种间共生关系和充分利用水体空间生态位和营养生态位的原则。该技术不受水位变化的影响,维护管理方便。在改善水域环境的同时,增加水产品产量,是一种有效的水体原位修复和控制技术。利用浮床植物系统修复富营养化水体方面的工作已开展很多年,也取得了一定的效果。周楠楠等研究了蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk)和美人蕉(Canna lily)2种浮床植物系统对富营养化水体的净化效果,结果表明:2种浮床系统对水体铵氮的去除率分别为89%和39%;对总磷的去除率分别为85%和36%。

  3.4 根际过滤技术

  根际过滤技术主要用来处理放射性核素废水、重金属废水以及富含营养盐的废水。它利用超积累植物的根系从废水中吸收、富集和沉淀污染物,是更经济、更适于现场操作的原位污染治理技术。超积累植物可以对根际土壤中重金属活化,螯合土壤中的重金属,还原土壤中的重金属。超积累植物积累的Cr、Co、Ni、Cu、Pb含量一般在1 000 mg/kg以上,积累的Mn、Zn含量在10 000 mg/kg以上。目前,国际上报道的超积累植物已有500多种,但国内有关水生植物对水体底泥重金属超积累研究较少。

  3.5 对生活污水净化

  王庆海通过模拟人工湿地的方法测试了几种高等水生植物对生活污水的净化能力,结果表明对氮、磷和COD去除情况总的来说菖蒲的净化能力高于芦苇。于秋良实验结果表明:芹菜和吊兰(Chlorophytum)对污水总磷的去除率分别为79.5%、88%,对铵态氮的去除率为80%、80.3%,对CODCr的去除率达71.2%、76.33%。

  3.6 对石油化工有机废水净化

  周元清等对慈菇、大薸(Pistia stratiotes Linn)、穗状狐尾藻,进行去除有机废水中的污染物的实验。结果表明3种植物对废水净化均有非常明显的效果,其中穗状狐尾藻对污染水体TN、TP的去除效率均在90%以上。

  刘建武等选用凤眼莲、水花生、浮萍、紫萍对2.5 mg/L的含萘污水进行处理,7 d净化率凤眼莲可达到97.1%。Soltan等研究发现,酚浓度为0.36 mg/L的溶液用凤眼莲净化30~40 h,酚可降至0.005 mg/L。于方磊等研究了普生轮藻、豆瓣菜(Nasturtium officinale R. Br)和菹草对水体中苯的净化作用,对苯的最大去除率分别达到35.26%、69.71%和55.45%,普生轮藻和豆瓣菜均在18℃时去除率最高,而菹草在温度较低时活性较强,在8℃时去除效率最高,故夏秋季可选用豆瓣菜,冬季则可选用菹草。

  4 结论与展望

  综上所述,挺水植物对氮、磷有较好的去除能力,对重金属离子有较好的富集作用,耐盐、净化污水效果好。其代表植物芦苇是水生植物塘的首选植物之一。浮水植物如凤眼莲、浮萍在净化石化废水、生活污水,对COD、BOD、NH3-N、TN和TP等污染成分都有很好的去除效果。尤其凤眼莲对毒物的吸收能力甚至高于芦苇,凤眼莲、浮萍可作为生态修复的遴选物种。沉水植物中金鱼藻,狐尾藻净化修复能力很好,对有机物、重金属、氮、磷等去除效果都可以达到较好效果。

  水生植物对水体的净化能力与其生长状态关系紧密,环境温度影响其生长状态。考虑季节温度变化,第一:在工程设计上可以采用覆膜和改变生态位的越冬技术,覆膜即用无色透明的农用塑料膜覆盖植物群落,然后用大网孔的尼龙网罩在植物群落上,再将网压入水中,使植株顶端没于水面下5~10cm左右,将漂浮生态位改变为沉水生态位。第二:考虑将两种及以上不同温度习性的水生植物共同种植来进行净化处理污染水体。如采用水生植物多种组合配置或多级水生植物串联塘,形成一定的净化层次,这样有利于水生植物的生长期和净化功能的季节性交替互补。

  由于超积累植物的数量少,因而今后应继续寻找和开发生物量大、超量积累有害重金属的植物,寻找更多指示污染物有效性的野生或栽培植物;此外可采用先进的基因工程技术改造植物,以获得理想的超积累植物。

  水体中污染物的种类繁多,进一步的研究方向应是加强植物的筛选、培育和合理搭配高效率的植物品种以满足不同环境的修复需要。其他的措施应还包括及时清理植物枯枝败叶,防止腐烂分解,如菹草在分解后期,会释放大量的COD和TN进入水体中,导致水体水质变差。所以,在水生植物修复污染水体过程中,对其进行全过程的管理,也是防止二次污染的一项很重要的工作。

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