管东红 管映兵 杨帆

摘要：指出了水资源重金属污染是一种严重影响人类、植物和动物的污染问题。植物修复是一种经济有效的重金属污染修复技术，并能够自然地恢复水生生物系统，该方法已成功地应用于人工湿地（CWs）中。目前，学者们正在研究许多水生植物种类，以确定其在植物修复方面的应用潜力和有效性，特别是生长速度快的植物，即大型植物。结果表明：植物过滤是从水中去除重金属主要作用，自由漂浮植物由于其独特的形态和较高的生长速度，比沉水植物和出水植物更能有效地吸收重金属。综述了多种水生植物去除重金属的潜力，重点介绍了4种著名的水生植物（超富集植物）：水浮莲（Pistia stratiotes）、水葫芦（Eicchorniaspp）、浮萍（Lemna spp）、槐叶苹（Salvinia spp）修复重金属的机理和作用，并对水生植物修复重金属的发展、方法和前景进行了论述。

关键词：植物修复;植物过滤;吸收;水生植物;重金属

中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）18-0080-02

1引言

水体生态系统中的重金属污染会影响人类健康和水生生物。此外，为了提供充足的饮用水来源，重金属的安全性也得到了提高。重金属常作为农药、除草剂的成分以及应用于工业生产的原材料或辅助材料。水体中常见的重金属有砷、铅、汞、镉、铬、铜、镍、锌，针对废水中重金属污染严重的问题，虽然传统重金属处理技术，例如混凝一絮凝、化学沉淀、离子交换、吸附、膜过滤、浮选、光催化降解和电化学等在许多研究中得到了广泛的应用，但这些方法对环境有负面影响，且成本昂贵。为了克服传统处理技术的不足及从废水中更有效去除重金属。故开发性能高效、成本低、绿色环保的重金属处理技术成为国内外研究热点。与其它方法比较，由于植物修复技术是利用植物和植物根系相关微生物通过吸收、沉淀、富集等作用来降低重金属离子浓度，适应于各种不同的重金属废水，特别是低浓度废水和废水的深度处理，具有无二次污染、成本相对较低等优势。研究表明，水生植物或人工湿地被广泛用于去除废水中重金属离子。从天然植物中筛选出用于废水中重金属处理主要有自由漂浮植物、沉水植物和挺水。为此，总结了近年来国内外水生植物处理重金属的研究进展，重点介绍了水生植物修复重金属的机理、方法和作用。

2植物修复机理与技术

利用植物进行金属去除技术已经引起了越来越多的关注。不同植物在植物修复中都有其独特的作用，重金属的吸收机制也可能有所不同，包括积累、排斥、转运、渗透调节和分布。重金属离子浓度在植物地上部主要发生富集、迁移。Nyquist和Gregerd指出，水生植物对金属的吸收机制取决于植物的类型和废水中重金属浓度，废水中重金属通过直接从水中吸收到植物表面。研究认为，植物对废水中重金属的吸收以被动吸收、主动的跨膜运输或者小规模的根系吸收。通过对沉水植物和自由漂浮植物根系发育不良的研究，尤其对沉水植物和自由漂浮植物根系发育不良的机理进行了观察，植物生长速度和组织中重金属的浓度直接影响植物的除金属能力。漂浮水生植物的植物组织中重金属的积累发生在沉水植物全身的根系中。漂浮的水生植物通过根部吸收重金属，然后迁移到其他部位。若植物与废水介质直接接触，就会发生被动的金属吸收、吸附过程，导致废水中部分重金属积聚。Vymzal表明永生植物的显著优势是地上部生物量高和重金属富集能力强。故重金属的浓度通常在植物地下部分比地上部分要高很多，特别是在作为最初吸收点的根系中。

采用植物萃取、植物降解、根际过滤、植物稳定、植物挥发、植物脱盐、植物过滤等多种方法进行了植物修复技术研究。据Thakur等报道在这些方法中，植物萃取、根际过滤和植物稳定在重金属废水处理应用上很重要。植物过滤或根滤是目前唯一可用于废水中重金属净化的修复技术。

3植物过滤

植物过滤被定义为利用沉水植物、浮水植物、挺水植物等水生植物的根系直接去除重金属等污染物。为了评价这些植物对水体中重金属的富集能力，进行了一些研究。植物过滤可以是根滤（植物根系的使用）或种苗过滤（幼苗的使用）或嫩芽过滤（使用切除的植物芽）。与水生植物相比，由于陆生植物的根系更长，增加了金属吸附的大面积表面区域，并被视为根茎过滤的替代品。为了最大限度通过植物过滤技术吸收废水中的重金属污染物，植物应具有植物根系密集和水培栽培特征，有利于生物吸附的过程，也有利于其生化机理性质。植物吸收的效率在很大程度上取決于植物或光合表面微生物的物理化学特征。研究表明：采用植物滤池法去除重金属不影响植物生长速度，对根小、生长速度慢的植物不宜进行就地处理。例如，理想的植物应该对金属积累有很高的潜在耐受性，生物量的生产率很高，并且应该以可行的方式获取。各种环境因素影响植物生长，如温度、溶液中营养平衡的维持以及实验室繁殖的缺陷，都是植物过滤的局限性。植物过滤法在除砷方面，具有生物机理特异性强、砷及亚砷酸盐吸收效率高、操作成本低、可自由处理废弃物、低光照条件下性能好等优点。但是，在处理系统的运行设计可能会受到一些现场条件的影响，如流量的变化，可以用经济的方法解决。

4利用人工湿地进行植物吸收重金属

人工湿地（CWs）是一种低成本、生态环境友好型的自然处理系统。随着人工湿地处理技术的日趋成熟，应用领域也逐渐从过去主要针对市政污水处理厂尾水深度处理或生活污水的二级处理扩展到对重金属废水的净化处理。已有研究报道人工湿地植物吸收重金属的效果。在人工湿地系统中.植物具有非常重要的作用，水生植物能直接吸收利用废水中的营养物质，促进其生长发育，还能吸附、沉淀和富集一些有毒有害物质，如重金属铅、汞、镉、砷、铬等。不同类型的植物对重金属离子的吸收积累能力不同，沉水植物>浮水植物>挺水植物;植物不同部位，重金属浓缩倍数不同，根>茎>叶。湿地植物对重金属的去除率与植物生长速度、植物种类重金属在湿地系统停留时间和废水中重金属的浓度有很大关系。此外，金属的分配、排斥和动力学过程也受到植物成分的显著影响，而植物成分在每种植物中可能有所不同。

人工浮岛（AFI）是属于人工湿地类型，是由浮垫、漂浮水生植物、以沉积物为根的新型湿地植物及相关生态群落组成的无土种植结构。在试点研究中，AFI通过去除有机物、悬浮物、营养物质和金属，改善了污染水体的水质。近年来，Chen等将水生植物根系垫层（水生植物形态）分为漂浮根系垫层（FHRMs）和非漂浮根系垫层过滤器（HRMFs）两大类。在FHRMs中，生长在水面上的挺水型水生植物，HRMFs是一种水经根部流动的非漂浮水培根系垫层过滤器。

5利用水生植物吸收重金属

根据文献，分析了4种水生植物水浮莲（Pistiastratiotes）、水葫芦（Eicchornia spp）、浮萍（Lemnaspp）、槐叶苹（Salvinia spp）对去除重金属的效果。其中水葫芦（Eichhornia crassipes）、浮萍（Lemna minor）和水浮莲（Pistia stratiotes）3种自由漂浮的水生植物在植物修复过程中占主导地位。

5.1浮萍（Lemna minor）

浮萍生长迅速、收割比较容易、适应能力强、对重金属有一定累积能力等特点使其能去除废水中重金属，在废水中重金属处理领域，具有一定发展前景。研究表明：与其他水生大型植物相比，浮萍是较有效的植物修复植物，用于用于从生活和农业废水中回收氮、磷和有毒金属的污染物，在许多研究中得到应用。一些研究表明，浮萍可累积高浓度的镍、铜、镉、锌、锰、硼、铀、砷等多种金属和类金属。

5.2水浮莲（Pistia stratiotes）

水浮莲是一种漂浮多年生植物，漂浮的叶子下悬挂着水下结构、生长简单、适应生存环境能力强，属于天南星科。水浮莲对各种温度和酸碱度都有很高的耐受性，分布广泛。Gupta等研究表明，大部分铁、钾、镁、锰、钙、镉和钴通过吸附作用附着在水浮莲的根表面。水浮莲能有效净化重金属污染的废水，主要取决于水浮莲生长速度快、水面覆盖率高、易收割等特点。

5.3水葫芦（Eichhornia crassipes）

水葫芦是一种有根自由漂浮的多年生大型植物，是世界上最普遍的入侵性水生血管植物之一。具有叶圆直立，根系深蓝色，能快速适应不同的水理化条件，积累较高的金属含量。水葫芦具有吸收大量污染物（重金屬）和营养物质的能力，其使废水中重金属离子得到有效净化。因此，水葫芦对营养物质、重金属的再摄取与水葫芦的生长速率密切相关。水葫芦对重金属去除效果较好，发现这种植物可以能承受高浓度的重金属，并能在极端条件下生存。研究表明，水葫芦植物组织内的顶叶堆积顺序为叶<茎<根。近年来研究结果显示，水葫芦是吸收、吸附水体中重金属的理想生物材料，是净化水质效果最好的水生植物之一。据推测，水葫芦的根系能吸附大量重金属，可能是因为其根系分泌了一些能够大量吸附水体中重金属的分泌物质。此外，重金属通过与根系细胞壁表面的交换位点进行离子交换或参与根系表面有机官能团的配位螯合作用而被根系吸收。

5.4槐叶苹（Salviniaceae）

槐叶苹是一种自由漂浮的水生生物，具有匍匐茎，分枝，有毛，生长速度快和对高金属浓度的耐受能力强的特点。选择槐叶苹进行重金属去除的主要原因是生长速度快、耐受性好。基于之前的研究，槐叶苹是一种已知的重金属去除植物，但对吸收新的重金属有限制。从根本上说，槐叶苹植物的根与叶片相比，根积累了大量的铬、镍、铅等重金属。Fuentes等报道，槐叶苹被认为是镍的超积累体，而在浓度高于（80M Ni）时，其生理性能会受到影响;槐叶苹浸没叶中铬的积累量明显高于漂浮叶。研究表明：槐叶苹为不同重金属的超蓄能器，而槐叶苹叶子对重金属的蓄积量大于其他部位。槐叶苹是一种可行的替代生物吸附剂，用于湿地工业废水的金属去除处理过程。

5.5沉水植物和挺水植物

沉水植物和挺水植物具有净化废水中重金属的潜力。沉水植物的表皮非常薄，可以通过整个水面去除重金属，沉水植物根系主要为厚的细菌生物膜提供物质支持，通过兼性和厌氧微生物吸收养分。研究表明，挺水植物结灯芯草和香蒲，根内的金属含量比枝上的要高。结果表明，挺水植物组织中重金属的易位和迁移能力较弱。

Agnieszka等评价了水甜茅（Glyceriamaxima）、芦苇（Phragmites australis）、宽叶香蒲（Typha latifolia）、虉草（Phalaris arundinacea）的叶片和根茎中锌、铁、锰、镍和铜的含量，并比较了其在特定重金属环境下的累积特性。水生植物芽中锌、铜、镍、锰、铁的含量随品种和芽的不同而有较大的差异。被试植物的重金属积累主要集中在根状茎中。结果表明，被测试的大植物中重金属含量之间的关系是一致的，可以按照以下顺序排列：叶片中，锰>铁>锌>镍>铜，根茎中，铁>锰>锌>镍>铜。

6结语

本文着重介绍了4种自由漂浮的大型植物：水浮莲（Pistia stratiotes）、水葫芦（Eicchornia spp）、浮萍（Lemna spp）、槐叶苹（Salvinia spp）。在植物修复过程中，水浮莲（Pistia stratiotes）是最有效的自由漂浮水生植物。因此，沉水植物和挺水植物从不同类型的重金属废水中吸收多种重金属，但自由漂浮的水生植物更有效。植物修复技术中，植物过滤是从废水中吸收重金属的唯一方法。目前，植物对目标重金属的植物选择正在研究中，这也有助于确定不同参数对植物净化重金属效率的影响。重金属去除率与生长速度、对重金属的耐受性和对不同环境的适应性密切相关。尽管如此，在设计处理设备之前，必须考虑水生植物的选择。

在今后的研究中，需要考虑多种植物修复方法的应用，方便有效、成功地去除重金属;转基因水生植物可以作为未来研究的有用途径;通过提高植物产量和污染物浓度，在合理的时间范围内进行有效的植物修复是可行的。可以通过培育快速生长的高积累植物或具有高积累基因的基因工程植物来实现重金属有效处理。此外，在未来利用生物技术技术，通过特定的金属基因鉴定超蓄能器是高度推荐的。此外，研究人员还必须考虑环境条件以及水生植物的特性。