鲁敏，赵洁，李雪蕾，康文凤

(1.山东建筑大学学报编辑部，山东 济南 250101;2.山东建筑大学 艺术学院，山东 济南 250101)

0 引言

水体受到重金属、有机物和营养元素等多重污染，已成为世界性的环境问题。水资源是人类赖以生存和发展的重要资源，也是基础自然资源，是生态环境的控制性因素之一;同时，又是战略性经济资源，是一个国家和地区综合国力的有机组成部分。[1]目前，中国大多数城市和地区的水质都受到不同程度的污染，水环境质量持续恶化、水生生态系统遭到严重破坏，这导致了可利用水源的进一步减少，水资源的供给受到威胁、供需矛盾加剧等问题。如何保持水资源持续、健康的利用，延缓、阻止水生态系统的受损进程，已成为当今全球科学家关注研究的热点之一。[2]修复污染水体具有十分重大的社会效益、环境效益和经济效益，对于人类进步和社会的可持续发展也将产生深远的影响。

目前，国内外在修复污染水体方面先后都开展了相应一系列的研究，提出了许多理论方法和实用技术，这其中生物修复技术(包括植物和微生物的修复)是最科学有效和经济的水体污染修复技术之一。[3]湿地植物不仅具有净化水体和恢复生态的能力，同时还兼有美化环境的作用，所以利用湿地植物构建湿地生态系统来进行污染水体的修复技术成为近年来治理污水的研究热点。

1 植物修复技术概述

植物修复技术(Phytoremediation)是利用特定的植物对某种环境污染物的吸收、固定、超积累、降解、转移、挥发及促进根际微生物共存体系等特性，降低或去除环境污染物，使污染环境得以恢复的科学技术。[4]

植物对污染水体进行修复的对象不仅包括水体中氮磷营养盐、重金属等无机物，也包括有机污染物。生长迅速的高等湿地植物，在生长期间可有效吸收并超富集水中的营养盐，起着营养泵或营养库的作用，通过合理构建转移出大量N、P等无机物，并维持水生植物生物量，使水体保持相当净化能力，[5]这对水体的富营养化具有良好的修复作用。此外植物还可以通过直接吸收和降解、生物酶的作用或根际的生物降解方式去除重金属、有机污染物。[6]

2 国内外污染水体湿地植物修复技术的研究进展

水环境的恶化导致水生态系统的破坏，这极大的影响了人类的生存空间和社会的可持续发展。人们在反思并探讨研究如何对受损水生态系统进行修复以及补偿时，各国科学家对水生态系统的恢复方式和目标有不同的见解及定义。[7－8]但是，湿地植物的重要环境生态功能已经为人们所认可。

2.1 国外研究进展

20世纪50年代，德国首先提出“近自然河道治理工程”的概念，强调河道的综合治理，注重植物、动物的生态相互制约和协调作用。之后，世界各国对以追求人与自然和谐相处为目标的生态水利理论与技术展开了积极地探索。[9]

早在1965年日本在对琵琶湖进行综合治理时，就提出恢复其自然生态系统的策略:在保护琵琶湖湖心水域生物生存环境的同时，对湖边水域生态系统的生物生息空间进行合理性恢复，并在此基础上以湖边为中心建设放射状的平原、丘陵、山地森林生态系统的生物生存空间和生息环境，最终将全流域的生态系统得以恢复。[10－11]

近年来西方发达国家在利用湿地植物修复污染水体方面的研究工作己由实验室研究扩展到大规模田间试验研究，由局部性污水处理发展到对整个城市以及湖泊河流污染的治理，由高校、科研机构内的研究发展到政府以及大公司企业的研究实验，在这种实验条件和迅速发展的趋势下，更多的湿地修复植物种类被研究和利用。其中1987年美国在奥基乔比湖做的大型湿地植物净化工程，总面积达200hm2，将湿地植物从个体研究转向系统研究，并成为利用湿地植物治理湖泊的典型。而且这些研究在生物学和生态学的基础性研究方面也日益扩大和深入，并为正在形成的环境生物工程学和生态工程学充实了理论依据和实践内容。[12]

2.2 国内研究进展

我国对污染水体的修复技术应用和研究起步较晚，上世纪70年代中期才开始做利用湿地植物净化水质方面的研究，包括静态条件下单一植物或多种植物配植对污水的净化作用，及利用动态方法研究湿地植物对污染水体的修复效果。[13]

近年来我国在利用某些湿地植物修复富营养化水体方面取得了一些成果。1984年在西湖开展了利用湿地植物恢复西湖水质的研究实验工作，这对西湖的生态恢复起了积极作用，1989年武汉中科院水生所在东湖进行了“东湖水生植被的实验性恢复工程”，同时，南京地理与湖泊研究所在太湖也展开了恢复太湖大型湿地植物的研究实验工作[14]，这些工作在积极推动当地生态系统恢复的同时也为湿地植物修复污染水体的研究提供了大量的数据成果和宝贵的经验。此外，2000年宁波大学利用生物操纵技术成功控制了宁波月湖的蓝藻水华，该项成果在2001年国际蓝藻控制学术会议上得到了国内外同行专家的一致赞同。

3 污染水体湿地植物修复技术机理和机制

3.1 湿地植物净化水体的机理

湿地植物净化污染水体有吸附、沉降、吸收、代谢、富集、浓缩等多种方式。

3.1.1 吸附、沉降作用

湿地植物发达的根茎在水中能形成一道密集的过滤层，当水流通过这道过滤层时，水体中的污染物质可以被过滤掉，一些不溶性胶体会被根系吸附，在根系表面进行吸附、离子交换、整合、沉降等作用。同时，附着在根系上的一些微生物在进入内源呼吸期后会发生凝聚作用产生菌胶团，其中有部分凝聚的菌胶团可通过沉降新陈代谢产物和悬浮性有机物来澄清周围的水体。[15]

3.1.2 吸收作用

湿地植物发达的根系在植物生长发育过程中，能强烈地吸收、转化和积累水体中的氮、磷等营养盐以满足自身的需要。实验表明，湿地植物体内氮磷的含量都达到或超过其生长所需最低的N和P阈值，而且随着水体中氮磷含量的提高呈现规律性变化。[16]另外，因为湿地植物的生命周期比藻类要长，所以氮、磷营养盐在湿地植物体内储存也更加稳定。当湿地植物生长一段时间后被移出水生生态系统时，在其体内储存的氮磷等污染物也随之移出了水体，水体因此得到了净化。[17]

3.1.3 微生物作用

湿地植物发达的根系为微生物的生存和营养代谢提供了必要的场所和环境。植物根系通过释放光合作用产生的氧气而为微生物提供一个有氧环境，帮助其氧化分解周围的沉降物，同时根区外地厌氧环境则利于微生物的反硝化作用。这种好氧厌氧的条件促使微生物进行硝化作用和反硝化作用的连续反应，而能最大程度的去除污水中的含氮有机物分解所产生的氨态氮。

3.1.4 抑藻作用

湿地植物还对浮游藻类产生竞争抑制作用。一方面湿地植物通过光和营养物质的竞争，抑制藻类的生长;另一方面某些湿地植物根系能分泌出破坏藻类正常的生理代谢功能的抑藻物质，通过这种方式达到抑制藻类生长的作用，如类固醇、菇类化合物等。[18]

3.2 湿地植物修复净化效果

3.2.1 拦截外源污染物

外源污染物主要包括来自农业生产污染和城市、乡镇生产生活污水，是导致水体富营养化污染的主要原因之一。在拦截外源污染物汇入水体时湿地植物发挥着重要的作用。实验表明，植有丰富湿地植物的沟渠塘等洼地系统可有效减少城市生产污染物向水体的汇入，例如太湖地区通过生态隔离草带的构建，农田土壤中氮磷等营养物质向水体的迁移得到有效控制。

3.2.2 降解有机污染物

实验表明，湿地植物可有效降解污染水体中高浓度的有机污染物。袁蓉等[19]利用凤眼莲(Eichhornia crassipes)处理不同浓度的萘污水，净化率最高可达到92.0%。黄文凤等[20]对TNT和RDX混合废水利用厌氧—水葫芦—吸附组合工艺进行处理后可达到国家排放标准，并且发现在整个系统去除效果中水葫芦对TNT和RDX的去除可占25%～40%。

3.2.3 吸收氮磷等营养盐

湿地植物可大量吸收污染水体中的氮磷营养盐。张彦海等[21]研究了在长江次级河流临江河中美人蕉(Canna generalis)对河水中 N、P的去除情况，得出在0.8m3/(m2·d)的水力负荷条件下，美人蕉浮床系统内DO逐级下降，在植物移除前对TP、NH3-N、TN 的平均去除率分别达到49.36%、66.08%、56.82%。

3.2.4 富集重金属

油菜免耕稀植栽培与常规技术相比，具有不用耕整土地、移栽密度小、从种至收用工减少三分之一、节省生产投入、增产增收等优点，相比常规栽培可增产25-35%，在冬油菜产区具有很好的推广价值。

湿地植物还可以去除污染水体中的重金属物质。Zhu等[22]研究表明利用水葫芦富集重金属Cu6+、Cd2+最好，其次是 Cu2+、Se6+，再次是 Ni2+、As5+，并且发现水葫芦的根部为重金属主要富集器官。

3.2.5 抑制藻类生长

湿地植物有抑藻作用。1949年湿地植物对藻类有抑制的作用被Hasler等人首次发现。Kogan等研究指出金鱼藻(Ceratophyllum demersum)能有效抑制蓝藻水华，但对绿藻却效果不明显。Alka等指出，水葫芦根和叶的渗滤液均能抑制斜生栅列藻的生长[23]。

3.2.6 抑制底泥中污染物再释放

湿地植物对底泥中污染物再释放的抑制，一方面是通过挺水植物和沉水植物发达的根茎起到固定底泥的作用而减少因风和鱼类的活动所引起的底泥污染物再次悬浮;另一方面浮水植物和挺水植物通过对水流的阻尼而减少风浪扰动，这就限制了底泥中营养物质的溶出速度。

3.3 湿地植物在污染水体修复中的应用

3.3.1 人工湿地系统

人工湿地处理系统是人为的通过模拟自然湿地建造的湿地系统以用来处理污水的新型废水处理工艺。人工湿地不仅具有建造成本低、运转费用低、维护简单、效果好等特点，而且能维护和恢复生态体系，这点对日益恶化的生态环境具有重要意义，也成为近年来水处理技术的研究热点。人工湿地一般由基质(如砾石等)和生长在其上的湿地植物微生物等构成特定的湿地生态系统。在运行中含重金属的污水缓慢流过生长有植物的基质填料表面，在湿地植物和床体的共同作用下得到净化。人工湿地的植物选择类型也是多种多样的，以成活率高、性能好、抗水性强、生长周期长、美观以及具有一定经济价值的湿地植物为最佳，一般以挺水植物为主(如表1所示)。[24]目前人工湿地常用的湿地植物有芦苇(Phragmites communis)、香蒲(Typha orientalis)、水芹菜(Oenanthe javanica)、 菱白(Zizania caduciflora)、浮萍(Lemna minor)、苦草(Vallisneria natans)、满江红(Azolla imbricata)、凤眼莲等。

表1 湿地植物三种类型

3.3.2 净化塘

净化塘也是利用植物净化污水时常用的一种方式，它是以某种有特殊功能的湿地植物占绝对优势而组成的特殊水生生态系统。这个系统通过湿地植物体的吸收、富积累等作用以及植物群落的阻滤、吸附、沉降等物理作用作用于水体中某种污染物而达到对污水的净化效果。例如，通过向池塘内投放水芹菜、黑麦草、香蒲等对重金属有富集作用的植物，然后定期收割，便达到减少或去除重金属的目的。由于植物依据其生理特性对不同污染物质会有不同的吸收效应，因此净化塘在湿地植物的利用上，由一种植物为主发展到多种植物搭配，充分发挥各种植物的优势，以达到最佳的净化效果。[25]

3.3.3 人工围隔系统

采用人工围隔系统建立水生植被来修复水域生态系统、治理污染水体是目前水域生态恢复研究的热点。中国科学院南京地理与湖泊研究所[26]于2000年秋末冬初为净化富营养化湖水在莫愁湖中建立围区，先后引种凤眼莲、伊乐藻、菹草(Potamogeton crispus)和微齿眼子菜(Potamogeton distinctus)等湿地植物组建水生植被进行试验，结果表明，组建的人工围隔系统不仅能对湖的N、P有较高的去除率，对藻类有明显的抑制作用，可以快速提高水体透明度，而且对外源污染物冲击也有很强的缓冲能力。

4 展望

污染水体湿地植物修复技术是一种低投资、高产出且环境效益好的一项非常有应用前景的水污染处理技术，它有治理费低、效果好且成效永久的特点，尤其是还具有良好的综合生态效益等的诸多优点。但由于植物修复技术是一门新兴的技术，起步较晚，而且是一项复杂系统工程，不是单一学科队伍可以解决的，目前在理论体系、修复机理及修复技术工艺上有许多不完善、不成熟的地方，因此不管是在基础理论研究还是实践应用方面都有待深入研究。今后的发展趋势大致有以下几个方面。

(1)分子生物学和基因工程技术的应用。在分子生物学方面展开相应的研究，应用分子生物学和基因工程技术将具有良好遗传性状的、生长周期短的、能适应不同浓度不同地域和季节的、快速高效并能同时修复多种污染的基因导入到湿地植物中以培育更多的植物新品种是今后植物修复的主要研究方向之一。

(2)推广建设应用植物修复污染的示范性基地。示范性基地便于研究的集中有效进行，在取得经验后也方便推广。目前我国一些学者正在开发香根草生态工程，对Cr、As、Ni等重金属的忍耐积累程度香根草要远远高于一般植物，且在短时间内可以去除土壤中相当部分污染物质，这一技术极有前景。

(3)寻找野生超积累植物。我国有丰富的野生植物资源，合理开发和研究新的野生植物在植物修复中的作用并应用于污染治理中是有十分重要的意义的。

(4)超积累植物和耐重金属及其根际微生物共存体系及重金属在水体中的迁移规律及其在生态系统中的迁移机理的研究。

(5)研究修复污染植物的产后处理方式。大量富含污染物的植物收割后如不能合理尽快地加以处理，可能会对环境造成二次污染，这是阻碍植物修复技术发展的另一难题。目前的主要处理方式有高温分解、焚烧、堆肥、直接压缩等。

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