殷红桂, 唐子夏,唐可欣,曹文平

（徐州工程学院环境工程学院 江苏 徐州 221111）

0 引言

水污染和水生态破坏是一个严重的全球性问题，工农业发展、人口剧增和自然灾难都导致了水体中有机污染物、植物性污染物、重金属等浓度的快速增加，造成水体黑臭、水体富营养化或江河湖库的局部“湖泛”等水质问题，给水体生态环境和水质安全带来了很大的隐患[1-4]。

传统的水污染处理方法不仅成本昂贵、运行管理复杂，而且容易造成二次污染。基于水生植物同化吸收、根系微生物降解和土壤净化等三重作用的人工湿地、人工浮床、稳定塘等技术得到了长足的发展，被广泛应用各类水体净化和修复过程中，比如：生活污水、工业污水、微污染源水等[5-7]。而且大型水生植物（简称：水生植物）长势良好，有助于增强水生态系统的稳定性，达到保护动植物的目的，并能改善区域微环境和造就良好的景观效果[8]。这些技术均以水生植物为核心和主体，水生植物起了重要作用。

1 水生植物修复机理和优点

1.1 水生植物修复机理

水生植物系统对污染物去除的主要机理是：植物同化吸收、植物根系微生物氧化和其他介质的净化作用（比如：吸附作用、降解作用等），而且它们之间具有良好的协同作用和交互作用，其中植物根系微生物的矿化和氧化作用占主导地位。植物根系的“根圈效应”可以将植物根系周围看成一个固定的“生物反应器”，植物根系越发达，该生物反应器就越高效。植物同化吸收后进行光合作用，通过“卡尔文”循环作用，生成的氧气从植物叶面微孔和根系微孔释放出来，达到改善微环境作用和植物根系微生物的供氧，提高了根系微生物的活性、数量；反过来，根系微生物强劲生长后，协同改善植物根系周边土壤肥力，促进植物的生长，强化了植物体内酶浓度和活性，提高植物同化效果和植物抗胁迫能力[9-10]。

1.2 水生植物修复优点

与常规的好氧生物处理和厌氧生物处理相比，水生植物修复优点较多，被全世界广泛推荐。其优点以下：①无需另外构建水质净化构筑物、水电管道铺设、复杂的管理和较多的人才编制；②无需额外的动力，运行动力主要来源于太阳能；③具有良好的景观效应，避开传统污水处理中的臭味，净化和景观完美耦合；④如果选择的植物是水稻、水芹、空心菜等经济性作物，还具有一定的经济效益。

2 植物分类和特性

2.1 水生植物分类

水生植物包括挺水植物、浮叶根生植物、漂浮植物和沉水植物，水生植物是水生态系统中的重要组成部分。在自然或人工水质净化系统中，水生植物直接生长在受污染水体中，对污染物的吸收能力和净化能力相对较强，具有较好的生态修复效果。不同类型的水生植物具有不同的特性，并在不同的场合得到应用。

2.2 水生植物特性和选择

在水环境生态修复过程中，不同污染物污染场地修复对植物的选择是不同的，通常会根据需要修复的污染物种类、水体的透明度、水中的溶解氧和使用区域以及气候等等因素考虑选择不同的水生植物。比如：被重金属污染的土壤就必须选择具有良好重金属富集或超富集的植物，如：芥菜对重金属Cd具有超积累效果；被有机物和氮素污染物污染的土壤尽量选择根系发达和光合作用强的植物，如：美人蕉和菖蒲是选择较多的植物；如果水体的透明度较高且水较深，可以选择一些沉水植物，形成“水底森林”，实现微生物、鱼类的和谐共存，目前一些水体修复系统中使用的仿生性填料就是根据沉水植物的特性而制作的。所以对植物的分类和特性研究是水体修复中重要的研究课题之一[11－12]。

3 植物净化水质及其调控

水生植物适合与地下水、地表水、生长基质进行接触式作用，水生植物是中空的组织结构，利用水生植物的中空通道，水生植物能够将光合作用形成的氧气输送到位于水面以下的植物根系和根系周围。

3.1 水生植物的生长调控

水生植物的根茎系统能够帮助它们从生存环境中广泛的吸收营养物质；氧气从叶，通过中空茎向下移动到根系，转移到根系的氧气分泌到根系周围形成“根圈效应”，氧气被单细胞生物（如细菌、放线菌、原生动物等）用于生物降解和增殖过程，根系附近的微生物对有机物进行分解并产生众多的简单化合物，简单化合物部分供植物生长所有，部分被其他微生物分解为更简单的化合物[13]。

但是，很多植物修复系统中，水生植物根系生长介质环境较差，影响植物生长，植物表现出缺素症状而导致水生植物同化吸收能力差、根系不发达和“根圈效应”不显著；如何提高水生植物的生长效果，业内人士做了大量的研究，常用的方法有：提高植物根系的含氧浓度和选用一些高效水生植物生长介质等方法，取得一定的效果[14]。本课题组采用农业秸秆作为水生植物的生长基质，水生植物的缺素症状消失，脱氮效果和微生物丰度等明显提高[15]。

3.2 低温条件下的植物净化作用的人工调控

低温条件下植物进入枯萎期，水生植物的光合作用消失殆尽，植物根系无法得到充足氧气，“根圈效应”也十分微弱；另外低温条件下，植物生长量非常有限。综上所示，植物系统在低温条件下修复和净化作用非常微弱。

目前，业内人士通过引进一些耐低温的植物品种（如：水芹、风信子、鸢尾等）或采用覆盖保温的方法，使水生植物修复系统在低温条件下保持一定的植物生长量和“根圈效应”，维持低温条件的修复效果[16]。但是低温条件下，植物根系微生物活性偏低、植物生长量较少、植物酶活性不足仍然是困扰植物修复系统的主要问题，而且外来物种的入侵问题也是我们必须防范的一个方面。

3.3 重度污染河流中植物修复系统构建

污染较重和溶解氧浓度偏低的水体采用植物修复，经常会引起植物根系腐烂和枯萎，如何构建重度污染水体生态修复系统是一个值得研究问题。人工增氧、投放基因工程菌或选择耐污性植物进行强化，比如：补充基因工程菌可以快速的降低水体中的污染物程度或增加微生物种群数量，从而快速的改善植物修复系统的生存环境。

本课题组构建了生物膜反应器和水生植物修复耦合系统，将生物膜降解和水生植物生态修复作用相互叠加、相互耦合，取得了较好的效果，对污染较重的水体异位修复提供一种途径。

4 植物修复系统的不足之处

芦苇、菖蒲、旱伞草、美人蕉等水生植物具有较强的耐受性，应用较广泛，对水体的透明度、水体的深度、水流和水体污染物浓度等表现出不一样的效果，所以选择要求不一样。比如：有些地方为了不影响河水水面的景观效应、河道通航，经常会选择一些沉水性植物（如：金鱼藻、沮草等），相对于挺水植物而言，沉水植物巨大和繁茂的茎叶为微生物提供吸附界面，具有较强的生物净化效果，在水体修复过程中广泛采用，被称为“水底森林”，可以为鱼类的栖息和产卵提供场所，也可以为水体沉积物的稳定化提供条件。

植物修复系统具有成本低廉、管理简单、技术要求低和微环境改善好等优势，并具有良好的生态效应，得到业内人人士的认可。但也存在诸多问题。

4.1 修复系统的条件要求相对苛刻

植物修复系统对水质浓度、水体透明度、水体的溶解氧浓度等都具有较强的要求，有些植物种类尤为敏感，水中溶解氧较低、水体透明度较差、水中污染物浓度较高和成分复杂等情况，都有可能会引起水生植物的烂根、枯萎和枯死等问题。

4.2 管理要求较高

植物修复系统管理必须及时和系统，如果不能及时收割水生植物，冬季腐烂枯萎的植物组织腐烂后会造成水体的局部污染（有时爆发为湖泛），对水质安全和水体生态环境造成较大的威胁。有些水生植物（如：水葱、吊兰等）在使用过程中可能引起水质的破坏，特别是氨氮。而且多数水生植物生态修复系统，晚上溶解氧非常低，可能会引起水体中鱼类的死亡。

4.3 植物入侵问题

植物入侵问题是值得认真对待的，植物入侵会引起土著微生物种群特性的变化和生态系统的退化，甚至有些物种的灭绝，更有甚者会造成生态系统灾难[17]，比如：水葫芦的引入导致了河道的堵塞、引起的鱼类死亡和水体溶解氧低下以及生物种类单一化等问题。

5 结论

植物修复手段是一种行之有效的方法和工程措施，并具有诸多优点，在过去的几十年中受到广泛的研究和应用。许多水生植物都具有吸收、降解和吸附污染物的能力和潜力。水生植物系统作为一种天然修复系统的人工强化，在水体修复过程中可以代替其他方法。目前将水生植物修复技术和景观园林技术相结合，不仅进行水体污染物修复，而且实现水生植物造景功能。

但是，水生植物修复系统仍然有很多科学问题和工程技术问题没有解决，比如：水生植物的病虫害防治工作起步较晚；水生植物收割后如何资源化、无害化利用等问题也是值得思考的。基于水生植物修复系统仍然有大量的工作需要研究，需要依托生物学、化学、植物学、风景园林等多学科、多领域的交叉融合才能有效解决。