沉水植物对水体污染的修复效果研究进展

胡 昱，钱德雪，王利芬

（苏州大学金螳螂建筑学院，江苏苏州 215000）

21 世纪以来，随着我国经济高速发展、城市化持续推进和工业化规模扩大，面临的各类环境污染问题日益突出，其中水体污染受到广泛关注。与物理、化学方法治理水体污染相比，水生植物对水体的修复作用更加生态环保。因此，研究沉水植物对水体污染修复效果有着深远的意义。

1 国内水体污染现状

1.1 国内水体质量现状

根据生态环境部《2021 年中国生态环境状况公报》，2021 年在全国地表水监测到的3 632 个水质断面（点位）中，劣Ⅴ类水质占1.2%，Ⅰ～Ⅴ类水质分别占6.9%、49.2%、28.8%、11.8%、2.2%。虽然仍有部分地区的水质状况较差，但是水体修复总体效果呈上升趋势。我国长江流域、珠江流域、西北地区和西南地区的水质状况为优，辽河流域和海河流域的水质为轻度污染。随着我国城市化进程加快与人口快速集中，导致部分地区尤其是城市对淡水的需求急剧增加。然而，目前我国城市污水集中处理率在40%左右，有超过86%以上的老旧城区河流流域存在多项污染物超标、水体黑臭化、严重富营养化、生态系统退化等问题[1]。水体污染一方面影响居住质量和生活需要，另一方面对使用污染水体的人体和动植物等生物造成不可逆转的生理伤害。

1.2 国内水体污染类型

目前，对水体污染物的定义集中在对人体有无危害——即进入水体后使水体营养结构和理化性质发生危害人类变化的物质。我国常见的水体污染有以下几类：第一类是因水体中氮、磷等营养盐含量较高引起的水体富营养化。在人类日常生活中，生物生长必需的氮、磷等营养元素进入湖泊、河流、港口、海湾，在水流缓慢的水体中增加营养元素含量，引起该水域内藻类、浮游生物的大量繁殖，引发水体溶解氧下降，导致鱼类和其他生物大量死亡。第二类是由汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、硒（Se）、砷（As）、钡（Ba）、铜（Cu）和锰（Mn）等物质造成的水体重金属污染。这些重金属元素在大型加工厂、矿场等地生产过程中随着工业废水排出，进入水体后无法被降解，也极难发生化学变化产生沉淀物质沉降在底泥中[2]，随着食物链的富集作用，重金属在较高等级生物体内积累，最终进入人体造成危害。第三类是由耗氧污染物造成的水体有毒有害有机物污染。这些有机物进行厌氧分解，导致水中溶解氧减少，产生H2S、NH3和有难闻气味的有机物，使水质进一步恶化[3]，影响鱼类和其他水生生物生长。第四类是富营养化水体中的藻类污染，近些年来由于水体富营养化造成藻类大量繁殖，水体藻类污染程度也逐年加深，赤潮或水华在全球范围内频繁出现。第五类是由酸、碱、盐等无机物造成的水体酸碱污染，在水体pH 值小于6.5（酸性）或者大于8.5（碱性）时，对水生生物会产生不良反应[4]。

2 沉水植物对水体的修复效果

沉水植物是指植物体全部位于水层下面进行生长发育进程的水生植物。在淡水生态系统的营养结构中，沉水植物是许多藻类的竞争者，这对控制水体生物量、治理富营养化水环境起到了良好的生态治理效果[5-6]。沉水植物生活在水体下部区域，它们能够从底泥、下部水体中吸收氮素、磷，从而比浮水植物具有更好的水体修复效果，也从一定程度上加大了所处环境的承载能力与自净能力[7]。随着学者们对沉水植物净化作用关注度的提高，沉水植物对水体修复作用机制逐渐成为研究热点。

2.1 沉水植物对水体氮、磷的去除作用

水体富营养化是我国比较常见的一种水体污染现象，沉水植物可以吸收氮、磷等营养物质，降低水体富营养化程度。黄小龙等研究表明沉水植物是改善城市富营养化水体水质及生态环境的有效手段，沉水植物可有效控制内源负荷，有效降低水体中氮、磷的含量，同时抑制藻类的生长，减低水体营养化等级[8]。沉水植物通过对营养盐的吸收，减缓营养盐含量的升高[9]。沉水植物本身的生理生化反应，吸收了水体中的氮、磷形成自身结构中的核酸等，有效控制蓝藻等的爆发[10]。沉水植物生长周期也较长，能够比浮水植物更有效地提高水体氧化程度，显著影响水体溶氧量、pH、无机碳等含量。富营养化水域中沉水植物根际放氧会被迅速消耗，根际氧化区的形成减少了底泥中磷元素形成铁-磷结合物，从底泥扩散到水体中，从而在一定程度上降低磷元素的外排，净化了水质[11]。目前，对伊乐藻、苦草、金鱼藻、菹草等沉水植物对水体修复效果研究比较多，部分植物对水体氮、磷起到了较为可观的净化作用，不同沉水植物对水体中总氮、氨态氮、硝态氮、总磷等的去除率存在差异[12-17]。除此之外，也有学者探究了不同沉水植物组合对水体共同作用的净化效果，如王文林等探究了菹草和伊乐藻群落对富营养化水体的修复作用[17]；欧丹玲研究金鱼藻、黑藻、苦草不同起始生物量配置组合下对水体的修复效果等[18]。

2.2 沉水植物对水体重金属的吸附作用

目前我国的重金属污染水体主要是指Hg、Cd、Pb、Cr、Ba等重金属物质产生的水体污染，重金属不能被生物降解，相反却能在食物链的累积作用下，成百上千倍地逐层富集，最后进入人体，在人体内与蛋白质及酶等发生强烈的相互作用，使其失去活性，当这些重金属在人体中累积达到一定含量时，会造成人体慢性中毒，严重时导致死亡。沉水植物除了能够对氮、磷等起到净化作用之外，还能够吸附并富集一些重金属元素。经过沉水植物修复的水体沉积物中，重金属离子毒性减弱，对重金属Cu、Mn 也有较大的吸收[19-20]。水生植物对重金属的吸附效果远不及其对有机物或营养盐的吸收与利用，但可以定期对部分植物体的人为收割，从而将其从环境中去除。研究表明受温度、pH 等因素影响，对As、Hg、Cd 这三种重金属的积累量，沉水植物＞浮水植物＞挺水植物[21-22]。目前，国内外已有不少学者对苦草、黑藻、金鱼藻、狐尾藻等几种沉水植物对水体重金属离子Hg、Se、Cu、Cd和Mn的去除率进行了探索（见表1）[23-28]。

表1 几种沉水植物对水体重金属离子的去除率

2.3 沉水植物对有毒有害有机物的吸收作用

现有研究显示沉水植物生长前期所处水体化学需氧量有所降低[29]，沉水植物从河流、湖泊底泥中吸收有机营养物供自身生长，同时也对部分小分子有机污染物有富集作用，通过促进物质的沉淀、微生物对物质的分解来净化所处水体。通过吸收水体中的酚类、氰类污染物，沉水植物体内酶系统作用和生化作用对其进行转化和分解，使其失去毒性，根系吸收的酚和氰，通过根际微生物的作用将其逐步分解、转化。据Roxanne 等研究受TNT 污染地表水的植物修复技术，结果表明利用植物降解移除量可达100%[30]。据Perterson 等报道利用植物柳枝谡进行TNT 的降解和修复也是一条有效途径[31]。Joseph 等学者研究发现，沉水植物狐尾藻等还具有直接吸收降解TNT 的能力[32]。伊乐藻在6 d 内可以完全富集水环境中的二氯二苯基三氯乙烷[33]。金鱼藻或伊乐藻可以显著降低地表水中异丙甲草胺的浓度[34]，在治理有机污染物等有明显的效果。Zhou 等[35]对金鱼藻、轮叶黑藻、马来眼子菜、狐尾藻、伊乐藻5 种沉水植物都可以不同程度地去除氟化物。

2.4 沉水植物对水体藻类大量繁殖的抑制作用

水体富营养化导致蓝藻大量繁殖，严重影响水体生态系统健康。研究表明沉水植物对藻类生长有抑制作用，一方面可以通过与藻类进行矿物营养等竞争来对藻类生长产生抑制作用，另一方面可以向水中分泌抑制藻类生长化感物质从而影响藻类细胞生长[36-38]。不少学者研究表明从植物中提取了抑藻活性成分，如赵文婧采取超声波-纤维素酶提取工艺，从苦草、金鱼藻、穗花狐尾藻中提取化感物质对铜绿微囊藻进行了抑藻实验[39]；刘辉对金鱼藻和水绵针对铜绿微囊藻的抑制作用及机理进行了研究[40]；张胜娟从槐叶萍中提取到有效活性组分，对抑藻有着较好的效应[41]。

近年来，不少学者关注沉水植物对藻类的抑制作用，对植物分泌物质进行大量筛选以研究出有效萃取植物体内化感物质的方法，如酚类物质、萜类物质等。研究发现化感物质主要是通过降低藻类细胞内叶绿素a 的含量，破坏藻类正常的生长过程[42]，改变或裂解细胞膜结构[43]，降低酶活性[44]，破坏藻类细胞氧化还原反应链，甚至改变基因表达来抑制、杀死细胞，从而减少蓝藻的生长。不同沉水植物通过产生不同种类的化感物质对水体中的藻类细胞产生影响，比起用物理和化学方法对水体中泛滥的藻类进行控制，具有更生态化、费用更少、副作用更小的优点，为进一步研究沉水植物对藻类的抑制机制奠定基础。

3 研究展望

目前，在沉水植物对水体修复效果的相关研究中，研究较多的都是沉水植物对氮、磷两种水体富营养化代表性元素的吸收、净化情况，对沉水植物品种选择及重金属吸附种类有一定局限性。对于如何将发挥净化功能后的沉水植物进行处理或回收利用的研究甚少，现有的可行方法局限在人工收割后统一进行处理，是否可以用某些植物的部分组成成分加工成农业生产上需要的肥料还有待深入研究，具有一定的实用价值、经济价值。针对沉水植物对水体中的不同污染物成分进行净化的研究，主要的研究方法有文献归纳法、实地调研法、生理生化实验法等，针对沉水植物净化作用的研究架构相对单一，而且主要是针对某些特定植物进行部分指标含量的研究及对所处水体的取样研究，试验所用植物是否对小、中、大不同体量的水域具有切实的效果还需要学者进行深入探究和实践检验。

沉水植物可以不同程度地去除污水中的N、P、重金属、有机污染物和抑制藻类泛滥，并且已广泛应用于污水处理中。通过分析水体中N、P 等营养元素的吸收和分解机制，可以选择不同的水生植物及其组合以适应不同的目标水体；也可以通过控制水生植物的数量来调节净化能力，修复被污染的水体，维持水质。沉水植物净化修复污水与其他物理、化学和工程方法相比，具有以下优点：成本低、能耗低、处理效果好、环境污染少、有利于资源回收和整体生态环境的改善。由于这些显著的优越性，利用沉水植物净化污水无疑为我国日益恶化的水环境提供了一种很好的生态治理方式，具有广阔的市场和应用前景。