2021-05-28來源：環(huán)境生態(tài)網(wǎng)
近年來工業(yè)化和城市化進程導致水域生態(tài)系統(tǒng)氮、磷含量急劇增加，加速水質(zhì)惡化，嚴重影響水體功能性。
我國7大水系、湖泊、水庫等水域受到了不同程度污染，污染指標主要為總氮、總磷、高錳酸鉀指數(shù)、生化需氧量等。水質(zhì)污染已嚴重影響我國經(jīng)濟發(fā)展，開展水體污染及其防治的研究一直污染生態(tài)學研究的重點和難點。
從有效性和安全性出發(fā)，調(diào)控水體目前常用生物法，即利用生物的生命代謝活動來降低存在于環(huán)境中有害物質(zhì)的濃度，從而使水環(huán)境得以凈化修復，水生植物兼具城市景觀功能及生態(tài)功能，在水質(zhì)處理中受到廣泛關(guān)注。
#01 水生植物凈化水質(zhì)的機理
植物根系的吸收
水生植物在其生長過程中需要吸收營養(yǎng)物質(zhì)，水環(huán)境中的某些污染物正好可被植物作為自身營養(yǎng)物質(zhì)加以利用。水生植物吸收Pb、Zn后，不同器官富集存在顯著差異，表現(xiàn)為根 >莖 >葉。
水溶性污染物通過兩個途徑到達根表面：第一條是通過質(zhì)體流途徑，即污染物隨植物的蒸騰拉力，在植物吸收水分的同時與水一同到達植物根部；另一條則是擴散途徑，即通過擴散到達根表面。植物將污染元素作用自身營養(yǎng)物質(zhì)吸收后，通過人為收割，將大量污染物移除水環(huán)境。
植物富集作用
水生植物也可通過富集作用對水質(zhì)進行凈化，水生植物在吸收污染物尤其是重金屬離子等有機物之后，便富集、固定在其體內(nèi)，同時植物也具有將污染物轉(zhuǎn)化成安全、低毒的結(jié)合態(tài)的機制。
植物在吸收重金屬離子后，通過金屬轉(zhuǎn)運細胞將重金屬離子轉(zhuǎn)運至根細胞，隨后轉(zhuǎn)運至液泡中。在重金屬脅迫條件下，植物會形成適應性，即耐受基因型合成較多植物螯合肽（PC），并與重金屬離子螯合。
在對菹草葉細胞的超微定位觀察中發(fā)現(xiàn)，重金屬離子主要富集于植物細胞壁上，植物細胞壁成為十分重要的離子交換場所。在植物細胞壁與金屬離子結(jié)合未達到飽和前，植物細胞壁的金屬沉淀作用會對植物對污染物的耐受性起到一定作用。
微生物作用
植物根系的分泌物能為根系微生物提供養(yǎng)分，促進其生長，根系微生態(tài)系統(tǒng)中，微生物數(shù)量顯著高于其他區(qū)域，且根系微生物能對有機污染物起到降解和代謝作用。
根系微生物在土壤修復的研究中已有大量報道，在水域環(huán)境中，根系微生物同樣能起到修復污染水體的作用。
在水生植物在水環(huán)境中利用光合作用生成氧氣，并通過通氣組織，將氧氣從植物體的上部輸送到底部，經(jīng)過釋放和擴散，在植物根部形成一個好氧區(qū)域，這個區(qū)域?qū)芏辔⑸镉绕涫窍趸毦鷣碚f，是極好的繁衍棲息區(qū)域，因此這個區(qū)域的微生物相當活躍，能夠?qū)λ鷦游镉泻Φ陌钡D(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。
鳳眼蓮又稱水葫蘆，是一種根系發(fā)達的高等水生植物，被廣泛運用于污水治理，其發(fā)達的根系是其凈化水質(zhì)的重要因素。
在鳳眼蓮存在在水環(huán)境中，其根系微生物具有降酚作用，鳳眼蓮根系微生物能提高鳳眼蓮降酚效率和多酚氧化酶活性。在對鳳眼蓮根系微生物群落結(jié)構(gòu)分布、組成與功能的研究中發(fā)現(xiàn)，根系微生物群落參與水體氮循環(huán)，其中氨氧化細菌占根系微生物數(shù)量總數(shù)的10％，并同時發(fā)現(xiàn)了參與硝化——反硝化作用的細菌。
對藻類的抑制作用
水生植物對藻類的抑制作用主要來自兩個方面。第一個方面是水生植物的生長同樣需要營養(yǎng)物質(zhì)及光熱條件等環(huán)境因素，因此會與藻類形成競爭效應。高等水生植物根系發(fā)達，在與藻類的競爭中處于優(yōu)勢地位，對氮、磷等營養(yǎng)元素的吸收能力較強，藻類由于缺少限制性營養(yǎng)元素，生長受到抑制，從而避免了水華的發(fā)生。同時水生植物的存在也會阻礙光照進入水體，進一步抑制藻類生長繁殖。
另一方面，植物會分泌出抑制藻類生長的化感物質(zhì)，這類物質(zhì)主要分為五大類：脂肪族、芳香族、含氮雜環(huán)化合物、類萜和含氮化合物。研究表明，化感物質(zhì)可通過影響藻類細胞膜結(jié)構(gòu)、呼吸作用、光合作用、酶活性及基因表達以達到抑制藻類生長的目的。
研究發(fā)現(xiàn)，隨著蘆葦?shù)?種水生植物浸出液濃度的升高，小球藻密度的最大值開始下降，并出現(xiàn)細胞結(jié)構(gòu)溶解破壞的現(xiàn)象。蘆葦浸出液在10mg/L的濃度下，對小球藻的抑制率為97.6%，當浸出液濃度升高到20mg/L時，其抑制率則達到100％，藻類被完全抑制，無法生長。研究表明，水生植物的離體器官仍具有分泌化感物質(zhì)的能力，在今后的研究中亦可利用這一特性對化感物質(zhì)進行分離、提純。
#02 水生植物的種類及作用
水生植物是指能夠在水中長期生活的植物，我國水生植物資源豐富，高等水生植物多達300余種。按照不同生活型將水生植物分類，目前主要分為4大類。
挺水植物
又稱濕生、沼生植物，是水生植物中最具觀賞價值的一類。大部分生活在水岸邊或是較淺水體中，有完善的通氣組織、維管束、機械組織和保護組織。植株高大、挺拔，絕大部分挺水植物有莖、葉的分化，莖葉立于水面之上，根或地下莖扎入底泥，有些種類還具有非常發(fā)達的根狀莖。常見的挺水植物有蓮、香蒲、千屈菜、菖蒲、水蔥、蘆葦、風車草等。
目前挺水植物已廣泛用于城市污染水體修復、河道修復等工程，兼具生態(tài)及景觀價值，并已有大量研究報道，主要討論不同種類挺水植物對氮、磷等元素的去除效果，以篩選出最適宜的挺水植物。各種對比研究發(fā)現(xiàn)，寬葉香蒲、黃花鳶尾等對污染水體的修復效果尤為突出，已被廣泛栽種于城市人工濕地并取得良好效果。
浮葉植物
浮葉植物的漂浮于水面或高于水面，根或地下莖生于泥中，常具有發(fā)達粗壯的根狀莖，地上莖不明顯或莖細弱不能直立，體內(nèi)常貯藏大量氣體，使得植物能穩(wěn)定漂浮于水面上，葉子的表面有角質(zhì)層，可以防止水分蒸發(fā)過快。常見的浮葉植物有睡蓮、芡實、紅菱、荇菜等。
目前浮葉植物用于污染水體修復的研究報道較為零星，且浮葉植物營漂浮生活，難以管理，因此在水環(huán)境治理中并沒有挺水植物使用廣泛。包先明等（2005）探討了荇菜對富營養(yǎng)化湖泊氮磷營養(yǎng)水平的影響，實驗結(jié)果表明隨著荇菜的生長，水體中氮、磷元素顯著降低，藻類生長受到抑制，水體透明度得到改善。移植或栽種浮葉植物是重建湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要作用措施之一。
漂浮植物
漂浮植物的種類較少，整個植株漂浮于水中，隨水流、風浪移動，因此難以控制，常見的漂浮植物有鳳眼蓮、浮萍、滿江紅等。
其中鳳眼蓮對于污染水體中氮、磷元素的去除效果尤為明顯，但其本身的快速生長容易成為新的污染源，大面積占據(jù)水面遮蔽了陽光進入水體，導致中下層水體缺氧，使水生生物的生存受到威脅。因此若使用鳳眼蓮進行水體修復，則要加強管理，避免外溢。
沉水植物
沉水植物全部植株沉沒于水中，有發(fā)達的通氣組織，利于在溶解氧較低的水體中進行氣體交換。葉多為狹長或絲狀，植株各部分均能吸收水中養(yǎng)分，在弱光的水體環(huán)境中仍能正常生長。沉水植物的種類較多，常見的有有黑藻、苦草、金魚藻、馬來眼子菜等，多用于觀賞水體的造景材料。
近年來沉水植物的生態(tài)功能也越來越受到重視，沉水植物的生態(tài)功能主要有三點。
第一點是影響水體流速，沉水植物會隨水流形成彈性扭曲現(xiàn)象，影響水體流動，多數(shù)情況下，對流速的影響力會隨著植株的生長而增大。
第二點是為水生動物提供生存環(huán)境，既作為初級生產(chǎn)者又為水生動物作為食物，維持水域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。
第三點則是對水質(zhì)的凈化所用，黑藻對Pb、Cu、Zn的富集量較高，穗花狐尾藻對Zn的富集最強，龍須眼子菜對Zn、Cn均有較大富集。
#03 水生植物在水環(huán)境中的處理方式
生態(tài)浮床
生態(tài)浮床是一種對于污染水域進行生態(tài)修復的生態(tài)技術(shù)，將水生植物種植于能漂浮于水面的材料上，并人工搭建出不同造型，不僅能治理水環(huán)境，還能起到園林景觀效果。
德國最早于1979年對生態(tài)浮床進行研究，取得良好成效，此后日本、美國等發(fā)達國家為了達到凈化水質(zhì)的目的，對湖泊、河流等飲用水源進行生態(tài)浮床修復。
我國于20世紀80年代開始進行生態(tài)浮床的研究。自1991年，我國在大型水庫、湖泊、河道等水域環(huán)境中共種植水生植物130種。
2000年，在國家“863”水環(huán)境治理專項項目之一的五里湖整治工程中分別使用了水面覆蓋率15%、30%、45%的生態(tài)浮床處理組，取得預期效果，其中45%處理組的水體中多項水質(zhì)指標均達到地表水Ⅲ類標準。
2001年為進行北京什剎海生態(tài)修復治理工程，在其上游來水區(qū)搭建了生態(tài)浮床，面積為50㎡×1.2m，最上層栽種高等水生植物，經(jīng)過10個月的治理，什剎?？偟接?mg/L下降至2mg/L，總磷水平由0.5mg/L下降至0.2mg/L.葉綠素A含量顯著降低，水體透明度提高，對什剎海水質(zhì)的總體評價為IV類，好于相鄰的西海（劣V類）和前海（劣V類）。
人工濕地
人工濕地作為一種新型污水處理工程又具有城市景觀價值。于20世紀70年代發(fā)展起來，由耐受性較強的水生植物為主的高、低等生物和處于水飽和狀態(tài)的基質(zhì)構(gòu)成的人工復合體。
在處理污水時，有機物的降解和轉(zhuǎn)化主要是由土壤微生物來完成的，不溶性的有機物通過濕地的沉淀、過濾，可以很快被截留下來，被土壤微生物加以利用，可溶性的有機物則通過生物膜的吸附和微生物代謝去除。磷的去除主要是由基質(zhì)的物理化學作用、植物的攝取和微生物的同化共同完成。
土壤基質(zhì)對磷有吸附和化學沉降作用，濕地植物可強化根系和基質(zhì)對顆粒態(tài)磷的滯留、根際微生物對顆粒態(tài)磷的吸收和礦化等過程。
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