大型水生植物修復(fù)技術(shù)在水污染治理中的應(yīng)用研究

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人口的不斷增長,淡水資源短缺和水環(huán)境污染問題日益加劇,對污染水體進(jìn)行綜合治理與修復(fù)已刻不容緩。傳統(tǒng)的污染水處理方法,如生化二級處理法,效果雖理想,但建造、運(yùn)行、管理費(fèi)用過高;化學(xué)法和換水法,有一定效果,但化學(xué)法易產(chǎn)生二次污染,換水法不夠方便、經(jīng)濟(jì),而且僅適宜于小型水體。20世紀(jì)70年代,水生植物開始受到人們關(guān)注。大型水生植物有良好的凈化效果與獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)效益,其修復(fù)技術(shù)在水污染治理中具有很高的應(yīng)用價值,已成為環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。一、植物修復(fù)技術(shù)植物修復(fù)技術(shù)是生物修復(fù)技術(shù)的一個分支。植物修復(fù)是利用特定的植物對某種環(huán)境污染物的吸收、超量積累、降解、固定、轉(zhuǎn)移、揮發(fā)及促進(jìn)根際

2、微生物共存體系等特性,降低或清除環(huán)境污染物,使污染環(huán)境得以恢復(fù)的科學(xué)與技術(shù)。120世紀(jì)70年代,利用水生植物清除水環(huán)境中的污染物開始受到人們的關(guān)注。大型水生植物介于水泥、水氣及水陸界面,對生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)起著重要的調(diào)節(jié)作用,且有良好的凈化效果與獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)效益,是建立良好湖泊生態(tài)的基礎(chǔ)。2二、大型水生植物大型水生植物主要包括水生維管束植物和高等藻類,包括四種生態(tài)類型:挺水植物、浮水植物、飄浮植物和沉水植物。挺水植物的根扎入泥中、莖葉挺出水面、植株高大,常見的有蘆葦、香蒲、荷花、千屈菜、水蔥;浮水植物的根生于泥中、葉片漂浮水面或略高于水面上,常見種類有王蓮、睡蓮、萍蓬草、芡實(shí);漂浮植物的根漂浮于水中、

3、葉完全浮于水面,整株植物可隨水漂泊,如鳳眼蓮、浮萍;沉水植物的根扎于泥中、莖葉沉入水中,有金魚藻、苦草、菹草、眼子菜等。近十幾年來,國內(nèi)外研究較多且對水體污染有顯著效果的水生植物有:鳳眼蓮、水花生、大型水生植物修復(fù)技術(shù)在水污染治理中的應(yīng)用研究王慰娟(福建廣播電視大學(xué),福建福州,350003摘要:大型水生植物修復(fù)技術(shù)在水污染治理中起著積極作用,本文綜述了大型水生植物修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展,主要介紹大型水生植物對氮、磷、有機(jī)污染物、重金屬的吸收、降解、吸附和沉降、抑制藻類生長的機(jī)理、應(yīng)用效果、以及水生植物種類的選擇和配置,并展望了大型水生植物修復(fù)技術(shù)的前景。關(guān)鍵詞:大型水生植物;植物修復(fù)技術(shù);水污染治

4、理;機(jī)理;選擇;配置中圖分類號:X703文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1008-7346(201203-0088-04收稿日期:2012-04-12作者簡介:王慰娟,女,福建古田人,福建廣播電視大學(xué)理工系副教授。2012年第3期總第93期Journal of Fujian Radio &TV UniversityNo.3,2012General ,No.93福建廣播電視大學(xué)學(xué)報水蔥、浮萍、寬葉香蒲、狐尾藻、眼子菜、菹草、燈芯草、苦草、水鱉、茭白、蘆葦?shù)?。三、大型水生植物的修?fù)機(jī)理植物修復(fù)是利用特定植物對某種污染物進(jìn)行吸收、超量積累、降解、轉(zhuǎn)移、吸附和沉降、抑制浮游植物生長等,從而凈化污水。(

5、一吸收水體中的污染物1.吸收水體中的氮、磷等無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)水生植物對富營養(yǎng)化水體具有良好的修復(fù)效果。當(dāng)大量的N、P等進(jìn)入水體時,就會引起水體富營養(yǎng)化,而這些營養(yǎng)元素是大型水生植物生長的營養(yǎng)來源。水生植物能直接吸收利用污水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),供生長發(fā)育需要。水體中的無機(jī)氮可被植物直接攝取合成蛋白質(zhì)與有機(jī)氮,之后隨著收割,植物被轉(zhuǎn)移出,所吸收的營養(yǎng)物質(zhì)也隨之移出水體,從而達(dá)到凈化的目的。3水中的無機(jī)磷同樣是植物必需的營養(yǎng)元素,污染水體中的無機(jī)磷被植物吸收和同化后轉(zhuǎn)化成植物的ATP、DNA、RNA等有機(jī)成分,然后通過植物的收割而移去。4大型水生植物具有過量吸收氮、磷等營養(yǎng)元素的能力。研究表明,水生植

6、物的氮、磷含量都達(dá)到或超過生長所需最低的N和P閾值,代表性浮葉植物和沉水植物的N、P含量隨著湖泊營養(yǎng)水平提高呈現(xiàn)規(guī)律性變化。5在太湖典型富營養(yǎng)化水域所進(jìn)行的種植美人蕉輔以空心菜和旱傘草的試驗(yàn)表明,通過植物去除的氮和磷總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其基礎(chǔ)總量,磷的最高去除量高出近40倍,水質(zhì)均由原來的劣V類上升到類,透明度從原來的45cm增加到180cm以上。2.吸收與分解水體中的有機(jī)污染物大型水生植物可以因其高大的植株體吸附大量有機(jī)物,相對減少水中有機(jī)物的濃度,以達(dá)到較好的凈化效果。大型水生植物也可通過酶的作用和生化作用進(jìn)行轉(zhuǎn)化和分解,如酚類進(jìn)入植物體后參與糖代謝,或者和糖結(jié)合生成酚糖苷,或者被多酚氧化酶和過氧

7、化物酶氧化而解除毒性,6達(dá)到更徹底的凈化。浮萍則把90%的酚代謝為毒性更小的產(chǎn)物。7試驗(yàn)證明,鳳眼蓮可大幅度加速水溶液中甲基對硫磷的消解,能有效地將之去除。最近研究發(fā)現(xiàn),狐尾藻等具有直接吸收降解三硝基甲苯(TNT的能力。8大型水生植物還可通過根系分泌有機(jī)酸類等物質(zhì),刺激根系微生物活性,促進(jìn)微生物降解有機(jī)物。3.吸收水體中的重金屬重金屬污染的修復(fù)只能從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài),或通過擴(kuò)散遷移等作用,使污染物濃度逐步降低。植物通常是通過螯合和區(qū)室化等作用,9耐受并吸收富集環(huán)境中的重金屬,再將植物處理,或者依靠植物將金屬固定在一定環(huán)境空間以阻止其進(jìn)一步的擴(kuò)散。水生植物對重金屬Zn、Cr、Pb、Cd、

8、Co、Ni、Cu等有很強(qiáng)的吸收積累能力。沉水植物和浮水植物能夠吸收很多重金屬。Burken通過研究觀察到,將印第安芥根部浸入6mg/L Cu溶液中24小時后,根部的Cu回收率可達(dá)到97.15%,生物積累系數(shù)達(dá)到498。水生植物對重金屬吸收的累積能力依次為沉水植物>漂浮和浮葉植物>挺水植物,根系發(fā)達(dá)的水生植物大于根系不發(fā)達(dá)的水生植物。(二微生物的降解作用微生物對水體中各種污染物的降解起著很重要的作用,它們把有機(jī)質(zhì)作為豐富的能源,將其轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)物質(zhì)和能量。研究證明,污水中的含氮有機(jī)物分解所產(chǎn)生的氨態(tài)氮,雖然通過植物吸收去除了一部分,大部分則是通過硝化作用和反硝化作用的連續(xù)反應(yīng)而去除的。

9、10水中污染物所需要的O2主要來自大氣中O2和植物輸O2,而水生植物的輸O2速率遠(yuǎn)比依靠空氣擴(kuò)散的速率大。O2輸送到植株體各處,一2012年第3期王慰娟:大型水生植物修復(fù)技術(shù)在水污染治理中的應(yīng)用研究部分的O2通過根系向根區(qū)釋放,擴(kuò)散到周圍缺氧區(qū)域中,為微生物提供了一個有氧環(huán)境,促進(jìn)了根區(qū)微生物的生長和繁殖,促進(jìn)了好氧微生物對有機(jī)物的降解;根區(qū)以外的厭氧環(huán)境則適于厭氧微生物群落的生存,進(jìn)行有機(jī)物的厭氧降解。據(jù)研究,很多濕地的大型挺水植物在水中部分能附生大量的藻類,這也為微生物提供了更大的接觸表面積。11(三吸附、沉降作用大型水生植物使近土壤或水體表面的風(fēng)速降低,為懸浮固體的沉淀去除創(chuàng)造了較好條件

10、,并增加了水體與植物間的接觸時間,同時還可以增強(qiáng)底質(zhì)的穩(wěn)定和降低水體的濁度。此外,植物的根系會分泌大量的有機(jī)酸和氨基酸等,而且根系表皮細(xì)胞由于進(jìn)行新陳代謝,死亡后在微生物的作用下分解為腐殖質(zhì)。這些分泌物和腐殖質(zhì)中有一系列功能團(tuán),如羥基(OH、羧基(COOH、酚羥基、烯醇羥基以及芳環(huán)結(jié)構(gòu)等,它們對含各種基團(tuán)的化合物均具有極強(qiáng)的吸附能力。同時,附著于根系的細(xì)菌菌體在進(jìn)入內(nèi)源呼吸期后會發(fā)生凝集,部分凝集的菌膠團(tuán)則能把懸浮性的有機(jī)物和新陳代謝產(chǎn)物沉降下來。12(四對藻類生長的抑制作用高等水生植物對藻類有抑制作用。一方面,大型水生植物與浮游藻類爭奪營養(yǎng)物質(zhì)、光照,由于大型水生植物個體大,削弱了光線到達(dá)水

11、體的強(qiáng)度,阻礙了植物覆蓋下的水體中藻類的大量繁殖,抑制了藻類生長。另一方面,大型水生植物產(chǎn)生的化感物質(zhì)可以抑制水體中有害藻類的生長,13水生植物向環(huán)境釋放化感物質(zhì)(如酚、生物堿等,在其周圍形成一個微環(huán)境區(qū)域,破壞了藻類正常的生理代謝功能,從而影響該區(qū)域內(nèi)藻類生長。中科院南京地理與湖泊研究所2000年在莫愁湖中建立圍區(qū),先后引種鳳眼蓮、水花生、伊樂藻、菹草和微齒眼子菜等水生植物,用于凈化富營養(yǎng)化湖水,結(jié)果表明,這些水生植物能快速提高水體透明度,降低水體營養(yǎng)鹽水平,對藻類有明顯的抑制作用。總之,水生植物與藻類之間,既存在相互競爭,又存在化感作用,但其化感作用更為主要。14四、大型水生植物在修復(fù)污染

12、水體中的選擇與配置水生植物修復(fù)污染水體很大程度上取決于對植物種類的選擇和配置。有針對性地選用特定的植物并合理配置,修復(fù)才能達(dá)到最佳效果。(一水生植物的選擇在選擇修復(fù)污染水體的水生植物時,要對水質(zhì)進(jìn)行充分分析,在不同水域科學(xué)選擇水生植物種類。水生植物的選擇要遵循以下原則:1.功能性原則:應(yīng)根據(jù)不同修復(fù)對象選擇具有一定凈化能力的植物。2.本土性原則:因地制宜,優(yōu)先考慮生長在受污水體中的原生植物,既治理了受污水體,又恢復(fù)了水體自身的自然生態(tài)系統(tǒng)。盡量避免引入外來物種,以減少物種入侵可能帶來的無法控制因素。3.適應(yīng)性原則:所選物種應(yīng)對當(dāng)?shù)厮w流域的氣候水文條件有較好適應(yīng)性。4.抗逆性原則:所選物種應(yīng)盡

13、可能抗逆性強(qiáng)。5.可操作性原則:所選物種應(yīng)該易栽培、便于管理養(yǎng)護(hù)和后處理等。(二水生植物的配置水生植物是水體中的關(guān)鍵生態(tài)類群,以沉水植物為基礎(chǔ)的水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)則是一種良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)。如狐尾藻、大茨藻和金魚藻能抑制藻類大量繁殖,配合種植,可改善水質(zhì);在水質(zhì)較好的水域配合種植一些產(chǎn)氧強(qiáng)的品種(如菹草改善溶解氧狀況,可逐步形成穩(wěn)定的福建廣播電視大學(xué)學(xué)報(總第93期2012年6月25日良性循環(huán)的水域生態(tài)系統(tǒng)。15五、展望大型水生植物修復(fù)技術(shù)是一項新興的綠色污染治理技術(shù),對不同的污水體都有很好的修復(fù)效果,由于是一個嶄新的研究領(lǐng)域,還存在許多問題有待進(jìn)一步的發(fā)展與完善。首先,目前雖然對單一水生植物的凈

14、化能力研究相對較多,但應(yīng)用的植物種類還較單一。中國具有豐富的水生植物資源,真正被利用且產(chǎn)生效果的僅幾十種,尋找更多的治污植物將有待于進(jìn)一步研究。第二,關(guān)于水生植物之間的相互作用、相互關(guān)系對凈化水體有著怎樣影響的研究還很有限,多種水生植物搭配存在很大的研究空間。第三,水體中污染物濃度過高或過低都會影響植物修復(fù)的效果。污染物濃度過高超過植物的耐毒性,將導(dǎo)致植物死亡;過低,則限制植物對污染物的吸收。因此,當(dāng)污染物濃度超過環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)時,要研究考慮采用其他的修復(fù)方法。第四,植物的后處理仍然是一個難題。當(dāng)植物的去污能力達(dá)到飽和或到了凋亡季節(jié),殘留的植物體往往會成為新的污染源,形成二次污染。因此如何及時妥善處

15、置植物殘體并資源化利用有待進(jìn)一步研究。大型水生植物修復(fù)技術(shù)在凈化污染水體方面有著顯著的優(yōu)越性,隨著研究的不斷深入,應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大,希望這一新興“綠色”技術(shù)能與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)治理工程項目相結(jié)合,這對污染防治、生態(tài)恢復(fù)重建將有積極的現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn)1張慶費(fèi),鄭思俊,夏檑.園林M.北京:科學(xué)出版社, 2010.2Mclzer A.Aqutatic macrophytes as tools for lakem-anagementJ.Hydrobiologis,1999,395/396:l8l-190.3宋海亮,呂錫武.利用植物控制水體富營養(yǎng)化的研究與實(shí)踐J.安全與環(huán)境工程,2004,11(3:35-3

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