沉水植物治理水污染

摘要：本文综述了沉水植物的栽培，对水中各元素的去除，以及在污染废水治理方面的应用的研究的进展。

关键词：沉水植物；水污染；生态修复

Abstract: The progress in submersed macrophyte effectively removing various elements from the polluted water and its applied are reviewed. Key words: submersed macrophyte; water pollution; ecological restoration

1简介

沉水植物（submerged plants）是指植物体全部位于水层下面营固着生存的大型水生植物。它们的根有时不发达或退化，植物体的各部分都可吸收水分和养料，通气组织特别发达，有利于在水中缺乏空气的情况下进行气体交换。这类植物的叶子大多为带状或丝状，如苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻等。海洋中的大叶藻（Zostera）藻及海藻类均包括在内，但一般则是指淡水植物。如黑藻属（Hydrilla）、苦草属（Vallisneria）、狐尾藻属（Myriophyllum）、金鱼藻属（Ceratophyllum）、小叶眼子菜（Potamogetoncrispus），轮藻（Ch－aracoronata）等。

在自然条件下，沉水植物可以通过种子或营养繁殖体进行自动繁殖，并以营养繁殖较为普遍[1]。但是，在受污染的水体中，自然繁殖受到阻碍，需要辅助人工栽培。对此有学者进行了研究汇总，主要包括了7种沉水植物（黑藻、菹草、金鱼藻、苦草、微齿眼子菜、马来眼子菜）营养繁殖与人工栽培技术，见表1。

表1 7种沉水植物营养繁殖与人工栽培技术[2]

Tab.1 Vegetative reproduction and plantation skill of seven submerged plants

各沉水植物对 COD 的去除率由高到低依次为：苦草＞马来眼子菜＞金鱼藻＞浮叶眼子菜＞菹草。各沉水植物对总氮的去除率由高到低依次为：金鱼藻＞菹草＞苦草＞马来眼子菜＞浮叶眼子菜；各沉水植物对总磷的去除率由高到低依次为：马来眼子菜＞金鱼藻＞苦草＞菹草＞浮叶眼子菜[3]。黄子贤利用苦草、伊乐藻、马来眼子菜和轮叶黑藻4种沉水植物，进行富营养化水体氮、磷去除能力的比较研究。结果表明，4种沉水植物对试验水体中的氮、磷均有较高的去除率。种植密度为3 g·L-1的4种沉水植物试验组对TN的去除率为43%～65%，对TP的去除率为68%～88%，其中轮叶黑藻相对于其它3种沉水植物表现出对TN最高的去除率达到65%，马来眼子菜对TP的去除效果最好达到88%[4]。

3沉水植物对水中微量元素的去除

3.1机理与影响因素

3.1.1去除机理

大型植物线叶眼子莱在铜诱导下的生理参数和抗氧化酶的反应，通过测定线叶眼子菜属暴露于铜溶液若干天后，其中叶绿素、脱镁叶绿素、丙二醛、导电性、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、谷胱甘肽还原酶(GR)和愈创木酚过氧化物酶(POD)的变化，验证毒理性。眼子菜一天内可以吸附绝大多数的铜，铜的毒性作用引起的是明显光合色素的降低，丙二醛和导电性的增加，铜引起的氧化压力的增加导致了眼子菜属调节抗氧化酶（GPX，GR ，POD），指示水污染[5]。

多环芳烃有毒物的去除Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)80mg/kg的菲会影响苦草属的生长，有植物的去除能力比没有的高18%，原因是植物根系和微生物的协同作用。

3.1.2影响因素

(1)季节变化

由于溶解度和生物利用度不同，Cu，Mn，Zn更容易运输到根部，研究了光叶眼子菜重金属累积与分布的季节性变化，得出结论其累积尤其是秋天，春天是最不容易累积的季节。Ni的累积率最低。沉积物中重金属浓度的增加会导致眼子菜中Cd浓度明显提高，由此，眼子菜根可指示重金属污染。Ni，Mn在秋天的叶子中的累积高，Cr和Cd尤其在夏天在嫩枝的累积高。其原理是，不同季节的生物有机体通过特定的生理机制发挥作用[6]。

(2)PH

选取金鱼藻、伊乐藻、苦3种沉水植物，比较研究不同pH与镉浓度对它们生长及去除镉效果的影响。结果表明，3种沉水植物均能耐受一定浓度范围的镉污染，并能不同程度地去除水体中的镉；在实验对照组中，金鱼藻与伊乐藻在pH为8.5、镉浓度为15μg/L的溶液中，去除镉的能力最强，苦草在pH为7.5、镉浓度为10μg/L的溶液中，去除镉的能力最强[7]。

沉水植物比沼生植物更能富集Cd，铅在水中和植物中的浓度有很强的相关性。植物对沉积物中Ni和Pb的吸收比水中的多。狭叶香蒲对重金属的吸收，根比叶子多。植物对Cd 的吸收与水中的PH值有很重要的关系。狭叶香蒲比眼子菜更能去除重金属[8]。

(3)温度盐度

沉水植物可用于降低雨水中的重金属浓度，因为它们的嫩枝可以累积大量的重金属。探讨沉水植物（伊乐藻属颤杨和浮叶眼子菜）对重金属（铜、锌、镉和铅）的吸收与水温度和盐度特征的关系，发现植物体内金属浓度在5~20℃的范围内是随着温度的升高而增加的，但在低于5℃也要好的去除率。两种植物都是随着盐度的降低对重金属的吸收是升高的，且盐度比温度的影响大。植物对金属浓度的吸收在高温或低盐度情况下是低温或高盐度情况下的两倍。单个植物时，低生物量植物比高生物量的植物能吸附更高的金属浓度，所以春季的植物吸附重金属的能力高。低盐高温的夏天铜、锌、镉的累积低，而低温高盐的冬天将减少50%的累积。铅的累积受温度和盐度的影响很小。伊乐藻属颤杨比浮叶眼子菜更适合[9]。

(4)铜

由于其在水生生态系统广泛的分布和明显的累积污染物能力，伊乐藻已被建议作为一个潜在的生物监测。我们调查的硫酸铜对伊乐藻生长的影响，发现生长减缓甚至停止，随着植物体的衰老也会释放。说明其生物累积能力有限，但是很适合指示该类水污染状况[10]。

3.1.3元素分布

挺水植物芦苇，C、N、P在叶子中的含量大于根，而根中含有更多的S和其他微量元素。沉水植物大茨藻的根中也是S和其他微量元素大于嫩芽中的含量，但是除了S，其他的元素分布差异不明显。芦苇根中Cr、Cu、Fe、Mn 、Ni比大茨藻中的多，Cd、Cr、Fe、Ni、Pb、Zn在大茨藻嫩枝中的含量高于芦苇叶子中的[11]。

3.2实例

尖刺轮藻和暗氏丽藻对Cd、Pb、Zn的去除效果，研究了浓度对植物生长速率的影响关系，尖刺轮藻比暗氏丽藻更能忍耐Cd和Pb浓度的上升，Zn的影响小。暗氏丽藻生长速率在高浓度Cd、Pb大幅度降低。处理废水是低浓度比较有利[12]。

眼子菜属能够累积大量的Cu和Cr，或者（Cu2+和Cr6+），植物体内的累积量和水溶液中的去除量存在显著相关，并且在实验中发现Cu和Cr去除的协同关系，随着水中的增加Cu，植物对Cr累积显著增加。即这是其他所没有提到的[13]。

在沉水植物活体中，伊乐藻对水体镉的抗性和去除率最大(达92%)，金鱼藻次之(达90%)，苦草最小(为66%)；沉水植物粉对水体镉的去除效果较沉水植物活体显著，去除率表现为伊乐藻粉最大(达95%)，金鱼藻粉次之(达93%)，苦草最小(为88%)，但苦草粉对镉的去除率随溶液镉浓度、pH等条件的变化波动较小，较稳定，为81%～88%。3种沉水植物适应范围广，高效无污染，可用于镉污染废水的植物修复[14]。 

4污染治理

4.1农药

(1)除草剂

让伊乐藻、狐尾藻、光叶眼子菜分别暴露在受阿特拉津、异丙隆、敌草隆和混合除草剂污染的水体中，测量它们的光合效率。发现狐尾藻的敏感度比伊乐藻、光叶眼子菜的敏感度高些，且伊乐藻、光叶眼子菜对异丙隆则不敏感。狐尾藻光合效率受单一和混合除草剂的浓度影响。在受除草剂污染的水体中，伊乐藻、狐尾藻的生长没有减弱，说明其生长不受农药的损害。在测量沉水植物光合效率，体内叶绿素荧光以其灵敏度高，而成为有较高价值的的生物标志物，但其不适合衡量地表水污染[15]。

(2)杀虫剂

游离性的疏水有机氯杀虫剂（氯丹、狄氏剂和多氯联苯）的潜在累积。生物吸附重金属包括两大块，一是植物体，二是植物体新陈代谢产生的不活跃非生物体[16]。

4.2染料废水有机溶剂

大型沉水植物苦草属在含有菲发的废水里的修复作用及其忍耐性。直到沉积物中菲的质量分数达到80mg/kg干重，才会对沉水植物苦草造成危害，激发它相应的机制来减少其毒性对其生长的影响，在该浓度下，苦草对菲的去出率达到18%，要想提高去除率必须有其根系和根系微生物的协同作用。

毒性敏感性和可变性的大型植物毒性试验。根端点反映根系生长，对于毒性试验是最敏感的，而生物量及其增长以及嫩枝长度对毒性试验不太敏感。端点的最低的系数变化不一定是终点，而是毒物学最敏感的点。没有大型植物物种一直是最敏感的[17]。

参考文献：

[1]陈洪达.菹草的生活史·生物量和断枝的无性繁殖[J].水生生物学报,1985.

[2]连光华,张圣照.伊乐藻等水生高等植物的快速营养繁殖技术和栽培方法[J]. 湖泊科学,1996.

[3]刘嫦娥,赵健艾,易晓燕,等.静态条件下沉水植物净化污水厂尾水能力研究[J].环境科学与技术,2011,34(12H):271- 274.

[4]黄子贤.沉水植物对陆域水产养殖污染削减效应研究[D]. 上海海洋大学,2011.

[5]Magdalena V. Monferrán, José A. Sánchez Agudo, et al. Copper-induced response of physiological parameters and antioxidant enzymes in the aquatic macrophyte Potamogeton pusillus[J]. Environmental Pollution, 2009:2570-2576

[6]Fatih Duman, Olcay Obali, Dilek Demirezen Seasonal changes of metal accumulation and distribution in shining pondweed (Potamogeton lucens). Chemosphere 65 (2006) 2145–2151

[7]张饮江,易冕,王聪,等.3种沉水植物对水体重金属镉去除效果的实验研究[J].上海海洋大学学报,2012.

[8]Dilek Demirezen , Ahmet Aksoy, Accumulation of heavy metals in Typha angustifolia (L.)  and Potamogeton pectinatus (L.) living in Sultan Marsh (Kayseri, Turkey) Chemosphere, Volume 56, Issue 7, August 2004, Pages 685-696

[9]A.Fritio, L. Kautsky, M. Greger. Influence of temperature and salinity on heavy metal uptake by submersed plants. Environmental Pollution 133 (2005) 265–274

[10]Tarun K. Mal, Peter Adorjan, Andrea L. Corbett. Effect of copper on growth of an aquatic macrophyte, Elodea Canadensis.Environmental Pollution 120 (2002) 307–311

[11]Daniela Baldantoni, Anna Alfani, Paul Di Tommasi, Giovanni Bartoli, Amalia Virzo De Santo Assessment of macro and microelement accumulation capability of two aquatic plants.Environmental Pollution, Volume 130, Issue 2, July 2004, Pages 149-156

[12]Najjapak S. Phytoremediation potential of charophytes: Bioaccumulation and toxicity studies of cadmium, lead and zinc. Journal of Environmental Sciences, Volume 25, Issue 3, 1 March 2013, Pages 596-604

[13]Magdalena V. Monferrán, María L. Pignata, Daniel A. Wunderlin. Enhanced phytoextraction of chromium by the aquatic macrophyte Potamogeton pusillus in presence of copper .Environmental Pollution, Volume 161, February 2012, Pages 15-22

[14]张饮江,易冕,王聪,等.3种沉水植物对水体重金属镉去除效果的实验研究[J].上海海洋大学学报,2012.

[15]Stefanie Knauert, Heinz Singer,  Juliane Hollender, Katja Knauer. Phytotoxicity of atrazine, isoproturon, and diuron to submersed macrophytes in outdoor mesocosms. Environmental Pollution 158 (2010) 167–174

[16]Kejian Peng, Chunling Luo, Laiqing Lou, Xiangdong Li, Zhenguo Shen. Bioaccumulation of heavy metals by the aquatic plants Potamogeton pectinatus L. and Miq. andPotamogeton malaianus their potential use for contamination indicators and in wastewater treatment. Science of the total encironment, 2008.

[17]Gertie H.P. Arts, J. Dick M. Belgers , Conny H. Hoekzema , Jac T.N.M. Thissen. Sensitivity of submersed freshwater macrophytes and endpoints in laboratory toxicity tests. Environmental Pollution 153 (2008) 199e206