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摘要氮、磷是引起水体富营养化、导致水质恶化的重要因素，因此去除氮、磷一直是污水处理的重要任务。人们越来越多地将目光转向利用水生植物去除氮、磷营养物质、净化水质上。综述了近年来国内外应用水生植物修复氮、磷污染水体的方法、效果及其影响因素，探讨了水生植物净化污染水体的机制。最后，对今后水生植物研究进行了展望。
关键词水生植物；氮；磷；净化效果；研究进展
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）24-08317-02
Research Advances on Phytoremediation of Nitrogen and Phosphorus Polluted Water by Aquatic Macrophytes
ZHANG Youyuan， CHEN Zhensheng （Guiyang Academy of Landscape Gardening， Guiyang， Guizhou 550008）
Abstract Nitrogen and phosphorus are important factors causing eutrophication of water system and leading to deterioration of water quality， so the removal of nitrogen and phosphorus has always been an important task in wastewater treatment.Now people gradually pay more attention to the phytoremediation technique， which primary use the plants， animals and microbes for nutrient removal and water purification.The latest research achievement both at home and abroad on the polluted water purification by phytoremediation is summarized including the treatment performance and influence factors； the restoration mechanism of phytoremediation is also discussed.Finally， the future research of aquatic macrophytes was forecasted.
Key words Aquatic macrophytes； Nitrogen； Phosphorus；Purification effect；Research advances
随着大量污染物排入水体，水体富营养化现象变得越来越严重。传统的物理和化学方法[1-4]对于治理富营养化存在一定的局限性，并且可能造成二次污染，越来越多的学者开始研究生物方法[5-7]。在污染水体修复的各种方法中，利用水生植物进行修复是一种投资低、耗能低、无二次污染的新技术。水生植物修复受污染水体，是利用水生植物生长过程对氮、磷等营养物质的吸收而减少水体中这类污染物质，与此同时还可以分解、净化水体中的其他有毒有害物质，如重金属等。因此，植物修复更符合当今绿色、环保的要求，在国内外学术界已经引起高度重视。20世纪80年代以来，植物修复技术已经成为环境污染治理方面研究的热点问题，并且开始进入产业化初始阶段。
1水生植物的种类
陈友民等对水生植物是这样定义的：生长在水中的植物[8]；也有一些专家对水生植物是这么定义的：指生理上依附于水环境或至少部分生殖周期发生在水中或水表面的植物类群[9]。我国通常把水生植物分为以下的4种类型[8-11]：①挺水植物。该类植物根扎于泥土中，茎和叶挺出水面，花开时离开水面，花色艳丽，如芦苇（Phragmites australis）、菖蒲（Acorus calamus） 等；②浮叶植物。也称浮水植物，该类植物根生长在泥土中，叶片漂浮于水面上或略高出水面，花开放时近水面，如芡（Euryale ferox） 、菱（Trapa bispinosa） 等；③漂浮植物。该类植物根飘于水中，叶完全漂浮在水面之上，可随水飘移，如满江红（Azolla imbricata）、槐叶萍（Salvinia natans）等；④沉水植物。该类植物根扎于泥土中，茎叶整个沉入水中，通气组织特别发达，以观叶为主，如苦草（Vallisineria spiralis）、金鱼藻（Ceratophyllum demersum）等。
2污染水体的植物修复机理
污染水体的植物修复技术应用植物对污染物的吸附、吸收、富集和降解（植物根系与根际微生物的联合作用） 等作用，将污染物去除或固定，从而达到水体修复的目的。一般来说，几乎所有的水生植物都能净化污染水体，其功能主要表现为以下几个方面。
2.1吸收作用水生植物根系发达，有利于吸收水体中的营养物质。凤眼莲（Eichhornia crassipes）在生长过程中需要吸收大量的氮磷营养物，对净化富营养化水体具有明显的效果。刘建武等研究了凤眼莲净化含萘废水的机理，发现凤眼莲主要依靠根系的吸附作用、吸收作用甚至根際微生物的降解作用净化水体[12]。有根的植物通过根部摄取营养物质，而浮水植物浸没在水中的茎叶也能够从水中摄取营养物质，许多根系不发达的沉水植物（如金鱼藻属）也能直接从水中吸收营养物质。沉水植物狐尾藻等还具有直接吸收降解三硝基甲苯（TNT）的能力[13]。水生植物的产量很高，大量营养物被固定在其生物体内，收割后营养物就能从水体系统中被去除。 2.2富集作用植物吸收污染物后，便富集、固定在体内或土壤中，从而降低了水体污染物的含量。研究表明，在重金属诱导下，凤眼莲体内能产生有重金属络合作用的金属硫肽[14]，因此对重金属有很强的富集作用。
2.3沉降、吸附和过滤作用水生植物生长旺盛，根系发达，与水体接触面积大，可形成密集的过滤层。香蒲（Typha orientalis）能形成纵横交错的地下茎网，水流缓慢时重金属和悬浮颗粒被阻隔沉降，同时又在其表面进行离子交换、鳌合、吸附、沉淀等，不溶性胶体被根系吸附，凝集的菌胶团能把悬浮有机物和新陈代谢产物沉降下来[15]。
2.4生化作用大量研究表明，生化作用在植物净化污水过程中同样起到了很大的作用[16-18]。光合作用产生的O2和大气中的O2直接输送到植株各处，并向水中扩散，一方面根系通过释放O2，氧化分解根系周围的沉降物； 另一方面使水体底部和基质土壤形成许多厌氧和好氧小区，为微生物活动创造条件，形成“根际区”。这样，植物代谢产物、残体及溶解的有机碳就给湿地中的菌落提供了食物源。同时，大量微生物在基质表面形成灰色生物膜，增加了微生物的数量和分解代谢的面积，使植物根部的污染物（富集或沉降下来的） 被微生物分解利用或经生物代谢降解去除。在富营养化水体中，也可依靠水生植物根茎上的反硝化菌、氮化菌等加速氨氮向亚硝态氮和硝态氮的转化，便于水生植物的吸收与利用，减小底泥营养盐向水体的释放量。
3水生植物对氮磷的净化
3.1水生植物对氮磷净化效果的研究现状不同学者对水生植物氮磷的净化效果都做了较为详细的研究。付晓云等以千屈菜（Lythrum salicaria）、泽泻（Alisma plantagoaquatica）、菖蒲、雨久花（Monochorria korsakowii）、慈姑（Sagittaria sagittifolia）5种水生植物为试验材料，利用人工模拟方法，研究污染水体对这5种植物生长、生理的影响。结果表明，在污染水体中，菖蒲、雨久花生长最好，千屈菜较好，而泽泻与慈姑稍差。试验结束时，菖蒲、千屈菜、雨久花及泽泻对水体中总氮、总磷去除效果显著，总氮的去除率均在90%以上，总磷的去除率分别为96.13%、83.61%、75.84%和77.70%[19]。舒柳分别以凤眼莲、黄花水龙（Ludwigia peploides）、空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）、水鳖（Hydrocharis dubia）和浮萍（Lemna minor）5 种水生植物对总氮超过40 mg/L的生活污水进行了3个月的生态修复处理。结果表明，水生植物对总氮具有较好的去除效果，平均水平达到60%以上，5种水生植物的除氮率最高的为凤眼莲（86%），空心莲子草最低（58%）。不同水生植物对其他形态氮的去除率也具有各自的特点，凤眼莲对氨氮的去除率最高（88%），黄花水龙最低（14%）；浮萍和凤眼莲对硝态氮的去除率相当，高达85%以上，空心莲子草对硝态氮吸收较低（23%）[20]。何娜等采用人工配置污水的研究方法，对大薸（Pistia stratiotes）、凤眼莲、慈菇、菖蒲、香蒲和水葱（Scirpus validus）这6种水生植物去除氮磷的效果进行了试验研究。结果表明，所选植物都能较好地吸收水中的营养物质，对氨氮和硝态氮的去除率分别为93.71%～97.32%和76.69%～92.47%，对总磷的去除率为76.69%～92.47%，其中菖蒲对氨氮的去除效果最好，慈菇对硝态氮的去除率最高，香蒲对总磷的去除率最高。6种水生植物的氮、磷吸收贡献率分别占水质氮、磷去除率的11.71%～54.57%和17.61%～64.56%。不同种类水生植物对不同污染物的去除能力存在较大差异，并提出可针对不同污染物来选择水生植物，进行搭配组合修复污染水体的想法[21]。耿兵等选择大薸（Pistia stratiotes）、浮叶眼子菜（Potamogeton natans）、萍蓬草（Nuphar pumilum）、香菇草（Hydrocotyle vulgaris）、花叶芦竹（Arundo donax var.versicolor）、芦竹（Arundo donax）和常绿鸢尾共7种浮水植物与挺水植物进行研究。结果表明，水生植物对氨氮和硝态氮的去除率分别为2118%～27.25%和32.65%～45.92%。水生植物对磷的去除率为10.57%～25.81%，其中香菇草和浮叶眼子菜尤为突出，去除率分别为25.81%和25.31%[22]。
3.2不同类型水生植物对氮磷净化效果的比较耿兵等的研究表明，浮水植物对污染物的去除能力明显强于挺水植物，为挺水植物的3.15～5.64倍[22]。其他一些学者分别对浮叶植物[23-25]、挺水植物[24，26]、沉水植物[27-29]对氮磷的净化效果做了详细研究，通过比较发现沉水植物对总氮的去除效果較差，挺水植物对总磷的去除效果一般。对比几种水生植物，结果发现，部分挺水植物（如水芹菜）和部分沉水植物（如伊乐藻）对环境的适应性较强。因此，今后在水生植物种植的时候可以考虑进行多类型、多层次结构的种植方式，形成立体净化，用来修复水体的富营养化问题，弥补水生植物修复污染水体在周年循环中的缺陷。浮叶植物中的水芹菜在净化氮磷方面效果非常好。
4结语
综上所述，水生植物在净化污染水体中的营养物质方面具有良好的效果，且能适应不同程度富营养化水体的动态变化；水生植物在净化水体的过程中具有成本低、对环境扰动小、少二次污染等特性，有利于水体环境的修复，且收割后的植物可以再次利用。但也应注意到水生植物对水体的修复也具有一定的局限性，还应在以下方面进行研究：①水生植物的选择。水生植物种类繁多，但被利用和产生效果的仅几十种，更多抗污染能力强的水生植物有待进一步的研究和开发；②水体污染具有特异性，不同水体之间的修复方式及利用的水生植物也各不相同，选择多种适宜的水生植物，如何进行优化组合，形成立体配置，提高治理的效率，这还需要进行深入研究；③如何把握水生植物吸收污染物的量，及时收割，避免造成二次污染，达到最优处理效果，仍是今后研究的重点。总之，利用水生植物修复污染水体为我国及世界其他地区日益恶化的水环境提供了一个切实可行的解决办法，具有良好的研究和应用前景。
参考文献
[1] 王国祥，成小英，濮培民.湖泊藻型富营养化控制—技术、理论及应用[J].湖泊科学，2002，14（3）：273-277.
[2] 秦伯强，王小东，汤祥明，等.太湖富营养化与蓝藻水华引起的引用水危机—原因与对策[J].地球科学进展，2007，22（9）：901-902.
[3] 过龙根.除藻与控藻技术[J].中国水利，2006（17）：34-36.
[4] 聂发辉，李田，吴晓芙，等. 藻型富营养化水体的治理方法[J]. 中国给水排水，2006，22（18）：11-14.
[5] JAYAWEERA M，ASAEDA T.Modeling of biomanipulation in shallow，eutrophic lakes： An application to Lake Bleiswijkse Zoom，the Netherlands[J]. Ecological Modeling，1996，85（2/3）：113-127.
[6] 张太平，陈韦丽.人工湿地生态系统提高氮磷去除率的研究进展[J].生态环境，2005，14（4）：580-584.
[7] 黄亚.植物修复富营养化及有机农药污染水体技术研究[D].上海： 同济大学2006： 19-36.
[8] 陈友民.园林树木学[M].北京：中国林业出版社，1990：65
[9] 包满珠.花卉学[M].北京：中国农业出版社，2003：394.
[10] 刘燕.园林花卉学[M].北京：中国林业出版社，1993：1-2.
[11] 倪乐意.大型水生植物[M].北京：科学出版社，1999：224-241.
[12] 刘建武，林逢凯，王郁.水生植物净化萘污水能力研究[J].上海环境科学，2002，21（7）：412-415.
[13] JOSEPH B，HUGHES J.Transformation of TNT by Aquatic Plants and Plant Tissue Cultures[J].Envion Sci Techol，1997，31（1）：266-271.
关键词水生植物；氮；磷；净化效果；研究进展
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）24-08317-02
Research Advances on Phytoremediation of Nitrogen and Phosphorus Polluted Water by Aquatic Macrophytes
ZHANG Youyuan， CHEN Zhensheng （Guiyang Academy of Landscape Gardening， Guiyang， Guizhou 550008）
Abstract Nitrogen and phosphorus are important factors causing eutrophication of water system and leading to deterioration of water quality， so the removal of nitrogen and phosphorus has always been an important task in wastewater treatment.Now people gradually pay more attention to the phytoremediation technique， which primary use the plants， animals and microbes for nutrient removal and water purification.The latest research achievement both at home and abroad on the polluted water purification by phytoremediation is summarized including the treatment performance and influence factors； the restoration mechanism of phytoremediation is also discussed.Finally， the future research of aquatic macrophytes was forecasted.
Key words Aquatic macrophytes； Nitrogen； Phosphorus；Purification effect；Research advances
随着大量污染物排入水体，水体富营养化现象变得越来越严重。传统的物理和化学方法[1-4]对于治理富营养化存在一定的局限性，并且可能造成二次污染，越来越多的学者开始研究生物方法[5-7]。在污染水体修复的各种方法中，利用水生植物进行修复是一种投资低、耗能低、无二次污染的新技术。水生植物修复受污染水体，是利用水生植物生长过程对氮、磷等营养物质的吸收而减少水体中这类污染物质，与此同时还可以分解、净化水体中的其他有毒有害物质，如重金属等。因此，植物修复更符合当今绿色、环保的要求，在国内外学术界已经引起高度重视。20世纪80年代以来，植物修复技术已经成为环境污染治理方面研究的热点问题，并且开始进入产业化初始阶段。
1水生植物的种类
陈友民等对水生植物是这样定义的：生长在水中的植物[8]；也有一些专家对水生植物是这么定义的：指生理上依附于水环境或至少部分生殖周期发生在水中或水表面的植物类群[9]。我国通常把水生植物分为以下的4种类型[8-11]：①挺水植物。该类植物根扎于泥土中，茎和叶挺出水面，花开时离开水面，花色艳丽，如芦苇（Phragmites australis）、菖蒲（Acorus calamus） 等；②浮叶植物。也称浮水植物，该类植物根生长在泥土中，叶片漂浮于水面上或略高出水面，花开放时近水面，如芡（Euryale ferox） 、菱（Trapa bispinosa） 等；③漂浮植物。该类植物根飘于水中，叶完全漂浮在水面之上，可随水飘移，如满江红（Azolla imbricata）、槐叶萍（Salvinia natans）等；④沉水植物。该类植物根扎于泥土中，茎叶整个沉入水中，通气组织特别发达，以观叶为主，如苦草（Vallisineria spiralis）、金鱼藻（Ceratophyllum demersum）等。
2污染水体的植物修复机理
污染水体的植物修复技术应用植物对污染物的吸附、吸收、富集和降解（植物根系与根际微生物的联合作用） 等作用，将污染物去除或固定，从而达到水体修复的目的。一般来说，几乎所有的水生植物都能净化污染水体，其功能主要表现为以下几个方面。
2.1吸收作用水生植物根系发达，有利于吸收水体中的营养物质。凤眼莲（Eichhornia crassipes）在生长过程中需要吸收大量的氮磷营养物，对净化富营养化水体具有明显的效果。刘建武等研究了凤眼莲净化含萘废水的机理，发现凤眼莲主要依靠根系的吸附作用、吸收作用甚至根際微生物的降解作用净化水体[12]。有根的植物通过根部摄取营养物质，而浮水植物浸没在水中的茎叶也能够从水中摄取营养物质，许多根系不发达的沉水植物（如金鱼藻属）也能直接从水中吸收营养物质。沉水植物狐尾藻等还具有直接吸收降解三硝基甲苯（TNT）的能力[13]。水生植物的产量很高，大量营养物被固定在其生物体内，收割后营养物就能从水体系统中被去除。 2.2富集作用植物吸收污染物后，便富集、固定在体内或土壤中，从而降低了水体污染物的含量。研究表明，在重金属诱导下，凤眼莲体内能产生有重金属络合作用的金属硫肽[14]，因此对重金属有很强的富集作用。
2.3沉降、吸附和过滤作用水生植物生长旺盛，根系发达，与水体接触面积大，可形成密集的过滤层。香蒲（Typha orientalis）能形成纵横交错的地下茎网，水流缓慢时重金属和悬浮颗粒被阻隔沉降，同时又在其表面进行离子交换、鳌合、吸附、沉淀等，不溶性胶体被根系吸附，凝集的菌胶团能把悬浮有机物和新陈代谢产物沉降下来[15]。
2.4生化作用大量研究表明，生化作用在植物净化污水过程中同样起到了很大的作用[16-18]。光合作用产生的O2和大气中的O2直接输送到植株各处，并向水中扩散，一方面根系通过释放O2，氧化分解根系周围的沉降物； 另一方面使水体底部和基质土壤形成许多厌氧和好氧小区，为微生物活动创造条件，形成“根际区”。这样，植物代谢产物、残体及溶解的有机碳就给湿地中的菌落提供了食物源。同时，大量微生物在基质表面形成灰色生物膜，增加了微生物的数量和分解代谢的面积，使植物根部的污染物（富集或沉降下来的） 被微生物分解利用或经生物代谢降解去除。在富营养化水体中，也可依靠水生植物根茎上的反硝化菌、氮化菌等加速氨氮向亚硝态氮和硝态氮的转化，便于水生植物的吸收与利用，减小底泥营养盐向水体的释放量。
3水生植物对氮磷的净化
3.1水生植物对氮磷净化效果的研究现状不同学者对水生植物氮磷的净化效果都做了较为详细的研究。付晓云等以千屈菜（Lythrum salicaria）、泽泻（Alisma plantagoaquatica）、菖蒲、雨久花（Monochorria korsakowii）、慈姑（Sagittaria sagittifolia）5种水生植物为试验材料，利用人工模拟方法，研究污染水体对这5种植物生长、生理的影响。结果表明，在污染水体中，菖蒲、雨久花生长最好，千屈菜较好，而泽泻与慈姑稍差。试验结束时，菖蒲、千屈菜、雨久花及泽泻对水体中总氮、总磷去除效果显著，总氮的去除率均在90%以上，总磷的去除率分别为96.13%、83.61%、75.84%和77.70%[19]。舒柳分别以凤眼莲、黄花水龙（Ludwigia peploides）、空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）、水鳖（Hydrocharis dubia）和浮萍（Lemna minor）5 种水生植物对总氮超过40 mg/L的生活污水进行了3个月的生态修复处理。结果表明，水生植物对总氮具有较好的去除效果，平均水平达到60%以上，5种水生植物的除氮率最高的为凤眼莲（86%），空心莲子草最低（58%）。不同水生植物对其他形态氮的去除率也具有各自的特点，凤眼莲对氨氮的去除率最高（88%），黄花水龙最低（14%）；浮萍和凤眼莲对硝态氮的去除率相当，高达85%以上，空心莲子草对硝态氮吸收较低（23%）[20]。何娜等采用人工配置污水的研究方法，对大薸（Pistia stratiotes）、凤眼莲、慈菇、菖蒲、香蒲和水葱（Scirpus validus）这6种水生植物去除氮磷的效果进行了试验研究。结果表明，所选植物都能较好地吸收水中的营养物质，对氨氮和硝态氮的去除率分别为93.71%～97.32%和76.69%～92.47%，对总磷的去除率为76.69%～92.47%，其中菖蒲对氨氮的去除效果最好，慈菇对硝态氮的去除率最高，香蒲对总磷的去除率最高。6种水生植物的氮、磷吸收贡献率分别占水质氮、磷去除率的11.71%～54.57%和17.61%～64.56%。不同种类水生植物对不同污染物的去除能力存在较大差异，并提出可针对不同污染物来选择水生植物，进行搭配组合修复污染水体的想法[21]。耿兵等选择大薸（Pistia stratiotes）、浮叶眼子菜（Potamogeton natans）、萍蓬草（Nuphar pumilum）、香菇草（Hydrocotyle vulgaris）、花叶芦竹（Arundo donax var.versicolor）、芦竹（Arundo donax）和常绿鸢尾共7种浮水植物与挺水植物进行研究。结果表明，水生植物对氨氮和硝态氮的去除率分别为2118%～27.25%和32.65%～45.92%。水生植物对磷的去除率为10.57%～25.81%，其中香菇草和浮叶眼子菜尤为突出，去除率分别为25.81%和25.31%[22]。
3.2不同类型水生植物对氮磷净化效果的比较耿兵等的研究表明，浮水植物对污染物的去除能力明显强于挺水植物，为挺水植物的3.15～5.64倍[22]。其他一些学者分别对浮叶植物[23-25]、挺水植物[24，26]、沉水植物[27-29]对氮磷的净化效果做了详细研究，通过比较发现沉水植物对总氮的去除效果較差，挺水植物对总磷的去除效果一般。对比几种水生植物，结果发现，部分挺水植物（如水芹菜）和部分沉水植物（如伊乐藻）对环境的适应性较强。因此，今后在水生植物种植的时候可以考虑进行多类型、多层次结构的种植方式，形成立体净化，用来修复水体的富营养化问题，弥补水生植物修复污染水体在周年循环中的缺陷。浮叶植物中的水芹菜在净化氮磷方面效果非常好。
4结语
综上所述，水生植物在净化污染水体中的营养物质方面具有良好的效果，且能适应不同程度富营养化水体的动态变化；水生植物在净化水体的过程中具有成本低、对环境扰动小、少二次污染等特性，有利于水体环境的修复，且收割后的植物可以再次利用。但也应注意到水生植物对水体的修复也具有一定的局限性，还应在以下方面进行研究：①水生植物的选择。水生植物种类繁多，但被利用和产生效果的仅几十种，更多抗污染能力强的水生植物有待进一步的研究和开发；②水体污染具有特异性，不同水体之间的修复方式及利用的水生植物也各不相同，选择多种适宜的水生植物，如何进行优化组合，形成立体配置，提高治理的效率，这还需要进行深入研究；③如何把握水生植物吸收污染物的量，及时收割，避免造成二次污染，达到最优处理效果，仍是今后研究的重点。总之，利用水生植物修复污染水体为我国及世界其他地区日益恶化的水环境提供了一个切实可行的解决办法，具有良好的研究和应用前景。
参考文献
[1] 王国祥，成小英，濮培民.湖泊藻型富营养化控制—技术、理论及应用[J].湖泊科学，2002，14（3）：273-277.
[2] 秦伯强，王小东，汤祥明，等.太湖富营养化与蓝藻水华引起的引用水危机—原因与对策[J].地球科学进展，2007，22（9）：901-902.
[3] 过龙根.除藻与控藻技术[J].中国水利，2006（17）：34-36.
[4] 聂发辉，李田，吴晓芙，等. 藻型富营养化水体的治理方法[J]. 中国给水排水，2006，22（18）：11-14.
[5] JAYAWEERA M，ASAEDA T.Modeling of biomanipulation in shallow，eutrophic lakes： An application to Lake Bleiswijkse Zoom，the Netherlands[J]. Ecological Modeling，1996，85（2/3）：113-127.
[6] 张太平，陈韦丽.人工湿地生态系统提高氮磷去除率的研究进展[J].生态环境，2005，14（4）：580-584.
[7] 黄亚.植物修复富营养化及有机农药污染水体技术研究[D].上海： 同济大学2006： 19-36.
[8] 陈友民.园林树木学[M].北京：中国林业出版社，1990：65
[9] 包满珠.花卉学[M].北京：中国农业出版社，2003：394.
[10] 刘燕.园林花卉学[M].北京：中国林业出版社，1993：1-2.
[11] 倪乐意.大型水生植物[M].北京：科学出版社，1999：224-241.
[12] 刘建武，林逢凯，王郁.水生植物净化萘污水能力研究[J].上海环境科学，2002，21（7）：412-415.
[13] JOSEPH B，HUGHES J.Transformation of TNT by Aquatic Plants and Plant Tissue Cultures[J].Envion Sci Techol，1997，31（1）：266-271.