水生植物修复技术

水生植物修复技术9.1.1水生植物净化水体的机理水生植物对污染物的净化作用原理主要在植物的根、茎和叶对污染物的吸收。水溶态污染物到达水生植物根、请安茎和叶表面水溶态的污染物到达水生植物根表面，主要有两个途径：一条是质体流途径，即污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水一起到达植物根部；另一条是扩散途径，即通过扩散而到达根表面。到达根表面的污染物不一定被植物根所吸收。水生植物吸收河湖底泥中污染物的种类和数量除受底泥特性、污染物种类和浓度影响外，还取决于植物的特性。水溶态污染物到达水生植物茎和叶表面，主要也有两个途径：一条是茎和叶的气孔吸收途径，即水体污染物吸附在气孔而进入植物体内；另一条是角质层途径，水体污染物在水生植物茎和叶表面，表面活性剂能显著降低水溶液的表面张力而进入植物体。水溶态污染物进入细胞的过程植物的细胞璧是污染物进入横物细胞的第一道屏障。在细胞壁中的果胶质成分为结合污染物提供了大量的交换位点。细胞膜调节着着物质进出细胞的过程，它与细胞壁一起构成了细胞的防卫体系。污染物通过植物细胞进入细胞的过程，日前认为有两种方式；一种是被动的扩散，物质顺着本身的浓度梯度或细胞壁的电化学势流动；另一种是物质的主动传递过程，这种传递需要能量。这两种过程都与细胞膜的结构有关。生物膜是非极性的类脂双层膜，在脂质双分子层内外表面镶嵌着蛋白质特异载体分子，正常情况下对物质的吸收具有选择性。Park把细胞膜透过机理归纳为以下几个主要方面：①②③流动输送：生物膜有许多孔隙和细孔，水溶性的化学物质和难脂溶性的微粒子化合物随水流通过细胞膜。如果水溶性和难脂溶性的粒子直径在8.4nm以上就不能通过膜。②脂质层受控扩散：脂溶性化合物受这类扩散的影响。脂溶性化台物在水中扩散是以乳液状态存在，当与生物体膜接触，部分脂溶性化合物溶解在细胞膜中，借助于扩散作用而进入细胞内。③媒介输送与动能载体输送；担任化合物输送任务的是生物膜内的载体，它使化合物在生物体内得以输送。促使媒介输送的能量为浓度比，促使能动载体输送的能量来自生物化学作用。9.1.2水生植物的净化作用水生植物主要包括三大类：水生维管束植物、水生藓类和高等藻类。全球在污水治理中应用较多的是水生维管束植物，它具有发达的机械组织，植物个体比较高大，通常可分为挺水浮水、漂浮和沉水4种类型，见表9.1。表9.1水生植物类型及生长特点类型生长特点代表种类挺水植物根茎生于底泥中，植物体上部挺出水面芦苇、香蒲浮叶植物根茎生于底泥中，叶漂浮于水面睡莲、荇菜漂浮植物植物体完全漂浮于水面，具有特殊的适应漂浮生活组织结构凤眼链、浮萍沉水植物植物体完全沉于水气界面以下，根扎于底泥或漂浮于水中狐尾藻、金鱼藻植物对水体的净化具有非常重要的作用。污染的净化作用主要表现在：(1)物理作用水生植物的存在减小了水中的风浪扰动，降低了水流速度，并减小了水面风速，这为悬浮固体的沉淀去除创造了更好的条件，并减小了固体重新悬浮的可能性。植物的另一重要作用是它的隔热性。在冬季，当人工湿地中的水生植物死亡并被雪覆盖后，它就为人工湿地提供了一个隔热层，这样有利于防止人工湿地土壤冻结。(2)植物的吸收作用水生植物能直接吸收利用污水中的营养物质，供其生长发育。有根的植物通过根部摄取营养物质，某些浸没在水中的茎叶也从周围的水中摄取营养物质。水中植物产量高，大量的应用物质被固定在其生物体内。当收割后，营养物就能从系统中被除去。废水中的有机氮就能被微生物分解与转化，而无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质被植物直接摄取，再通过植物的收割而从废水中除去。(3)植物的富集作用许多的水生植物有较高的耐污能力，能富集水中的金属离子和有机物质。如凤眼莲，由于其线粒体中含有多酚氧化酶，可以通过多酚氧化酶对外源苯酚的羟化及氧化作用而解除酚对植物的毒害，所以对重金属和含酚有机物有很强的吸收富集能力。水生植物还能吸附、富集一些有毒有害物质，如重金属铅、镉、汞、砷、钙、铬、镍、铜等其吸收积累能力为：沉水植物＞漂浮植物＞挺水植物，不同部位浓缩作用也不同，一般为：根＞茎＞叶，各器官的累积系数随污水浓度的上升而下降。(4)氧的传输作用一般来讲，缺氧条件下，生物不能进行正常的有氧呼吸，还原态的某些元素和有机物的浓度可达到有毒的水平。河道水体中的污染物需要的氧主要来自大气自然复氧和植物输氧。有研究表明，水生植物的输氧速率远比依靠空气向液面扩散速率大，植物的输氧功能对水体的降解污染物好氧的补充量远大于由空气扩散所得氧量。植物输氧是植物将光合作用产生得氧气通过气道输送至根区，在植物根区的还原态介质中形成氧化态的微环境。(5)为微生物提供栖息地微生物是水体净化污水的主要“执行者”，水体中微生物的种类和数量很丰富，因为水生植物的根系常形成一个网络状的结构，并在植物关系附近形成好氧、缺氧和厌氧的不同环境，为各种不同微生物的吸附和代谢提供了良好的生存环境，也为水体污水处理系统提供了足够的分解者。大型挺水植物在水中部分能吸附大量的藻类，这也为微生物提供了更大的接触表面积。研究表明，有植物的水体系统，细菌数量显著高于无植物系统，且植物根部的分泌物还可以促进某些嗜磷、氮细菌的生长，促进氮、磷释放、转化、从而间接提高净化率。(6)维持系统的稳定维持水体系统稳定运行的首要条件就是保证系统的水力传输，水生植物在这方面起了重要作用。植物根和根系对介质具有穿透作用，从而在介质中形成了许多微小的气室或间隙，减小了介质的封闭性，增强了介质的疏松度，使得介质的水力传输得到加强和维持。植物的生长能加快天然土壤的水力传输程度，且当植物成熟时，根区系统的水容量增大。当植物的根和根系腐烂时，剩下许多的空隙和通道，也有利于土壤的水力传输。有人认为植物根系可维持底质的疏松状态，也有研究表明，植物根的生长和扩展，会在其上层建立一个较密集的根区，从而使孔隙度下降。另外，水生植物还有美观可欣赏性、可以通过收割回收以达到一定经济效益，可作为介质所受污染程度的指示物、有助于酶在水体系统的扩展等作用。(7)对藻类的生化他感作用生化他感作用一方面表现在水生植物个体大，吸收、储存营养物质和利用光能的能力强，能与藻类形成竞争，从而抑制浮游藻类的生长。另一方面，水生植物向水中分泌化学物质，如萜类化合物、类固醇等，来抑制藻类的生长。试验表明，水花生、棱、金鱼藻和浮萍均能不同程度的减少水体中藻细胞数量，促进藻细胞内叶绿素a的破坏与脂质过氧化物含量升高，抑制超氧化物歧化酶的活性，从而抑制了藻类的生长。(8)其它作用水生植物还有一些不直接与水处理过程相关的作用。如它为动物如鱼类、鸟类、爬行动物提供食物；在处理系统中采用荷花花、睡莲等有较高的观赏性的水生植物，可以便系统更加美观。9.1.3水生植物物种的适应性增加水体透明度后，可以有效促进沉水植物的生长，改善水生生态，恢复大型水生植物的生长。大型水生植物的繁殖和生长，能够促进浅水性河湖形成大规模生态湿地。9.1.3.1水生植物物种选型在水质相对好一些的湖区，可有层次地种植一些大型水生植物，如岸边芦苇等。在1.0〜1.2m水深之间主要发展茭草；在水深1.2〜1.5m之间发展眼子菜、苦草和野菱，还有聚草、大茨藻、依乐藻等沉水植物，并且要定期移出成熟的这些水生植物，或建立人工调节的生态食物链系统，目的就是最大量地将营养物N、P从水中移出，使得水质有明显的好转。不同植物对营养盐的吸收和水体净化效果差异较大，而且对于同一种植物来说，也是某一方面效果好，可能另一方面效果会相对差些。因此，在开展植物修复工程时，要合理搭配植物，进行多种植物组合。同时要考虑植物功能方面的季节性差异，以保证能够周年循环。另外，对当地气候的适应、植物的抗逆性及对病虫害的抵抗能力也需要充分地考虑。可用于水下部分补种或栽种的高等水生植物有芦苇、睡莲、小香蒲、营莆、莺尾等挺水植物以及伊乐藻、微齿眼子菜、轮叶黑藻、苦草等沉水植物；岸滩交错带宜于栽种落羽杉、水杉、池杉、垂柳、枫杨、合欢、水青树等耐水乔木，恢复生态缓冲带。在岸坡种植温生植物香根草、风车草等。9.1.3.2水生植物种植与培植水质净化过程实际上是一种物质转化过程，是微生物生命活动的结果。水生高等植物如芦苇等有发达的根系，能吸附大量水体污染物。同时，也寄居着众多的微生物，水体中微生物对富营养化人工水体的净化有重要作用。水生植物为根系微生物创造了良好的栖息场所并提供了丰富的营养物质，而根系微生物在功能上的协同效应加速了水体中污染物的净化。水生植物和根系微生物有利共生关系，结合成微生态净化系统。结合自然式河岸的处理，栽种水生植物、近水植物和耐水植物这样的自然河岸式的植物种植，减少人工干预和人工管理的痕迹，增加整个河岸的自我维持和自我循环，也有利于形成富有景观特色的生态廊道。9.1.4水生植物的净污效果（1）超积累植物目前水生植物修复主要依靠直接从水体吸收N、P,但其中一些重金属及其化合物亦可以离子形式转移到植物体内并得到富集，此类植物即超积累植物。超积累植物修复过程的机理是：通过螯合离子交换和选择性吸收等物理和化学过程吸收金属离子；给根际微生物提供附着和形成菌落的场所，并促进微生物群落的生长，而在根际微生物的体内，重金属离子和细胞壁上的活性基团（包括羧基、羟基、磷酸基、胺基等）发生定量结合反应，通过物理吸附或形成无机沉淀沉积在细胞壁上；植物还通过根部释放的分泌物的作用将金属离子以沉淀物的形式沉降下来。如重金属诱导就可使凤眼莲体内产生有重金属络合作用的金属硫肽，这些机制使许多水生植物具有富集大量重金属的能力。有研究表明，紫萍生长速度快，可富集铬和镍；满江红可富集铅、汞、铜等；槐叶萍在6小时内表现出快速吸收与净化作用，其对水体中银的净化率达81.0%；湿重每kg浮萍在3d内能够吸收42.53mg铜、34.3mg铅、1.11mg镉；李卫平等研究表明，在废水中重金属同等起始浓度下（3.8ug/g）,干重每kg水葫芦富集铜1.40kg、锌0.48g、镍0.21g、铬1.80g。宽叶香蒲能有效净化铅、锌矿废水，对铅、锌、铜和镉的去除率分别达到93.98%、97.02%、96.87%、和96.39%，使水质得到明显改善。通过植物的富集作用，重金属在环境中的浓度明显降低，富集在植物体内的重金属还可通过定期收割等方式回收利用，既作到污染治理，又可回收、节约资源，实现可持续发展。（2）水生经济植物水生植物修复研究多注重处理效果，较少顾及经济效益，常选择如凤眼莲、宽叶香蒲等植物，景观效果欠佳且经济价值不高。研究表明将水生经济植物水蕹菜、水芹菜以无土栽培方式，河水为种植水，分别作静态实验与现场实验。静态实验发现水蕹菜（4－10月）和水芹菜（11－3月）对河水均有较好的净化能力。当河水停留时间为30天时，水蕹菜对污染物的去除率为：TN81.32%，NO3-N89.90%，NH3-N87.86%，TP71.34%；水芹菜对污染物的去除率为：TN82.77%，NO3-N86.64%，NH3-N86.06%，TP94.77%。根据污染物去除率负荷测算，每公斤水蕹菜（鲜重）每天可去除污水中TN26.49mg；N03-N16.70mg；NH3-N8.31mg,TP3.22mg；每公斤水芹菜（鲜重）每天可去除污水中TN24.73mg，NO3-N13.25mg，NH3-N11.25mg，TP2.71mg。至实验结束（30天），发现两植物除根部外，径、叶部分重金属含量均达到食用标准。现场实验表明，若以水蕹菜一年栽种200天计，通过定期收割（25天），每平方米水面可获水蕹菜34.4kg，同时可自河水中移除TN182.25g、TP22.15g；若以一年栽种水芹菜60天计，每平方米水面可收获水芹菜15.2kg，同时可自河水中移除TN22.55g、TP2.47g。若实现轮种，则每平方米水面可收获经济植物约50kg，以每公斤一元计，每平方米产值50元，约为投入成本（种苗、人工载体、人工管理费等）的2倍左右。南京莫愁湖种植莲藕，年产莲藕25万kg，去除的氮有60t之多，磷有1t多，经过3年时间，水色由原来的14级上升到11级。进行人工基质无土栽培经济植物净化富营养化水体试验的结果显示，多花黑麦草、水蕹菜（又名空心菜）对氮和磷的去除率分别达到80％和90％以上，水芹对氮、磷的去除率可达到75％以上。由此可见，利用经济植物净化富营养化水体，既改善了富营养化水体水质，获得环境效益，又有利于经济作物的生长，客观的经济效益相当可观。9.1.5水生植物修复水质技术水生植物净污工程是以水生植物为主体，引用物种间共生关系和充分利用水体空间生态位与营养生态位的原则，建立高效的人工生态系统，以降解水体中的污染负荷，改善系统内的水质。（1）挺水植物挺水植物可通过对水流的阻尼作用和减小风浪扰动使悬移物质沉降，并通过与其共生的生物群落有净化水质的作用。同时，它还可以通过其庞大的根系从深层底泥中吸取营养元素，降低底泥中营养元素的含量。挺水植物一般具有很广的适应性和很强的抗逆性，生长快，产量高，还能带来一定的经济效益。因此，沿岸种植挺水植物已成为水体净污的重要方法。试验研究证明，河道沿岸的挺水植物（芦苇等）对氨氮具有很强的削减作用，氨氮通过河道两岸的芦苇带时，浓度显著降低，模拟模型的衰减系数是无芦苇生长的混凝土护坡河段的3倍左右，氨氮的削减量也达无芦苇生长河段的2倍左右。但利用沿岸挺水植物净化水体，需注意水生植物要定期收割，防止其死亡后沉积水底，造成二次污染。（2）沉水植物沉水植物生长过程中吸收水体中的N、P等营养盐，分泌他感物质抑制浮游植物的生长，沉水植被在水体中还能起到减波消浪，减轻底泥再悬浮，减少水体中的悬浮物的作用，从而净化水体，提高透明度，保持水体清水态。沉水植物是健康水域的指示性植物，它对水质具有很强的净化作用，而且四季常绿，是水体净化最理想的水生植物。在大型实验围隔系统中，沉水植物的水质净化作用实验证明，重建后的沉水植物可以显著改善水质，水体透明度显著提高，水色降低。水生植物围隔CODcr和BOD5一般分别为20mg/L和5mg/L左右，对照围隔和大湖水体则分别约为40mg/L和10mg/L。水生植物围隔水体中可检出的有机污染种类也较对照围隔和大湖水体低。实验结果表明恢复以沉水植物为主的水生植被是改善富营养化水质和重建生态系统的有效措施。（3）植物浮岛河、湖中的天然岛屿是许多水生生物的主要栖息场所，在天然岛屿上形成了植物-微生物-动物供受体，它们对水体的净化起着非常重要的作用。但由于河湖的开发、渠化、硬化工程，以及底泥疏浚等，使许多天然生态岛消失，河流的自净能力下降，河流生态系统遭到破坏。植物浮岛的建立就是对水域生态系统自净能力的一种强化。植物浮岛是绿化技术和漂浮技术的结合体，植物生长的扶梯一般是采用聚氨酯涂装的发泡聚苯乙烯制成的，质量轻，材料耐用。岛上的植物可供鸟类等休息和筑巢，下部植物形成鱼类和水生昆虫等生息环境，同时能吸收引起富营养化的氮和磷。日本为进一步净化渡良濑蓄水池的水体，曾在蓄水池中部建了一批植物生态浮岛，在到上种植芦苇等植物，其根系附着微生物。浮岛还设置了鱼类产卵用的产卵床，也为小鱼及底栖动物设有栖息地，形成稳定的植物-微生物-动物净化系统。（4）植物浮床植物浮床是充分模拟植物生存所需要的土壤环境而采用特殊材料制成的、能使植物生长并能浮在水中的床体。目前，研究最多的就是沉水植物浮床和陆生植物浮床。①沉水植物浮床沉水植物浮床技术是利用沉水植物对营养物质含量高的水体有显著的净化作用，对水体进行净化。水体高浓度的氮、磷营养盐一直被认为是导致沉水植物小时的直接原因，但水深和水下光照强度对沉水植物的生存有限制作用。由于