大型水生植物对污染水体的净化作用和机理

大型水生植物对污染水体的净化作用和机理

屠晓翠1， 蔡妙珍2* ，孙建国1

（浙江师范大学初阳学院，金华 321004；浙江师范大学化学与生命科学学院，金华 321004）

摘 要：大型水生植物在水污染治理中有着积极作用，能通过(1)物理的作用，如植物根系会分泌含特殊的功能团的有机物，吸附、过滤和沉淀水中的化合物；(2)化学的作用，直接吸收和利用可利用态N、P，以及从周围环境中交换吸附重金属等；(3)微生物的辅助作用达到净化水质的效果。因此大型水生植物将成为很有前途的综合处理污水的新生力量。

关键词：水体污染；大型水生植物；水体净化；机理

Abstract：

Macrophytes have positive roles in water pollution treatment. First, through physical functions, macrophytes can purge the polluted water. For example: The root of macrophytes can excrete special function groups which can absorb, filter and precipitate chemical compound of water. Second, through the function of chemistry, macrophytes absorb and utilize bioavailable N, P and exchange absorbtion heavy metals from the surrounding environment directly, etc. Third, through the auxiliary function of the microorganism , macrophytes can get the result of purifying water quality. So macrophytes will become promising force of comprehensive treatment sewage .

Key words: water pollution ; macrophytes; water body purification; mechanism

近年来，随着我国工农业生产和社会经济的迅猛发展，排入江河湖泊的工业废水和生活污水日益增加，而水处理设施建设严重滞后，引起了部分水域环境的严重污染，富营养化的水域日益增多。工业废水中一些具有“三致”作用的难降解有毒有机污染物，因缺乏有效的处理方法，进入水体后直接威胁到人类的健康及其它生物的生存[1]。在污水处理中，传统污染水处理方法如生化二级处理法，工艺成熟、处理效果理想，但建造、运行、管理费用过高；化学法（如加入硫酸铜等）和换水法处理方法，虽然均有一定效果，但化学法易产生二次污染，换水法不够方便、经济，且仅适宜于小型水体。为了寻找高效低耗的水污染处理技术，20世纪70年代，水生植物开始受到人们的关注。 通常植物在生长过程中，能忍耐土壤中高浓度的污染物，植物的这种抗毒性作用，为植物对土壤和水体中的污染物吸收和降解奠定了基础[2]。水生植物能吸收和富集水体中的有毒有害物质，并且在植物体内的富集含量可以达到污染物在水中浓度的几十倍，几百倍，甚至几千倍以上，对水体的净化起到很好的作用。为此，本文就大型水生植物的生态功能进行了概括和分析，为

科技工作者治理水体

alliance20061111 发表于 >2006-11-8 8:50:04 案] [推给好友] [收藏到网摘]

[全文] [评论] [引用] [推荐] [档

2006-11-8

大型水生植物对污染水体的净化作用和机理（二）

(接上)污染提供一些理论与依据。

1 水生植物的含义

1.1 水生植物的定义

根据美国《FICWD：鉴别和描述管理湿地联合手册》中的定义，水生植物是指生长在水中或至少是由于水分充足而周期性缺氧的基质上的任何大型植物（包括水生植物或水生大型藻类），尤其是在湿地和其它水生生境中的植物[3]。

1.2 水生植物的范围

大型水生植物主要包括水生维管束植物和高等藻类。具体可分为挺水、浮叶、漂浮和沉水4种类型[4]。挺水植物主要有芦苇

(Phragmitis communis Trin)、莲(Nelumbo nucifera Gaertn.)、香蒲（Typha minima Funk.）、茭白(Zizania Iatifolia Stapf)、菰(Zizania caduciflora)等。漂浮植物主要为凤眼莲

(Eichhornia crassipes Solms)、莼菜(Nymphoides peltata O.Kuntze)、大漂(Pistia stratiates L.)、水花生(Alternanthrra philoxeroides)等。浮叶植物主要有两栖蓼(Polygonum amphibium Linn.)、睡莲

(Nymphaea albalinna Linn.)、菱(Trapa quadrispinosa Roxb.spp.)、荷花（Nelumbo nucifera Gaertn）等。沉水植物的种类主要有菹草

(Potamogeton crispus Linn.)、水车前(Ottelia alis moides Pers.)、苦草(Velumbo nucifera Gaertn)、聚草（Myriophyllum spiatum L.）等。

2 大型水生植物的净化机理

水生植物净化水体的特点是以大型水生植物为主体，植物和根区微生物共生，产生协同效应，净化污水，经过水生植物直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降等作用除去水体中的氮、磷和悬浮颗粒，并分解、吸收有机物，同时对重金属分子进行吸收富集等。氮、磷被吸收后用以合成植物自身的结构组成物质；对水生植物有毒害作用的某些重金属和有机物则是脱毒后储存于体内或在植物内被降解。具体机理如下： 2.1 吸附、过滤、沉淀作用

覆盖于湿地中的水生植物，使风速在近土壤或水体表面降低，有利于水体中悬浮物的沉积，降低沉积物质再悬浮的风险，增加水体与植物间的接触时

间，同时还可以增强底质的稳定和降低水体的浊度[2]。此外，在植物生长过程中，根系也会向生长介质中分泌出大量的有机物，这类分泌物中包含有大量的有机酸和氨基酸等，而且根系表皮细胞由于进行新陈代谢，死亡后在微生物的作用下分解为腐殖质(胡敏酸、富里酸和胡敏素)等。这些分泌物和腐殖质中有一系列功能团，如羟基(OH)、羧基(COOH)、酚羟基、烯醇羟基以及芳环结构等，它们对含各种基团的化合物均具有极强的吸附能力。如当水葫芦的根系接触到萘溶液时，溶液中的萘分子先经过液相的外扩散，随后通过附着在根系表面的液膜扩散，甚至通过孔扩散进入到根系表面所形成的空隙中，最后吸附在根系内外表面的基团上，当这些基团位置均被萘分子所占领后，由于萘为非极性化合物，则溶液中的萘分子由于受到根系表面已吸附萘分子的排斥，便不能吸附于根系表面，这就形成了水葫芦根系对萘的单分子层吸附[1]。这使得水生植物根

alliance20061111 发表于 >2006-11-8 8:49:27 [全文] [评论] [引用] [推荐] [档案] [推给好友] [收藏到网摘]

2006-11-8

大型水生植物对污染水体的净化作用和机理（三）

（接上）系与水体接触面积很大，形成一道密集的过滤层，当水流经过时，不溶性胶体会被根系粘附和吸附，水中的悬浮物则容易沉降下来，特别是将其中的有机碎屑沉降下来。因此，浮叶植物的存在可大大降低水体中有机碎屑的含量。与此同时，附着于根系的细菌菌体在进入内源生长阶段后会发生凝集，一部分也会为根系所吸附，一部分凝集的菌胶团则把悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下来[5]。 2.2 吸收作用

高等水生植物在生长过程中，需要吸收大量的N、P、CO2和有机物等营养物质，不仅它们的根部吸收沉积物中的营养盐，还可通过茎叶吸收水中的营养盐。这对调节水体的pH、溶氧乃至水温，稳定水质，都有重要意义。 2.2.1 对N、P的吸收

大型水生植物直接吸收和利用可利用态N、P，起到去N、去P 的作用。它们直接从水底中吸收N、P，并同化为自身的结构组成物质（蛋白质，核酸等）[2]，当水生植物被收割运移出水生生态系统时，大量的营养物质也随之从水体中输出，从而达到净化水体的作用[5]。 2.2.2 对重金属和有机物的吸收和富集

重金属和有机物污染是当今面积最广、危害最大的环境问题之一。对于此类污染物，水生植物生成了一套特殊的生理吸收机制。

水生植物的根系能分泌特殊的有机物从周围环境中交换吸附重金属。被吸附的重金属离子通过质外体或共质体途径进入根细胞，大部分金属离子通过专一或通用的离子载体或通道蛋白进入根细胞[6]。吸收在根系内的重金属主要分布在质外体或形成磷酸盐、碳酸盐沉淀，或与细胞壁结合[6]。对重金属的吸收，不同类型的大型水生植物的能力为：沉水植物>漂浮植物>挺水植物。利用水生高等植物所具有的富集能力，从废水中吸收重金属离子，不仅能够净

化水质，还能够对一些贵重金属进行回收利用。在M.E.Soltan[7]的研究中，凤眼莲每克干物质能吸收锰1485g左右，锌295g，铅185g左右。

对于有机物，植物对它的吸收有着不同的代谢机制,如酚类进入植物体后参与糖代谢,和糖结合生成酚糖苷,或被多酚氧化酶和过氧化物酶氧化而解除毒性[8]。

2.3 微生物的辅助作用

在污水处理系统中，微生物对各种污染物的降解起着很重要的作用，在氮的去除过程中，尽管有植物的吸收，但硝化和反硝化作用仍是主要的去除机制[9]。在大型水生植物系统中水生植物根际区域为微生物代谢提供了所需要的微环境。

大型水生植物通过植株枝条和根系的气体传输和释放作用，能将光合作用产生的氧气或大气中的氧气输送至根系，一部分供植物呼吸作用，一部分通过根系向根区释放，扩散到周围缺氧的环境中，在还原性的底泥中形成了氧化态的微环境，加强了根区微生物的生长和繁殖，促进了好氧生物对有机物的分解，并有助于硝化菌和反硝化菌的生长[10]，大量反硝化菌的存在，能利用丰富的氮源和碳源，进行强烈的反硝化反应，最终一部分氨氮以氮气的形式去除[11]。根区以外则适于厌氧微生物群落的生存，进行有机物的厌氧降解。因此，尽管微生物起着直接的作用，但植物的作用也是不可缺少的，植物的生理代谢活动直接关系到污染物的降解[8]。例如，种植凤眼莲后，水体中可以增加大量的异养细

alliance20061111 发表于 >2006-11-8 8:48:30 [全文] [评论] [引用] [推荐] [档案] [推给好友] [收藏到网摘]

2006-11-8

大型水生植物对污染水体的净化作用和机理（四））

（接上）菌，而异养细菌是主要的分解者之一，它的增加可以大大加速有机物的分解。又如，某些水生植物的根际微生物以芽孢杆菌为优势菌种，而芽孢杆菌具有很强的降解有机磷的能力，它们能将有机磷、不溶解磷降解为无机的、可溶的磷酸盐，从而使植物能直接吸收利用[11]。此外，水生植物的根系还可分泌能促进嗜磷、氮细菌生长的物质，进一步促进氮、磷的释放和转化，从而间接提高进化率[5]。

2.4 对有害藻类的抑制作用

大型水生植物中的漂浮植物如凤眼莲等对水域中藻类的繁衍生长及其结构的抑制和破坏作用[12]，是水质净化的生物学基础。

一方面，大型水生植物和浮游植物在营养物质和光能的利用上是竞争者，前者个体大，它的存在削弱了光线到达水体的强度，阻碍了植物覆盖下的水体中藻类的大量繁殖；又由于大型水生植物的生命周期比藻类长，吸收和储存营养盐的能力强，死亡时才会释放氮、磷等营养物质，因此，氮、磷在其体内的储存比藻类稳定[8]。例如在西湖小南湖区恢复生长聚草、茜草等水生植物后，水质明显变好，透明度大大提高，与主体湖相比，浮游植物密度和叶绿