1、1植物修复在污水治理中的研究与应用探析陈 佼（西南交通大学，地球科学与环境工程学院，四川成都，610031）内容摘要：结合植物修复的机理，综述了植物修复技术在富营养化水体、重金属污染水体和有机物污染水体中的研究与应用现状，分析了其中存在的问题，并对植物修复技术的发展方向进行了展望。关键词：植物修复；机理；富营养化；重金属；有机污染Research and Application on the Phytoremediation Technique of Wasted Water Control CHEN Jiao（Faculty of Geosciences and Environmental
2、Engineering, Southwest Jiaotong University,Chengdu,Sichuan,610031）Abstract: According to the mechanism of phytoremediation, this paper summarizes the current status of research and application of the phytoremediation technique on eutrophication water, heavy metal polluted water and organic polluted
3、water, analyzes its existing problems, and forecasts.the development trend of phytoremediation technique.Key words: phytoremediation; mechanism; eutrophication; heavy metal; organic pollution21 概述随着我国经济的快速发展以及人口的不断增长，用水量急剧增加，污水排放量也相应增加，目前有50%的河道和80%以上的湖泊受到污染，许多湖泊已达不到地表水类水质标准，严重制约了我国经济的可持续发展，影响了人民的身体
4、健康，受污染水体的综合治理和修复已刻不容缓 1。植物修复技术(Phytoremediation)是20世纪90年代得到迅速发展的一项污染治理工程技术，它主要以植物能够忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，通过植物及其共存微生物体系来减少有毒有害物的浓度或使其无害化，从而使污染了的环境能够部分或完全地恢复到原初状态 2。植物修复技术作为生物修复的一个重要组成部分，与传统的物理化学修复技术相比，在污水处理中具有费用省、环境影响小、能最大限度降低污染物浓度等优点，并具有一定的生态景观效应，是一种很有潜力、正在发展的清除水环境污染的绿色技术，成为当前国内外研究的焦点和热点 3。2 植物修复的机
5、理植物修复技术是利用植物的吸收和代谢功能将环境介质中的有毒有害污染物进行分解、富集和稳定的过程。由于污染物的理化特性和环境行为不同，加之植物新陈代谢各异，污染物植物修复的作用机理也不尽相同，主要包括吸收作用、微生物作用、吸附沉降作用和克藻作用等。需要指出的是植物对有机污染物的作用机理往往不是表现为单一的方式，而是两种或两种以上同时综合作用的结果，这在一定程度上增加了植物修复技术的复杂性 4。2.1 吸收作用大型水生植物在其生长过程中，具有过量吸收 N、P 等营养元素的能力。研究表明，水生植物的 N 和 P 含量都达到或超过生长所需最低的 N 和 P 阈值，代表性浮叶植物和沉水植物的 N、P 含
6、量随着湖泊营养水平提高呈现规律性变化。与藻类相比，氮、磷在水生植物体内储存更加稳定，因为其生命周期更长。当水生植物被转移出水生生态系统时，被吸收的营养物质也随之移出了水体，从而达到净化的目的。32.2 微生物作用由于植物群落的存在，为微生物和微型动物提供了附着的基质、栖息的场所。污水中的含氮有机物分解所产生的氨态氮，一部分是通过植物吸收和挥发作用而去除，大部分则是通过硝化作用和反硝化作用的连续反应而去除的。同时，植物的根区提供了一个有氧环境，从而有利于微生物的降解，且根区外的厌氧环境则有利于厌氧微生物的代谢。2.3 吸附、截留、沉降作用漂浮植物发达的根系与水体接触面积很大，能形成一道密集的过滤
7、层，当水流通过时，不溶性胶体会被根系吸附或截留。同时，附着于根系上的细菌在其进入内源呼吸期后会发生凝聚，部分菌胶团把悬浮性有机物和新陈代谢产物沉降下来。沉水植物不但能抑制生物性悬浮物，而且也能抑制非生物性悬浮物。2.4 克藻作用水生植物和浮游藻类同属于初级生产者，水生植物个体大，生命周期长，直接干扰藻类的生长，因而具有较大的竞争优势。一方面水生植物通过光和营养物质的竞争，抑制藻类的生长；另一方面通过化感作用抑制藻类生长。某些水生植物根系能分泌出克藻物质，达到抑制藻类生长的作用，如菇类化合物、类固醇等。3 植物修复在污染水体中的应用水环境中的污染大致可分为三类: （1）无机营养元素如氮、磷等；（
8、2）重金属的污染；（3）有机污染物如农药、多环芳烃PAHs等。污染水体的植物修复以其独特的优势，对这几类污染物都有良好的去除能力，成为生物修复机理研究的新兴领域，并不断应用于实践当中。3.1 对富营养化水体的修复水生植物对富营养化水体具有良好的修复效果,它对水体中的氮、磷可起到吸附、沉淀、吸收代谢和富集浓缩等各种作用。利用经济植物净化富营养化水体,不仅改善了富营养化水体水质，获得环境效益，还有利于经济作物的生长，从而获得客观的经济效益。Reddy5等借鉴废水处理中的A/O、A 2/O工艺原理，构建成水体中水花生(Alternanthear philoxeroides) 、菱(Trapa spp
9、.) 、水鳖(Trionyxsteindechneri) 、凤眼莲(Eichhornia crassipes)的植物群落，通过植物根系附近的微生物代谢作用，4消耗水体中的溶解氧，使之呈现厌氧状态，而这种厌氧状态有利于反硝化过程，从而能最大限度地除去水体中的NO 3-。宋祥甫 6、矿远文 7等进行的浮床水稻试验表明,水稻在富营养化水体表面生长发育良好,同时对水体中氮、磷营养物质有十分显著的去除效果。刘淑媛等 8进行人工基质无土栽培经济植物净化富营养化水体试验,结果显示：多花黑麦草(Lolium perennel) 、水蕹菜(Ipomoea aquatica Forsskal)对氮和磷的去除率分别
10、达到80%和90%以上,水芹(Oenanthe stolonifera Roxb.wall)对氮、磷的去除率可达到75%以上。中国科学院水生生物研究所在湖北黄石完成的污水净化和污水资源化双重功能的新型稳定塘设计实验也证明，水生植物修复具有明显去除N、P的效果 9。表1为富营养化水体植物修复的部分植物种类及综合功效分析。表 1 富营养化水体植物修复的部分植物种类及综合功效 10 Tab.1 Several plant species and comprehensive effects in phytoremediation of eutrophic water body植物名称 去氮性 去磷性
11、适应性 净化能力凤眼莲 75 75 70 75满江红 6575 6575 70 6575水花生 75 65 70 6575慈姑 75 6575 80 75芦苇 6575 80 75菱角 65 65 80 75睡藕 65 65 80 75金鱼藻 6575 65 80 6575美人蕉 75 6575 80 75伊乐藻 75 75 80 753.2 对重金属污染水体的修复对重金属污染水体的修复与有机物的不同，有机物污染可由生物降解而清除，重金属污染的修复只能从一种形态转化为另一种形态，或通过扩散迁移等作用，使污染物浓度逐步降低。Burken 11通过研究观察到,将印第安芥(B.juncea)根部浸入
12、6mg/L的Cu溶液中24h后，根部的Cu回收率可达到97.15%。Peterson 12利用Swichgrass进行环境水体重金属污染的修复时最多可吸收Cu3.36g/kg。水生植物对重金属的忍受和累积能力因植物种类的不同而有所差异。一般而言,挺水植物漂浮和浮叶植物沉水植物，根系发达的水生植物大于根系不发达的水生植物 13。重金属在水生植物体内的分配情况,一般以根部最高,其次是茎、叶和果实。以凤眼莲为例,其根部的含As量为叶部的3.4倍,Cr为22.0倍、Cu为3.7倍,Pb为3.3倍,Zn为2.5倍,Mo为2.2倍 14。此外，由于沉水植物和浮水植物能够吸5收很多重金属，因此适合在低污染区
13、域作为吸收重金属的载体，同时可以监测水体重金属含量 15。木本植物常常用作人工湿地污水处理系统中的功能构件，有处理量大、修复效果好、受气候影响小、不易产生二次污染等优点。由于木本植物生物量大，修复效果好于草本植物。如对富集Pb和Cd的芦苇和池杉进行对比研究证明，池杉富集Pb和Cd能力优于芦苇，由于其深根系加之立地高，该技术能阻断毒物进入家畜食物链，避免二次污染 16。陆生植物具有发达的根系，将幼小的陆生植物种苗用于水体中重金属的去除会更加有效。渠荣遴等人利用玉米、向日葵、蓖麻三种作物种苗去除水中重金属，生物质量较大的茎叶吸收与储存了大量重金属 17。作为对超量积累植物的代替，种苗过滤法表现出新
14、一代植物修复水处理技术良好的应用前景。部分植物对重金属的累积情况如表2所示。表2 部分植物对重金属的累积情况 18Tab.2 The accumulation of heavy metal in some plants植物名称 累积情况燕麦草 可耐受高浓度的Cu、Cd和Zn，并可将这3种金属积累积在茎部凤眼莲 可除去水中污染物，包括有毒重金属。对不同元素，其累积部位不同。对Cd、Cr、Cu、Ni、As主要在根部，而Se在茎的累积量比在根部高得多浮萍 每日吸收Pb和Cd的速率分别达到3-8mg/和2-4 mg/，且植株生长快、容易收获鹦鹉毛 在污染水体中，根部对Cd和Ni的富集率达1426mg/
15、kg(干重)和1077mg/kg(干重)细叶茨藻 Cd的吸收在Pb的质量浓度达到100mg/L时有很大降低，与Pb低浓度下相比降低50左右水浮莲 在污染水体中，对Cu和Hg的富集率分别达1038mg/kg(干重)和1217mg/kg(干重)杠板归 很有潜力的重金属污染水体修复植物，其植株生长速度快、密度高，对Cr和Pb的富集率分别达2980mg/kg(干重)和1882mg/kg(干重)遏蓝菜 自然生长的植株对Zn的富集率达2180-13520mg/kg(干重)，还有积累Cd和Ni的能力香蒲 对Se、B及某些有机物均有去除作用，对Cu、Ni和Zn的富集率分别可达1156.7mg/kg、296.7
16、 mg/kg和l231.7mg/kg63.3 对含有机污染物水体的修复 应用植物的生物吸收及根区吸附机理(植物-微生物的联合作用)从污染环境中去除污染物或将污染物予以固定，从而达到修复水体的目的。水生植物能够吸收水体中的一些酚类和氰类污染物且吸收后并不都聚集在植物体内，而是通过酶系的作用和生化作用进行转化和分解，使其失去毒性，而根系吸附的那部分酚和氰，由于根际微生物的作用而逐步的分解转化。3.3.1 对残余农药的植物修复虽然许多国家已经停止使用有机农药，但其对水环境的影响依然存在，仍可以检测到农药的残留，对人类生存环境存在潜在的危害。典型的杀虫剂 DDT 及其代谢物都是持久性污染物，在无菌条件
17、下，水生植物鹦鹉毛、浮萍、伊乐藻，6d内可以富集全部水环境中的 DDT，并能将 1-13的 DDT 降解为 DDD 和 DDE19。 3.3.2 对多环芳烃的植物修复多多环芳烃是指两个以上苯环以稠环形式相连的化合物，是一类广泛存在于环境中具有致癌、致畸、致突变性的持久性有机污染物。Denys 20等在法国北部的前炼焦厂污染土壤上种植多种不同类型植物，36 个月后多环芳烃质量浓度最多减少了 26，证明混合种植的草本植物最适于进行植物修复。植物修复多环芳烃是一种可行的、低价的原位修复技术。3.3.3 对硝基芳香化合物的植物修复硝基苯为无色或淡黄色油状液体，具有苦杏仁味，蒸汽及液体本身有毒，具有致突
18、变、致癌性。水环境中的硝基芳香化合物污染主要来自于炸药工业。根据报道：在美国国防部确定的 1000 多个炸药污染区域中，有 95以上为 TNT 污染，且 87超过允许的地下水污染标准 21。TNT 的植物修复却是一项耗能很低或不需要耗能，绿色安全，对人类和水环境无副作用，不会造成二次污染的最好治理方法。4 植物修复技术存在的问题4.1 污染物浓度的影响水体中污染物浓度过高或过低都会影响植物修复的效果。污染物浓度过高超过植物的耐毒性，将导致植物死亡；过低，则限制植物对污染物的吸收。因此，7植物对污染物的去除可能产生残留浓度，该残留浓度若超过环境标准，就需要考虑其他方法进行修复 22。4.2 二次
19、污染问题通过植物固定作用吸收的污染物质停留在植物体内，并不能从根本上解决污染问题，且植物能将一些在体内无法降解或只能部分降解的物质，以及水溶性极强的有机物在体内转化成气态物质释放到大气中。避免水体中污染物通过不完全降解和蒸腾作用扩散到大气中引起大气污染。如何合理确定和控制植物蒸腾量，防止富集在植物中的污染物再次回到环境和食物链又是一个技术难点。4.3 无法修复憎水有机污染物植物修复通常对中度憎水的有机污染物有明显的修复效果，但对大多数憎水有机污染物(1ogKOW4.0)的治理几乎没有任何效果。这是由于憎水有机污染物与植物表面紧密结合，而无法被植物有效吸收，从而使这些污染物能够持久性地存在于水体
20、中，而持久性有机污染物极低的生物可利用性又制约了对这类物质进行植物修复。4.4 清除污染物所需时间长植物修复是个自然过程，通常需要超过十年的时间才能完全达到修复的目的 23。在此期间，许多内在或外在的环境因素的改变都可能对其产生消极影响，因此如何改进植物修复对环境的适应能力又是个新的研究方向。5 结论与展望水体污染的植物修复技术作为一项绿色污染治理技术经过多年的研究，已经取得很大进展，为修复受污染水体做出了重大贡献。但是该技术仍有许多不完善的地方，需要与土壤学、生态学、植物学、植物生理学、分子生物学和环境科学等多门学科作进一步的交叉研究。为提高植物修复污染水体的技术，拓宽植物修复的应用前景，建
21、议加强以下几个方面的研究和应用：(1)加强超积累植物的栽培和筛选：寻找更多指示污染物有效性的野生或栽培植物，采用转基因工程技术改造植物，以获得具有强大富集能力的理想超积累植物；(2)加强植物对有机污染修复方面的研究：目前大量的植物修复技术集中在重金属污染上，而针对有机物的植物修复研究相对较少；8(3)加强多种修复技术联合应用的研究：在强化机理研究的同时，植物修复应与物理修复、化学修复、微生物修复等其他修复技术相结合；(4)加强修复后植物的资源化再利用研究：适时收获和处理修复植物，使水体保持一个较为稳定生态环境，同时获得环境效益和经济效益的双丰收。参考文献1万金保,侯得印.利用生物-生态修复技术
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