尹 方，宋智博，秦伯語，蔣宇涵，丁 怡，張俊波

(1. 上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306；2. 上海海事大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)模擬研究中心，上海 201306；3. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；4. 國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

引 言

氮含量過高容易造成水體富營養(yǎng)化，水生維管束植物凈化作為處理水體氮污染的有效手段，具有運(yùn)行成本低、操作簡單、效果穩(wěn)定等特點(diǎn)，并能通過收割避免水體二次污染，制作出生物能源實(shí)現(xiàn)資源化利用，具有經(jīng)濟(jì)生態(tài)的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。一直以來，水生維管束植物被廣泛應(yīng)用于生態(tài)養(yǎng)殖水體、城市生活污水、景觀水體和湖泊河流的氮污染處理等[3-4]。水生維管束植物的脫氮機(jī)制是通過根莖吸收和營造微環(huán)境進(jìn)行，其種類多樣，但不同植物的生長特性和凈化水體水質(zhì)存在差異，進(jìn)而對脫氮效率產(chǎn)生影響亦不相同，目前大多數(shù)文獻(xiàn)著重研究水生維管束植物的脫氮效率和機(jī)理[5]，圍繞不同類型水生維管束植物處理不同水體氮污染的歸納尚鮮見報(bào)道。本文根據(jù)生態(tài)類型劃分水生維管束植物種類，闡述了不同種類水生維管束植物的生長及脫氮特性，重點(diǎn)對各類型水生維管束植物的脫氮效率進(jìn)行比較分析，歸納了不同水生維管束植物在不同水環(huán)境下的脫氮水平，并提出展望，以期為今后水生維管束植物脫氮應(yīng)用與研究提供科學(xué)參考。

1 水生維管束植物類型及脫氮特性

1.1 水生維管束植物類型及生長特性

水生維管束植物屬于大型高等水生植物，其按生態(tài)類型主要分為挺水植物、沉水植物、浮葉植物和漂浮植物，不僅種類多樣而且分布廣泛[6]。

挺水植物植株高大，具有豐富生物量，其根部生長于底泥之中，莖葉挺出水面，在空氣中的部分具有陸生植物的特征，水中部分具有水生植物的特征，因其根、莖和葉形成完整的通氣組織，保證了植物生長發(fā)育以及各種反應(yīng)的氧需求。典型的挺水植物有蘆葦、菖蒲、水蔥、水芹等。

沉水植物整體植株位于水氣界面以下，根系生長在底泥中或漂浮水中，可以同時(shí)吸收水與底泥中的營養(yǎng)鹽物質(zhì)，通過根系截濾及枝葉的吸附作用去除水中的氮污染[7]。但其對水體透明度有一定要求，水質(zhì)渾濁將抑制其光合作用。因此，沉水植物豐富時(shí)，水質(zhì)清澈、溶解氧高，藻類密度低、生物多樣性好[8]。典型的沉水植物有苦草、黒藻、狐尾藻等。

浮葉植物生長于淺水之中，無明顯地上莖或莖細(xì)弱不能直立，葉片多數(shù)漂浮于水面上，根狀莖發(fā)達(dá)，對水中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力強(qiáng)，與浮游生物和低等藻類的競爭具有較大優(yōu)勢，另外其形態(tài)優(yōu)美，觀賞性強(qiáng)，具有良好的景觀價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，應(yīng)用前景可觀[9]。典型的浮葉植物有睡蓮、荇菜等。

漂浮植物整個(gè)植株漂浮在水面上，沒有固定在底泥中的根系，其根系不發(fā)達(dá)但葉柄龐大，能充分與大氣進(jìn)行氣體交換，具有良好的光照優(yōu)勢，因此繁殖能力強(qiáng)、生長快，能在短時(shí)間內(nèi)大面積繁殖生長。典型的漂浮植物有鳳眼蓮、浮萍等，其中鳳眼蓮是研究最廣且去污效果好的漂浮植物[10]。

1.2 水生維管束植物脫氮機(jī)制

如圖1所示[1,11]，水生維管束植物脫氮行為是物理、化學(xué)和生物作用的共同結(jié)果，包括沉降、吸附、氨化、硝化、反硝化、本體吸收等途徑。水生維管束植物通過吸收轉(zhuǎn)化作用去除無機(jī)氮，將氨氮和硝態(tài)氮吸收轉(zhuǎn)化為植物自身生長需要的有機(jī)含氮物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、氨基酸等[13-14]。其可通過光合作用和蒸騰作用向水中泌氧，營造不同微環(huán)境，為附近微生物生長和污染物降解提供好氧和厭氧條件，進(jìn)一步影響微生物氨化、硝化、反硝化過程[15]。另外，水生維管束植物通過與水體進(jìn)行氣體交換，向水體供氧同時(shí)釋放不同分泌物促進(jìn)植物生長和脫氮，其中分泌物糖類和有機(jī)酸能夠作為有機(jī)碳源以增加微生物生物量和生物活性，且分泌物氨基酸等能將抗生素或其他含氮物質(zhì)降解為毒性較小甚至無害的小分子物質(zhì)[16-17]。需注意的是，分泌物并非完全有利，一些有害分泌物能夠刺激微生物而引起植物的反饋和調(diào)節(jié)[18]。同時(shí)，水生維管束植物可提供微生物附著的載體表面積，因此優(yōu)選生物親和性好的水生維管束植物，能有效增強(qiáng)其與微生物間的協(xié)同作用，從而促進(jìn)微生物生長而提高水體脫氮能力。另外，水生維管束植物能夠分泌抑藻物質(zhì)，與低等藻類競爭營養(yǎng)和光源，達(dá)到減緩水體富營養(yǎng)化狀況的效果[19]。

圖1 水生維管束植物修復(fù)氮污染機(jī)制

1.3 不同水生維管束植物的脫氮特性

一般來說，挺水植物對污染物凈化能力良好，是水生維管束植物中研究最多，氮處理系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)最成熟，凈化污水應(yīng)用最廣泛的，通常種植在池塘、湖泊或應(yīng)用于濕地處理生活污水和工業(yè)廢水[20]。其具有較大單位生物量，能夠吸收儲(chǔ)存含氮物質(zhì)，發(fā)達(dá)的根系亦能夠固定底泥避免污染物二次釋放[20]。并且，挺水植物根系泌氧能力強(qiáng)，有利于附近微生物進(jìn)行硝化反硝化反應(yīng)，同時(shí)分泌的大量有機(jī)酸能夠促進(jìn)污染物降解，最終提高水體自凈能力[21]。

沉水植物對水體具有良好脫氮效果，但水體營養(yǎng)鹽濃度高造成水體透明度下降和藻類水華等現(xiàn)象時(shí)，沉水植物會(huì)大面積消亡，因其對水體氮含量變化較為敏感，常被用作水質(zhì)良莠的指示物[22]。同時(shí)，沉水植物通過抑制底泥懸浮提高水體透明度，為其它水生生物提供棲居地和避難所，維持種群數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，其根莖葉可作為微生物的載體，增加微生物數(shù)量，且莖葉部分能夠釋放化感物質(zhì)抑制藻類生長，有效減緩水體富營養(yǎng)化[23]。

浮葉植物具有豐富的換氣組織，有利于水體溶解氧水平的調(diào)整，其葉片浮生于水面之上，可遮蔽光照降低水溫，有利于減緩水體富營養(yǎng)化，同時(shí)吸收水體中氮素。其與浮游生物和低等藻類在營養(yǎng)物質(zhì)和光照的競爭中具有優(yōu)勢，且葉片能為其他生物提供居住場所，有效提高物種多樣性以增強(qiáng)脫氮能力[23]。

漂浮植物吸收營養(yǎng)元素能力強(qiáng)，莖葉發(fā)達(dá)，能夠覆蓋水面形成不同的氧環(huán)境高效吸收氮素物質(zhì)，且通過根系吸附攔截藻類，光照競爭優(yōu)勢明顯，一般用來抑制藻類生長從而凈化水質(zhì)[24]。

2 不同類型水生維管束植物脫氮效率的比較分析

水生維管束植物的類型與水體脫氮有著重要聯(lián)系，不同水生維管束植物的生長特性、適應(yīng)環(huán)境能力、水質(zhì)差異、生長期及季節(jié)影響，均會(huì)對其水體脫氮效率產(chǎn)生不同影響。

2.1 單一水生維管束植物的脫氮效率

表1對單一水生維管束植物處理不同水體氮污染效率進(jìn)行了具體歸納。

表1 單一水生維管束植物處理不同水體氮污染效率

續(xù)表1

水體氮污染去除主要是通過植物吸收和微生物硝化反硝化作用，植物吸收氮源的效率為25.0% ～ 72.2%[4,35]，通過硝化反硝化可以降解氮源25.1% ～ 80.5%[32,36]。由表1可見，水生維管束植物已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種水質(zhì)凈化處理，且對水體氮污染凈化效果顯著，其脫氮水平范圍25.7% ～ 96.4%。挺水植物中蘆葦應(yīng)用最廣泛且去除效果良好，是人工濕地重要的組成部分。例如，對于種植蘆葦?shù)暮恿魉w，其氨氮變化區(qū)間為0.04 ～ 8.43 mg/L，總氮的變化區(qū)間為0.03 ～ 16.69 mg/L[37]，可見蘆葦對不同濃度氮污染水體的適應(yīng)能力強(qiáng)，耐污效果好。沉水植物中狐尾藻對總氮的去除率可以高達(dá)96.4%，因其去除效果好且易于打撈，沉水植物常被應(yīng)用于湖泊治理。高濃度氮污染的水體易引發(fā)藻類水華和水體透明度下降等問題，沉水植物易受低透明度水體限制，因此多分布于Ⅰ、Ⅱ類水質(zhì)(GB3838-2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn))的湖泊與河流中，經(jīng)調(diào)查，長江下游輕度富營養(yǎng)化水體中，以沉水植物金魚藻、黑藻、狐尾藻等為優(yōu)勢種群[38]。Brix[39]考察了挺水植物和沉水植物對氮的吸收能力，發(fā)現(xiàn)挺水植物對氮的吸收能力為2000 ～ 2500 kg/(hm2·a)，沉水植物對氮的吸收能力大約為700 kg/(hm2·a)，挺水植物吸收能力更大得益于其豐富的生物量和復(fù)雜的根系。

浮葉植物能夠使上覆水體的氮含量降低，有效克制藻類的生長。浮葉植物中睡蓮對富營養(yǎng)化水體的凈化效果明顯，去除率可以達(dá)到78.0%，因其形態(tài)優(yōu)美常被用于景觀水體治理。漂浮植物生長快能高效吸收營養(yǎng)物質(zhì)，易通過打撈降低水體氮素污染。但漂浮植物繁殖快，易占領(lǐng)水域而影響溶解氧含量及水體透明度，不利于水體生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成水體惡化等負(fù)面影響，應(yīng)用時(shí)須密切注意對漂浮植物的繁殖管理和監(jiān)控。

水生維管束植物處理不同水污染會(huì)呈現(xiàn)出差異性，例如蘆葦處理農(nóng)業(yè)污染總氮去除率能夠達(dá)到95.4%[40]，去除市政污水去除率為58.6%[26]。水質(zhì)環(huán)境對水生維管束植物脫氮影響較大，水溫、pH、水深、溶解氧、污染物濃度等均會(huì)影響植物生長繁殖和污染物去除效率，其中溫度和pH通過影響生物酶活性干擾水生維管束植物光合、呼吸作用以及其他代謝過程，使得不同植物適應(yīng)的水質(zhì)條件存在差異。水生維管束植物生長對營養(yǎng)鹽需求不一，發(fā)育受不同水質(zhì)影響，造成其對污水的耐受范圍不同，對污染物的去除效率存在差異性。相比蘆葦，香蒲更具耐寒性，更適于冬季修復(fù)氮污染。而漂浮植物對營養(yǎng)鹽需求大，更適宜氮濃度高的水體。偏堿性水環(huán)境中，沉水植物苦草和狐尾藻生長旺盛，容易發(fā)展為優(yōu)勢種群[12]。Smith[41]研究了氮磷比小于7的44個(gè)湖泊，發(fā)現(xiàn)總氮濃度為0.5 ～ 2 mg/L時(shí)，沉水植物缺乏氮源生長困難，總氮濃度為2 ～ 16 mg/L時(shí)，可促進(jìn)沉水植物生長，提高植物生物量，增強(qiáng)對氮污染的去除。水生維管束植物對污染物濃度有一定的承受范圍，在該范圍內(nèi)，營養(yǎng)鹽濃度升高有利于對氮的去除，但營養(yǎng)過剩時(shí)，則會(huì)抑制水生維管束植物的生長，甚至破壞生態(tài)系統(tǒng)，降低對污染物的去除率。

2.2 不同生長期、季節(jié)對水生維管束植物的脫氮影響

研究發(fā)現(xiàn)，不同生長期、季節(jié)的水生維管束植物對氮去除效果不同，主要?dú)w因于植物本身的組織結(jié)構(gòu)和生理功能差異，不同生長期與季節(jié)中，植物生長速率和營養(yǎng)代謝不同，導(dǎo)致對氮元素吸收能力不同，尤其植物氮吸收主要取決于植物生物量和植物氮質(zhì)量濃度，然而短時(shí)間內(nèi)植物氮質(zhì)量濃度變化較小，因此植物生物量?？勺鳛橹参飳Φ漳芰Φ脑u(píng)判，生物量增加越多，氮吸收越多[42]。一般情況下，漂浮植物和沉水植物生物量小，生長發(fā)育變化較快，挺水植物則相對變化慢，因此，短時(shí)期內(nèi)漂浮植物和沉水植物單位生物量對污染物的去除率變化更為顯著。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，漂浮植物滿江紅和沉水植物金魚藻經(jīng)過一個(gè)月凈化時(shí)間，相比挺水植物對氮的去除率變化最為顯著，滿江紅去除率提升34.7%，金魚藻去除率提升11.2%，而挺水植物茭白去除率僅提升2.7%[43]。另有研究表明，不同生長期植物氮去除率變化可能由于植物體發(fā)育階段不同，附著于植物體的微型生物群落也產(chǎn)生了變化，而微型生物群落的變化會(huì)直接影響植物對氮的凈化效果。如鳳眼蓮在生長初期根系不發(fā)達(dá)，根系附近生物反應(yīng)相對較弱，此時(shí)主要依靠鳳眼蓮自身吸收去除污染物，生長中后期形成發(fā)達(dá)根系，增強(qiáng)植物根系調(diào)節(jié)的生物脫氮途徑和根際效應(yīng)，如微生物硝化反硝化等反應(yīng)促進(jìn)脫氮效果[44]。漂浮植物鳳眼蓮與大薸共同處理河流污水對總氮呈現(xiàn)出不同的去除效果，鳳眼蓮對總氮的去除率達(dá)到87%，而大薸的去除效果為77%，原因是鳳眼蓮的根系較為發(fā)達(dá)，比表面積大，能夠?yàn)槲⑸锷L和生物膜形成提供較大表面積，且鳳眼蓮顯著的氧轉(zhuǎn)移速率能夠有效提升微生物的硝化作用[4]。

不同季節(jié)中，如冬夏兩季，因冬季溫度較低，且植物進(jìn)入成熟穩(wěn)定期，植物體內(nèi)以及水環(huán)境中微生物和酶的活性下降，將導(dǎo)致污染物去除效率的降低，水生維管束植物的污染物去除率大多呈現(xiàn)夏季大于冬季的規(guī)律，冬季總氮去除率相比夏季會(huì)降低12% ～ 27%[45]。低溫時(shí)期微生物反硝化作用僅為總氮去除率的10%，而高溫時(shí)期為39%，反硝化作用受限導(dǎo)致總氮去除效果變差[13]。夏季氨氮還原率高于其他三個(gè)季節(jié)，尤其比春季和冬季高40%以上，氨氮去除率最大的月份通常在溫度較高的八月[46]。

2.3 組合水生維管束植物的脫氮效率

單一水生維管束植物在應(yīng)用過程中容易受到環(huán)境和植物本身的影響，然而綜合不同水生維管束植物優(yōu)勢特點(diǎn)的組合系統(tǒng)，能夠更加有效地促進(jìn)污水脫氮效果。多種水生維管束植物進(jìn)行搭配組合可有效保證植物的生長繁殖以及微生物的數(shù)量和活性，增強(qiáng)生物多樣性與系統(tǒng)穩(wěn)定性，提升植物的抗病蟲毒害能力和適應(yīng)能力，從而提高脫氮效率，實(shí)現(xiàn)不同水生維管束植物間的優(yōu)勢互補(bǔ)作用[43]。應(yīng)注意的是，不同水生維管束植物適應(yīng)的環(huán)境條件不一，去除氮素的能力存在差異，通過對水生維管束植物進(jìn)行功能性選擇和季節(jié)性配置，才能夠達(dá)到四季常綠和氮凈化效率高的效果。因此，組合配置時(shí)應(yīng)充分考慮各水生維管束植物的生長特點(diǎn)、環(huán)境的適宜性以及其持續(xù)氮凈化效率等[47]。表2對不同水生維管束植物組合凈化水體氮污染效率研究進(jìn)行了具體歸納。

表2 不同水生維管束植物組合處理不同水體氮污染效率

研究表明，組合水生維管束植物的脫氮效果明顯優(yōu)于單一水生維管束植物的脫氮效果。如劉敏[54]對風(fēng)車草(A)、狐尾藻(B)和黑藻(C)三種水生維管束植物及其不同組合展開研究，脫氮效率為ABC>AB/AC/BC>A/B/C，表明三種植物的組合脫氮效果優(yōu)于兩種植物的組合，兩種植物的組合優(yōu)于單一植物，可見組合配置能夠有效提高污水氮凈化效果。冷、暖型水生維管束植物的配置能夠有效應(yīng)對季節(jié)和氣候改變對脫氮效率的影響。在對冷季型植物水芹與暖季型植物黑藻組合配置的研究中發(fā)現(xiàn)，黑藻在秋冬季節(jié)衰亡分解釋放有機(jī)物可作為外加碳源，促進(jìn)各生化反應(yīng)進(jìn)行，與單獨(dú)種植水芹組相比，組合配置組的總氮去除率提升了23.0%[55]?？梢姴煌参飳Φ廴镜娜コЧ煌?，一般情況下，組織中能儲(chǔ)存大量氮的植物是脫氮的最佳選擇，且由不同季節(jié)生長模式的多種植物組合配置的植物群落能夠進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，將在很長一段時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)脫氮水平，提高水質(zhì)凈化效果。

3 結(jié)論與展望

水生維管束植物作為一種生態(tài)修復(fù)方法被廣泛應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體治理，具有生長快、生物量大，富集污染物容量大的特點(diǎn)，且具有較強(qiáng)的抗逆能力、耐污能力，同時(shí)能為城市水體提供景觀價(jià)值?？傮w上說，挺水植物和沉水植物的脫氮效率均較為顯著，且組合植物系統(tǒng)的脫氮效率高于單一植物系統(tǒng)，但脫氮效率仍受自然環(huán)境、生長特性、污染狀況、種植條件等多因素影響，應(yīng)用時(shí)須根據(jù)水生維管束植物生態(tài)功能性、適宜性與持續(xù)性綜合考量。植物修復(fù)技術(shù)凈化水質(zhì)的前提是選擇適宜且高效的植物，目前，對于水生維管束植物凈水機(jī)理和處理效果的研究較多，但是對于不同氮污染水體的水生維管束植物組合優(yōu)化配置研究仍然較少。因此，建議進(jìn)一步闡明不同水體中最優(yōu)化水生維管束植物組合搭配機(jī)制，并探索水生維管束植物科學(xué)種植和資源化管護(hù)措施，以期為今后水生維管束植物脫氮應(yīng)用提供科學(xué)參考。