吳穎琳, 楊愿愿, 熊倩,* , 王犇, 劉芳, 應(yīng)光國(guó)

1. 華南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,廣州 510006

2. 華南師范大學(xué)廣東省化學(xué)品污染與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,環(huán)境理論化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006

3. 華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣州510623

水是地球上所有生物賴以生存的基礎(chǔ)。 隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,人口數(shù)量的迅速增長(zhǎng),工業(yè)化與城市化步伐的加速前進(jìn),人類(lèi)對(duì)水資源的使用量急劇增加,污水排放量也相應(yīng)增加,使得水體污染和水資源短缺等問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]。 水體污染的來(lái)源主要有工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水三大類(lèi),各類(lèi)污染物進(jìn)入水體后隨食物鏈(網(wǎng))傳遞,對(duì)生態(tài)環(huán)境健康造成危害,并最終制約人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展。 傳統(tǒng)的污水治理方法以微生物法、物理法和化學(xué)法為主,這些方法雖已較為成熟但仍存在成本較高、或不完全去除而易造成二次污染等缺點(diǎn)。 近年來(lái),研究者們致力于探尋能實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與自然和諧統(tǒng)一的污水治理方法,植物修復(fù)技術(shù)因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)得到了廣泛關(guān)注。 植物修復(fù)技術(shù)是指利用植物及其相關(guān)微生物特有的生理生化反應(yīng)過(guò)程,如光合作用、揮發(fā)轉(zhuǎn)化作用、穩(wěn)定生態(tài)作用和植物根系微生物的生物降解轉(zhuǎn)化作用等,對(duì)大氣、土壤和水體中污染物進(jìn)行有效去除的技術(shù)手段[2-3]。植物修復(fù)技術(shù)因具有成本低廉、環(huán)境友好等特性而廣泛應(yīng)用于水體中各類(lèi)污染物的去除[4]。 已有研究表明,植物修復(fù)技術(shù)在去除或降解如氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬和有機(jī)污染物等多種有毒有害污染物上都表現(xiàn)出了較強(qiáng)的應(yīng)用潛力[2,5]。

浮萍是一種水生漂浮植物,其因具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和較好的污水修復(fù)能力而吸引了大量研究者的關(guān)注。 浮萍屬于被子植物門(mén),單子葉植物綱,屬于天南星科浮萍亞科(Lemnoideae),包含5個(gè)屬,分別為紫萍屬(Spirodela)、少根紫萍屬(Landoltia)、青萍屬(Lemna)、扁無(wú)根萍屬(Wolffiella)和蕪萍屬(Wolffia),共有36個(gè)種;其中,蕪萍屬是世界上最小的開(kāi)花植物[6-7]。 與大型水生植物(如水葫蘆、水花生等)相比,浮萍個(gè)體微小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由葉狀體和假根(紫萍屬、少根紫萍屬和青萍屬)或僅由葉狀體組成(扁無(wú)根萍屬和蕪萍屬);易于培養(yǎng),無(wú)性繁殖生長(zhǎng)速度快;因其形狀體積小且漂浮于水面,易于收獲。 浮萍營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,低纖維,富含淀粉、蛋白質(zhì)、葉黃素和賴氨酸等,是良好的食品、飼料和生物質(zhì)基質(zhì)來(lái)源。 此外,浮萍廣泛分布于世界各類(lèi)淡水生境中,對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),是生態(tài)毒理研究和污染水體修復(fù)研究中的常用模式生物[8]。 本文針對(duì)浮萍在污染水體修復(fù)領(lǐng)域中的研究進(jìn)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,分別闡述了浮萍對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬和有機(jī)污染物的吸收積累研究概況,為浮萍在污染水體修復(fù)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 浮萍對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽吸收的研究(Uptake of nitrogen and phosphorus by duckweed)

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,大量含氮、磷元素的廢水未經(jīng)處理就直接進(jìn)入各類(lèi)水體,導(dǎo)致水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素含量不斷增加,使得藻類(lèi)及其他浮游生物大量繁殖,進(jìn)而造成水體富營(yíng)養(yǎng)化,對(duì)人類(lèi)健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。 針對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的治理,目前常用的脫氮除磷方法有厭氧-缺氧-好氧法、氧化溝工藝和序批式活性污泥法等;這些方法主要是利用微生物的代謝去除水中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽,其應(yīng)用范圍均受到一定的限制,且運(yùn)行成本較高[9]。 而浮萍不僅對(duì)廢水中的氮磷具有較高的耐受性,而且能夠有效吸收水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素,并將其轉(zhuǎn)化為自身的生物量積累[10]。 此外,浮萍因具有生長(zhǎng)繁殖速度快、生物量高、光合效率高和易于收獲等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種水生生態(tài)系統(tǒng)的污染修復(fù)中[11]。與傳統(tǒng)的脫氮除磷方法相比,利用浮萍去除水中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽具有綠色環(huán)保,不易造成二次污染,且處理過(guò)程所需能耗低、成本低等特點(diǎn)。 大量研究表明,浮萍能有效去除廢水中的氮磷,改善水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況,約0.3 ~1.0 g·L-1的浮萍就可以去除城市污水中 20 ~50 mg·L-1的總?cè)芙鉄o(wú)機(jī)氮[10]。 常規(guī)污水處理中,污水中生化需氧量和磷酸鹽含量經(jīng)過(guò)一次和二次處理過(guò)程均僅能降低約50%,而Priya 等[12]利用青萍(Lemna minor)對(duì)印度一學(xué)生宿舍產(chǎn)生的生活污水進(jìn)行處理,結(jié)果顯示,生活污水經(jīng)浮萍處理后生化需氧量和正磷酸鹽水平分別能夠降低94.45%和79.39%。 李琪等[13]利用少根紫萍(Landoltia punctata)處理微污染地表水體,經(jīng)處理的Ⅴ類(lèi)、劣Ⅴ類(lèi)水體中氨氮和總磷含量在3 d 內(nèi)能夠達(dá)到地表Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),且對(duì)氮、磷去除率均達(dá)到98.5%和82.9%以上。 用于污水處理的浮萍不僅能夠高效富集氮磷,改善水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況,還能快速繁殖并累積淀粉;因此,需要加強(qiáng)其管理,及時(shí)打撈浮萍,并將其資源化利用,以防打撈不及時(shí)或處理不當(dāng)造成水體二次污染。

研究者通過(guò)對(duì)浮萍吸收廢水中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的大量研究發(fā)現(xiàn),多種浮萍具有去除水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的能力,且不同種類(lèi)浮萍對(duì)氮磷的吸收能力存在一定的差異。 謝朦等[14]在實(shí)驗(yàn)室條件下探究了紫萍(S.polyrhiza)、稀脈浮萍(L.aequinoctialis)和少根紫萍(L.punctata)這3 種浮萍對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)效果,結(jié)果顯示,上述3 種浮萍對(duì)總氮的去除率分別為80.3%、73.7%和83.8%,對(duì)總磷的去除率分別為98.8%、96.4% 和 99.3%。 Yilmaz 和 Akbulut[15]研究發(fā)現(xiàn),青萍(L.minor)對(duì)普通廢水的凈化能力比卵葉青萍(L.gibba)強(qiáng),且L.minor對(duì)養(yǎng)豬廢水的凈化能力比L.punctata和S.polyrhiza強(qiáng)。 此外,水體中氮磷的濃度和存在形態(tài)都會(huì)影響浮萍對(duì)其吸收效果。顧新嬌等[16]探究了L.minor對(duì)不同濃度豬場(chǎng)養(yǎng)殖廢水中氮的去除能力,結(jié)果顯示,當(dāng)廢水濃度按體積分?jǐn)?shù)用自來(lái)水稀釋至1%時(shí)L.minor對(duì)氨氮的去除率高達(dá)97.48%,然而當(dāng)廢水濃度按體積分?jǐn)?shù)用自來(lái)水稀釋至5%和10%時(shí)L.minor對(duì)氨氮的去除率僅為70%左右。 通常,廢水中的氮主要以銨態(tài)氮N)和硝態(tài)氮的形式存在;其中是植物中最重要的氮源,但當(dāng)水體中濃度過(guò)高時(shí),會(huì)降低植物的光合效率,從而減緩其生長(zhǎng)速率。有研究表明,浮萍對(duì)廢水中不同形式氮的吸收能力不同[17]。 沈根祥等[18]通過(guò)吸收動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),少根紫萍(S.oligorrhiza)對(duì)的親和力大于對(duì)的親和力;且當(dāng)水體中氮濃度較低時(shí),S.oligorrhiza會(huì)優(yōu)先吸收凈化

相比于單獨(dú)培養(yǎng),共培養(yǎng)體系對(duì)部分廢水的修復(fù)能力更強(qiáng),其中包括不同種類(lèi)浮萍、浮萍與其他水生植物、浮萍與微生物共培養(yǎng)等多種方式。 有研究者建立了多種浮萍混合培養(yǎng)的共培養(yǎng)體系,并發(fā)現(xiàn)2 種或2 種以上的浮萍組合對(duì)水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果最好[19]。 浮萍共培養(yǎng)體系對(duì)部分水體中氮磷去除效果具有一定促進(jìn)作用的原因可能是:(1)通過(guò)共培養(yǎng)的方式,有效增強(qiáng)了浮萍對(duì)不利環(huán)境的抵抗能力[20];(2)鑒于不同種類(lèi)浮萍對(duì)氮磷的吸收能力有差異,通過(guò)共培養(yǎng)能發(fā)揮個(gè)體的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ)和生態(tài)位分化,從而達(dá)到最優(yōu)化效果[21]。 李陽(yáng)等[22]將L.aequinoctialisLC33、L.punctataLC06 和S. polyrhizaLC15 這3 種浮萍分別進(jìn)行單獨(dú)培養(yǎng)和共培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)這3 種浮萍組成的共培養(yǎng)體系對(duì)水中的去除效果最佳,去除率高達(dá) 98.17%。Zhao 等[23]研 究 發(fā) 現(xiàn),L. minor、L. punctata和S. polyrhiza這3 種浮萍組成的共培養(yǎng)體系對(duì)養(yǎng)豬廢水的修復(fù)能力優(yōu)于單一培養(yǎng)的浮萍。 由于不同植物物種對(duì)污染物的適應(yīng)能力存在差異,部分研究者開(kāi)始探討浮萍與其他植物共培養(yǎng)對(duì)水體中氮磷的凈化效果,以期尋求最優(yōu)組合,為浮萍在實(shí)際水體修復(fù)中的應(yīng)用提供新思路。 鄧?guó)櫁頪24]探討了不同類(lèi)型水生植物組合去除氮磷效果,發(fā)現(xiàn)“浮萍+茭白”組合對(duì)氮磷的去除效果優(yōu)于“金魚(yú)草+黃花鳶尾”和“睡蓮+黃花鳶尾”組合。 此外,浮萍與部分微生物的相互作用對(duì)水體中氮磷的去除具有協(xié)同作用。 與浮萍共生的微生物群落包括植物生長(zhǎng)促進(jìn)菌(PGPB)和植物生長(zhǎng)抑制菌(PGIB),接種對(duì)浮萍生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用的菌群能夠顯著提高水體中浮萍的生物量,從而增強(qiáng)浮萍對(duì)水體中氮磷的凈化效果[25]。 Chen等[26]通過(guò)添加微生物強(qiáng)化浮萍處理系統(tǒng),該系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間大大縮短了,且其對(duì)和總氮(TN)的去除率超過(guò)了普通浮萍處理系統(tǒng),分別達(dá)到80.02%和56.42%。 Ishizawa 等[27]選擇不動(dòng)桿菌株 P23 作為PGPB 對(duì)浮萍體系進(jìn)行培養(yǎng),結(jié)果表明,添加PGPB 的實(shí)驗(yàn)組中浮萍生物量是對(duì)照組(不添加PGPB)的1.9 倍~2.3 倍,且其對(duì)水體中氮磷的去除效果更好。

2 浮萍對(duì)重金屬吸收的研究(Uptake of heavy metals by duckweed)

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的重金屬會(huì)隨工廠固體廢棄物、廢水和廢氣等直接或間接地進(jìn)入受納環(huán)境中,通過(guò)一系列遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)而污染河流、湖泊等水體環(huán)境[28]。 與其他有機(jī)物相比,重金屬因其具有難降解、強(qiáng)毒性以及可生物積累等特性,進(jìn)入水體環(huán)境后容易在水生生物體內(nèi)富集,影響水生生物的正常生理代謝活動(dòng),進(jìn)而通過(guò)食物鏈(網(wǎng))對(duì)人體健康造成威脅,對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。 目前,重金屬已成為我國(guó)水體中主要污染物之一,水體中主要存在的重金屬有鉛(Pb)、汞(Hg)、砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)和鎳(Ni)等[29]。 污水處理廠中使用的常規(guī)處理技術(shù)如混凝沉淀、氧化還原、化學(xué)沉淀和離子交換等工藝能夠一定程度去除水體中的重金屬元素,但會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響且處理成本較高[30]。而植物修復(fù)技術(shù)因其具有成本低廉、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn),已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。 浮萍作為漂浮植物的一種,由于其特殊的形態(tài)和較高的生長(zhǎng)速率,對(duì)重金屬有較高的吸收效率[29]。 此外,浮萍還可通過(guò)螯合作用和液泡的區(qū)室化作用來(lái)抵御重金屬的毒性作用[31],并通過(guò)生物吸附和細(xì)胞內(nèi)積累等方式有效去除水中重金屬[32]。 在過(guò)去30 多年里,研究者們進(jìn)行了大量浮萍去除水中重金屬的研究,研究表明,浮萍可以有效吸收水中低濃度且不易去除的重金屬,對(duì) Ni、Cu、Cd、Zn、錳(Mn)、As 和鈾(U)等多種重金屬具有較好的吸收富集效果[33-35]。 本研究對(duì)近年來(lái)浮萍去除重金屬的研究情況進(jìn)行了總結(jié),如表1 所示。 Chen 等[36]對(duì)中國(guó)南方不同種源的30 種浮萍進(jìn)行了Cd 的毒性和累積效應(yīng)研究,結(jié)果表明,不同種類(lèi)浮萍對(duì)Cd 的耐受性不同,且其生物量、光合色素和抗氧化酶活性均存在較大差異。 重金屬對(duì)浮萍的毒性作用是限制浮萍應(yīng)用的主要因素,因此篩選對(duì)特定重金屬適應(yīng)能力強(qiáng)、生物積累能力佳且抗逆性好的浮萍種類(lèi)將有利于提高浮萍對(duì)重金屬污染水體的修復(fù)效果。

浮萍在重金屬修復(fù)方面的應(yīng)用已在許多研究中獲得較好的效果,有研究者發(fā)現(xiàn),將不同種類(lèi)的浮萍混養(yǎng)、將浮萍與微生物或其他大型植物共培養(yǎng)均會(huì)對(duì)重金屬的吸收效果產(chǎn)生不同程度的影響。 Zhao等[37]將L.punctata和L.minor這 2 種浮萍分別單獨(dú)暴露和混合暴露于含不同濃度Cu 的培養(yǎng)基中,研究發(fā)現(xiàn),低濃度和高濃度條件下,2 種浮萍均可以耐受和累積一定量的Cu,且低濃度條件下,混合培養(yǎng)體系對(duì)Cu 的累積量高于單獨(dú)培養(yǎng)體系;高濃度條件下,混合培養(yǎng)體系對(duì)Cu 的累積量低于單獨(dú)培養(yǎng)體系,浮萍通過(guò)增強(qiáng)抗氧化酶的活性抵御高濃度Cu的毒性作用,限制了對(duì)Cu 的吸收。 由于不同種類(lèi)浮萍對(duì)重金屬毒性的耐受性和富集能力存在差異,將不同種類(lèi)的浮萍混養(yǎng)能在一定程度提高其生物量和抗氧化酶的活性,有效降低重金屬對(duì)浮萍的毒性,從而提高浮萍對(duì)水體中重金屬的修復(fù)效果[38]。 此外,當(dāng)與植物根系相關(guān)的微生物存在時(shí),浮萍對(duì)體系中重金屬的吸收會(huì)受微生物影響。 Stout 等[39]從浮萍根中分離得到多種細(xì)菌,并對(duì)比分析了無(wú)菌浮萍與附著有細(xì)菌的浮萍對(duì)Cd 的吸收效果,意外發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的存在促進(jìn)了浮萍根的生長(zhǎng),但在一定程度上抑制了浮萍對(duì)Cd 的累積。 研究者推測(cè),細(xì)菌的存在對(duì)浮萍起到了一定的保護(hù)作用,通過(guò)抑制有害Cd進(jìn)入浮萍細(xì)胞內(nèi),有效降低Cd 對(duì)浮萍的毒性作用[39]。 由此可見(jiàn),浮萍與其他水生植物或微生物混合培養(yǎng),有利于充分發(fā)揮不同水生植物對(duì)不同種重金屬的吸收能力,提高水體修復(fù)效果,具有一定的應(yīng)用前景。

另外,還有部分研究發(fā)現(xiàn),浮萍對(duì)重金屬的吸收能力受重金屬的化學(xué)形態(tài)、初始濃度和不同重金屬間相互作用的影響。 彭赟和嚴(yán)彬[40]探討了浮萍對(duì)不同濃度Cd2+的去除效果,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Cd(NO3)2溶液濃度為3 mg·L-1時(shí),浮萍對(duì)其去除率可高達(dá)87%;但隨著Cd(NO3)2溶液濃度的進(jìn)一步升高,浮萍對(duì)其去除率有所降低。 分析其原因,過(guò)高濃度的Cd2+會(huì)對(duì)浮萍產(chǎn)生毒性作用,影響其正常生長(zhǎng)繁殖,進(jìn)而影響其對(duì)Cd2+的去除效果[40]。 在自然界中,重金屬污染水體一般為多種重金屬?gòu)?fù)合污染。 多種重金屬的共存,既有可能通過(guò)協(xié)同作用加劇其對(duì)浮萍的毒性作用,也可能通過(guò)拮抗作用降低其對(duì)浮萍的毒性作用,進(jìn)而促進(jìn)浮萍對(duì)重金屬的吸收積累[41]。王秀娟[42]分別探究了Cu 和Ni 單一暴露和聯(lián)合暴露對(duì)紫萍(L.polyrhiza)生長(zhǎng)的影響,結(jié)果表明,Cu2+和 Ni2+在較低濃度聯(lián)合(0.2 mg·L-1+5 mg·L-1和 0.6 mg·L-1+10 mg·L-1)暴露時(shí),對(duì)L.polyrhiza生長(zhǎng)表現(xiàn)出拮抗作用;而在高濃度聯(lián)合(1 mg·L-1+20 mg·L-1)暴露時(shí)則表現(xiàn)為協(xié)同作用,對(duì)L.polyrhiza葉綠素含量的抑制率高達(dá)73%。

eedmetals by duckw究eavy研f h的屬金重積ulation o累收吸萍浮1表n the uptake and accum S tudies oTable 1參Reference獻(xiàn)文考果結(jié)究研R esearch results件條露暴E xposure conditions類(lèi)種萍浮Duckweed species屬etal金重Heavy m[46]~80%% ~80%%bout 70%90bout 90%:約7:約0n: A d: A率除率除u and Z、Zn 去Cd 去Cu Removal rate of C Removal rate of C-1):0.001、0.1-1)::2、4、6、8、100.001,0.1 108,6,4,2,/(mg·L /(mg·L/d e/d:間度時(shí)濃露露暴暴Exposure concentration Exposure tim萍青葉卵Lemna gibba、鋅n、銅鎘Cd, C u, Z[47]):-1,量質(zhì)g·g.64-1,干eed/(m/(mg·g .64 1 0551 055 d=, C濃、C度d=480.98積累.98u=屬金重Cu=480內(nèi)etal concentrations in duckw eight): C體萍dry w浮Heavy m 5,Cd=5-1):2.5 和/(μmol·L 5d=74,-1):C u=/d:4、7, Ce/d:間ol·L 時(shí)露.5 and 5/(μm 暴=2Cu Exposure tim度濃露Exposure concentration暴inor萍青L em na m、鎘銅Cu, C d[48]~96.4%~94.8%~96.4%~94.8%.0%91.2%86:91.0%b:.2%r:率率:86除除Pb 去Cr 去Removal rate of P Removal rate of C 15、15,10,-1):2、4、10-1):2:2、4、6、9、12,4129,6,4,2,/(mg·L /d /(mg·L e/d:間度時(shí)濃露露暴暴Exposure concentration Exposure tim萍青葉卵Lemna gibba、鉻r鉛Pb, C[49])露-1 Fe (7 d 暴-1 F e at 7 dg·L g·L5 m為m ended is 5 m值議建大最Maximum recom%50和100%,21度:7、14、21% and 50%的147,濃/d e/d:水間廢時(shí)astewater concentration:礦山露暴度ine w Exposure tim濃of m露暴Exposure concentration:100 inor萍青Lemna m鐵Fe[50]、、Cr=53.80.79、Hg=2-1, dry w eight):2.82g=,.45.58, H 0.49=62.82=3r=):Cd g·kg 249.20, C 2.79量、H g=、Cu.17u=5.76 g=質(zhì).20、Pb eed/(m=0, C d=, H-1,干.53133.58/(mg·kg =2 0.49 49 b=u=量=13.53、Cu , C、C r=etals in duckw, P.80.17=0含Pb 5.7653r=Pb屬:C d=, C金重?cái)?shù).45 Bioconcentration factors: C中系=6萍集Cd浮 富Content of heavy m、hina域, C區(qū)邊uhan周廟域、七里區(qū)域4個(gè)iao surrounding area,ake in W區(qū)岸ilim鋪南oshui L里和十岸市北漢湖武水hilipu area, Q國(guó)墨:中點(diǎn)樣采Sampling sites: S north bank and south bank of M inor萍青Lemna m、r,、鉻u、鎘、銅d, C鉛, C汞Hg, C Pb

1表續(xù)參Reference獻(xiàn)文考果結(jié)究研R esearch results件條露暴E xposure conditions類(lèi)種萍浮Duckweed species屬etal金重Heavy m[51]):g·-g 1,量質(zhì)-1,鮮eed/(m 0.557±0.009,/(mg·g.557±0.009、0.381±0.021, Z.251±0.041 etal concentrations in duckw n=度.381±0.021、Zn=0濃累.251±0.041積=1=1屬Cd Cd金u=重內(nèi)體Cu=0 eight): C萍浮Heavy m fresh w.34.3,.3、Cd=7n=4.1, Z.1、Zn=4-1): C u=6/d:6.3e/d:-1):Cu=4間時(shí)=7露/(mg·L Cd/(mg·L 暴Exposure tim度濃露暴Exposure concentration inor萍青Lemna m、鎘d、鋅銅Cu, Z n, C[52]):量、Ni=146 g·-kg 1,146質(zhì)i=-1,干/(mg·kg=54.6、Cr=198 eed/(m 735,198, N r=度、Pb etal concentrations in duckw s=.6, C累=10254濃b=屬、Cd積eight): A體、Si=2 022102, P金dry w d=重內(nèi), C萍浮=735 Si=2 022 As Heavy m、、249,i=、Cd=163拉帕特.5 117、Si=249、Ni=36.5拉奇加117, S 36i=anchrapara,、坎納anaghat特s=、拉138, N薩加-1): A arasat, K r=-1):A s=、巴拉丹納onadanga, R=79.4、Cr=138普、索/(mg·L.4, C79/(mg·L 卡吉b=mbikapur, B Pb 比加, P:安巴達(dá)度 點(diǎn)卡=163濃 樣Cd Kadambagachi, S露 采暴Exposure concentration Sampling sites: A、紫萍inor,萍青Lemna m Spirodela polyrhiza、、鎘、鎳d,i、硅、鉻i, C r, N, C砷鉛As, S Pb[53]%%%.53.37 99%94:99.53:94.37率率oval rate:oval rate:%、Hg 去除除%、Zn 去g rem%, H n rem%, Z:99.80:97.88.8099.8897率率除除Cu 去Pb 去oval rate:Cu rem oval rate:Pb rem.25、Zn =0.25 0.5,-1): C=0u=、P b.25 0.25n=7.5、Hg=0:7/d , Z e/d:間/(mg·L 0.25b=時(shí)-1):Cu=0露暴, P.25=0Exposure tim/(mg·L Hg度Exposure concentration濃露暴inor萍青Lemna m、鋅n、汞g, Z、鉛銅Cu, P b, H[54].5%15:15.5%率oval rate:除去大最Maximum rem-1):2-1):2/(mg·L:44/d e/d:間時(shí)濃暴度露露暴Exposure concentration/(mg·L Exposure tim inor萍青Lemna m硼B(yǎng)[55]~60%去%oval rate is about 40%60% ~40約率除The rem ater、15,15ake w:4、8、12100 L水8,12間:Loktak 湖4,oktak L/d e/d:of L時(shí)液100L暴養(yǎng)露溶培Exposure tim Culture solution:萍紫Spirodela polyrhiza、r s、鎘、砷d, C i, A、銅、鎳鐵、鋅鉻Fe, C u, C Zn, N

基于浮萍對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的吸收富集潛力,現(xiàn)已有大量利用浮萍修復(fù)實(shí)際污水的研究。Bokhari 等[43]調(diào)查了L.minor對(duì)城市污水和工業(yè)廢水出水中重金屬的修復(fù)情況,發(fā)現(xiàn)L.minor對(duì)這2類(lèi)水體均有較強(qiáng)的修復(fù)能力,浮萍對(duì)其中各重金屬的去除率如下:Cd(94.3%和94.7%)、Cu(92.2%和94.5%)、Pb(89% 和 97.4%)、Ni(84.2% 和 99%)。 此外,還有研究者把浮萍制成干粉,因其擁有較大比表面積和較高的孔隙率,可用作水中重金屬去除的有效生物吸附劑[7]。 陳蘭釵等[44]以稀脈浮萍(L.aequinoctialis)干粉作為生物吸附劑探討其對(duì)重金屬Pb 的吸附動(dòng)力學(xué)及主要影響因素,研究發(fā)現(xiàn),L.aequinoctialis干粉對(duì)Pb 的吸附符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,其吸附量在高達(dá)56.79 mg·g-1時(shí)仍未達(dá)到吸附飽和點(diǎn),說(shuō)明L.aequinoctialis干粉對(duì)Pb 的吸附容量大;同時(shí),溶液初始pH、吸附劑顆粒大小和重金屬Pb 的初始濃度是影響吸附效果的主要因素。 李陽(yáng)等[45]探究了多根紫萍(S.polyrhiza) 干粉和少根紫萍(L.punctata)干粉對(duì)水環(huán)境中Cd2+的吸附作用,結(jié)果表明,2 種浮萍干粉對(duì)Cd(50 mg·L-1)的去除率分別為83.15%(L.punctata)和95.72%(S.polyrhiza),且其吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程均可用二級(jí)速率方程進(jìn)行描述。

3 浮萍對(duì)有機(jī)污染物吸收的研究(Uptake of organic pollutants by duckweed)

目前,水環(huán)境中有機(jī)物污染已成為一個(gè)全球性問(wèn)題。 隨著農(nóng)業(yè)、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,大量有機(jī)污染物隨農(nóng)用灌溉廢水,化工、制藥、造紙等工業(yè)廢水,或生活污水等直接或間接進(jìn)入受納水環(huán)境;其中,一部分通過(guò)地表徑流流入地表水源中,而另一部分滲入地下水源中。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全球范圍內(nèi)的有機(jī)污染物種類(lèi)繁多、總量龐大,現(xiàn)有的有機(jī)污染物已多達(dá)700 萬(wàn)種,其中人工合成的有機(jī)污染物種類(lèi)也有10 萬(wàn)余種,且每年仍以較高速度不斷遞增[56]。部分有機(jī)污染物,不僅具有難生物降解、易在環(huán)境中隨食物鏈積累等特性,還具有使動(dòng)物和人類(lèi)致畸、致癌和致突變的作用,嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境安全和人類(lèi)健康。 因此,亟需尋求能夠高效、經(jīng)濟(jì)去除水環(huán)境中有機(jī)污染物的可持續(xù)性發(fā)展技術(shù)。

已有研究發(fā)現(xiàn),浮萍對(duì)水中有機(jī)污染物的脅迫具有較高的耐受能力且具有一定的恢復(fù)能力,可以有效去除部分有機(jī)污染物。 劉娥等[57]探究了L.minor對(duì)有機(jī)污染脅迫的耐受能力以及脅迫解除后浮萍的恢復(fù)規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)水中化學(xué)需氧量(COD)＜400 mg·L-1時(shí),L.minor并未受到氧化脅迫;當(dāng)水中 COD 達(dá) 800 mg·L-1時(shí),L.minor體內(nèi)活性氧和抗氧化物質(zhì)含量升高,但其仍可繼續(xù)生長(zhǎng),當(dāng)脅迫去除后,L.minor的抗氧化防御系統(tǒng)能夠恢復(fù)正常水平;當(dāng)水中COD 過(guò)高時(shí)(≥1 000 mg·L-1),活性氧急劇上升,抗氧化防御系統(tǒng)遭受不可逆?zhèn)Α?鑒于浮萍對(duì)有機(jī)污染具有較強(qiáng)的耐受能力,不少研究者開(kāi)始針對(duì)浮萍吸收水中有機(jī)污染物展開(kāi)研究,以期利用浮萍對(duì)有機(jī)污染水體進(jìn)行修復(fù)。 現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),浮萍能夠吸附或吸收水體中的多種有機(jī)污染物,如農(nóng)用化學(xué)品[58]、藥物和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品(PPCPs)[59]以及其他工業(yè)化合物[60]等。

與不可生物降解的重金屬相比,浮萍不僅能夠有效吸收積累農(nóng)用化學(xué)品,還能將其降解轉(zhuǎn)化為自身生長(zhǎng)發(fā)育可利用的有效組分[61]。 Dosnon-Olette等[62]以10 μg·L-1的異丙隆和80 μg·L-1的草甘膦對(duì)L.minor進(jìn)行為期4 d 的暴露實(shí)驗(yàn),探討L.minor對(duì)異丙隆和草甘膦等2 種除草劑的去除效果,發(fā)現(xiàn)L.minor對(duì)異丙隆和草甘膦的去除率分別為25%和8%,其對(duì)2 種除草劑去除效果的差異可能與化合物的正辛醇-水分配系數(shù)(logKow)相關(guān)。 Olette 等[63]比較了L.minor,伊樂(lè)藻(Elodea canadensis)和黃金魚(yú)草(Cabomba aquatica)這3 種水生植物對(duì)硫酸銅和烯酰嗎啉(2 種殺菌劑)和啶嘧磺隆(除草劑)的去除效果,研究發(fā)現(xiàn),3 種水生植物均能吸收一定量的農(nóng)藥,去除率范圍為2.5% ~50%;相比于其他2 種水生植物,L.minor對(duì)3 種農(nóng)藥的去除效果較好,分別為 50%、11.5% 和 42% 。 Y?lmaz 和 Ta?[64]評(píng)價(jià)分析了L.minor對(duì)氯氰菊酯的修復(fù)潛力發(fā)現(xiàn),L.minor對(duì)氯氰菊酯的去除率為35.4% ~95.9%。 大量研究證明,多種浮萍具有去除農(nóng)藥的潛力,但不同種類(lèi)的浮萍對(duì)于同種農(nóng)藥的吸收能力存在差異。 Dosnon-Olette 等[65]對(duì) 2 種浮萍(L.minor和S.polyrhiza)去除廢水中烯酰嗎啉的能力進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果顯示L.minor和S.polyrhiza對(duì)污染物的最大去除量分別為 41 μg·g-1和26 μg·g-1(鮮質(zhì)量),且浮萍對(duì)污染物的吸收量與其初始暴露濃度呈正相關(guān)。 Prasertsup 和Ariyakanon[66]在溫室中探究L.minor和水浮蓮(P.stratiotes)對(duì)不同濃度毒死蜱的去除能力,結(jié)果顯示,低濃度(0.1 mg·L-1和 0.5 mg·L-1)暴露對(duì)L. minor和P.stratiotes的生長(zhǎng)無(wú)顯著影響,高濃度(1 mg·L-1)暴露會(huì)抑制其生長(zhǎng);且當(dāng)毒死蜱暴露濃度為 0.5 mg·L-1時(shí),L.minor和P.stratiotes對(duì)其去除率最高,分別為87%和82%。 此外,有研究者發(fā)現(xiàn),通過(guò)添加生物刺激劑或安全劑能夠提高浮萍對(duì)農(nóng)藥的耐受性并增強(qiáng)其吸收能力。 Panfili 等[67]研究發(fā)現(xiàn),與未經(jīng)處理的L.minor相比,經(jīng)生物刺激劑和安全劑處理的L.minor對(duì)水中除草劑特丁津的去除率均有所提高。

PPCPs 是一類(lèi)新型污染物,主要包括抗生素、止痛藥、消炎藥、消毒劑和芳香劑等,因其使用量較大且現(xiàn)有的污水處理工藝難以將其完全去除,導(dǎo)致部分PPCPs 類(lèi)污染物隨污水處理廠出水直接或間接排放入水環(huán)境中。 目前,已在多種水環(huán)境介質(zhì)中檢出PPCPs 殘留,且其殘留濃度一般為 ng·L-1到 μg·L-1之間[68-69]。 已有研究證明,多種浮萍具有去除廢水中 PPCPs 的潛力。 Singh 等[59]研究發(fā)現(xiàn),阿莫西林在S.polyrhiza處理組和非生物對(duì)照組中的去除率分別為 84.6% ~ 100% 和 62.1% ~ 73%,說(shuō)明S.polyrhiza對(duì)阿莫西林具有一定的去除能力。 Iatrou 等[70]探究了L.minor對(duì)4 種抗菌劑的去除效果及其機(jī)制,研究表明L.minor對(duì)4 種抗菌劑的去除效率分別為頭孢羥氨芐(100%)、甲硝唑(96%)、甲氧芐氨嘧啶(59%)和磺胺甲惡唑(73%),且甲硝唑、甲氧芐氨嘧啶和磺胺甲惡唑3 種化合物的去除機(jī)制以植物吸收占主導(dǎo)。 由此可見(jiàn),浮萍對(duì)多種PPCPs 具有去除潛力,且具有一定的化合物特異性。 此外,當(dāng)抗生素濃度水平較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致浮萍代謝過(guò)程發(fā)生變化,進(jìn)而影響其對(duì)抗生素的去除能力。 Gomes 等[71]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),高濃度的環(huán)丙沙星會(huì)損害L.minor呼吸電子傳遞鏈中正常的電子流,誘導(dǎo)過(guò)氧化氫的產(chǎn)生,從而改變浮萍的光合作用、呼吸途徑和氧化應(yīng)激能力,進(jìn)而影響其對(duì)環(huán)丙沙星的去除能力。

鑒于浮萍對(duì)于農(nóng)藥、PPCPs 等有機(jī)污染物的去除效果較好,研究者們?cè)噲D探討浮萍是否能有效去除其他有機(jī)污染物。 Gatidou 等[60]利用L.minor去除水體中的5 種苯并三唑類(lèi)化合物(苯并三唑、4-甲基-1H-苯并三唑、5-甲基-1H-苯并三唑、甲苯并三唑和5-氯苯并三唑),結(jié)果表明,在連續(xù)流系統(tǒng)中,L. minor對(duì)這5 種化合物的去除率為26% ~72%,依次為5-氯苯并三唑＜甲苯并三唑＜5-甲基-1H-苯并三唑＜苯并三唑＜4-甲基-1H-苯并三唑;且植物吸收是浮萍去除苯并三唑類(lèi)化合物的主要機(jī)制。 Zhang和Liang[72]比較了曝氣情況下L.minor對(duì)8 種全氟烷酸的去除效果,研究結(jié)果表明,L.minor對(duì)十一氟已酸、全氟庚酸、全氟辛酸和全氟辛基磺酸等長(zhǎng)鏈全氟烷酸的去除率超過(guò)95%,而對(duì)全氟丁酸、全氟戊酸、全氟丁烷磺酸和全氟己烷磺酸等短鏈全氟烷酸的去除效果不明顯;且暴露2 周后,L.minor胞內(nèi)全氟辛基磺酸的積累量可達(dá)14.4%。 隨后,研究者們進(jìn)一步探討了L.minor對(duì)全氟烷基化合物中間產(chǎn)物的吸收積累效果,結(jié)果表明,暴露14 d 后,浮萍對(duì)200 μg·L-1全氟辛基磺酰胺的吸收積累量為86.7 μg·kg-1,而對(duì) 200 μg·L-1氟調(diào)聚物磺酸鹽的吸收積累量可達(dá) 1 226 μg·kg-1[73]。 Can-Terzi 等[74]探討了L.minor對(duì)亞甲基藍(lán)的植物修復(fù)能力,結(jié)果表明,L.minor可以有效地去除廢水中的亞甲基藍(lán),去除率高達(dá)98%;當(dāng)亞甲基藍(lán)濃度為25 mg·L-1時(shí),L.minor對(duì)其吸收能力達(dá)到飽和。 還有研究表明,浮萍可以有效去除或降解石油中各類(lèi)碳?xì)浠衔?。Ekperusi 等[75]以人工濕地為生態(tài)系統(tǒng),對(duì)比分析添加三葉浮萍(L.paucicostata)對(duì)原油污染水域中石油烴的去除能力,研究表明,經(jīng)過(guò)120 d 處理后,與對(duì)照組濕地相比(11.46%),添加L.paucicostata的濕地對(duì)石油烴類(lèi)化合物的去除率高達(dá)97.91%。 然而,當(dāng)前關(guān)于浮萍對(duì)污染物的吸收轉(zhuǎn)化研究普遍局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究,且多側(cè)重于污染物的去除效率方面,其內(nèi)在吸收轉(zhuǎn)化機(jī)制尚不清楚。 因此,有必要加強(qiáng)浮萍對(duì)污染物的吸收轉(zhuǎn)化機(jī)制研究,并擴(kuò)大其在大規(guī)模水環(huán)境中的應(yīng)用。

4 展望(Prospect)

浮萍因其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬和有機(jī)污染物等均具有較強(qiáng)的富集能力,常用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和水體污染修復(fù)方面的研究。 近年來(lái),針對(duì)浮萍開(kāi)展的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究取得了較大的進(jìn)展,在污染水體的生態(tài)修復(fù)方面發(fā)揮了多方面的作用。 在國(guó)外,已有一些污水處理公司致力于浮萍污水處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和利用,并擁有了一系列利用浮萍進(jìn)行污水處理的專利技術(shù);浮萍處理系統(tǒng)更是被美國(guó)環(huán)境保護(hù)局列為污水處理的替代技術(shù)之一[76]。 利用浮萍處理污水和修復(fù)水體已成為生態(tài)處理和環(huán)境修復(fù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向,但到目前為止浮萍在相關(guān)領(lǐng)域中應(yīng)用的研究仍存在很多挑戰(zhàn),有待進(jìn)一步研究。

(1)目前,國(guó)內(nèi)外均已建立用于污染水體修復(fù)的浮萍塘,但現(xiàn)階段大多數(shù)浮萍塘處于管理不善狀態(tài);存在浮萍打撈不及時(shí),或被打撈的浮萍隨意丟棄,腐爛后污染物再次進(jìn)入水體造成污染等現(xiàn)象。 對(duì)此,今后需注重加強(qiáng)浮萍處理系統(tǒng)的全過(guò)程管理,探尋綠色環(huán)保與資源化的方式處理吸收污染物后的浮萍,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益的有效統(tǒng)一。

(2)鑒于部分重金屬對(duì)浮萍具有較大的毒性作用,因此在未來(lái)的研究中應(yīng)注重篩選對(duì)特定重金屬適應(yīng)能力強(qiáng)、生物積累能力佳且抗逆性好的浮萍種類(lèi),還可利用浮萍與其他水生植物混合培養(yǎng),充分發(fā)揮不同水生植物對(duì)不同種重金屬的吸收能力,提高水體修復(fù)效果。 此外,研究者還可嘗試通過(guò)基因工程和組織培養(yǎng)技術(shù),提高浮萍對(duì)重金屬的超富集能力。

(3)目前針對(duì)浮萍修復(fù)有機(jī)污染物方面的研究仍相對(duì)較少,且主要側(cè)重于浮萍對(duì)有機(jī)污染物的吸收積累能力方面,而其吸收轉(zhuǎn)化遷移機(jī)制尚未明晰。因此,有必要深入探究有機(jī)污染物在浮萍中的吸收、遷移及轉(zhuǎn)化機(jī)制,這對(duì)于闡明各類(lèi)有機(jī)污染物的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義,同時(shí)也能夠?yàn)槲鬯卫硖峁┝丝茖W(xué)依據(jù)。

(4)針對(duì)浮萍修復(fù)污染水體的研究大多局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究,由于室內(nèi)浮萍暴露的環(huán)境條件與實(shí)際污水情況存在較大差異,因此這些研究不足以準(zhǔn)確評(píng)估浮萍對(duì)于實(shí)際污水的修復(fù)能力。 在未來(lái)有必要利用實(shí)際污水對(duì)浮萍的修復(fù)能力進(jìn)行進(jìn)一步的探究,這將有助于研究者更好地了解浮萍在實(shí)際生活污水和工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用潛力。