水生植物修復技術9.1.1水生植物凈化水體的機理水生植物對污染物的凈化作用原理主要在植物的根、莖和葉對污染物的吸收。水溶態污染物到達水生植物根、請安莖和葉表面水溶態的污染物到達水生植物根表面，主要有兩個途徑：一條是質體流途徑，即污染物隨蒸騰拉力，在植物吸收水分時與水一起到達植物根部；另一條是擴散途徑，即通過擴散而到達根表面。到達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種類和數量除受底泥特性、污染物種類和濃度影響外，還取決于植物的特性。水溶態污染物到達水生植物莖和葉表面，主要也有兩個途徑：一條是莖和葉的氣孔吸收途徑，即水體污染物吸附在氣孔而進入植物體內；另一條是角質層途徑，水體污染物在水生植物莖和葉表面，表面活性劑能顯著降低水溶液的表面張力而進入植物體。水溶態污染物進入細胞的過程植物的細胞璧是污染物進入橫物細胞的第一道屏障。在細胞壁中的果膠質成分為結合污染物提供了大量的交換位點。細胞膜調節著著物質進出細胞的過程，它與細胞壁一起構成了細胞的防衛體系。污染物通過植物細胞進入細胞的過程，日前認為有兩種方式；一種是被動的擴散，物質順著本身的濃度梯度或細胞壁的電化學勢流動；另一種是物質的主動傳遞過程，這種傳遞需要能量。這兩種過程都與細胞膜的結構有關。生物膜是非極性的類脂雙層膜，在脂質雙分子層內外表面鑲嵌著蛋白質特異載體分子，正常情況下對物質的吸收具有選擇性。Park把細胞膜透過機理歸納為以下幾個主要方面：①②③流動輸送：生物膜有許多孔隙和細孔，水溶性的化學物質和難脂溶性的微粒子化合物隨水流通過細胞膜。如果水溶性和難脂溶性的粒子直徑在8.4nm以上就不能通過膜。②脂質層受控擴散：脂溶性化合物受這類擴散的影響。脂溶性化臺物在水中擴散是以乳液狀態存在，當與生物體膜接觸，部分脂溶性化合物溶解在細胞膜中，借助于擴散作用而進入細胞內。③媒介輸送與動能載體輸送；擔任化合物輸送任務的是生物膜內的載體，它使化合物在生物體內得以輸送。促使媒介輸送的能量為濃度比，促使能動載體輸送的能量來自生物化學作用。9.1.2水生植物的凈化作用水生植物主要包括三大類：水生維管束植物、水生蘚類和高等藻類。全球在污水治理中應用較多的是水生維管束植物，它具有發達的機械組織，植物個體比較高大，通?？煞譃橥λ∷⑵『统了?種類型，見表9.1。表9.1水生植物類型及生長特點類型生長特點代表種類挺水植物根莖生于底泥中，植物體上部挺出水面蘆葦、香蒲浮葉植物根莖生于底泥中，葉漂浮于水面睡蓮、荇菜漂浮植物植物體完全漂浮于水面，具有特殊的適應漂浮生活組織結構鳳眼鏈、浮萍沉水植物植物體完全沉于水氣界面以下，根扎于底泥或漂浮于水中狐尾藻、金魚藻植物對水體的凈化具有非常重要的作用。污染的凈化作用主要表現在：(1)物理作用水生植物的存在減小了水中的風浪擾動，降低了水流速度，并減小了水面風速，這為懸浮固體的沉淀去除創造了更好的條件，并減小了固體重新懸浮的可能性。植物的另一重要作用是它的隔熱性。在冬季，當人工濕地中的水生植物死亡并被雪覆蓋后，它就為人工濕地提供了一個隔熱層，這樣有利于防止人工濕地土壤凍結。(2)植物的吸收作用水生植物能直接吸收利用污水中的營養物質，供其生長發育。有根的植物通過根部攝取營養物質，某些浸沒在水中的莖葉也從周圍的水中攝取營養物質。水中植物產量高，大量的應用物質被固定在其生物體內。當收割后，營養物就能從系統中被除去。廢水中的有機氮就能被微生物分解與轉化，而無機氮作為植物生長過程中不可缺少的物質被植物直接攝取，再通過植物的收割而從廢水中除去。(3)植物的富集作用許多的水生植物有較高的耐污能力，能富集水中的金屬離子和有機物質。如鳳眼蓮，由于其線粒體中含有多酚氧化酶，可以通過多酚氧化酶對外源苯酚的羥化及氧化作用而解除酚對植物的毒害，所以對重金屬和含酚有機物有很強的吸收富集能力。水生植物還能吸附、富集一些有毒有害物質，如重金屬鉛、鎘、汞、砷、鈣、鉻、鎳、銅等其吸收積累能力為：沉水植物＞漂浮植物＞挺水植物，不同部位濃縮作用也不同，一般為：根＞莖＞葉，各器官的累積系數隨污水濃度的上升而下降。(4)氧的傳輸作用一般來講，缺氧條件下，生物不能進行正常的有氧呼吸，還原態的某些元素和有機物的濃度可達到有毒的水平。河道水體中的污染物需要的氧主要來自大氣自然復氧和植物輸氧。有研究表明，水生植物的輸氧速率遠比依靠空氣向液面擴散速率大，植物的輸氧功能對水體的降解污染物好氧的補充量遠大于由空氣擴散所得氧量。植物輸氧是植物將光合作用產生得氧氣通過氣道輸送至根區，在植物根區的還原態介質中形成氧化態的微環境。(5)為微生物提供棲息地微生物是水體凈化污水的主要“執行者”，水體中微生物的種類和數量很豐富，因為水生植物的根系常形成一個網絡狀的結構，并在植物關系附近形成好氧、缺氧和厭氧的不同環境，為各種不同微生物的吸附和代謝提供了良好的生存環境，也為水體污水處理系統提供了足夠的分解者。大型挺水植物在水中部分能吸附大量的藻類，這也為微生物提供了更大的接觸表面積。研究表明，有植物的水體系統，細菌數量顯著高于無植物系統，且植物根部的分泌物還可以促進某些嗜磷、氮細菌的生長，促進氮、磷釋放、轉化、從而間接提高凈化率。(6)維持系統的穩定維持水體系統穩定運行的首要條件就是保證系統的水力傳輸，水生植物在這方面起了重要作用。植物根和根系對介質具有穿透作用，從而在介質中形成了許多微小的氣室或間隙，減小了介質的封閉性，增強了介質的疏松度，使得介質的水力傳輸得到加強和維持。植物的生長能加快天然土壤的水力傳輸程度，且當植物成熟時，根區系統的水容量增大。當植物的根和根系腐爛時，剩下許多的空隙和通道，也有利于土壤的水力傳輸。有人認為植物根系可維持底質的疏松狀態，也有研究表明，植物根的生長和擴展，會在其上層建立一個較密集的根區，從而使孔隙度下降。另外，水生植物還有美觀可欣賞性、可以通過收割回收以達到一定經濟效益，可作為介質所受污染程度的指示物、有助于酶在水體系統的擴展等作用。(7)對藻類的生化他感作用生化他感作用一方面表現在水生植物個體大，吸收、儲存營養物質和利用光能的能力強，能與藻類形成競爭，從而抑制浮游藻類的生長。另一方面，水生植物向水中分泌化學物質，如萜類化合物、類固醇等，來抑制藻類的生長。試驗表明，水花生、棱、金魚藻和浮萍均能不同程度的減少水體中藻細胞數量，促進藻細胞內葉綠素a的破壞與脂質過氧化物含量升高，抑制超氧化物歧化酶的活性，從而抑制了藻類的生長。(8)其它作用水生植物還有一些不直接與水處理過程相關的作用。如它為動物如魚類、鳥類、爬行動物提供食物；在處理系統中采用荷花花、睡蓮等有較高的觀賞性的水生植物，可以便系統更加美觀。9.1.3水生植物物種的適應性增加水體透明度后，可以有效促進沉水植物的生長，改善水生生態，恢復大型水生植物的生長。大型水生植物的繁殖和生長，能夠促進淺水性河湖形成大規模生態濕地。9.1.3.1水生植物物種選型在水質相對好一些的湖區，可有層次地種植一些大型水生植物，如岸邊蘆葦等。在1.0?1.2m水深之間主要發展茭草；在水深1.2?1.5m之間發展眼子菜、苦草和野菱，還有聚草、大茨藻、依樂藻等沉水植物，并且要定期移出成熟的這些水生植物，或建立人工調節的生態食物鏈系統，目的就是最大量地將營養物N、P從水中移出，使得水質有明顯的好轉。不同植物對營養鹽的吸收和水體凈化效果差異較大，而且對于同一種植物來說，也是某一方面效果好，可能另一方面效果會相對差些。因此，在開展植物修復工程時，要合理搭配植物，進行多種植物組合。同時要考慮植物功能方面的季節性差異，以保證能夠周年循環。另外，對當地氣候的適應、植物的抗逆性及對病蟲害的抵抗能力也需要充分地考慮。可用于水下部分補種或栽種的高等水生植物有蘆葦、睡蓮、小香蒲、營莆、鶯尾等挺水植物以及伊樂藻、微齒眼子菜、輪葉黑藻、苦草等沉水植物；岸灘交錯帶宜于栽種落羽杉、水杉、池杉、垂柳、楓楊、合歡、水青樹等耐水喬木，恢復生態緩沖帶。在岸坡種植溫生植物香根草、風車草等。9.1.3.2水生植物種植與培植水質凈化過程實際上是一種物質轉化過程，是微生物生命活動的結果。水生高等植物如蘆葦等有發達的根系，能吸附大量水體污染物。同時，也寄居著眾多的微生物，水體中微生物對富營養化人工水體的凈化有重要作用。水生植物為根系微生物創造了良好的棲息場所并提供了豐富的營養物質，而根系微生物在功能上的協同效應加速了水體中污染物的凈化。水生植物和根系微生物有利共生關系，結合成微生態凈化系統。結合自然式河岸的處理，栽種水生植物、近水植物和耐水植物這樣的自然河岸式的植物種植，減少人工干預和人工管理的痕跡，增加整個河岸的自我維持和自我循環，也有利于形成富有景觀特色的生態廊道。9.1.4水生植物的凈污效果（1）超積累植物目前水生植物修復主要依靠直接從水體吸收N、P,但其中一些重金屬及其化合物亦可以離子形式轉移到植物體內并得到富集，此類植物即超積累植物。超積累植物修復過程的機理是：通過螯合離子交換和選擇性吸收等物理和化學過程吸收金屬離子；給根際微生物提供附著和形成菌落的場所，并促進微生物群落的生長，而在根際微生物的體內，重金屬離子和細胞壁上的活性基團（包括羧基、羥基、磷酸基、胺基等）發生定量結合反應，通過物理吸附或形成無機沉淀沉積在細胞壁上；植物還通過根部釋放的分泌物的作用將金屬離子以沉淀物的形式沉降下來。如重金屬誘導就可使鳳眼蓮體內產生有重金屬絡合作用的金屬硫肽，這些機制使許多水生植物具有富集大量重金屬的能力。有研究表明，紫萍生長速度快，可富集鉻和鎳；滿江紅可富集鉛、汞、銅等；槐葉萍在6小時內表現出快速吸收與凈化作用，其對水體中銀的凈化率達81.0%；濕重每kg浮萍在3d內能夠吸收42.53mg銅、34.3mg鉛、1.11mg鎘；李衛平等研究表明，在廢水中重金屬同等起始濃度下（3.8ug/g）,干重每kg水葫蘆富集銅1.40kg、鋅0.48g、鎳0.21g、鉻1.80g。寬葉香蒲能有效凈化鉛、鋅礦廢水，對鉛、鋅、銅和鎘的去除率分別達到93.98%、97.02%、96.87%、和96.39%，使水質得到明顯改善。通過植物的富集作用，重金屬在環境中的濃度明顯降低，富集在植物體內的重金屬還可通過定期收割等方式回收利用，既作到污染治理，又可回收、節約資源，實現可持續發展。（2）水生經濟植物水生植物修復研究多注重處理效果，較少顧及經濟效益，常選擇如鳳眼蓮、寬葉香蒲等植物，景觀效果欠佳且經濟價值不高。研究表明將水生經濟植物水蕹菜、水芹菜以無土栽培方式，河水為種植水，分別作靜態實驗與現場實驗。靜態實驗發現水蕹菜（4－10月）和水芹菜（11－3月）對河水均有較好的凈化能力。當河水停留時間為30天時，水蕹菜對污染物的去除率為：TN81.32%，NO3-N89.90%，NH3-N87.86%，TP71.34%；水芹菜對污染物的去除率為：TN82.77%，NO3-N86.64%，NH3-N86.06%，TP94.77%。根據污染物去除率負荷測算，每公斤水蕹菜（鮮重）每天可去除污水中TN26.49mg；N03-N16.70mg；NH3-N8.31mg,TP3.22mg；每公斤水芹菜（鮮重）每天可去除污水中TN24.73mg，NO3-N13.25mg，NH3-N11.25mg，TP2.71mg。至實驗結束（30天），發現兩植物除根部外，徑、葉部分重金屬含量均達到食用標準?，F場實驗表明，若以水蕹菜一年栽種200天計，通過定期收割（25天），每平方米水面可獲水蕹菜34.4kg，同時可自河水中移除TN182.25g、TP22.15g；若以一年栽種水芹菜60天計，每平方米水面可收獲水芹菜15.2kg，同時可自河水中移除TN22.55g、TP2.47g。若實現輪種，則每平方米水面可收獲經濟植物約50kg，以每公斤一元計，每平方米產值50元，約為投入成本（種苗、人工載體、人工管理費等）的2倍左右。南京莫愁湖種植蓮藕，年產蓮藕25萬kg，去除的氮有60t之多，磷有1t多，經過3年時間，水色由原來的14級上升到11級。進行人工基質無土栽培經濟植物凈化富營養化水體試驗的結果顯示，多花黑麥草、水蕹菜（又名空心菜）對氮和磷的去除率分別達到80％和90％以上，水芹對氮、磷的去除率可達到75％以上。由此可見，利用經濟植物凈化富營養化水體，既改善了富營養化水體水質，獲得環境效益，又有利于經濟作物的生長，客觀的經濟效益相當可觀。9.1.5水生植物修復水質技術水生植物凈污工程是以水生植物為主體，引用物種間共生關系和充分利用水體空間生態位與營養生態位的原則，建立高效的人工生態系統，以降解水體中的污染負荷，改善系統內的水質。（1）挺水植物挺水植物可通過對水流的阻尼作用和減小風浪擾動使懸移物質沉降，并通過與其共生的生物群落有凈化水質的作用。同時，它還可以通過其龐大的根系從深層底泥中吸取營養元素，降低底泥中營養元素的含量。挺水植物一般具有很廣的適應性和很強的抗逆性，生長快，產量高，還能帶來一定的經濟效益。因此，沿岸種植挺水植物已成為水體凈污的重要方法。試驗研究證明，河道沿岸的挺水植物（蘆葦等）對氨氮具有很強的削減作用，氨氮通過河道兩岸的蘆葦帶時，濃度顯著降低，模擬模型的衰減系數是無蘆葦生長的混凝土護坡河段的3倍左右，氨氮的削減量也達無蘆葦生長河段的2倍左右。但利用沿岸挺水植物凈化水體，需注意水生植物要定期收割，防止其死亡后沉積水底，造成二次污染。（2）沉水植物沉水植物生長過程中吸收水體中的N、P等營養鹽，分泌他感物質抑制浮游植物的生長，沉水植被在水體中還能起到減波消浪，減輕底泥再懸浮，減少水體中的懸浮物的作用，從而凈化水體，提高透明度，保持水體清水態。沉水植物是健康水域的指示性植物，它對水質具有很強的凈化作用，而且四季常綠，是水體凈化最理想的水生植物。在大型實驗圍隔系統中，沉水植物的水質凈化作用實驗證明，重建后的沉水植物可以顯著改善水質，水體透明度顯著提高，水色降低。水生植物圍隔CODcr和BOD5一般分別為20mg/L和5mg/L左右，對照圍隔和大湖水體則分別約為40mg/L和10mg/L。水生植物圍隔水體中可檢出的有機污染種類也較對照圍隔和大湖水體低。實驗結果表明恢復以沉水植物為主的水生植被是改善富營養化水質和重建生態系統的有效措施。（3）植物浮島河、湖中的天然島嶼是許多水生生物的主要棲息場所，在天然島嶼上形成了植物-微生物-動物供受體，它們對水體的凈化起著非常重要的作用。但由于河湖的開發、渠化、硬化工程，以及底泥疏浚等，使許多天然生態島消失，河流的自凈能力下降，河流生態系統遭到破壞。植物浮島的建立就是對水域生態系統自凈能力的一種強化。植物浮島是綠化技術和漂浮技術的結合體，植物生長的扶梯一般是采用聚氨酯涂裝的發泡聚苯乙烯制成的，質量輕，材料耐用。島上的植物可供鳥類等休息和筑巢，下部植物形成魚類和水生昆蟲等生息環境，同時能吸收引起富營養化的氮和磷。日本為進一步凈化渡良瀨蓄水池的水體，曾在蓄水池中部建了一批植物生態浮島，在到上種植蘆葦等植物，其根系附著微生物。浮島還設置了魚類產卵用的產卵床，也為小魚及底棲動物設有棲息地，形成穩定的植物-微生物-動物凈化系統。（4）植物浮床植物浮床是充分模擬植物生存所需要的土壤環境而采用特殊材料制成的、能使植物生長并能浮在水中的床體。目前，研究最多的就是沉水植物浮床和陸生植物浮床。①沉水植物浮床沉水植物浮床技術是利用沉水植物對營養物質含量高的水體有顯著的凈化作用，對水體進行凈化。水體高濃度的氮、磷營養鹽一直被認為是導致沉水植物小時的直接原因，但水深和水下光照強度對沉水植物的生存有限制作用。由于