水面浮萍对水体富营养化的自净作用研究进展_李秀峰

2016年10月水面浮萍对水体富营养化的自净作用研究进展

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水面浮萍对水体富营养化的自净作用研究进展

李秀峰

摘

罗勇罗小龙陈晓峰

（江西省环境监测中心站，江西南昌330039）

要：利用浮萍类水生植物对富营养化水体进行自净作用，不仅仅能大量去除水体

中的氮、磷等营养物质，还可以将回收的浮萍加工成为饲料和肥料或者工业原料，实现资源的回收利用，是一种最为经济有效以及易于推广的水污染治理技术。本文从富营养化的起因和控制措施、浮萍净化水体的优势以及国内外浮萍净化水体研究进展等方面讨论，并总结了目前浮萍研究现状，同时展望了未来的研究方向。

关键词：浮萍

净化水体

水生植物

DOI:10.14127/j.cnki.jiangxihuagong.2016.05.005

生物修复（Bioremediation），华频发的现状。顾名思义是利用一些如植物、动物或者微生物来对水体污染物特定的生物，

进行吸收、转化、清除或降解的具有一系列化学、物理和生物行为水质净化技术，从而实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。生物修复方法一直以来以处理效果明显、投入成本低、无其他二次污染的特点而著称，同时可应用于开放性水体生态系统的特点，因此越来越受到国内外研究机构和组织的重视

［1］

1．1富营养化的危害

当前湖泊、河流等天然水体面临的最为严峻的环境问题即是水体富营养化。它不仅仅能够促使藻类等浮游植物以及其他水生生物的快速生长和繁殖，并且通过发生一系列理化或者生物反应，最终导致水质发黑发臭等现象。此外，富营养化现象还会影响水生动物生理代谢能力，使得水生生物群落结构发生改变，从而最终影响水资源的利用，最终对人体健康带来严重危害。

1．21．2．1

富营养化的治理措施污染源的控制

。

近年来，小型水生植物浮萍具有良好地吸收氮（N）、磷（P）和有机物的能力，同时也具有较好的回收利用等优点而受到国内外学术界的广泛关注。例如，在选择适合氮、磷污水净化的浮萍品种以及利用各类P污水的能力等方面，浮萍提高处理含有N、国内外学者都开展了大量的研究工作。本文从富营养化的起因和控制措施、浮萍净化水体的优势以及国内外浮萍净化水体研究进展等方面讨论，并对目前浮萍研究的现状作出总结，提出未来研究方向的展望。

1

水体污染与富营养化

水体富营养化是指由于工业和农业面源排放等原因导致水体中氮、磷等植物营养物质含量明显过量而引起的水质污染现象。在自然条件下，湖泊从贫营养湖发展到营养湖的自然演变过程特别缓慢，因此可以肯定的是人为营养化占据主导地位。当过量的营养物质进入湖泊、水库、河口、海湾等水体后，吸收过量的营养物质后藻类等水生生物大量繁殖，在繁殖过程中导致水体中溶解氧含量急剧下降，导致水体发黑发臭。随着工业化活动的快速发展，大量工业废水、生活污水以及农田径流所携带的大量植物营养物质排入江河湖泊河流等水体后，明显加快水体的富营养化进程。在这个过程中，浮游生物大量繁殖，造成水体浮游植物遍。布和水质变色，这种现象在江河湖泊中称为“水华”2007年中旬，江苏太湖蓝藻水华引起的饮用水危机事件进一步凸现我国湖泊富营养化的严峻局面和蓝藻水

针对工农业废水排放，政府部门应该加大控制力度，制定严格的法律法规，任何工农业废水都必须经过废水处理并达标后才能排放。另外，政府部门应该加大科技以及基础设施的投入，建立起良好的城市污水处理系统；其次，选取合适的水土流失防护林，开展大面积种植，提高森林覆盖率，控制水土流失。

对于农业面源污染，首先应该提高土地对氮肥的利用率，降低氮磷等营养元素过剩导致的危害；其次，通过分次施用化肥，推广氮肥深施和等措施来合理控制施肥量，从而可提高经济效益，减少肥料流失从而引起的营养物质过量污染。此外，还应该调整和优化农村产业结构，积极引进高科技成果，大力发展绿色农业、生态工业，努力将污染源控制在最低水平。

1．2．2

微生物修复

经过研究表明，微生物对水体中过量营养物质具有良好的降解和去除能力，虽然目前仍然有许多技术上的问题有待解决，但其繁殖快、成本低、不会造成二次污染等特点决定了微生物处理废水具有良好的应用前景。尤其是那些经过遗传工程改造的微生物将成为治理水体污染同时又可以保持生态平衡的有效方法，例如硝化细菌可吸收和降解碳、氮等元素污染，絮凝水

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江西化工2016年第5期

体重金属及有机碎屑。一些光合细菌可以利用水中有机物作为燃料来进行光合作用，提高水体溶解氧，从而达到改善水质的作用。

1．2．3

植物修复

植物修复，简单来说就是指利用植物和部分根际微生物联合作用来去除水体中污染物的一种新的原位治理技术，这种修复方法具有以下优势：

（1）许多水体修复植物具有一定的美学和观赏价值，可以明显改善景观生态环境；

（2）可以象秸秆一样被回收利用并创造新的价值；（3）也可作为介质所受污染轻重程度的指示标志物；

（4）为具有降解能力的微生物提供了良好的生长环境，有利于促进微生物生长。

因此，当前以植物为主要治理废水材料，动物和微

表1

水分92．8

粗蛋白质1．6

生物为补充，并尝试各类生物的有机组合，从而形成较为合理的植物生态链，构建良好的水生态－水质净化平衡系统，逐步去除水中营养物质和有机物。

22．1

浮萍的生物学特征浮萍的形态特征

全世界浮萍共有4属，约30种，其广泛分布于世界各地。在中国约有3属7种，其中长江三角洲地区有3属5种，分别叫青萍、希脉浮萍、少跟紫萍。

2．2

浮萍的化学组成

根据前人的研究结果表明，浮萍中的主要化学成分与含量见表1。浮萍中的主要化学成分与除表中成分外，含有多种化学物质：青萍含木犀草素－7－β－D－葡萄吡喃糖甙、类固醇、蛋白质、叶绿素、糖、黄酮类化合物及维生素B1等

［2］

。

浮萍主要化学组成

粗纤维素0．7

无氮浸出物

2．7

灰分1．3

粗脂肪0．9

国内外对浮萍的研究方向主要集中在以下目前，几个方面：

（1）浮萍的干物质蛋白质含量高达45%左右，是家畜、家禽和鱼类的优质高蛋白饲料；（2）浮萍具有较好药用价值，如浮萍有发汗、利水肿、免疫止痒等功效；（3）浮萍具有一定的污染物去除能力，如去除水体

P以及有机物、中N、重金属等物质的研究。

2．3

浮萍在水体修复中的优势（1）生长迅速

浮萍因为其茎叶等结构组分缺失，从而其大部分身体组织都能进行光合作用，因而整个植物体都具有新陈代谢的活性，所以被公认为是世界上生命力最为旺盛的植物之一。此外，与其他植物必须通过主根系进行水分养分吸收的缺点相比，浮萍的优势在于其所有叶状体都可以直接从水体中吸收营养物质和水分。在自然条件下，浮萍在水面漂浮生长，更有利于吸收水分、光照和碳源，所以其生长具备明显的竞争优势。另外，浮萍生长所能耐受的温度范围极广，而且比多数其他植物的生活周期长，如果在较温暖的南方地区，四季均可生长。即使在水温低至1－3℃范围情况下，浮萍仍可以正常生长。

（2）具有生长竞争优势

富营养化的另一个主要危害是藻类植物大量繁殖生长会明显降低水质的透明度，部门沉水植物由于接受不到足够的阳光而导致死亡，这样也会打破水生生态系统平衡。浮萍这类漂浮植物的存在可以抑制浮游藻类的大量生长爆发。在高温强光条件下，浮萍对水面的覆盖能够抑制光合作用，使得绿藻的光合量子率

降低达高达42%以上，从而导致绿藻死亡，所以说浮萍

在水体的生长具有良好的竞争优势。

富含营养物质的水体是浮萍最适应的生长环境，在这种环境下，它能够大量吸收营养物质，能够使污染物质从水体中彻底去除，在废水处理和自然水体修复中有明显的应用优势。一般来说，自然水体中浮萍的氮磷含量分别为20－40N/kgDW和2－10P/kgDW；对浮萍进行定期收割的水体，浮萍的氮磷含量可高达40－60gN/kgDW和13－29gP/kgDW，这是一方面由于污水中的营养成分更高，另一方面定期收割可使用浮萍保持较高的生命活力［3］。

3

浮萍在污染水体生态修复中的应用

浮萍生长迅速，营养吸收率高，甚至pH波动范围

较大或者水体中清洁剂浓度较高的情况下，浮萍也能够正常吸收和净化废水，而且病虫害也较少存在。正是由于这些优势特点的存在，浮萍类浮游植物在处理废水上特别受到人们的关注。近年来，国内外在浮萍处理富营养化水体领域也开展了大量基础性的研究，例如利用浮萍处理系统（duck－basedsystems简称DBS）对BOD、COD的去除可以达到传统的稳定的氧化塘处理系统。有学者使用浮萍建立人工湿地系统处理TSS和BOD的去除可以分别达到13．1±9．7mg/废水，

L和40．3±11．9mg/L，针对BOD的去除，学者们认真研究发现处理系统前处理的高度厌氧反应是导致BOD能够去除的主要原因。Dalu等在将浮萍等浮游植物制造成氧化塘，利用该技术对废水的氮磷处理情况进行了联连续多年的监测，研究结果表明，废水中的氮磷、生化需氧量、化学需氧量等化学组成的去除率最低可达60%。此外，利用稳定的氧化塘处理系统使用浮萍

浮萍作为主要植物也可以成功处理生活污水。总之，

建立的废水处理系统具有投资成本低，管理维护便捷简单，能有效地提高氧化塘废水处理效率等优点，在包

［3］

括中国在内的许多国家已经得到了应用。

P等营养元素上，有研究表明，在吸收N、不同植物

体具有不同的选择性，一般情况下，大部分植物会优先吸收有机态N，这样会导致有机态优先去除；其次，植物再会对无机氮开展吸收。也有一些研究发现，浮萍类植物会优先吸收氨氮，当水中氨氮浓度消耗殆尽时，才开始吸收硝态氮，从而表现出较高的氨氮去除率。

研究表明，氨化硝化、反硝化等反应顺利进行的较好条件在于浮萍类水生植物的氮循环细菌的特征性分布。

水中的有机氮通过氨化作用分解为铵态氮，分解

—部分被植物体直接吸收利后的铵态氮分为两部分，

用，另外一部分则经过硝化作用氧化为硝态氮然后再

被植物吸收利用。浮萍的植物体所有部位均能吸收氨氮和硝态氮，叶片对NH4和NCV的吸收通量通常要明显大于根，但由于根的覆盖面积广大，所以总的来说浮萍的根与叶片在吸收氮的过程中的效率差别不［4］

大。有研究还表明，有硝酸盐离子存在的情况下，浮萍的耐氨能力会得到显著地提高，也有研究表明NCV

+

的存在能够促进浮萍对NH4的吸收。研究还发现，浮萍的存在会明显起到抑制NO3的净吸收通量；在单一氮源分布情况下，浮萍对NCV的吸收量明显高于对

+［5］

NH4的吸收量。有一点值得注意，浮萍虽然具有良好的净化水体的作用，但大面积浮萍如果不及时收割，所带来的危害也非常严重，它不仅仅可以遮挡住阳光使水体浑浊，还可以有毒细菌增多，造成水体鱼虾减少，严重破坏水体的生态系统。因此，过多的浮萍应该及时收割处理。

4研究展望

随着水体富营养化的不断加剧，人们已经认识到治理水体污染的必要性。特别是最近几年来，农业面源污染已经给广大农村地区的水体造成了严重的污染。农村地区由于资源丰富、水域宽广，是非常适合开展浮萍大面积种植，从而利用浮萍开展水体富营养化治理。浮萍将会对农村污水治理发挥巨大作用，另外，最近几年来，随着城市人口的增加和旅游业的发展，已经给一些大的城市公园和旅游景观地带水体的水质，许多景观水体由于富营养化严重已经失去了其应该具有的景观价值，而沦为令人掩鼻的臭水沟。国内一些P严重超标，旅游名胜景点的N、远远超过了富营养化的标准。

浮萍能够为其他对水生生物系统有促进作用的生物提供庇护场所，形成较为复杂的生态修复系统。所以，在污染水体的生物修复过程中，浮萍可以发挥巨大的潜力。另外，针对城市公园内的湖泊、池塘等小型水体，浮萍的使用去除水体中的污染物质，可以明显起到

－

+

净化水体的作用，逐步建立起恢复水质的生态系统体

系。不仅仅如此，浮萍覆盖在水体上，可以明显去除臭味，减少蚊虫的滋生，美化景观，而且收获的浮萍可以用于饲料加工和养鱼，还可以作为秸秆还田。国内不少中药研究专家还将浮萍开发其药用价值，用于治疗感冒、糖尿病等疾病，取得了良好的效果。浮萍可以应用于不同废水的处理。例如，顾新娇等发现浮萍对养殖废水具有较好的去除能力，尤其是1%稀释浓度的养殖废水［6］；也有研究表明浮萍对含量NP废水也有较好的处理效果。然而，浮萍对其他工业废水去除的研究较少，以后可以加强这方面的研究。浮萍对于重金属废水也有良好的处理能力。部分学者对应用于生活污水处理中的浮萍打榜后对其体内的重金属含量进行分析后发现，浮萍体内重金属含量除锌外，其它均没有达到致毒水平。何娜等研究了浮萍对垃圾渗滤液净化能力，结果表明：在低浓度的垃圾渗滤液条件下，浮萍对总磷的去除率分别为84．8%和74．［5］

7%。总之，浮萍可以应用于更多种类的废水处理中，但仍然需要相关研究者继续开展研究。

此外，将浮萍用具有美学价值的框体固定住，制造为浮萍生物废水处理器，既可以提高水体的景观价值，又可以净化水体。利用浮萍生长快的特点，采用基因转移技术将一些难降解农药、重金属等的基因转移到浮萍体内，从而可以培养出更高效降解兼具有去除作用的新品种。总而言之，浮萍在水体污染治理，尤其是富营养化治理中作用巨大，值得进一步推广和研究。*基金项目：江西省重大科技专项（20114ABG1100－2－08－1）。

参考文献

［1］田永杰，唐志坚，李世斌，等．我国湖泊富营养化的

．环境科学与管理，2006，31现状和治理对策［J］

（5）：118－121．

［2］印万芬．我国主要浮萍科植物的综合开发利用．资

（2）：46－48．源节约和综合利用1998，［3］M．Greenway，A．Woolley．ConstructedWetlandsin

Queensland：PerformanceEfficiencyandNutrientBio-accumulation．EcologicalEngineering．1999，12：39－55．

［4］J．M．Dalu，J．Ndamba．DuckweedBasedWastewater

StabilizationPondsforWastewaterTreatment（alowcosttechnologyforsmallurbanareasinZimbabwe）．PhysicsandChemistryoftheEarth．2003，28：1147－1160．

［5］P净化能力初周雄飞．浮萍对富营养化水体中N、

探．扬州大学硕士学位论文．2011．［6］顾新娇．浮萍净化养殖废水与沼气发酵利用实验研

究．中国农业科学研究院硕士学位论文．2014．

Theprogressinresearchofwaterselfpurification

ofduckweedtoeutrophication

LIXiu－feng

LUOYong

LUOXiao－long

CHENXiao－feng

（JiangxiEnvironmentalMonitoringCenter，JiangxiNanchang330039）

Abstract：Theduckweedaquaticplantstotheeutrophicwaterbodyselfpurificationeffect，notonlycanremovealotofwa-ter，nitrogen，phosphorusandothernutrients，canalsoberecycledduckweedprocessingintofeedandfertilizerorindustrialrawmaterials，toachieverecyclingofresources，isoneofthemosteconomicalandeffectiveandeasytopromotewaterpollu-tioncontroltechnology．Thispaperfromtheeutrophicationofthecausesandcontrolmeasures，duckweedpurificationwateradvantageathomeandabroadaswellasduckweedresearchprogressofwaterpurification，discussionandsummaryofthepresentresearchstatusofduckweed，andthefutureresearchdirectionsaresuggested．KeyWords：duckweedaquaticplants

Purificationofwater

aquaticplant