重金屬污染水體的治理修復方法主要有化學(xué)法、物理法、生物法等，物理法與化學(xué)法處理成本較高、效果不明顯，相比而言，利用水生植物進(jìn)行生態(tài)修復的生物法具有治理成本低、環(huán)保美觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)，受到研究者的廣泛重視，目前生物法在重金屬污染修復中的應用逐步增大。

　　水生植物主要包括水生維管束植物和高等藻類(lèi)，分為挺水、漂浮、浮葉、沉水等4種類(lèi)型，通過(guò)培育水生植物，利用水生植物根系和莖葉對重金屬的吸收、轉化、富集等功能可以降低水體中重金屬濃度。當水生植物生物量增長(cháng)到一定程度，通過(guò)割除水生植物可以最終實(shí)現重金屬從污染水體中去除。本研究綜述了挺水、漂浮、浮葉、沉水等4種水生植物在生態(tài)修復重金屬污染水體領(lǐng)域的進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了水生植物對重金屬的蓄積效果，以及生態(tài)修復的影響因素，為水生植物在重金屬污染水體修復中的應用提供依據。

　　一、水生植物去除重金屬的效果研究

　　1.1 挺水植物

　　挺水植物的根、根莖一般生長(cháng)在水體的底泥之中，莖、葉挺出水面。挺水植物主要通過(guò)發(fā)達的不定根、定根、主根吸收并積累水中的重金屬，其根部積累重金屬的能力一般大于莖部和葉部。常見(jiàn)的挺水植物有蘆、蒲草、荸薺、水雍、荷花、香蒲等。挺水植物在水環(huán)境中生長(cháng)時(shí)，其植物體內重金屬的含量與水體中重金屬的濃度相關(guān)。研究發(fā)現，水雍對重金屬的積累能力優(yōu)異，其對Cu、Mo、Cr、Cd的積累量可分別達62、5、13、11μg/g(以植物干質(zhì)量的重金屬質(zhì)量濃度計，下同)。挺水植物香蒲對重金屬的轉運系數相對較高，耐受性較好，種植于高濃度Pb環(huán)境中的香蒲，其地下部分Pb質(zhì)量濃度可達20mg/kg左右。其中寬葉香蒲可作為重金屬污染水體的指示植物，其葉片對Zn、Mn的濃縮系數大于1，長(cháng)苞香蒲生長(cháng)3個(gè)月后對Cu、Zn的去除率可分別達到38%、36%。

　　研究發(fā)現，將水龍種植在含有0.501mg/LHg、103.55mg/LFe、5.556mg/LCu、28.056mg/LZn的廢水中，21d后Hg、Fe、Cu、Zn的去除率分別達32.6%、44.9%、63.7%、99.7%。羽毛草、水薄荷、水龍均對高濃度含Zn廢水表現出超強的處理凈化能力，可用于電鍍廠(chǎng)和冶煉廠(chǎng)含Zn廢水的處理。對種植西伯利亞鳶尾的垂直流人工濕地進(jìn)行研究，當進(jìn)水中Cd分別為1、3、6mg/L時(shí)，濕地對Cd的平均去除率分別為93.3%、90.2%、92.1%，西伯利亞鳶尾地上部分Cd富集量分別達0.28、0.61、1.41mg/株，地下部分Cd富集量分別達3.48、10.81、19.40mg/株，可見(jiàn)西伯利亞鳶尾根部具有更強的Cd吸收富集能力。將石菖蒲、菖蒲種植于人工濕地系統處理城市污水，第15天時(shí)城市污水中Cr、Pb、Cd去除率分別達78.1%、83.2%、91.4%，可見(jiàn)石菖蒲、菖蒲對Cr、Pb、Cd具有較高的去除性能，因此常用于環(huán)境治理修復的應用案例中。假馬齒莧、席草對Cr具有優(yōu)異的蓄積能力，將假馬齒莧、席草置于初始質(zhì)量濃度為5mg/L的含Cr廢水中，7d后兩者對Cr的積累量可分別達1600、739μg/g。風(fēng)水草在初始質(zhì)量濃度均為1.0mg/L的含Cr、Mn廢水中培養10d后，植物體內Cr、Mn積累量可分別達到44、198μg/g。

　　1.2 漂浮植物

　　漂浮植物的根不著(zhù)生于泥中，株體漂浮于水面之上，隨水流、風(fēng)等四處漂泊。漂浮植物主要有水浮蓮、鳳眼藍、浮萍等，對重金屬均表現出較強的蓄積能力。陳文萍等將普通鳳眼藍和紫根鳳眼藍置于10mg/L含Cd2+溶液中培養2d，Cd2+去除率分別可達74.8%、86.0%，在10mg/L含Zn2+溶液中培養2d，Zn2+的去除率分別為76.0%、90.1%。鳳眼藍對Cu也具有較強的蓄積能力，其在5mg/L含Cu水體中培養14d后，植株體內Cu的質(zhì)量濃度高達314mg/kg。浮萍對Cd、Se、Cu的吸收和蓄積能力較強，對Pb、Ni的蓄積能力較弱。王鳳珍等在對墨水湖湖濱帶周邊植物進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現，浮萍具有較強的重金屬綜合富集能力，其對Cd、Cu、Hg3種重金屬元素的富集系數分別為5.76、3.58、2.79。將浮萍置于不同質(zhì)量濃度(1、3、5mg/L)的Cd(NO3)2中培養兩周，Cd2+去除率均達到80%以上，Cd(NO3)2為3mg/L時(shí)Cd2+去除率最高，為87%。滿(mǎn)江紅在含有0.1~3.0mg/LHg的廢水中培養6d后，Hg的去除率可達80%~94%?？ㄖ萜荚诤?.1~1.0mg/LHg和Cr的廢水中培養12d后，Hg、Cr去除率可達到75%~100%。紅萍在分別含4mg/LPb、Cd、Ni、Zn的廢水中培養15d，Pb、Cd、Ni、Zn去除率可分別達到61%、57%、68%、74%，細綠萍在含15mg/LPb、10mg/LHg的廢水中培養7d后，Pb、Hg去除率可分別達到98.9%、86.8%。滿(mǎn)江紅、卡州萍、細綠萍則對Hg的蓄積能力突出，其中滿(mǎn)江紅、卡州萍可適用于低濃度含Hg廢水處理，而細綠萍則適用于高濃度的含Hg廢水的凈化治理。

　　1.3 浮葉植物

　　浮葉植物生于淺水中，根生長(cháng)于水底，葉片浮在水面，常見(jiàn)的浮葉植物有蓮、睡蓮、菱、水鱉、荇菜等。菱對重金屬蓄積能力與環(huán)境中重金屬濃度成正比，當水體中Cd、Pb質(zhì)量濃度分別為0.11、0.71μg/mL時(shí)，菱植株內Cd、Pb可分別達到13.05、87.75μg/g。周虹霞等對滇池湖岸植物進(jìn)行實(shí)地踏查和研究，發(fā)現滇池邊生長(cháng)的野菱、水鱉等2種浮葉植物在水質(zhì)凈化中發(fā)揮重要作用，成為優(yōu)勢浮葉植物。宋力等采用睡蓮對黑臭河道重金屬進(jìn)行修復，通過(guò)全譜直讀電感耦合等離子發(fā)射光譜測定水體沉積物、植物中重金屬含量，發(fā)現睡蓮對沉積物中重金屬平均去除率為18.23%，經(jīng)治理修復后水體沉積物中Cr、Pb、Ni的主要形態(tài)為殘渣態(tài)，Cd、Cu的主要形態(tài)為弱酸溶解態(tài)。Cu、Ni在睡蓮中的含量分布為莖<葉<根，Cd和Pb的含量分布為葉<莖<根。在不同質(zhì)量濃度(5、15、25mg/L)的含Cu廢水中進(jìn)行睡蓮水培試驗，發(fā)現培養30d后睡蓮對全量Cu去除率均可達90%左右，其中根部對Cu的富集能力相對較高。睡蓮是諸多浮葉植物中蓄積Cr(Ⅵ)能力最出色的物種之一，能同時(shí)適用于高中低濃度含Cr(Ⅵ)廢水的處理，并且蓄積量大，抗逆性強，在熱帶及溫寒帶的淺水區域均可生長(cháng)，可用于不銹鋼企業(yè)廢水、皮革廢水中Cr(Ⅵ)的去除。

　　1.4 沉水植物

　　沉水植物的植株全部位于水層以下，通氣組織比較發(fā)達，根部和葉部均可蓄積較高的重金屬。沉水植物的葉子多為帶狀或絲狀，常見(jiàn)的沉水植物有苦草、金魚(yú)藻、狐尾藻、黑藻、眼子菜等。沉水植物中的藻類(lèi)具有較強的重金屬富集能力，能夠富集Pb、Hg、Cu、Cd、Fe、Zn等重金屬元素。黑藻對池塘底泥中的Hg、Cd均有較好的富集去除能力，其對兩種重金屬的富集系數均大于1。將輪葉黑藻在0.2mg/L的含Hg廢水中培養4d后，植株內Hg的積累量可達13.2μg/g，在1~50mg/L的含Se廢水中培養7d后，Se去除率大于92%，可見(jiàn)輪葉黑藻可用于硒礦廢水的凈化處理。將狐尾藻分別在含0.5mg/LCo、4.6mg/LNi、1.5mg/LCu、612mg/LZn的廢水中培養84d，其對Co、Ni、Cu、Zn的去除率分別為74%、75%、74%、81%，菹草在含0~64mg/LCd的廢水中培養4d后，Cd的去除率高達90%以上。有研究人員利用生態(tài)缸進(jìn)行水體底泥重金屬污染的富集實(shí)驗，從富集量、生物富集系數和去除率等指標探究金魚(yú)藻對Cu、Pb復合污染底泥的修復效果，結果表明金魚(yú)藻富集效果最佳的時(shí)間段為培養第63~84天，金魚(yú)藻對Cu的生物富集系數達到5.6。劉梅等采用室內盆栽實(shí)驗方法，將苦草在Cu質(zhì)量濃度為112.42mg/kg水體底泥中培養120d，通過(guò)定期測定根際土壤和收割根莖葉部位相關(guān)指標，結果顯示苦草對Cu具有較優(yōu)異的富集去除性能，底泥Cu去除率達到55.72%。張飲江等對伊樂(lè )藻在不同pH與Cd濃度下的生長(cháng)狀況及去除Cd效果進(jìn)行了研究，結果表明伊樂(lè )藻在pH為8.5、Cd為15μg/L的溶液中對Cd的去除效果最好，Cd去除率可達92%。研究人員對淮河支流若干種沉水植物進(jìn)行了重金屬富集實(shí)驗，發(fā)現小茨藻和龍須眼子菜對重金屬Cu、Pb、Cd、Zn的富集系數為58~1515，小茨藻對Cd的富集最強，龍須眼子菜對Zn、Cu富集較強。黑藻培植簡(jiǎn)單、生長(cháng)環(huán)境要求寬松，可用于中低濃度含Hg廢水的凈化處理，狐尾藻和菹草繁殖力強、生長(cháng)旺盛，表現出超強的重金屬去除效果，可用于高濃度含Cd廢水的凈化處理，伊樂(lè )藻、小茨藻等可用于低濃度的含Cd廢水的凈化處理。

　　二、水生植物生態(tài)修復重金屬污染水體的影響因素

　　2.1 水生植物的種類(lèi)與生物量

　　目前研究發(fā)現的重金屬富集水生植物約有700多種，不同種類(lèi)的水生植物對重金屬污染水體的生態(tài)修復能力不同，一般而言，生活在水中的沉水植物生態(tài)修復能力大于漂浮、浮葉植物，挺水植物的生態(tài)修復能力最弱。同一類(lèi)型的水生植物，一般而言根系發(fā)達的水生植物積累重金屬的能力強于根系弱的水生植物，一方面根系發(fā)達的水生植物富集吸收能力更好，另一方面根系附著(zhù)的微生物有利于輔助重金屬離子的轉化、吸收、富集。

　　水生植物生態(tài)修復重金屬的能力還與生物量密切相關(guān)。任安芝等發(fā)現，在15mg/L含Pb、Hg廢水中培養細綠萍，為保證其對Pb、Hg的蓄積效果，細綠萍生物量在8~12g/L為宜。生物量過(guò)大，水生植物間由于存在對陽(yáng)光、氧氣、營(yíng)養養分等的競爭，會(huì )導致水生植物的生長(cháng)繁殖受到抑制，并且在非熱帶地區，冬天時(shí)過(guò)密的植物產(chǎn)生枯萎殘體進(jìn)入水體，易導致富集的重金屬再次進(jìn)入水體。但若單位面積生長(cháng)的水生植物生物量較少，則水生植物植株內蓄積的重金屬含量過(guò)高，影響水生植物生長(cháng)和污染凈化治理效果。

　　2.2 株齡與處理時(shí)間

　　水生植物生態(tài)修復重金屬能力也受植株株齡影響，成熟植株蓄積重金屬的能力明顯強于幼小植株。睡蓮在處理含Cr(Ⅵ)水體時(shí)，其幼小植株蓄積重金屬的能力明顯較成熟植株弱。一般而言，成熟植株單株生物量大、新陳代謝旺盛、根系附著(zhù)微生物多、植株抗性強，對重金屬富集能力強。

　　水生植物修復治理重金屬污染水體的效果與植株在水體中的生長(cháng)時(shí)間相關(guān)。胡天印等[41]研究了種植密度和培養時(shí)間對菹草富集水體底泥重金屬Cd(35.82mg/kg)的影響，發(fā)現在培養0~90d過(guò)程中，菹草體內Cd含量逐漸增加。但并非所有水生植物都是培養時(shí)間越長(cháng)越好，采用細綠萍對Pb污染水體的生態(tài)治理修復實(shí)驗中，水體中的Pb在實(shí)驗第8天后逐漸升高，這主要是由于細綠萍壞死的根莖或葉等腐爛分解向水體釋放Pb。在浮萍對重金屬Cd的富集實(shí)驗中發(fā)現，浮萍體內Cd的生物富集量隨處理時(shí)間增加，并未呈現單調曲線(xiàn)，而是在第8天達到最大值(1.6mg/g)，第8~12天富集量反而降低。因此，采用水生植物修復重金屬污染水體時(shí)，植株培養時(shí)間不宜過(guò)短或過(guò)長(cháng)，應控制最合適的處理時(shí)間，達到重金屬最大蓄積量時(shí)及時(shí)撈出或進(jìn)行收割。

　　2.3 重金屬種類(lèi)與濃度

　　由于不同重金屬的化學(xué)性質(zhì)迥異，不同種類(lèi)水生植物生理特征懸殊，不同水生植物對重金屬元素的蓄積吸收及去除能力不同。如水薄荷、羽毛草、水龍、篦齒眼子菜和馬來(lái)眼子菜蓄積重金屬能力各異。其中篦齒眼子菜和馬來(lái)眼子菜蓄積Cd能力大于Pb和Mn。

　　水生植物生態(tài)修復重金屬污染水體的能力還受重金屬元素初始濃度的影響。當重金屬濃度處在水生植物致死閾值以下時(shí)，水生植物蓄積重金屬的能力隨著(zhù)水體中重金屬濃度的升高而升高。如睡蓮在含不同濃度Cr(Ⅵ)的污染水體中生長(cháng)，根莖葉中蓄積的重金屬含量隨著(zhù)水中Cr(Ⅵ)濃度的升高而升高。黑藻在處理含Hg污染水體時(shí)，如Hg的濃度在水生植物致死閾值以下，則黑藻對Hg的蓄積能力隨著(zhù)水體中Hg濃度的升高而升高，其他多數水生植物均存在類(lèi)似現象，如浮萍、苦草、滿(mǎn)江紅、細綠萍、石菖蒲、假馬齒莧、香蒲等。

　　2.4 溫度與pH的影響

　　喜溫水生植物在夏天一般具有較高重金屬蓄積能力，到了冬天，由于溫度過(guò)低，蓄積重金屬的能力則大幅下降。如喜溫水生植物鳳眼藍、睡蓮、細綠萍在13℃以下不能良好生長(cháng)，無(wú)法表現出色的蓄積重金屬能力，只有在25℃以上才會(huì )旺盛生長(cháng)，發(fā)揮較佳的蓄積重金屬能力。耐寒水生植物由于在冬天生長(cháng)旺盛，在冬天較低氣溫下也能發(fā)揮較強的蓄積重金屬的能力。

　　水生植物生態(tài)修復重金屬污染水體的效果還受水體pH的制約，過(guò)酸過(guò)堿均會(huì )影響水生植物的正常生長(cháng)和蓄積重金屬能力的發(fā)揮，偏中性的水體有利于水生植物的生長(cháng)和重金屬的蓄積。水浮蓮在處理偏堿性含Cu2+水體時(shí)，由于堿性條件下Cu2+易形成沉淀或絮凝，從而影響水浮蓮正常吸收蓄積Cu2+的能力?？嗖?、風(fēng)車(chē)草、席草、菖蒲、水薄荷、美人蕉、再力花等在過(guò)酸或過(guò)堿水體條件下，植株生長(cháng)或富集重金屬能力均會(huì )受到較大影響。

　　2.5 其他因素

　　水生植物蓄積重金屬的能力還受其他因素影響，如水生植物的栽培方式、水體共存離子等。對于多數重金屬污染水體，用于凈化的水生植物應盡量采用適當種植密度下的混種方式，采用多種生物富集功能相近的物種合理搭配種植，發(fā)揮多物種在吸收富集重金屬離子方面的協(xié)同作用。對一些水生植物而言，水體中其他離子的存在會(huì )降低其吸收蓄積重金屬的能力。如在重金屬污染廢水中加入1%(質(zhì)量分數)NaCl后，細綠萍對Pb、Cd、Ni、Zn去除率均下降明顯。CHOO等發(fā)現，將睡蓮培養在只存在Cr(Ⅵ)的污染水體中，其對Cr(Ⅵ)的蓄積能力遠大于伴隨存在Cu的復合重金屬污染水體。然而，若干特定其他重金屬元素的存在則會(huì )提高水生植物對某種重金屬的吸收蓄積能力。Ca2+的存在會(huì )使睡蓮對Cd2+的蓄積能力大幅增加，在50mg/L含Cd2+水體中加入500mg/L的Ca2+，睡蓮根部對Cd的蓄積能力將提高48%。

　　三、水生植物生態(tài)修復的適用范圍和不足

　　3.1 適用范圍

　　目前只有少數種類(lèi)的水生植物可用于常見(jiàn)低濃度重金屬的吸收和生物積累，且一般適用于流速較慢的江河及湖泊的重金屬污染水體修復。

　　水雍、香蒲、美洲水蔥、蘆葦、風(fēng)水草、鳶尾、羽毛草、水龍、石菖蒲、假馬齒莧、席草、水薄荷等挺水植物積累重金屬的能力優(yōu)異，可用于對水體中低濃度Al、Hg、Cu、Fe、Mo、Cr、Cd、Zn、Mn、Pb等重金屬的生物富集吸收。

　　水浮蓮、鳳眼藍、紫萍、滿(mǎn)江紅、浮萍、細綠萍、槐葉萍、卡州萍等漂浮植物的根和莖蓄積重金屬的能力很強?？蓪ξ廴舅w中低濃度的Fe、Cu、Ag、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn、Se、Hg發(fā)揮較好的蓄積作用。

　　某些種類(lèi)的浮葉植物能對特定的重金屬離子發(fā)揮較好的治理修復效果。田字萍、菱、睡蓮能對低濃度Hg、Mn、Cd、Cu、Cr、Pb發(fā)揮較好的吸收和蓄積作用。

　　沉水植物吸收和蓄積水體重金屬能力也很強。狐尾藻、菹草、水池草、眼子菜、黑藻等可蓄積Co、Mn、Ni、Se、Fe、Al、Pb、Hg、Zn、Cu、Cr、Cd、As等低濃度重金屬元素。

　　3.2 不足之處

　　水生植物生態(tài)修復重金屬污染水體的主要不足之處有：(1)可選用的水生植物種類(lèi)有限，(2)僅適用于流速較慢的重金屬污染河流和湖泊，(3)水生植物吸收重金屬的能力有限，對于高濃度的重金屬水體難以適用，(4)水生植物生長(cháng)到一定程度需要定期割除，避免植株吸收重金屬能力的下降，(5)水生植物蓄積重金屬的后續無(wú)害化處理需要高度關(guān)注，避免重金屬再次進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)及生態(tài)系統。

　　四、水體重金屬進(jìn)入食物網(wǎng)的生態(tài)過(guò)程

　　水體中的重金屬元素最先通過(guò)水生植物根莖葉等部位被吸收和蓄積，隨著(zhù)水生植物被不同級別的消費者捕食，其所含的重金屬元素也沿著(zhù)食物網(wǎng)傳遞，產(chǎn)生生物累積效應。目前用于研究重金屬在食物網(wǎng)中累積和傳遞的方法主要有碳氮穩定同位素法和腸胃含物分析法，部分重金屬會(huì )在食物鏈轉移過(guò)程中產(chǎn)生生物累積放大現象。QUINN等在湖泊水體中發(fā)現了Cd、Zn的生物累積放大現象。

　　Hg、Se等重金屬在水生食物網(wǎng)上的傳遞存在明顯生物放大特性。BIDDINGER等研究發(fā)現，在二形柵藻→水蚤→長(cháng)鰭無(wú)須?的食物鏈上存在明顯的Se富集現象。BARWICK等通過(guò)對麥加利湖海草生態(tài)系統的研究，發(fā)現兩種肉食性魚(yú)類(lèi)體內Se富集量是滸苔屬植物的近30倍。CAMPBELL等對巴芬灣北部水域生態(tài)系統食物網(wǎng)的研究結果表明，魚(yú)類(lèi)和鳥(niǎo)類(lèi)肌肉及肝臟組織Hg含量遠高于第一營(yíng)養級的水生植物中的含量。研究發(fā)現Cd、Pb也存在生物累積放大現象，但是放大效應不顯著(zhù)，不過(guò)另有研究表明在水生生態(tài)系統中Cd、Pb存在生物稀釋現象。

　　五、結論與展望

　　利用水生植物修復重金屬污染水體具有治理成本低、景觀(guān)效果好等優(yōu)點(diǎn)，在水體修復領(lǐng)域具有廣闊的應用空間。未來(lái)應挑選適應性強、抗逆性佳、生物量大、蓄積能力好的水生植物，提高生態(tài)修復重金屬水體的能力。最好篩選具有生長(cháng)迅速、生物量大、易割除、能適應冬季低溫等特點(diǎn)的水生植物，研究者可將研究重點(diǎn)轉向利用基因工程和組織培養技術(shù)培養具有良好綜合性能和超富集重金屬能力的新物種。此外，利用多種水生植物的合理搭配組合，可以發(fā)揮多種水生植物在吸收蓄積不同種重金屬元素的功效，組成較合理的植物群落，提高水生植物群落的自動(dòng)調節能力和生態(tài)穩定性，有望于不同季節都能實(shí)現較高效的重金屬吸收蓄積能力。(來(lái)源：海南省環(huán)境科學(xué)研究院(海南省環(huán)境監測中心站);吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院)