狐尾藻在農(nóng)業(yè)面源污水生態(tài)修復(fù)中的作用研究進(jìn)展

趙文哲　張志　宋頌　易軍　陳學(xué)軍　夏宗良

摘要 以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主的農(nóng)業(yè)面源污染源造成土壤和水體污染日益加重，嚴(yán)重威脅我國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村的環(huán)境質(zhì)量安全。水生植物狐尾藻作為一種污染物富集植物，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染水體生態(tài)修復(fù)和治理中具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)狐尾藻的生理生態(tài)特性、重金屬、氨氮和磷等富營(yíng)養(yǎng)成分的吸收降解機(jī)制及其影響因素進(jìn)行綜述；同時(shí)，對(duì)今后狐尾藻在基因組學(xué)和生物技術(shù)育種方面的研究提出建議和展望，為進(jìn)一步研究和利用狐尾藻進(jìn)行污染生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞狐尾藻；污染水體；生態(tài)修復(fù)；富營(yíng)養(yǎng)化

中圖分類號(hào)X52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2023）08-0016-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.08.004開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research Progress on Roles of Myriophyllum spicatum in Ecological Remediation of Agricultural Non-Point Source Wastewater

ZHAO Wen-zhe ZHANG Zhi SONG Song et al（1.College of Life Sciences， Henan Agricultural University， Zhengzhou， Henan 450002;2.Henan Provincial Academy of Eco-Environmental Sciences， Zhengzhou， Henan 450003;3.Henan Provincial Engineering Research Center of Eco-Environmental Damage Assessment and Restoration， Zhengzhou， Henan 450003）

AbstractAgricultural non-point source pollution， mainly from planting and breeding， has increasingly aggravated soil and water pollution， which seriously threatens the environmental quality and safety of agriculture and rural areas in China. As a kind of pollutant accumulator， the aquatic plant Myriophyllum spicatum has a broad application prospect in ecological restoration and treatment of polluted water in agricultural and rural areas. In this paper， the physiological and ecological characteristics of Myriophyllum spicatum， and its absorption and degradation mechanisms underlying heavy metals， ammonia nitrogen， phosphorus and other nutrient-rich components and their influencing factors were reviewed. Meanwhile， suggestions and prospects for the future research on the genomics and biotechnology breeding of the plant are put forward， which will provide scientific basis for further research and ecological remediation of pollution by Myriophyllum spicatum.

Key wordsMyriophyllum spicatum;Polluted water;Ecological remediation;Eutrophication

近年來(lái)，以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主的農(nóng)業(yè)面源污染源造成土壤和水體污染日益加重，嚴(yán)重威脅我國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量安全［1-3］。農(nóng)業(yè)面源污水中的重金屬、氨氮和磷、有機(jī)物污染物等具有隱蔽性和累積性，可通過(guò)多種途徑進(jìn)入食物鏈，嚴(yán)重影響人類身體健康和生命安全［4-5］。因此，進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污水修復(fù)是保障我國(guó)農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展亟待解決的重要問題。

植物修復(fù)技術(shù)具有成本低、操作簡(jiǎn)便、適用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值突出、美化環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)面源污染修復(fù)中廣泛應(yīng)用［6-7］。楊林章等［8］提出了農(nóng)業(yè)面源污染防控“4R”技術(shù)（即“源頭減量—過(guò)程阻斷—養(yǎng)分再利用—生態(tài)修復(fù)”）。Liu 等［9］報(bào)道了采用綠狐尾藻構(gòu)建一套農(nóng)業(yè)農(nóng)村污水生態(tài)治理技術(shù)體系，對(duì)控制農(nóng)業(yè)面源污染水體具有顯著效果。由此可見，狐尾藻作為一種污染物富集植物在農(nóng)業(yè)農(nóng)村污水生態(tài)修復(fù)和治理中具有廣闊的應(yīng)用前景。該研究綜述狐尾藻的生理生態(tài)特性及重金屬、氨氮和磷等吸收降解機(jī)制及其應(yīng)用，為進(jìn)一步研究和利用狐尾藻進(jìn)行污染生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1生理生態(tài)特性

狐尾藻屬（Myriophyllum spp.）是被子植物門、雙子葉植物綱、小二仙草科的水生植物，可以挺水或沉水生長(zhǎng)，多年生，生長(zhǎng)在在湖泊、河流、池塘、溝渠、濕地等環(huán)境中［10］。狐尾藻屬共包含約69個(gè)種，在世界范圍內(nèi)廣泛分布。狐尾藻可以通過(guò)有性生殖形成種子進(jìn)行繁殖，可以是雌雄同株，例如穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum），也可以是雌雄異株，例如綠狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）。狐尾藻最主要的繁殖方式是無(wú)性繁殖，其莖節(jié)處可以生根，在水中蔓延生長(zhǎng)，莖部的斷枝也容易再生出新的植株［11］。狐尾藻好光喜溫，在夏季快速生長(zhǎng)繁殖，有一定的抵抗低溫的能力。由于其快速繁殖的能力以及較好的適應(yīng)性，狐尾藻在很多國(guó)家地區(qū)被列為入侵物種和惡性雜草［12］。李裕元等［13］在我國(guó)溫帶和亞熱帶的11個(gè)試驗(yàn)站對(duì)綠狐尾藻的適應(yīng)性和競(jìng)爭(zhēng)力開展研究，結(jié)果表明由于受越冬能力、本土水生植物的競(jìng)爭(zhēng)以及天敵危害等因素的影響，綠狐尾藻在我國(guó)大范圍的自然擴(kuò)張比較有限。

2生態(tài)修復(fù)功能

狐尾藻對(duì)污水中的多種成分具有很強(qiáng)的生態(tài)修復(fù)和凈化能力。狐尾藻通過(guò)光合作用為污水中其他生物提供生長(zhǎng)所需的有機(jī)物和溶解性氧氣，還可以通過(guò)根部或莖葉吸收、利用污水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。另外，鎘、鉻、銅等重金屬被狐尾藻吸收后，也會(huì)貯存在體內(nèi)［14］。

2.1對(duì)有機(jī)污染物的降解化學(xué)需氧量（COD）是指水體中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量，被作為衡量水中有機(jī)物質(zhì)含量多少的指標(biāo)。COD值越大，說(shuō)明水體受有機(jī)物的污染越嚴(yán)重。Souza等［15］收集了排放城市污水的河流中的水樣，分析了17～30 ℃條件下狐尾藻對(duì)水中有機(jī)物質(zhì)的降解效果。結(jié)果表明，處理15 d后污水的COD值顯著下降，30 d后COD降低了67%，證明狐尾藻對(duì)污水中的有機(jī)物質(zhì)具有明顯的去除效果。

研究表明，狐尾藻可以通過(guò)多種機(jī)制降解或去除污水中的阿拉特津、氟樂靈、去草凈、噻草酮等有機(jī)污染物［16］。①吸附固定。狐尾藻發(fā)達(dá)的根莖可以在水中形成龐大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)有機(jī)物進(jìn)行吸附固定、防止其在水中擴(kuò)散。②促進(jìn)微生物的降解能力。狐尾藻通過(guò)光合作用大大增加了水體中的溶解氧，進(jìn)而促進(jìn)了水體中分解有機(jī)物的微生物的快速繁殖和降解速率。降解后的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)成分還可以被狐尾藻等水生植物吸收利用，從而達(dá)到降解污水中有機(jī)污染物的目的。董文斌等［17］對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)一～五級(jí)的養(yǎng)殖廢水進(jìn)行去污效果檢測(cè)，結(jié)果表明58 d后水樣的COD去除率均值可達(dá)79.1%，其中一級(jí)廢水COD去除率高達(dá)86.7%，五級(jí)廢水COD去除率達(dá)82.6%，顯示出較強(qiáng)的去除有機(jī)污染物的效果。徐哲［18］研究了深圳市丁山河上中下游3個(gè)由狐尾藻構(gòu)建的人工濕地在污水廠尾水凈化中的應(yīng)用效果，結(jié)果表明，3個(gè)濕地的污染物去除率達(dá)到55%～91%，顯示出狐尾藻濕地高效的生態(tài)修復(fù)效果。另外，綠狐尾藻和活性污泥（含有大量微生物）聯(lián)用的污水處理系統(tǒng)，可以大大提高對(duì)污水中有機(jī)物的降解效果。

2.2水體富營(yíng)養(yǎng)化的修復(fù)水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)量導(dǎo)致水體被污染的現(xiàn)象稱為水體富營(yíng)養(yǎng)化。水體富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)影響水質(zhì)，造成水的透明度降低，陽(yáng)光難以穿透水層，對(duì)水中植物的光合作用產(chǎn)生影響，導(dǎo)致水中的溶解氧少，對(duì)水生動(dòng)物危害極大，甚至導(dǎo)致水生動(dòng)物死亡［19］。水體富營(yíng)養(yǎng)化此前大多使用物理法或化學(xué)法來(lái)治理，但是都存在投入大、治理不徹底的缺點(diǎn)。利用植物進(jìn)行水體富營(yíng)養(yǎng)化修復(fù)已經(jīng)證實(shí)是一種環(huán)保有效的方式。狐尾藻對(duì)水體中的氮、磷的吸收利用能力較強(qiáng)，狐尾藻濕地可吸氮1～2 t/（hm·a）和磷100～300 kg/（hm·a）（相當(dāng)于600頭和1 000頭豬的排放量）。狐尾藻對(duì)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮的吸收率都達(dá)到90%以上，表明狐尾藻對(duì)氮的吸收去除效率效果非常顯著［20］。

吳曉梅等［21］檢測(cè)了穗花狐尾藻在不同的水力停留時(shí)間對(duì)氮、磷的去除效果，結(jié)果表明隨著水力停留時(shí)間的增加，狐尾藻體內(nèi)氮、磷含量均呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)。肖順明［22］對(duì)狐尾藻的全株、根、莖、葉進(jìn)行不同濃度下氮、磷的吸收速率的試驗(yàn)，結(jié)果表明狐尾藻對(duì)氮、磷吸收速率受氮磷濃度的影響，且對(duì)氮的吸收效率為磷的3倍。因此，狐尾藻對(duì)氮、磷的吸收和去除能力很強(qiáng)，很適合用于水體的富營(yíng)養(yǎng)化修復(fù)。但要及時(shí)對(duì)狐尾藻進(jìn)行打撈收割，防止狐尾藻枯萎后產(chǎn)生腐爛釋放，造成水體的二次污染。

2.3對(duì)重金屬的吸附水體中重金屬的污染一直是污水處理的難題。常見的重金屬污染包括銅、鎘、鉛等污染。常規(guī)的清除方法主要依靠物理吸附、化學(xué)絮凝，電化學(xué)以及膜處理法等，工藝復(fù)雜、費(fèi)用高，既不經(jīng)濟(jì)又容易引入新的污染。引入水生植物通過(guò)自身代謝吸附水體中的重金屬，環(huán)保又高效，是當(dāng)下非常有潛力的污水凈化策略。研究表明，狐尾藻在清除水體重金屬污染方面具有較大的潛力。

穗花狐尾藻對(duì)鎘、鉻等重金屬具有較強(qiáng)的生物吸附力，且受pH的影響。當(dāng)鉻初始濃度為36 mg/L時(shí)，pH 5.0具有最高的吸附效率［23-24］；溶液中共存的鈣離子對(duì)狐尾藻生物吸附鎘的能力有競(jìng)爭(zhēng)作用，提高濃度會(huì)影響鎘的吸附；熱力學(xué)計(jì)算表明穗花狐尾藻對(duì)鎘的吸附屬于吸熱的自發(fā)過(guò)程，在一定鎘濃度下，升溫有助于提高吸附能力［25］。穗花狐尾藻對(duì)鉛也具有類似的吸附能力，通過(guò)模型計(jì)算表明穗花狐尾藻對(duì)鉛離子具有最大的理論吸附量52.12 mg/g，銅離子和鋅離子可以干擾鉛離子的吸附；鉛離子主要由于產(chǎn)生離子交換而被吸附，相較于鉀離子和鈉離子，二價(jià)鈣離子與鎂離子更容易發(fā)生交換；與對(duì)鉻的吸附一樣，pH同樣影響穗花狐尾藻的吸附能力［26］。此外，吳曉梅等［27］研究表明，狐尾藻對(duì)于生豬養(yǎng)殖場(chǎng)沼液的銅離子和鋅離子具有較好的富集能力，其中水力停留時(shí)間為40 d時(shí)可獲得狐尾藻最大的沼液凈化效率。總體來(lái)看，目前對(duì)狐尾藻吸收積累重金屬的研究依然較少，尤其對(duì)其吸附積累金屬或重金屬離子的機(jī)制尚需要深入研究。

3狐尾藻生態(tài)修復(fù)的影響因素

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響狐尾藻凈化能力的環(huán)境因素進(jìn)行了研究，主要包括溫度、光照、pH等。

3.1溫度狐尾藻生長(zhǎng)最適溫度為20～30 ℃，高溫或低溫會(huì)對(duì)其生態(tài)修復(fù)功能產(chǎn)生一定的影響。安娜［28］研究發(fā)現(xiàn)高溫條件下狐尾藻對(duì)氨氮的去除率達(dá)70%，對(duì)總氮的去除率達(dá)60%；低溫條件下，對(duì)氨氮和總氮的去除率下降至20%。另外，低溫環(huán)境下，狐尾藻需要30 d的適應(yīng)期。總體來(lái)說(shuō)，狐尾藻在高溫條件下，可以維持凈化和耐受的能力；在低溫條件下，凈化和耐受的能力會(huì)大大降低。

3.2光照不同光照條件對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)代謝、光合作用等產(chǎn)生重要影響。狐尾藻的生長(zhǎng)和凈水效果也會(huì)受光照的影響，在不同光質(zhì)的照射下，其生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用會(huì)受到影響，進(jìn)而影響其對(duì)污水的凈化效果。胡清泉等［29］比較了紅光、藍(lán)光、白光和自然光4種光質(zhì)條件下，狐尾藻的生物量、葉綠素含量和COD、氮磷的降解效率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在紅藍(lán)光3∶1時(shí)生物量最高；在白光時(shí)葉綠素含量明顯低于其他3種光質(zhì)；在紅藍(lán)光3∶1時(shí)狐尾藻對(duì)污水的降解效果最好，這表明光質(zhì)對(duì)狐尾藻的光合能力及凈化水體的效果有顯著影響。桑雨璇等［30］研究了2種光照強(qiáng)度對(duì)沉水植物菹草和狐尾藻富集磷的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)菹草在光照強(qiáng)度為66 μmol/（m2·s）時(shí)的生長(zhǎng)速率和水體磷富集能力顯著高于光照強(qiáng)度為110 μmol/（m2·s）時(shí)的情況，而狐尾藻的生長(zhǎng)速率和富集磷的效率在2種光照強(qiáng)度下差異不顯著。

3.3pH水生植物對(duì)水體pH的反應(yīng)較敏感，酸性條件會(huì)對(duì)水生植物產(chǎn)生毒害作用，造成根莖損傷甚至植株枯萎死亡。但是水體pH也不宜過(guò)高，這同樣會(huì)對(duì)水生植物造成不利影響。目前的研究表明，狐尾藻的生長(zhǎng)和凈水能力需要適宜的pH。李國(guó)新等［23］研究了不同pH條件下狐尾藻對(duì)重金屬鎘的吸附效果，并利用Langmuir模型進(jìn)行了擬合分析。結(jié)果顯示，pH低于2.0的強(qiáng)酸環(huán)境下狐尾藻的表面組織已經(jīng)遭到破壞，不具備吸附重金屬的能力；pH在3.0～6.0范圍內(nèi)鎘吸附能力受pH影響較大，其中pH為5.0時(shí)理論吸附量最大。楊旻［31］研究了pH對(duì)狐尾藻去除不同形態(tài)氮的效果的影響，結(jié)果顯示，在pH為7的中性條件下狐尾藻對(duì)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮具有最大的吸收速率和親和力，并且對(duì)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的去除能力最強(qiáng)；在弱酸和弱堿的條件下雖具有一定的吸收能力，但有所減弱。這表明狐尾藻對(duì)水體中不同物質(zhì)的吸收和降解可能具有不同的最適宜pH。

4展望

狐尾藻對(duì)農(nóng)村農(nóng)業(yè)污水中的氮、磷等富營(yíng)養(yǎng)成分及重金屬等有毒物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附吸收作用［32］，通過(guò)植物收獲可以徹底去除污染物，并回收氮磷等富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在農(nóng)業(yè)面源污染的生態(tài)修復(fù)中具有很好的推廣應(yīng)用前景。目前在狐尾藻的生理生態(tài)特性及生態(tài)修復(fù)機(jī)制研究取得了較好的進(jìn)展，今后還需要從以下方面進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

4.1加強(qiáng)狐尾藻的基因組學(xué)和抗性育種研究狐尾藻好光喜溫，夏季生長(zhǎng)繁殖較快，但到了冬季氣溫降至4 ℃以下，許多狐尾藻植株的水上部分出現(xiàn)凍害，嚴(yán)重影響狐尾藻的生長(zhǎng)。隨著基因組學(xué)和現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有望通過(guò)現(xiàn)代生物技術(shù)培育耐寒狐尾藻新品種。因此，今后需要加強(qiáng)狐尾藻基因組學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，為新品種的培育提供理論支撐。

4.2加強(qiáng)狐尾藻與附生微生物互作機(jī)理的研究微生物菌群附著在水生植物莖、葉和根生物膜上，對(duì)濕地污染物的去除具有重要作用［33］。狐尾藻和附生微生物之間復(fù)雜的相互作用，及其對(duì)氮、磷、重金屬等吸收、吸附、去除的作用機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究。

4.3加強(qiáng)狐尾藻的栽培管理和資源化利用研究針對(duì)狐尾藻濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系需求，完善配套栽培和病蟲害防治等技術(shù)措施，加強(qiáng)綠狐尾藻濕地的采收、維護(hù)及資源化利用等相關(guān)配套裝備的研發(fā)，從而加快該技術(shù)成果在環(huán)保領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

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