大型水生植物在水污染治理中

的应用研究进展

种云霄 胡洪营 钱 易（清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 !"""#$）

摘 要 大型水生植物在水污染治理中可以发挥多种作用。通过自身的生长代谢可以大量吸收氮、磷等水体中的营

养物质，而其中一些种类还可以富集不同类型的重金属或吸收降解某些有机污染物；通过促进微生物的生长代谢，可以使

水中大部分可生物降解有机物（%&’）降解；通过抑制低等藻类的生长，控制富营养化的表现形式等。根据不同的生活型特

点，利用大型水生植物进行污水处理和水体修复的方式也多种多样，主要包括：以漂浮植物为主的塘系统和以挺水植物为

主的人工湿地系统等。本文从生态功能发挥的角度探讨了植物对污染物降解的机理，并对以大型水生植物为核心的各种

污水处理系统的研究进展与现状进行了综述，指出了利用大型水生植物进行水污染治理的研究与应用中存在的问题和发

展方向。

关键词 大型水生植物 水污染治理

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基金项目：国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划（RST）基 金 项 目（ U*O

V!RRR"$WS!!）

收稿日期：M""M X "Y X MW；修订日期：M""M X "S X T"作者简介：种云霄（!RS$ Z ），女，在读博士研究生，主要研究方向为水

污染治理。

8 引 言

大型水生植物是一个广泛分布在江河湖泊等各

种水体中的高等植物类群，其生长的水塘或湿地很

早就被利用来消纳污水。它们在水体中的生态功能

使其在水污染防治中具有很大的应用价值。随着水

污染的加剧，为了寻找高效低耗的水污染处理技术，

M" 世纪 S" 年代，水生植物开始受到人们的关注，许

多这类植物的耐污及治污能力被研究发现，多种以

大型水生植物为核心的污水处理和水体修复生态工

程技术被开发。大量工程实践表明，这项技术具有

低投资、低能耗等优点，因此近年来已成为环境领域

的研究热点之一。本文就大型水生植物的生态功能

及其在水污染治理中的研究与应用进行了分析。

9 大型水生植物及其生态功能

大型水生植物是一个生态学范畴上的类群，是

不同分类群植物通过长期适应水环境而形成的趋同

性适应类型［!］，主要包括两大类：水生维管束植物

和高 等 藻 类。水 生 维 管 束 植 物（ 1P.1:0E 61GE.;17

第 $ 卷第 M 期 环境污染治理技术与设备 [*; O $，U* O MM " " T 年 M 月 F9E)+0P.9G 1+= 5P.0C89+: D*7 5+607*+89+:1; >*;;.:0*+ (*+:7*; \9B

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!"#$%）具有发达的机械组织，植物个体比较高大。

通常 具 有 & 种 生 活 型（ "’()*(+,-）［.］：挺 水（)-),*/)$%）、漂浮（ (,))*0,’(%’$/）、浮叶（ ("+#%’$/*")#1)0）和

沉水（234-),/)$%）（表 5）。

表 ! 大型水生植物的 " 种生活型

生活型 生长特点 代表种类

挺水植物 根茎生于底泥中，植物体上部

挺出水面

芦苇、香蒲

漂浮植物 植物体完全漂浮于水面，具有

特化的适应漂浮生活的组织

结构

凤眼莲、浮萍

浮叶植物 根茎生于底泥，叶漂浮于水面 睡莲、荇菜

沉水植物 植物体完全沉于水气界面以

下，根扎于底泥或漂浮于水中

狐尾藻、金鱼藻

表 # 大型水生植物污水处理系统［6—55］

类 型 使用方式或地点 处理范围 污染物去除机制 使用较多的种类 研究和应用情况

漂浮植物系统 强化氧化塘等类似的

塘系统

城镇污水的二级或三

级处理、某些工业废

水、暴雨径流、受污染

天然水

植物的吸收、微生物

的代谢

凤眼莲、浮萍、大漂、

水花生、满江红

设计 简 单，但 工 艺

优化 的 研 究 较 少，

应用受制约

挺水植物系统 人工或天然湿地 城镇污水的二级或三

级处理、工业废水、暴

雨径流

微生物的代谢、植物

吸收（以是否收割而

定）

芦苇、香蒲、灯心草、

菰

研究 应 用 最 多，工

艺设计已渐成熟

沉水植物系统 天然水体 沉水植被恢复、受污

染水体修复

对氮、磷的短期储存、

控制 富 营 养 化 表 现

形式

水体原有种类 操作和实施难度较

大，研 究 和 应 用

较少

大型水生植物可通过光合作用将光能转化为有

机能，并向周围的环境释放氧气，在水生生态系统中

处于初级生产者的地位，能够发挥多种生态功能，

如：短期储存 7、8、9 等水体中的植物营养物质，净

化水中的污染物，抑制低等藻类的生长和促进水中

其他水生生物的代谢。与藻类相比，大型水生植物

的特点是更易于人工操纵，即可通过人工收获将其

固定的氮、磷带出水体。这些特点是利用大型水生

植物进行污水处理，特别是针对湖泊富营养化治理

的理论基础。

$ 利用大型水生植物为主的生态系统处理

污水的研究进展及现状

$ :! 大型水生植物系统的运行方式

根据所利用的植物生活型不同，水生植物污水

处理系统有 6 种基本方式：漂浮植物系统、挺水植物

系统和沉水植物系统（表 .）。

在这些系统中，植物处于核心地位，它的光合作

用使系统可以直接利用太阳能；而植物的生长带来

的适宜的栖息环境，使多样化的生命形式在系统中

的生存成为可能，并且正是植物和这些生物的联合

作用使污染物得以降解［5.］，因此，这类系统通常被

称为自然处理系统或人工生态处理系统。与传统的

微生物处理方式相比，它的优势之处在于：低投资、

低能耗、处理过程与自然生态系统有着更大的相融

性等。缺点在于：处理时间长、占地面积大及受气候

影响严重。

除单独使用外，这 6 种方式也经常被组合应用

或与其他的处理工艺形成联合处理系统进行各类污

水的处理。随着研究应用的深入，现在这些联合系

统正在趋向于以水生植物为结合点，把污水处理和

其他功能统一起来，使其扬长避短。如四川成都，为

了处理受污染的府河水在岸边建造的活水公园［56］，

其中的水生植物塘系统既营造了公园的主要景观，

又可有效地进行污水的处理；中国科学院水生生物

所在传统生物塘基础上改进的综合生物塘系统，则

是把污水处理和水产养殖结合的一个尝试［55］；而加

拿大约翰·托德教授的“活机器（"’1’$/ -#;<’$)）”系

=6. 期 种云霄等：大型水生植物在水污染治理中的应用研究进展

统，则把这一点做得更加完美，它通过把人工湿地处

理和水产养殖综合系统封闭在温室内，使空间充分

利用，既创造了一个高效的废水处理系统，也是水生

动植物的资源输出系统［!"］。由此可见，因地制宜的

综合利用，是以水生植物为主的污水处理方式发展

的方向。

! #" 污染物的去除机制

$ # % # ! 植物吸收

表 ! 一些大型水生植物的氮、磷含量和生长率［#，#"］

植物种类存储量

（& ’ ()%）

生长率

（& ’ ()% ’ *）

组织的氮含量

（+ ’ ,+ 干重）

组织的磷含量

（+ ’ ,+ 干重）

凤眼莲 %- # -—%" # - .-—!!- !-—"- ! # "—!% # -

大 漂 . # -—!- # / /-—0- !%—"- ! # /—!! # /

浮 萍 ! # $ .—%. %/—/- " # -—!/ # -

槐叶萍 % # "—$ # % 1—"/ %-—"0 ! # 0—1 # -

香 蒲 " # $—%% # / 0—.! /—%" - # /—" # -

灯心草! %% /$ !/ % # -

镳 草 0—%2 ! # -—$ # -

芦 苇 . # -—$/ # - !-—.- !0—%! % # -—$ # -

沉水植物! / !$ $

! 平均值

被植物直接吸收的污染物包括两大类：（!）氮、

磷等植物营养物质；（%）对水生生物有毒害作用的某

些重金属和有机物。第一类被吸收后用以合成植物

自身的结构组成物质，第二类则是脱毒后储存于体

内或在植物体内被降解。

大型水生植物可以直接从水层和底泥中吸收

氮、磷，并同化为自身的结构组成物质（蛋白质和核

酸等），同化的速率与生长速度、水体营养物水平呈

正相关，并且在合适的环境中，它往往以营养繁殖方

式快速积累生物量，而氮、磷是植物大量需要的营养

物质，所以对这些物质的固定能力也就非常高（表

$）。由于大型水生植物的生命周期比藻类长，死亡

时才会释放这些营养物质，因此，氮、磷在其体内的

储存比藻类稳定，所以可通过在富含氮、磷等营养物

质的污水中种养水生植物，达到使污水脱氮除磷的

目的，同时又可收获生物资源。在这方面，由于易于

收获并且生长速度快，漂浮植物凤眼莲和浮萍被研

究和应用较多［!/］。大量的应用实践证明，尽管这些

植物可以很容易地在污水中生长存活，但是要有效

地利用污水中的氮、磷，只是随便的、任意的种植，达

不到预期的目的，需要对植物种群在污水中的增长

规律、氮、磷的转化效率及合理的收获策略等关键因

素进行深入研究，然后因地制宜地进行科学设计，才

能得到预期的效果［!/，!.］。

环境中的重金属和一些有机物并非是植物生长

所需要的，并且达到一定程度后具有毒害作用，对于

此类化合物，一些植物也演化出了特定的生理机制

使其 脱 毒。植 物 通 常 是 通 过 螯 合 和 区 室 化 等 作

用［!2］来耐受并吸收富集环境中的重金属，这种机制

也存在于许多水生植物中，如重金属诱导就可使凤

眼莲体内产生有重金属络合作用的金属硫肽［!0］，这

些机制的存在使许多水生植物可大量富集水中的重

金属（表 "）。

不同的有机物在植物体内有着不同的代谢机

制，如酚类进入植物体后参与糖代谢，和糖结合生成

酚糖苷，或被多酚氧化酶和过氧化物酶氧化而解除

毒性［!1］；凤眼莲具有直接吸收降解有机酚类的能

力［%-］，据报道，放养凤眼莲后水的酚去除效率比对

照快 %—$ 倍［%!］；最近的研究发现，沉水植物狐尾藻

等还具有直接吸 收 降 解 三 硝 基 甲 苯（ 343）的 能

力［%%］。酚及氰化物等在植物体内能分解转变为营

养物质［!1］，但是 343 在植物体内的降解机制尚不

清楚，仍需进一步研究。

$ # % # % 微生物降解

与其他的生物处理系统一样，在以大型水生植

物为核心的污水处理系统中，微生物对各种污染物

的降解仍然起着重要的作用。污水中可被生物降解

的有机物（通常以 567 来表示）主要由于微生物的

0$ 环 境 污 染 治 理 技 术 与 设 备 " 卷

表 ! 典型大型水生植物的生长特点及其污染物去除潜力［!"—#$］

植物种类 生长特点 污染物去除功能

凤眼莲 根系发达，生长速度快，分泌克藻物质 富集镉、铬、铅、汞、砷、硒、铜、镍等；吸收降解酚、氰；抑制藻类生长

大漂 根系发达 富集汞、铜

浮萍 生长速度快，分泌克藻物质 富集镉、铬、铜、硒；抑制藻类生长

紫萍、槐叶萍 生长速度快，分泌克藻物质 富集铬、镍、硒；抑制藻类生长，

满江红 生长速度快，分泌克藻物质 富集铅、汞、铜

芦苇、香蒲 根系非常发达，生长速度快 去除 %&’、氮

石菖蒲 根系发达，分泌克藻物质 抑制藻类生长

狐尾藻 生长速度快 吸收 ()(、’)( 等结构相近化合物

代谢活动被去除［!#］；氮的去除，尽管有植物的吸收，

硝化和反硝化作用仍是主要的去除机制（约 *+,—

-!,）［$!］。系统中水生植物根际区域为微生物代谢

提供了所需要的微环境。水生植物为了满足淹没于

水中根部的呼吸需要，可以通过体内发达的通气系

统使氧从茎叶向根处转移，呼吸消耗剩余的氧气，就

会直接释放到水中，在根区附近形成有氧环境；同

时，根系也可以作为微生物附着的良好的界面，植物

的根系还可分泌一些有机物从而促进微生物的代

谢，这样就为好氧微生物群落提供了一个适宜的生

长环境，而根区以外则适于厌氧微生物群落的生存，

进行反硝化和有机物的厌氧降解［!*］。因此，尽管微

生物起着直接的作用，但植物的作用也是不可缺少

的，植物的生理代谢活动直接关系到污染物的降解。

# . ! . # 物理化学作用

处理系统中也有一小部分污染物通过物理化学

作用被去除，主要有挥发、吸附和沉降。

综上所述，系统中大部分污染物的去除，植物都

起了直接或间接的作用。而以往的研究对植物的关

注较少，因此要提高处理效率，还需要对处理系统中

植物自身的功能发挥及植物与微生物的关系进行深

入研究。

! 植物种类选择与搭配

植物在处理系统中所起的功能在很大程度上决

定了种类的选用，如主要去除对象是 %&’ 和 )（反

硝化）时，所选植物就需具备能为微生物提供附着界

面的庞大根系以及较强的传氧能力；而当靠植物的

吸收去除 )、/、重金属和某些有机物时，就需要选

择具有较好的富集吸收能力并且生长速度快的种

类；如果去除的污染物目标较多时就需要寻找能够

有效地发挥多种生态功能的种类，或不同生态功能

类型的种类搭配使用。另外，对当地气候的适应、植

物的抗逆性及对病虫害的抵抗能力、植物管理的难

易包括植物的后处理等也应给予考虑。

通过实验，国内外的研究人员已相继筛选出了

一大批能够高效地去除水中各种污染物的植物（表

# 和表 *），这些种类有些已经用于实际的废水治理

工程中，如凤眼莲、芦苇等应用在氧化塘和人工湿地

中。但这些应用多着重于植物根部微生物功能的发

挥，而主要靠植物自身的吸收功能来进行废水处理

的应用还较少，主要是由于对植物吸收污染物后的

生长 规 律 及 对 生 物 量 的 资 源 化 利 用 缺 少 深 入 的

研究。

" 结束语

当前，以活性污泥为主的污水处理系统，无论二

级处理还是深度处理投资费用都比较高，而且由于

需要大量电能，运行费用也相当高，以致于一些经济

不发达的国家和地区难以承受。大型水生植物为主

的污水处理系统，主要由太阳能来驱动，并且在对污

水进行深度处理的同时，还可以回收资源和固定能

源，加之处理过程基本不使用化学品，也不会产生有

害副产物，是一种非常有潜力的“绿色”处理技术。

因此，随着研究的深入和技术的不断完善，以大型水

生植物为主的污水处理与水体修复技术，将会得到

越来越广泛应用。

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（责任编辑：刘 颖）

H& 环 境 污 染 治 理 技 术 与 设 备 & 卷

大型水生植物在水污染治理中的应用研究进展作者： 种云霄， 胡洪营， 钱易

作者单位： 清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京,100084

刊名：环境污染治理技术与设备

英文刊名： TECHNIQUES AND EQUIPMENT FOR ENVIRONMENTAL POLLUTION CONTROL

年，卷(期)： 2003，4(2)

被引用次数： 140次

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