全 文 ：0 引言
近几十年的研究发现水生植物净化系统具有净
化效果佳、造价低、运行管理方便、景观和生态效益
好等优点,因此世界各国研究者越来越关注利用水
生植物,特别是水生维管束植物和高等藻类,对污染
水体进行生态修复[1]。其中,水葫芦是研究最早、最深
入,也是实际生态修复工程中应用较广的水生植物。
水葫芦,学名凤眼莲,雨久花科,俗称布袋莲、水
荷花、假水仙。因在每个叶柄中部都有一个膨大似葫
芦的球状体而得名,具有发达的水下根系。水葫芦喜
欢高温湿润,在25～35℃下生长速度惊人,通常情
况下在8个月内就能从10棵增至60万棵,是公认的生
长最快的植物之一。水葫芦自身的特性造就了它超
强的水质净化本领,同时也带来了水葫芦疯长难以
控制的生态灾难。
在此,归纳了国内外近年来水葫芦在水生态修
复中的3个主要研究方向,讨论了水葫芦净化系统在
水体修复中的合理位置,最后总结了目前研究中的
不足并展望了未来的研究方向,旨在为生态修复提
供理论和技术支撑。
1 水葫芦在水生态修复中的研究方向
1.1 水葫芦的净化能力与净化机理
水葫芦净化的受损水体主要包括富营养化水体
和被特殊物质污染的水体,例如高分子有机废水、重
金属废水、垃圾渗滤液等。应用的形式主要有直接应
用于河流湖泊天然水体、水生植物塘、地表漫流式人
工湿地等,此外还有大量的室内小型实验。
1.1.1 水葫芦净化受损水体的能力
水葫芦净化受损水体的能力,根据所净化受损
水体的性质,可分为下列几种:
(1)净化富营养化水体
利用水葫芦来净化富营养化水体在国内外报道
很多。葛滢等[2]比较了14种水生植物净化不同富营养
化水体,其中水葫芦的净化效果良好。此外,水葫芦
还能抑制藻类生长。Sharma等[3]研究发现,水葫芦根
和叶的渗滤液均能够抑制斜生栅列藻的生长。
(2)净化工业废水
袁蓉等[4]利用水葫芦处理多环芳烃(萘)有机废
水,结果显示水葫芦能净化水体中80%以上的萘。黄
水葫芦在水生态修复中的研究进展
张文明 1, 王晓燕 2
(1.河海大学环境科学与工程学院, 江苏 南京 210098;2.河海大学水利水电工程学院, 江苏 南京 210098)
摘 要: 水葫芦是水生态修复中研究最早和最深入的水生植物之一。在此,归纳了国内外近年来水葫芦在水生态
修复中的3个主要研究方向:净化水体能力与净化机理、控制水葫芦疯长和资源化利用水葫芦。探讨了水葫芦净化
系统在水体修复中的合理位置:天然水体的生态修复、水葫芦与污水处理工艺的组合、低浓度生活污水和雨水处理
等。最后展望了水葫芦在水体生态修复中未来的研究方向。
关键词: 水葫芦; 水生态修复; 研究进展
中图分类号:X7 文献标识码:B 文章编号:1004-8642(2007)01-0055-04
收稿日期:2006-10-16
作者简介:张文明(1982-),男,江苏赣榆人,硕士研究生,主要从事水
生态修复方面的研究.
ResearchesofHyacinthinWaterEcologicalRestoration
ZHANG Wen-ming, WANG Xiao-yan
Abstract:Hyacinthisoneofhydrophytesthatstudiedearliestandmostcompletelyinwaterecologicalrestoration.Recent
globalresearchesofhyacinthinwaterecologicalrestorationweregeneralizedintothreefields:purifyingabilityonpoluted
wateranditsmechanism,controloftheexcessivegrowthofhyacinth,andresourcesutilizationofhyacinth.Therational
positionsofhyacinthinwaterecologicalrestorationwerediscussedandrecommendedasecologicalrestorationhydrophytein
naturalwaterbody,thecombinationofhyacinthwithwastewatertreatment,low-concentrationdomesticwastewaterand
rainwatertreatmentandetc. Finaly, prospectswerestudiedonfutureresearchfieldofhyacinthinwaterecological
restoration.
Keywords: Hyacinth; Waterecologicalrestoration; Researchadvances
第20卷 第1期
2007年2月
江 苏 环 境 科 技
JiangsuEnvironmentalScienceandTechnology
Vol.20 No.1
Feb.2007
江 苏 环 境 科 技 2007年2月
文凤等[5]研究了利用厌氧-兼氧-水葫芦-吸附组合
工艺处理TNT和RDX混合废水。当混合废水质量浓
度为4～12mg·L-1时,经过该工艺处理后可达到国家
排放标准。 Casabianca等[6]试验,水葫芦可以去除石
化废水中26%的悬浮颗粒物、28%的碳氢总化合物
和18%的总有机碳。 此外,水葫芦还可以净化奶牛
厂厌氧消化污水、造纸厂污水和染料废水等。
(3)净化垃圾填埋场渗滤液
垃圾填埋场渗滤液成份十分复杂,El-Gendy博
士[7]研究了水葫芦对垃圾渗滤液营养物质和重金属
的净化能力,调查了水葫芦对盐度离子的耐受能力,
研究指出水葫芦系统可以处理新、老填埋场典型的
渗滤液。
(4)净化含重金属、甚至放射性物质水体
Mehra等[8]的研究表明,水葫芦能够吸收除了
Co,Al和Fe外所有的元素。Zhu等[9]指出利用水葫
芦富集痕量金属Cd2+,Cr6+最好,其次是Se6+,Cu2+,
再次是As5+,Ni2+,且重金属主要富集在水葫芦的根
部[10]。水葫芦同样能够去除放射性物质。据Bhainsa
等[11]研究表明,干的水葫芦根能够在4min内吸附
去除54%的U6+。
(5)净化其它水体
Casabianca等[12]研究发现水葫芦对盐分有较大
的适应性,尽管产量低,但仍可用于处理含盐废水;
Granato[13]证实,水葫芦能降解游离氰化物,可以与其
他措施联合处理含氰废水。
1.1.2 水葫芦净化受损水体机理研究
据国外资料报道,水葫芦的净化机理总体上做
如下解释:①叶子和空中部分遮盖了水体表面,藻类
获得不了光能而死亡;调节温度,从而为微生物的生
长创造良好的温度条件;叶子合成的可溶性碳进入
根部,为微生物提供碳源;叶子将氧气传输到根部,
为微生物提供氧气;减少风造成的紊动,从而有利于
污染物沉降。②浓密的根对微生物提供附着的载体、
过滤污染物、直接吸收氮磷等营养物质、某些重金属
和有机物。③附着微生物的降解作用。④水葫芦能够
根据水体营养水平,重新分配体内营养物质和调节
自身形态[14],以达到最佳的繁殖速度。
Li等[15]认为水葫芦能够抵抗污染与超氧化物歧
化酶有关。袁蓉等利用水葫芦处理多环芳烃(萘)有
机废水时发现,根系微生物在降解高分子有机物上
发挥着非常重要的作用,并指出多环芳烃苯环的降
解取决于微生物产生加氧酶的能力。
Ghabbour等[16]从水葫芦体内提取出腐殖酸,由
于腐殖酸具有结合重金属的能力,因此认为腐殖酸
与水葫芦结合重金属有关。Soltan[17]认为水葫芦细胞
内的氨基酸、羧基和羟基与重金属的螯合作用是去
除重金属的主要原因。
关于水葫芦抑制藻类生长,Sharma等认为水葫
芦在生长期由于高密度、高叶面系数和吸收营养物
质速度快,从而抑制藻类的生长;在衰败期,根系能
够分泌某些特定有毒化合物抑制藻类的生长。KIM
等[18]认为水葫芦根垫面去除藻类的机理是吸附和
沉淀。
1.2 控制水葫芦疯长
水葫芦原产于美洲,主要作为廉价的猪饲料引
进。由于现在已经很少采用水葫芦做猪饲料,加上水
体富营养化逐渐加剧,使得水葫芦大量繁殖,产生了
一系列生态、经济、社会问题。在非洲甚至出现了由
于水葫芦大量繁殖,破坏渔业,居民被迫搬迁的事
例。因此,必须控制水葫芦的疯长;目前采用的主要
方法有机械法、化学法和生物法。
(1)机械法
机械法就是借助机械设备、人工打捞等工程措
施从水体中移出水葫芦。OGARI[19]在非洲湖上采用
在水葫芦上覆盖塑料膜的方法来产生高温将水葫芦
杀死,研究表明采用黑色塑料膜在3周后能完全使水
葫芦死掉,并不可恢复。
控制水葫芦疯长,必须及时将水葫芦移出水体。
墨西哥Valsequilo水库采用机械打碎水葫芦但没有
将水葫芦移出水体;Mangas-Rarnurez[20]研究了打碎
前后的水质和生物群落的变化。打碎后水体透明度
和溶解氧下降,PO43-增加,NO2--N和NO3-N分别增
加450%和320%,前4个月NH3-N达到致死浓度,鱼类
灭绝,第二年水葫芦又开始生长,整个工程失败。
(2)化学法
陈若霞等[21]研究了18种除草剂对防除水葫芦的
药效,并筛选出药效最好的水花生净1500倍液,药
后30d株死亡率超过90%,下沉率超过50%。药后
40d死亡率超过97%,下沉率超过77%,并可兼治
水花生。但此种方法要求所用农药毒性专一、无残
留,对其他生物不构成威胁,并且要注意水葫芦枯死
下沉,可能会引起河道淤积及二次污染的问题。
(3)生物法
生物法控制水葫芦疯长最常用的是水葫芦的天
敌——水葫芦象甲,此外还有真菌病原体、蚕蛾以及
植物的相克作用。
Aguilar等[22]曾经观测两种水葫芦象甲Neochetina
bruchi和N。eichhorniae对水葫芦疯长的控制:
Batemote水库,1年后水葫芦的覆盖率从95%下降到
3%;Hilda水库、AroyoPrieto水库和Mariquita水库在
3年内,水葫芦的覆盖率从100%,100%和80%下降为
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第20卷 第1期
1%,1%和20%。HEARD等[23]研究Neochetinabruchi和
N。eichhorniae破坏水葫芦效果与水体富营养水平的
关系时候指出,在富营化水体中采用Neochetina
bruchi效果更佳。Center等[24]提出采用Beluradensa来
控制水葫芦疯长。Haq等[25]则采用螨类控制水葫芦
疯长。
Kathiresan[26]利用薄荷科的紫锦苏的干粉控制水
葫芦,在投加其质量浓度为40g·L-1时,24h内杀死
水葫芦,1周后可以使水葫芦鲜重和干重分别下降
80.2%和75.63%。占水体3%的马樱丹属嫩枝沥出液
能在21d内杀死水葫芦[27]。
1.3 资源化利用水葫芦
富营养化水体中生长着大量的水葫芦,同时在
生态修复工程中也需要收割水葫芦。当前,资源化
利用水葫芦已经成为水葫芦在水生态修复中的瓶
颈,因此众多的研究者投入到开发水葫芦经济价值
的研究中。
(1)食品、药用资源的开发
研究发现水葫芦是一种可供食用的植物。水葫
芦叶面蛋白质所含的必需氨基酸总量超过稻谷、燕
麦、小麦和高粱,可与大豆粉和玉米粉媲美,接近牛
乳与浓缩绿叶蛋白的水平。只要不是生长在重工业
区或钢铁厂旁,就可放心食用[28]。
(2)提取有用物质(蛋白质、谷胱甘肽、回收抗氧
化体)
Bodo等[29]优化一步固-液提取法从干水葫芦叶
子中提取蛋白质以获取谷胱甘肽。Bodo等[30]认为可
以从水葫芦中提取抗氧化体。还有的研究者从水葫
芦中提取挥发性脂肪酸和牛粪一起进行厌氧消化产
生甲烷。
(3)生产饲料
Mukherjee[31]首先将水葫芦发酵,然后利用两种
侧耳属菌对发酵产物进行脱木质素处理,产生了易
于反刍动物消化和含有高菌蛋白的饲料。
(4)产生甲烷等气体
将水葫芦厌氧发酵可产生甲烷,满足能源需求。
Matsumura[32]研究超临界水提取水葫芦体内的有机
物产气,但是其价格比东京城市供气贵1.86倍。
(5)土壤肥料和改良剂
水葫芦在经过蚯蚓反应器被蚯蚓消化之后,代
谢产物是良好的肥料和土壤改良剂,对蔬菜没有任
何副作用,深受广大发展中国家农民的欢迎。在这方
面,以印度学者的研究最为突出。Gajalakshmi等[33-34]
研究了利用消化处理6种形式的水葫芦,包括新鲜的
整株水葫芦、干的整株水葫芦、切碎的新鲜的水葫
芦、消化过的水葫芦(在发酵桶中,提取挥发性脂肪
酸后的剩余物)、堆肥后的新鲜植物和堆肥后的消化
过的水葫芦,结果表明堆肥后的植物是最受蚯蚓欢
迎的,其次是消化过的水葫芦。该研究主要为堆肥后
水葫芦的残渣提供了出路。
(6)采用系统论思想资源化
Hargreaves[35]在2003年提出了从根本上解决水
葫芦处置一套完整的系统,该系统将湖体里打捞的
水葫芦晒干养蘑菇,养蘑菇后的水葫芦残体然后养
蚯蚓和喂牛,蚯蚓喂鸡,鸡粪和牛粪用来产沼气,沼
气解决了农民的日常燃料问题,从而保护了森林和
植被,解决了水土流失问题,因此从根本减少了随水
土流失而进入水体的氮、磷,从而切断了水葫芦生长
所需的生源要素,水葫芦自然衰亡。用生态学理论解
决了水葫芦泛滥问题,值得中国借鉴。
2 结论
虽然水葫芦能够净化各种高浓度有毒有害污
水,但是在实际应用中,不宜直接用水葫芦净化此类
污水。水葫芦有耐污极限,过高的污染负荷不利于植
物生长,从而减弱净化效果;再者,高浓度的污染物,
比如重金属,会被植物富集,植物在收割后资源化利
用将受到限制,很可能造成污染物的迁移,引起二次
污染。因此,应当在处理前因污水性质不同采取不同
的预处理措施。综上,建议将水葫芦净化系统用于:
天然水体的生态修复;水葫芦与污水处理工艺的组
合,如城市污水处理厂的三级处理;低浓度生活污水
和雨水处理等。
水葫芦在水生态修复中的研究和应用已取得了
丰硕的成果,但其净化机理的研究不够深入且存在
较大争议,如何趋利避害的控制性利用水葫芦也有
待进一步研究。因此未来水葫芦在生态修复中的研
究方向依然是:净化机理的深入研究、控制水葫芦疯
长的进一步研究、资源化利用水葫芦的继续研究。
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(责任编辑 胡燕荣)
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