红树林湿地生态系统净化污水的研究

红树林湿地生态系统净化污水的研究【摘要】红树林湿地系统处于淡水河海水的交互地带，具有净化水体的功能。随着大量污水、废物源源不断地排放入海，红树林湿地的水体净化功能正日益受到重视。综合国内外学者的相关研究成果，对红树林湿地系统的污染生态及其净化效果方面的研究概况进行了综述。研究结果表明，红树林对重金属、石油及污水等污染物有较强的耐性，且红树林植物和林下的土壤都有吸收多种污染物的能力，对污染物有较强的净化效果。红树林湿地系统的研究还有待于进一步深入，关键词：重金属石油生活污水湿地一前言红树林（Mangrove），是一类生长在热带、亚热带海湾、河口和海岸潮间带，受周期性海水浸淹的由常绿灌木或乔木组成的木本植物群落。由于红树林湿地系统处于淡水和海水的交互地带，污染物和有毒物质存留在泥潭中，红树植物林湿地系统可通过物理作用、化学作用及生物作用对各种污染物进行处理可对其加以吸收、积累而起到净化作用。[1]对污水中的重金属和氮磷营养物等有较强的吸收容纳力，具有处理陆地径流带出的有机物质和含油废水等其他污染物的生态功能。红树林可缓解近海水体的富营养化效应，减少赤潮的发生。随着沿海地区城市化的发展和各种产业的兴起，大量污水、飞舞源源不断地排放入海，红树林湿地的水体净化功能正日益受到重视。二红树林湿地系统净化水体的研究概况1.红树林生态系统重金属污染的研究1.1红树林沉积物中和红树植物体对重金属的富集与吸收红树林生态系统可以从水体中吸收并积累重金属元素，从而达到改善水质的目的。红树林湿地生态系统富集的重金属绝大部分分布于其生长的土壤和沉积物中，这些沉积的重金属形成不溶性络合物而积累于淤泥中；被固定的重金属活性较低，减轻了重金属污染对水体环境污染带来的危害和威胁，对海洋污染起净化作用。红树林沉积物腐殖质富含粘粒及有机质。悬浮颗粒的表面积较大，有利于低流速的潮水中悬浮颗粒的沉积。大量悬浮颗粒对重金属元素的吸附使沉积物能够积聚大量的重金属元素，以至于红树林沉积物常常成为重金属污染物的源和库【2】。缪绅裕等【3】用实验证明了在人工模拟秋茄湿地系统中，土壤对重金属元素的吸附积累作用大大强于植株吸收作用。Harbision等【4】和Lacerda的研究从侧面证实了红树林沉积物对重金属元素的富集作用。可以推测重金属在沉积物中的沉积主要依赖沉淀吸附作用而络合吸附作用则在红树植物吸收重金属离子的过程中起到主导作用，尤其是离子交换作用。Horsfall等【5】利用红树植物吸收经MMA处理的Pb溶液，在pH5时单位生物量的吸附能力比不用MMA的对照组高出2.7倍。值得注意的是沉积物的强还原性、强酸性、高盐含量的性质不利于重金属与有机质形成络合物。这三种理化条件可能有利于不同于沉淀吸附和络合吸附的某种未知的沉淀途径。红树植物对于水体中有害元素Hg、Cd、Cu、Zn、Pb、As、Cs等具有吸收作用。红树植物通过根部吸收重金属，进入其体内的重金属除少量分布在叶表面的各种腺体组织中外，主要富集在根部。红树植株不同部位中重金属含量随元素和植物种类不同有大的差别。总体来看，植物根毛重金属含量最高；其次是中根；茎的含量要比叶和花多；此外植株的地下部约占整个植物体的80%左右。重金属在植株内分布特点可以说明红树植物能有效防止重金属进入食物链对其它生物体造成再次污染。秋茄幼苗的根能大量吸收Hg，木榄、秋茄和桐花树等幼苗的根能大量富集铯，某些红树植物幼苗的根部还可富集、吸收某些放射性核素，木榄、老鼠筋、秋茄和桐花树幼苗的根能大量富集Sr，桐花树幼苗所吸收的Sr有97.7%集中在根部。【6】红树植株不同部位中重金属含量与金属元素对生物体毒害强度有关，Cu和Zn是植物的必须元素，这2种金属元素在叶中含量也高，说明了此2种元素在植物体内流动转移较频繁，而Pd是非必须元素，对生物体毒性较大，其主要分布在根中，叶部含量较低，即Pd在红树植物中转移能力也较差。1.2红树植物对重金属的耐性Waslsh等1979年对大红树(Rhizophoramangle)幼苗的土培研究认为大红树幼苗对重金属并不特别敏感，土壤中重金属Pb、Cd和Hg的浓度分别高达250，500和100μg/g时，未见明显受害症状，仅当Hg的浓度达到500μg/g时，才对大红树幼苗生存产生影响。Thomas等1984年砂培红茄冬（R.macronata）和白海榄雌（Avicenniaalba）幼苗，在Pb和Zn浓度达500μg/g的实验条件下，对幼苗的生长影响不大。陈荣华等1988年和1989年对白骨壤（A.marina）、秋茄（Kandeliacandel）和桐花树（Aegicrascorniculatum）幼苗砂培研究表明，水中Hg浓度达1x10^6时未见受害症状，但此3种红树幼苗根对培养液中Hg有较高的吸收富集能力，其中秋茄和桐花树根对Hg的累积分别是原培养液Hg浓度的16~174倍和16~100倍。郑逢中等【7】1992年和1994年砂培秋茄幼苗，在25x10^6的Cd液中培养4周，幼苗生长未明显受影响。该研究也表明秋茄幼苗对Cd有较强的富集能力，尤其是根，根中的Cd含量比培养液高几十倍至上百倍。由此可见，红树植物对重金属污染物有较高的耐性1.3红树林湿地对重金属的净化作用近年来，人工红树林湿地重金属处理技术由于其高效、易操作、无副作用等优点，受到许多国内外学者们的青睐。陈桂珠等【8】发现白骨壤人工模拟湿地对污水中重金属净化效果显著，重金属平均净化效率分别为：Pb98％、Zn90％、Cd95％、Ni94％。Tam和wong|【9】发现秋茄人工模拟湿地对重金属的净化效果也十分显著，去除了污水中超过90％的Pb、Ni、Cd。他们还发现随着污水中重金属含量的升高，秋茄人工模拟湿地重金属去除效率明显提高，如在正常浓度的重金属污水下，Zn的净化效率不足50％，而在5倍、10倍浓度的重金属污水下，Zn的净化效率均超过90％。这一结果与缪绅裕和陈桂珠对秋茄人工模拟湿地重金属污染污水的净化效果的研究报道类似。缪绅裕等还根据物质平衡模型，得出在秋茄模拟湿地污水处理系统中的使用寿命至少为20a。此外，Yim在实验中还发现，桐花和木榄混交林对重金属废水的净化效果比单一纯林好2.红树林生态系统石油污染的研究随着海底石油、天然气的勘探和大规模的开发生产，往来船舶排放的含油污水尤其是大型油船的油溢事故，使大量石油和含油废水进入海洋，致使海洋石油污染日趋严重。石油污染恶化了水质，影响海岸带的动植物区系的组成，甚至危害海洋生物，生长于潮间带的红树林直接受其影响位于巴拿马加勒比海岸的BahlaLasMimas红树林在过去的30a中先后两次遭受严重的油溢伤害。Duke等1997年首次运用航空摄影技术评估了两次污染给该地区红树林带来的致死和亚致死损伤，研究表明：共有占18%的受污红树植物死亡而被砍伐，存活下来的红树植物中近30%林冠异常稀疏。油溢对红树林的影响因石油和红树植物种类的不同有较大差异。[10]石油污染对红树植物的伤害主要是堵塞呼吸根或支持根的皮孔，造成氧气供应不足窒息而死亡；黑色油膜增加日光吸收引起高温，也会造成不利影响。目前来说，石油污染的研究大部分来自国外。其研究成果如下：其一，从各学者的研究报道看来，石油污染会对红树林造成一定量的影响，但应该看到这种影响会因红树植物种类不同有较大的差异，如Suprayogi等的比较研究发现石油处理增加了红海榄和红茄冬对大部分营养元素的富集，但是对白骨壤作用恰好相反，而对角果木则两种作用都有。并且随着处理浓度的增加，红树植物叶片中烃的富集度也增加，其中白骨壤是最高的。白骨壤叶片中累积的烃类是其它3种红树植物的2~6倍。其二，石油的污染程度不同，对红树植物的影响也不一样。如卢昌义等发现白骨壤叶片粘油高达0.451mg/cm^2仍能生长正常。李玫等【11】的研究表明当含油废水浓度大于400mg/l，秋茄叶片的部分生理指标出现变化。而石油浓度过高时其影响应该是致命性的，Rutzler发现弗罗里达浅礁上的大红树幼苗叶部覆盖油面积50%以上则致死：白骨壤呼吸根覆盖油面积50%以上也致死。其三，Proffitt等证明两次石油污染对红树植物没有累积效应或协作效应。总的来说，关于石油污染对红树林的影响研究较少，特别是缺乏对红树林及其湿地系统净化石油的系统性研究。我国这方面的研究较薄弱，有待于进一步加强。在国内对石油污染的研究中，李枚，陈桂珠等【11】研究了人工含油废水对秋茄幼苗生长以及幼苗叶片叶绿素含量、过氧化氢酶活性、含水量、相对电导率与生物量等生理生态指标的影响。研究结果表明，在实验室条件下秋茄幼苗对含油废水有一定的耐受性和适应性，但高浓度则造成伤害。郑松发，郑德璋等指出在超过国家Ⅲ类海水水质标准以及海水和土壤均发生严重油污染的地点，是不能用于营造红树林的。一般认为，对于受石油污染的红树林湿地，可采用生物修复技术。Ransat等2000年的研究表明，油污的红树林沉积物中烃分解细菌数目明显增加。Bums等的实验表明，在红树植物受石油污染后的1a中，石油分散剂的使用比生物修复更有效地降低了红树植物的死亡率，它能把漂浮水面的石油分散成雾滴小微粒从而散布在海水中。1a以后，继续观察存活下来的红树植物的生长，发现生物修复作用又比石油分散剂的使用效果更好一些。澳大利亚官方已经把Bums等的研究成果作为制定石油污染管理政策的依据。3.红树林湿地系统对各种污水的净化氮(N)、磷(P)等营养盐在海水中往往含量较高，是浮游植物生命活动必需的主要元素，也是造成近海水体富营养化的主要组分。当N、P含量过高时，水体容易出现富营养化，藻类及浮游植物过度繁殖，给水中生物造成危害。红树林湿地对N、P等有很好的去除效果。红树林湿地对水中的N、P等富营养物质的净化通过两方面实现：一方面由植物和微生物等吸收N、P；另一方面是土壤对N、P的滤过作用。富含N、P的海水流进红树林湿地生态系统，可通过植物、微生物的集聚沉积作用和脱氧作用将其从水中排除。此外，湿地中红树植物吸收水域中的N、P等营养物质，减轻了由于N、P含量过高而引起的海水富营养化，同时湿地的厌氧环境又为某些有机污染物的降解提供了可能根据Boto和Clough等研究，每公顷红树林年吸收氮150～250kg、磷10～20kg；对海南东寨港国家级红树林保护区的研究表明，红树林湿地生态系统具有较强的污染后恢复的能力；陈桂珠、缪绅裕等通过实验室模拟湿地系统，发现红树林对污水中N、P等营养物质净化效果显著；黄凤莲等发现由于红树林的净化作用，滩涂种植－养殖系统中水质达到II～III类海水水质标准红树植物还能降低养殖水体中的营养盐浓度。刘蔚秋等对深圳市沙井镇9个种植红树的鱼塘和一个无红树植物的对照塘水体中营养盐及浮游植物进行了为期1a的调查研究，发现在鱼塘中种植红树植物能有效降低养殖水体中的营养盐浓度；佘忠明等研究了红树林对养殖水体的净化效应，结果显示，种植红树植物的养殖塘水质均有不同程度的改善，其中以种植比例为45%的桐花树养殖塘水质最好研究发现，城市污水流经深圳福田红树林自然保护区红树林湿地后有机物含量大大降低。Sansanayuth等发现用红树林人工湿地处理含较高浓度盐分的虾塘污水可以降低生化需氧量和总有机碳量另外，有研究发现，红树林湿地对N、P等营养物质的净化效果随污水处理浓度增大而增大，且海水条件下的处理效率要高于淡水条件。如陈桂珠等发现拟秋茄湿地系统对污水中N的净化效果随污水处理浓度增大而增大。廖坤裕等研究发现秋茄湿地中P的净化效果比较好。叶勇等【12】的研究表明，秋茄和木榄系统对N、P的处理效率在海水条件下均比在淡水条件下高，且任一条件下吸收废水N营养盐的能力均高于目前普遍应用的芦苇。另外Boonsong等【13】构建红树林人工湿地进行实验发现一般情况下红树林人工湿地中TSS、BOD、NO3-N、NH4-N、TN、PO4-P、和TP去除率与自然林区无显著差异，但是随着污水停留时间的延长，TSS、PO4-P和TP的去除率会显著升高。国内研究污水中营养物质对红树林的影响相对较多。章金鸿等【14】探