水生态处理中植物根际环境作用研究

水生态处理中植物根际环境作用研究王健1,侯文华2,何绪文1摘要：本文综述了国内外利用水生植物生物生态处理水体的研究进展，介绍植物根际环境在水体修复中的作用、重要性原理分析及其、当前的研究热点，最后展望了植物根际环境研究在水生态修复中的发展前景。关键词：水污染，根际环境，根际分泌物，根际微生物1.引言水污染是一个世界性问题，它会导致水资源的可利用性能降低，自然水生态系统的逐渐退化。我国是水资源短缺的国家，随着人们对水环境的重视，对水处理的要求的也越来越高。目前，生物学处理法成为了水处理领域中的热点，尤其是水生、湿生植物处理法。用这种生物生态的处理技术来补充传统的生化二级处理技术的不足，它不仅能起到净化水的作用，还能改善生态环境，促进退化水生态系的恢复。无论是在人工湿地和植物浮床的处理系统中，水生植物除了直接吸收、固定、分解污染物外，还通过对土壤中细菌、真菌等微生物的调控来进行环境的修复。了解植物的根际环境对发展植物生态处理技术在水处理中的应用有很大的促进作用。2.国外研究现状近20年来，世界上许多国家均已广泛利用水生植物来净化生活污水、工业废水以及富营养湖泊治理中，并产生了一种以大型水生植物为基础的AMATS污水处理系统。植物本身能直接代谢吸收污染物，另外根系还能增加微生物数量和根际特殊微生物区系的选择性，改善土壤的理化性质，增加共代谢过程中所需根系分泌物的排放量，提高污染物的腐殖质化和吸附性能，从而增加污染物的生物有效性[1]。纽约州立农业和生物科学院的农业工程师WILLIANJJ指出，以水生植物为基础的生态处理体系和典型的化学处理厂对污水处理的效果一样好[2]。NinaCedergreen等进行了利用水葫芦去除水体中氮磷的研究，发现在含有水葫芦的水体，氮磷的去除率明显高于没有植株的试样，而且根区的酸碱度等物理化学指标都有异于非根区水体[3]。RaffaelloCossu等人也利用水生植物净化垃圾处理液液发现了同样的结果[4]。植物的生长和繁殖离不开营养物质，水体中相当部分的营养物被植物转化或保存在植物体内。对于不同生活型的水生植物，普遍认为漂浮植物吸收能力强于挺水植物，沉水植物最差。与木本植物相比草本植物对污水中的污染物则具有较高的去除率，如有芦苇的湿地对NH+4-N的去除率接近100%，而无芦苇时，仅为40%～75%[5]。M.E.Soltan等研究发现水浮莲在多种重金属不同浓度下的吸附能力，发现水浮莲能在较高的金属浓度下生存而且对金属离子的吸附导致了水浮莲根区的pH值、DO值下降，说明水浮莲有净化重金属作用。作者还认为根区pH值下降是因为水浮莲根系分泌了有机酸类物质，促进了重金属的吸附[6]。湿地系统具有明显的缺氧环境，湿地中氧的传播速率约为陆地环境氧的传播速率的万分之一[7]。水生植物则具有适合在缺氧条件下生存的结构与特征，包括茎肥大，茎和根的中心具有较大的组织，茎中空，具有浅根系等。植物的这种特殊结构，有利于氧在其体内的传输并能传递到根区，不仅满足了植物在缺氧环境的呼吸作用，而且还可以促进根区的氧化还原反应与好氧微生物的活动。将光合作用产生的氧传递到根区，在根区的还原态的介质中形成氧化的微环境，根区有氧区域与缺氧区域的共同存在为根区的好氧、兼氧和厌氧微生物提供了各自的小生境，使不同微生物都能发挥各自的作用[8]。从以上研究发现植物净水系统中，植物根区起着很重要的作用。根际这个微生态系统有3个重要的结构主成份：(1)植物根系，(2)微生物，(3)土壤或水等。它们相互作用从而形成一个复杂体系，进入根际的污染物便在此体系中发生一系列物理、化学和生物学行为从而表现出相应的生态环境效应。根际环境是一个复杂的生态系统，而且不同物种甚至是同一物种的不同基因型之间对根际微生物的种群密度和数量有着不同的影响[9,10]。Rengel等(1993)认为这是由于不同种类或基因型的植物分泌的分泌物种类和数量不同导致的[11]。虽然根际微生物在增加矿物营养的有效性方面有着不可估量的作用,但对植物和根际微生物以及矿物营养有效性之间相互作用的研究还很有限。这主要是有下述四方面的原因。①根系分泌物和根际微生物的种类和数量繁多,影响因素复杂；②不论是在大田还是在水培条件下,很难收集到完整的根系分泌物；③迄今为止还没有标准地分析根分泌物的方法,因此各结果之间难以进行比较；④矿物营养之间存在相互替代和拮抗作用。由于这些问题的存在,使得根系分泌物和矿物营养有效性以及根际微生物的种群密度之间的关系变得十分复杂,甚至出现相反的实验结果。在根际中，由于植物根系的分泌作用而导致了众所周知的微生物根际效应。根分泌物作用于周围环境形成根际,产生根际效应,而根际微生物又会对根分泌物起到修饰限制作用,根分泌物与根际微生物之间的关系是相互的。早已证明，根系分泌物会影响土壤中微生物的数量及群落组成，群落特征也随着根系分泌物的类型而变化。根际环境中的细菌密度比非根际土壤通常大2～4个数量级，并表现范围更广泛的代谢活性[12]。微生物的活性及其生物量增长受到底物的限制，特别是碳源，根际环境中碳源的输入明显增加微生物的活性[13－15]。MarschnerP等研究发现根分泌物除了可以影响到根际微生物的种群数量外,还可以通过改变根分泌物成分来控制根际微生物种类[16,17]。根际环境－根际微生物—污染物相互作用构成了水生植物净化水体机理的重要组成部分，它们三者之间相互作用，成为根区有别于非根区的原因。根际环境－根际微生物—污染物相互作用及其影响因素的研究结果既能为寻找、生产取代农药化肥的一些微生态制剂，也能为污染土壤、水体、富营养湖泊的生物治理提供理论依据和方法指导。3.国内研究现状我国在70年代中期开始研究水生植物的净水工艺，80年代以后迅速发展，特别是近十年来，对净化多种类型污水的能力进行了研究，其中以水葫芦为主体的生态工程建设取得了很大成绩[18]。水生植物对污染物的净化包括吸附、吸收、富集和降解几个环节，植物可通过根系吸收，也可直接通过茎、叶等器官的体表吸收。吸收到体内的有机物，属于难降解的种类，如重金属及DDT、六六六等有机氯农药，可贮存于体内的某些部位，其蓄积量甚至达到很高时，植物仍不会受害。如将蓄积大量污染物的植物体适时地从水体中移出，则水体即可达到较好的净化效果。也有一些有机污染物，如酚、氰等进入植物体内，可被降解为其它无毒的化合物，甚至降解为CO2和H2O，这是更为彻底的净化途径[19]。刘建武等研究凤眼莲(Eichhorniacrassipes)净化含萘废水的机理，发现凤眼莲主要是依靠根系的吸附作用、吸收作用甚至根际微生物的降解等途径完成净化作用[20～22]。宋祥普、邹国燕等采用水域浮床无土种植水稻的方法，通过水稻的吸收和富集作用，去除水体中的氮、磷物质[23]。水生植物净化工业有机废水时，可以有效降低废水中的COD、SS、有机氮、有机磷等指标。杨凤江、李立明[24]利用水生植物水葫芦、绿萍治理淀粉废水，使COD的总去除率达98%，SS去除率可达97%，氨氮的去除率可达99%，取得良好净化效益。水生植物对一些有毒有害有机污染物也有一定的净化作用。施积炎等研究发现根分泌物可以通过改变根际pH值等条件而影响重金属的活性，有机酸、氨基酸、多肽等根分泌物能够与重金属鳌合，改变金属在土壤中的结合形态以及活性，另外，根际微生物的种群变化，微生物与根系的相互作用以及微生物分泌物等，都有可能对土壤重金属的生物有效性带来重大影响[25]。对水生植物净水的原理研究发现，植物除自身能吸收氮、磷等营养物质外，由于植物根系的特殊的物理化学环境使得聚集在根区的微生物数量比非根区多得多，根区的净水效果明显比非根区好。在植物生长过程中不断地向生长介质中分泌大量的低分子有机物（如糖类、有机酸、氨基酸、酚类化合物等），为根际微生物提供大量的营养和能量物质，加上植物根区的泌氧能力，在根区的微生物活性也增强了，对有机物降解加快，从而产生明显的根际效应[26]。分泌物能影响根际微生物代谢，微生物活动能加快根际有机磷、有机氮的分解及其它矿质元素的活化，凤眼莲根分泌物对根际细菌的降酚酶活性有积极影响，从而促进了根际细菌的降酚效率[27，28]。凤眼莲分泌物中的氨基酸组分对根际细菌趋化作用也产生明显影响[29]。郭耀基等研究发现分泌物同时影响微生物的生态分布，在大多数情况下根分泌物对根际微生物的作用是松散的、非特异性的，主要促进革兰氏阴性无芽孢杆菌在其根部的聚集[30]。另外根分泌物还能抑制病原微生物。微生物的根际效应是明显的，植物根际细菌、真菌和放线菌的数量均大于非根际相应的数量。植物种类、土壤类型不同，植物的根际效应不同，各种微生物类型受根际效应的影响也不同，其中受影响程度为细菌真菌放线菌。根际微生物和根系呼吸作用消耗较多的氧气，可能会造成根际氧化还原电位下降。根际土壤pH值与非根际土壤pH值差异很大[31]。从我国对根际环境的研究历程来看，人们对根际环境和根际过程的认识逐步加深，目前关于根际的研究趋向于整体性的系统研究，形成了多学科的交叉研究前沿。这些研究为植物在恢复景观水体、富营养化水体的应用提供了大量的理论和工程指导[32]。4.展望利用水生植物对污水的净化修复过程，很少有废物和排放物产生，无疑为我国日益恶化的水环境修复提供了一个良好的途径，具有广阔的市场和应用前景。但水生植物在其中的作用，国内外目前还存在一些的争议[33]。绝大多数的室内和现场试验都表明，水生植物的作用是高效的或有效的。水生植物能否发挥其最大的净化及应用潜力，关键在于植物种类的选择和植物群落的搭配，特别是通过试验选择耐污性强、净化效果好、适宜其生存环境的物种是一项优先考虑的工作。目前，需要进一步研究的问题是根际污染物的去除过程，根际污染生态过程及调控，系统的进一步优化等等，通过优化植物的根际环境以达到植物处理最优效果。参考文献[1]ReilleyKA,BanksMK,SchwabAP.Dissipationofpolycyclicaromatichydrocarbonsintherhizosphere.J.Environ.Qual.,1996,25:212～219.[2]WILLIANJJ.Theroleofwaterplantinwatertreatment[J].AgriculturalEngeneering,1986,57(6):9-10.[3]NinaCedergreen,Nitratereductaseactivityinrootsandshootsofaquaticmacrophytes,Aquaticbotany,76(2003):203-212.[4]RaffaelloCossu,RemovalofmunicipalsolidwasteCODandNH4-Nbyphyto-reduction:Alaboratory-scalcomparisonofterrestrialandaquaticspeciesatdifferentorganicloads,EcologicalEngineering，16(2001):459-479.[5]DrizoA.Phosphateandammoniumremovalbyconstructedwetlandswithhorizontalsubsurfaceflow,usingshaleasasubstrate[J].WaterScienceandTechnology,1997,35(5):95～102.[6]M.E.Soltan,M.N.Rashed，Laboratorystudyonthesurvivalofwaterhyacinthunderseveralconditionsofheavymetalconcentrations,AdvancesinEnvironmentalResearch,2003,7：321－334.[7]RobertHKadlec,RobertLKnight,etal.ConstructedWetlandsforPollutionCon