水生蔬菜在水体修复中的应用概况

摘 要：利用水生蔬菜进行水体修复的最大优点是其经济价值与水体修复功能的良好结合。总结了水生蔬菜在水体修复中的作用机理、应用优势及应用现状，并指出充分利用水生蔬菜植物构建水体修复系统、保障水体修复系统中的水生蔬菜产品质量安全与产量应是今后重点研究的问题。

关键词：水生蔬菜；水体修复；研究进展

中图分类号：S645 文献标识码：A 文章编号：1001-3547（2013）18-0037-05

1 水生蔬菜对水质净化作用的研究成就

20世纪60年代初，国内外专家学者就相继将水生植物用于水质净化研究。由于水生植物净化水体的效果良好，且净化成本低廉，目前已成为修复受损水生生态系统的主要手段。以往的研究主要侧重于净化效果，较少考虑经济效益，所以研究者多选用凤眼莲（Eichhornia crassipes）、喜旱莲籽草（Alternanthera philoxeroides）和金鱼藻（Ceratophyllum demersum）[1]等水生植物。虽然它们有较强净化能力，有的可以作为饲料、肥料或燃料，但是相对水生蔬菜而言，其经济价值不高，还存在冬季净化和二次污染问题，因此推广应用受到限制。1980年有专家学者开始对湖泊河流等污染水体无土栽培旱生经济植物的净化效果及利用价值的研究。由戴全裕等[2]建立的废水净化与资源化生态工程体系就是以水培经济植物为主，它在处理含重金属废水和酿酒废水的应用中获得较好的生态效益和经济效益。朱斌等[3]调查了近10 a来的95篇国内外文献，统计了不同水生植物在水质净化领域的研究频率（表1）[3]。其中包括我国所研究水生植物45种，而划归为水生蔬菜的植物有香蒲（蒲菜）、水蕹、茭白、菱、莲、水芹、睡莲、慈姑、荸荠9种。其中，睡莲主要用作花卉，但近些年开始作为水生蔬菜开发（菜用睡莲）。表1中，水生蔬菜种类数占了20%；45种植物累计研究频度等级为402次，而其中9种水生蔬菜为72次，占17.91%，说明水生蔬菜在水体净化中应用比较广泛，占有重要地位。

2 水生蔬菜净化水质的特点

利用水生蔬菜净化水体可以逐步恢复生态系统中水生植物群落，实现植物对营养盐、重金属和有机物污染的吸附、利用或转移。同时，水生蔬菜还能够为微生物提供附着共生空间，为水生动物提供食物来源，实现水生生态系统的良性物质循环和能量流动。由于水生蔬菜是利用太阳能作为能量源，具有安全、成本低廉、生态协调及美化环境等作用，但是起效时间较长，生态稳定性完善较为困难。相对于利用喜旱莲籽草（Alternanthera philoxeroides）、凤眼莲（Eichhornia crassipes）和金鱼藻（Ceratophyllum demersum）等水生植物而言，水生蔬菜经济效益更高，生物量易于控制，不会污染和影响水体美观。

3 富营养化水体净化机理的研究

3.1 吸收作用

水生蔬菜与其他作物一样，其生长发育过程也需要吸收大量的N、P等营养元素。王旭明[4]试验表明，水蕹菜对污水中的N、P的去除率可分别达到87.36%，76.4%，效果明显。水生蔬菜被采收或清除时，植株吸收的营养物质会一同从水体中输出，从而实现净化水体。

3.2 降解作用

水体中水生蔬菜在生长的同时，也为微生物与微型生物提供了栖息场所。这些生物还能加速截留有机胶体和悬浮物分解矿化。比如，芽孢杆菌可以将有机磷和不溶磷均降解为无机的可被水生蔬菜吸收利用的可溶性磷酸盐。水生蔬菜根系分泌物质能促进氮细菌、嗜磷菌的生长，进而间接达到提高净化效率的作用。Reilly等[5]认为，在N的去除中细菌的降解作用占主要地位。

3.3 吸附、过滤、沉淀作用

豆瓣菜、蕹菜等水生蔬菜在进行浮水栽培时，能很快形成发达的根系，根系与水体接触面积大，就能形成一道过滤层。当水流过时，不溶性胶体会被根系粘附或吸附然后沉降，其中有机碎屑也能沉降。有学者研究认为，内源污染的主要原因就是水体中的有机碎屑[6]。同时，根系上附着的细菌在进入内源生长阶段后发生凝集，其中部分为根系所吸附，还有部分凝集的菌胶团便将悬浮性有机物及新陈代谢产物沉降。

3.4 对藻类的抑制作用

在水环境中，水生蔬菜和浮游藻类在吸收利用营养物质和光能等方面有很强的竞争关系，前者个体大、生命周期长、吸收储存营养盐能力强，所以能间接抑制浮游藻类的生长[7]。

同时有些水生植物的根系还能分泌克藻物质，也可以达到抑制藻类生长的效果。研究试验表明，连续向铜绿微囊藻的生长水中滴加荷花和睡莲的种植水，对铜绿微囊藻生长有明显抑制作用，甚至使其细胞失去正常的光合作用的能力[8]。另外，在水生蔬菜的根际栖生的水蜗牛等动物能以藻类为食，减少水中藻类的数量。

3.5 其他作用

水体内种植水生蔬菜后，可减小风浪扰动，利于悬浮物质沉降。在部分浅水湖泊，通过对水生蔬菜的收割或水生蔬菜植株残体的沉积，部分生物营养元素深埋入沉积物中，使其脱离湖泊内的营养循环，进入地球化学循环[9]。可以说水生蔬菜的存在，非常有利于形成一个健康良好的水生生态系统，并且能够在较长的一段时间内保持水质的稳定。

4 水生蔬菜对重金属的富集作用

重金属可以通过水体进入蔬菜，并通过食物链危害人类健康，尤其是铅（Pb）、镉（Cd）是动植物生长发育的非必需元素，在非常低的浓度下就会产生毒害作用[10]。水生植物对重金属的吸收和富集有3种模式：①吸附在根的；②转运进根系中；③通过根系继续向上部运输。重金属在水生植物体通过根系向上运输和富集就会影响植株的光合作用、呼吸代谢、渗透调节以及活性氧的平衡[11]。

植物的不同器官对重金属的富集量有较大差异，根中重金属富集量比叶高。吴玉树等[10]研究发现，菱角各器官铅富集量表现为沉水叶≥漂浮叶>茎>果实，说明重金属在植物体内的转运能力十分有限。据文献报道，铅进入植物根部后，以微小的结晶体沉积于细胞壁上；还有报道称，一些重金属元素可与细胞中过剩的非蛋白质巯基结合，形成不溶性的络合物，大部分被束缚在根中，很少向其她器官转移[12]，这为在受一定程度重金属污染区域种植水生经济作物减轻水体重金属污染的同时确保其采收部位重金属含量符合安全标准提供了理论依据。由文辉等[13]在Cu、Cd、Pb和Zn重金属污染水域种植水芹菜、水蕹菜的研究结果表明，重金属主要集中于植株根部，超出食用标准，而茎、叶中含量相对较低，符合安全使用标准。黄凯丰等[14]的研究也发现，Cd胁迫浓度高达50 mg/L时，蒋野茭茭白肉质茎Cd的残留量仍未超标，表明在适度重金属污染区域种植某些耐性较强的水生蔬菜是可行的。但是茭白作为多年生植物，随着生育期的延长，其产品器官中的Cd残留量呈明显上升趋势[15]。关于重金属残留量与种植年限的关系还需进一步研究。

5 提高水生蔬菜净化水质效率的创新途径

目前对有关超富集植物已经有了一定的研究基础，科研人员试图开发“超富集植物倾向”的传统植物。通过育种或转基因技术把超富集性状转移到生长速度快、适应环境强的植物。从遏蓝菜属的Zn、Cd 超富集植物浅兰遏蓝菜（Thlaspi caerulescens）克隆到Zn （Cd）转移蛋白ZNT1、ZNT2、ZNT4、ZNT5、ZTP1、ZNT1LC 基因，Fe 转移蛋白IRT1G基因[16]，Fe转移蛋白IRT1G基因。但是目前将育种或转基因技术应用于植物修复的研究刚刚起步，成果还远远未能达到应用水平。

6 存在的问题

6.1 水生蔬菜净化周期

在冬季，大多数水生蔬菜枯萎死亡或生长缓慢，可利用周期性明显（表2），难以做到周年运转。植株残体如果不及时清除，易引起二次污染，难以取得理想的净化效果。

6.2 水生生态系统的重建与恢复

实践表明，对湖泊富营养化的治理，应该在截污、清淤和引水冲污等方面利用工程性措施来控制外源污染的基础上[17]，全面以高等水生植物为主修复生态系统，并维持水体自身的良性循环。

生态系统中在水生植被恢复方面，挺水、浮水植物的恢复相对难度较小，沉水植物因水体过深或水底缺少种植土壤，重建和恢复难度很大[18]。沉水植物能给水生动物提供更多的生活栖息和隐蔽场所，增加水中的溶氧量，扩大水生动物的有效生存空间。沉水植物在水生生态系统修复尤其是能见度和景观营造方面的作用日益受到重视。20世纪50年代云南滇池草海清澈见底，沉水植物覆盖度为80%，全湖有丰富的渔产品，水质达到地面水Ⅱ类。如今，沉水植物几乎已全部消亡，鱼虾基本绝迹，水质为异常富营养化的超Ⅴ类水质（GB 3838-2002）[19]。国内外多位学者[20，21]的研究结果表明，沉水植被恢复后，草海水质明显改善，透明度大大提高，鱼类虾类等水产动物也重新出现。

因此，要想重建和恢复水生生态系统，仅仅依靠为数不多水生蔬菜植物是远远不够的。而加快沉水植物的重建和恢复是湖泊治理和生态恢复的关键，沉水、挺水和浮水植物从立体层次上合理配置后，再通过一系列的正反馈机制，才能真正达到抑制藻类、改善水质的目的。

6.3 产品质量安全问题

利用水生蔬菜植物进行水体治理，目的之一就是在对水体进行改良的同时，能够收获水生蔬菜产品，发挥水生蔬菜的最大效益。但是，如何防止水体污染物对水生蔬菜产品的影响，值得研究，尤其是受污染水体中有害物质浓度（主要是重金属和农药残留等）对水生蔬菜产品质量安全的影响程度。如何在保证水生植物净化水体的同时，保障水生蔬菜产品质量安全和产量等，今后应该重点研究。

总的来说，相比其他物理化学及工程方法，利用水生蔬菜来治理富营养化水体，除了成本低、能耗小、治理效果好、对环境的干扰小等优点外，最大的优势在于作物本身的经济价值较高，因此利用水生蔬菜净化水质前景广阔。

参考文献

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