水生態(tài)處理中植物根際環(huán)境作用研究

王 健¹,侯文華²,何緒文¹

摘 要：本文綜述了國內(nèi)外利用水生植物生物生態(tài)處理水體的研究進(jìn)展，介紹植物根際環(huán)境在水體修復(fù)中的作用、重要性原理分析及其、當(dāng)前的研究熱點，最后展望了植物根際環(huán)境研究在水生態(tài)修復(fù)中的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：水污染，根際環(huán)境，根際分泌物，根際微生物

1. 引言

　　水污染是一個世界性問題，它會導(dǎo)致水資源的可利用性能降低，自然水生態(tài)系統(tǒng)的逐漸退化。我國是水資源短缺的國家，隨著人們對水環(huán)境的重視，對水處理的要求的也越來越高。目前，生物學(xué)處理法成為了水處理領(lǐng)域中的熱點，尤其是水生、濕生植物處理法。用這種生物生態(tài)的處理技術(shù)來補(bǔ)充傳統(tǒng)的生化二級處理技術(shù)的不足，它不僅能起到凈化水的作用，還能改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)退化水生態(tài)系的恢復(fù)。無論是在人工濕地和植物浮床的處理系統(tǒng)中，水生植物除了直接吸收、固定、分解污染物外，還通過對土壤中細(xì)菌、真菌等微生物的調(diào)控來進(jìn)行環(huán)境的修復(fù)。了解植物的根際環(huán)境對發(fā)展植物生態(tài)處理技術(shù)在水處理中的應(yīng)用有很大的促進(jìn)作用。

2. 國外研究現(xiàn)狀

　　近20 年來，世界上許多國家均已廣泛利用水生植物來凈化生活污水、工業(yè)廢水以及富營養(yǎng)湖泊治理中，并產(chǎn)生了一種以大型水生植物為基礎(chǔ)的AMATS 污水處理系統(tǒng)。植物本身能直接代謝吸收污染物，另外根系還能增加微生物數(shù)量和根際特殊微生物區(qū)系的選擇性，改善土壤的理化性質(zhì)，增加共代謝過程中所需根系分泌物的排放量，提高污染物的腐殖質(zhì)化和吸附性能，從而增加污染物的生物有效性^[1]。
　　紐約州立農(nóng)業(yè)和生物科學(xué)院的農(nóng)業(yè)工程師WILLIAN J J 指出，以水生植物為基礎(chǔ)的生態(tài)處理體系和典型的化學(xué)處理廠對污水處理的效果一樣好^[2]。Nina Cedergreen等進(jìn)行了利用水葫蘆去除水體中氮磷的研究，發(fā)現(xiàn)在含有水葫蘆的水體，氮磷的去除率明顯高于沒有植株的試樣，而且根區(qū)的酸堿度等物理化學(xué)指標(biāo)都有異于非根區(qū)水體^[3]。Raffaello Cossu等人也利用水生植物凈化垃圾處理液液發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果^[4]。
　　植物的生長和繁殖離不開營養(yǎng)物質(zhì)，水體中相當(dāng)部分的營養(yǎng)物被植物轉(zhuǎn)化或保存在植物體內(nèi)。對于不同生活型的水生植物，普遍認(rèn)為漂浮植物吸收能力強(qiáng)于挺水植物，沉水植物最差。與木本植物相比草本植物對污水中的污染物則具有較高的去除率，如有蘆葦?shù)臐竦貙H⁺⁴ - N 的去除率接近100 %，而無蘆葦時，僅為40 %～75 %^[5]。
　　M.E.Soltan 等研究發(fā)現(xiàn)水浮蓮在多種重金屬不同濃度下的吸附能力，發(fā)現(xiàn)水浮蓮能在較高的金屬濃度下生存而且對金屬離子的吸附導(dǎo)致了水浮蓮根區(qū)的pH值、DO值下降，說明水浮蓮有凈化重金屬作用。作者還認(rèn)為根區(qū)pH值下降是因為水浮蓮根系分泌了有機(jī)酸類物質(zhì)，促進(jìn)了重金屬的吸附^[6]。
　　濕地系統(tǒng)具有明顯的缺氧環(huán)境，濕地中氧的傳播速率約為陸地環(huán)境氧的傳播速率的萬分之一^[7]。水生植物則具有適合在缺氧條件下生存的結(jié)構(gòu)與特征，包括莖肥大，莖和根的中心具有較大的組織，莖中空，具有淺根系等。植物的這種特殊結(jié)構(gòu)，有利于氧在其體內(nèi)的傳輸并能傳遞到根區(qū)，不僅滿足了植物在缺氧環(huán)境的呼吸作用，而且還可以促進(jìn)根區(qū)的氧化還原反應(yīng)與好氧微生物的活動。將光合作用產(chǎn)生的氧傳遞到根區(qū)，在根區(qū)的還原態(tài)的介質(zhì)中形成氧化的微環(huán)境，根區(qū)有氧區(qū)域與缺氧區(qū)域的共同存在為根區(qū)的好氧、兼氧和厭氧微生物提供了各自的小生境，使不同微生物都能發(fā)揮各自的作用^[8]。
　　從以上研究發(fā)現(xiàn)植物凈水系統(tǒng)中，植物根區(qū)起著很重要的作用。根際這個微生態(tài)系統(tǒng)有3個重要的結(jié)構(gòu)主成份：(1) 植物根系，(2) 微生物，(3) 土壤或水等。它們相互作用從而形成一個復(fù)雜體系，進(jìn)入根際的污染物便在此體系中發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)行為從而表現(xiàn)出相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。
　　根際環(huán)境是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，而且不同物種甚至是同一物種的不同基因型之間對根際微生物的種群密度和數(shù)量有著不同的影響^[9,10]。Rengel 等(1993) 認(rèn)為這是由于不同種類或基因型的植物分泌的分泌物種類和數(shù)量不同導(dǎo)致的^[11] 。雖然根際微生物在增加礦物營養(yǎng)的有效性方面有著不可估量的作用, 但對植物和根際微生物以及礦物營養(yǎng)有效性之間相互作用的研究還很有限。這主要是有下述四方面的原因。

?、俑捣置谖锖透H微生物的種類和數(shù)量繁多, 影響因素復(fù)雜；
?、诓徽撌窃诖筇镞€是在水培條件下, 很難收集到完整的根系分泌物；
?、燮駷橹惯€沒有標(biāo)準(zhǔn)地分析根分泌物的方法, 因此各結(jié)果之間難以進(jìn)行比較；
?、艿V物營養(yǎng)之間存在相互替代和拮抗作用。

　　由于這些問題的存在, 使得根系分泌物和礦物營養(yǎng)有效性以及根際微生物的種群密度之間的關(guān)系變得十分復(fù)雜, 甚至出現(xiàn)相反的實驗結(jié)果。
　　在根際中，由于植物根系的分泌作用而導(dǎo)致了眾所周知的微生物根際效應(yīng)。根分泌物作用于周圍環(huán)境形成根際, 產(chǎn)生根際效應(yīng), 而根際微生物又會對根分泌物起到修飾限制作用, 根分泌物與根際微生物之間的關(guān)系是相互的。早已證明，根系分泌物會影響土壤中微生物的數(shù)量及群落組成，群落特征也隨著根系分泌物的類型而變化。根際環(huán)境中的細(xì)菌密度比非根際土壤通常大2～4 個數(shù)量級，并表現(xiàn)范圍更廣泛的代謝活性^[12]。
　　微生物的活性及其生物量增長受到底物的限制，特別是碳源，根際環(huán)境中碳源的輸入明顯增加微生物的活性^[13－15]。Marschner P 等研究發(fā)現(xiàn)根分泌物除了可以影響到根際微生物的種群數(shù)量外, 還可以通過改變根分泌物成分來控制根際微生物種類 ^[16,17]。
　　根際環(huán)境－根際微生物—污染物相互作用構(gòu)成了水生植物凈化水體機(jī)理的重要組成部分，它們?nèi)咧g相互作用，成為根區(qū)有別于非根區(qū)的原因。根際環(huán)境－根際微生物—污染物相互作用及其影響因素的研究結(jié)果既能為尋找、生產(chǎn)取代農(nóng)藥化肥的一些微生態(tài)制劑，也能為污染土壤、水體、富營養(yǎng)湖泊的生物治理提供理論依據(jù)和方法指導(dǎo)。

3. 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　我國在70 年代中期開始研究水生植物的凈水工藝，80 年代以后迅速發(fā)展，特別是近十年來，對凈化多種類型污水的能力進(jìn)行了研究，其中以水葫蘆為主體的生態(tài)工程建設(shè)取得了很大成績^[18]。水生植物對污染物的凈化包括吸附、吸收、富集和降解幾個環(huán)節(jié)，植物可通過根系吸收，也可直接通過莖、葉等器官的體表吸收。吸收到體內(nèi)的有機(jī)物，屬于難降解的種類，如重金屬及DDT、六六六等有機(jī)氯農(nóng)藥，可貯存于體內(nèi)的某些部位，其蓄積量甚至達(dá)到很高時，植物仍不會受害。如將蓄積大量污染物的植物體適時地從水體中移出，則水體即可達(dá)到較好的凈化效果。也有一些有機(jī)污染物，如酚、氰等進(jìn)入植物體內(nèi)，可被降解為其它無毒的化合物，甚至降解為CO₂ 和H₂O，這是更為徹底的凈化途徑^[19]。
　　劉建武等研究鳳眼蓮( Eichhornia crassipes) 凈化含萘廢水的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮主要是依靠根系的吸附作用、吸收作用甚至根際微生物的降解等途徑完成凈化作用^[20～22]。宋祥普、鄒國燕等采用水域浮床無土種植水稻的方法，通過水稻的吸收和富集作用，去除水體中的氮、磷物質(zhì)^[23]。
　　水生植物凈化工業(yè)有機(jī)廢水時，可以有效降低廢水中的COD 、SS、有機(jī)氮、有機(jī)磷等指標(biāo)。楊鳳江、李立明^[24] 利用水生植物水葫蘆、綠萍治理淀粉廢水，使COD的總?cè)コ蔬_(dá)98 %，SS去除率可達(dá)97 %，氨氮的去除率可達(dá)99 %，取得良好凈化效益。水生植物對一些有毒有害有機(jī)污染物也有一定的凈化作用。施積炎等研究發(fā)現(xiàn)根分泌物可以通過改變根際pH值等條件而影響重金屬的活性，有機(jī)酸、氨基酸、多肽等根分泌物能夠與重金屬鰲合，改變金屬在土壤中的結(jié)合形態(tài)以及活性，另外，根際微生物的種群變化，微生物與根系的相互作用以及微生物分泌物等，都有可能對土壤重金屬的生物有效性帶來重大影響^[25]。
　　對水生植物凈水的原理研究發(fā)現(xiàn)，植物除自身能吸收氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)外，由于植物根系的特殊的物理化學(xué)環(huán)境使得聚集在根區(qū)的微生物數(shù)量比非根區(qū)多得多，根區(qū)的凈水效果明顯比非根區(qū)好。在植物生長過程中不斷地向生長介質(zhì)中分泌大量的低分子有機(jī)物（如糖類、有機(jī)酸、氨基酸、酚類化合物等），為根際微生物提供大量的營養(yǎng)和能量物質(zhì)，加上植物根區(qū)的泌氧能力，在根區(qū)的微生物活性也增強(qiáng)了，對有機(jī)物降解加快，從而產(chǎn)生明顯的根際效應(yīng)^[26]。
　　分泌物能影響根際微生物代謝，微生物活動能加快根際有機(jī)磷、有機(jī)氮的分解及其它礦質(zhì)元素的活化，鳳眼蓮根分泌物對根際細(xì)菌的降酚酶活性有積極影響，從而促進(jìn)了根際細(xì)菌的降酚效率^{[27，28]}。鳳眼蓮分泌物中的氨基酸組分對根際細(xì)菌趨化作用也產(chǎn)生明顯影響^[29]。
　　郭耀基等研究發(fā)現(xiàn)分泌物同時影響微生物的生態(tài)分布，在大多數(shù)情況下根分泌物對根際微生物的作用是松散的、非特異性的，主要促進(jìn)革蘭氏陰性無芽孢桿菌在其根部的聚集 ^[30]。另外根分泌物還能抑制病原微生物。
　　微生物的根際效應(yīng)是明顯的，植物根際細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量均大于非根際相應(yīng)的數(shù)量。植物種類、土壤類型不同，植物的根際效應(yīng)不同，各種微生物類型受根際效應(yīng)的影響也不同，其中受影響程度為細(xì)菌> 真菌> 放線菌。根際微生物和根系呼吸作用消耗較多的氧氣，可能會造成根際氧化還原電位下降。根際土壤pH值與非根際土壤pH值差異很大^[31]。
　　從我國對根際環(huán)境的研究歷程來看，人們對根際環(huán)境和根際過程的認(rèn)識逐步加深，目前關(guān)于根際的研究趨向于整體性的系統(tǒng)研究，形成了多學(xué)科的交叉研究前沿。這些研究為植物在恢復(fù)景觀水體、富營養(yǎng)化水體的應(yīng)用提供了大量的理論和工程指導(dǎo)^[32]。

4. 展望

　　利用水生植物對污水的凈化修復(fù)過程，很少有廢物和排放物產(chǎn)生，無疑為我國日益惡化的水環(huán)境修復(fù)提供了一個良好的途徑，具有廣闊的市場和應(yīng)用前景。但水生植物在其中的作用，國內(nèi)外目前還存在一些的爭議^{[33 ]} 。絕大多數(shù)的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗都表明，水生植物的作用是高效的或有效的。水生植物能否發(fā)揮其最大的凈化及應(yīng)用潛力，關(guān)鍵在于植物種類的選擇和植物群落的搭配，特別是通過試驗選擇耐污性強(qiáng)、凈化效果好、適宜其生存環(huán)境的物種是一項優(yōu)先考慮的工作。目前，需要進(jìn)一步研究的問題是根際污染物的去除過程，根際污染生態(tài)過程及調(diào)控，系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化等等，通過優(yōu)化植物的根際環(huán)境以達(dá)到植物處理最優(yōu)效果。

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Research on the Effect of Riphzosphere Environment in Water Ecological Treatment

Wang Jian Hou Wenhua He Xuwen

Department of Environmental Science and Engineering

China University of Mining & Technology (Beijing), 100083

Abstract: The paper concluded the researches on the effect of macrophytes in water ecological treatment. The effects, importance, mechanism analyse and the popular researches of the riphzosphere environment in the water treatment are introduced. At last, the paper forecasted the development of the riphzosphere environment researches in the water ecological treatment.

Key words: water pollution, riphzosphere environment, root excludation, riphzosphere microorganism.

王 ?。耗?，1980年生，碩士研究生。主要研究方向：廢水生物處理。