水生態處理中植物根際環境作用研究

王 健¹,侯文華²,何緒文¹

摘 要：本文綜述了國內外利用水生植物生物生態處理水體的研究進展，介紹植物根際環境在水體修復中的作用、重要性原理分析及其、當前的研究熱點，最后展望了植物根際環境研究在水生態修復中的發展前景。

關鍵詞：水污染，根際環境，根際分泌物，根際微生物

1. 引言

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

2. 國外研究現狀

　　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、工業廢水以及富營養湖泊治理中，并產生了一種以大型水生植物為基礎的AMATS 污水處理系統。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量和根際特殊微生物區系的選擇性，改善土壤的理化性質，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]。
　　紐約州立農業和生物科學院的農業工程師WILLIAN J J 指出，以水生植物為基礎的生態處理體系和典型的化學處理廠對污水處理的效果一樣好^[2]。Nina Cedergreen等進行了利用水葫蘆去除水體中氮磷的研究，發現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，而且根區的酸堿度等物理化學指標都有異于非根區水體^[3]。Raffaello Cossu等人也利用水生植物凈化垃圾處理液液發現了同樣的結果^[4]。
　　植物的生長和繁殖離不開營養物質，水體中相當部分的營養物被植物轉化或保存在植物體內。對于不同生活型的水生植物，普遍認為漂浮植物吸收能力強于挺水植物，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，如有蘆葦的濕地對NH⁺⁴ - N 的去除率接近100 %，而無蘆葦時，僅為40 %～75 %^[5]。
　　M.E.Soltan 等研究發現水浮蓮在多種重金屬不同濃度下的吸附能力，發現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致了水浮蓮根區的pH值、DO值下降，說明水浮蓮有凈化重金屬作用。作者還認為根區pH值下降是因為水浮蓮根系分泌了有機酸類物質，促進了重金屬的吸附^[6]。
　　濕地系統具有明顯的缺氧環境，濕地中氧的傳播速率約為陸地環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構與特征，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。植物的這種特殊結構，有利于氧在其體內的傳輸并能傳遞到根區，不僅滿足了植物在缺氧環境的呼吸作用，而且還可以促進根區的氧化還原反應與好氧微生物的活動。將光合作用產生的氧傳遞到根區，在根區的還原態的介質中形成氧化的微環境，根區有氧區域與缺氧區域的共同存在為根區的好氧、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揮各自的作用^[8]。
　　從以上研究發現植物凈水系統中，植物根區起著很重要的作用。根際這個微生態系統有3個重要的結構主成份：(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雜體系，進入根際的污染物便在此體系中發生一系列物理、化學和生物學行為從而表現出相應的生態環境效應。
　　根際環境是一個復雜的生態系統，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量有著不同的影響^[9,10]。Rengel 等(1993) 認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量不同導致的^[11] 。雖然根際微生物在增加礦物營養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。

　①根系分泌物和根際微生物的種類和數量繁多, 影響因素復雜；
　②不論是在大田還是在水培條件下, 很難收集到完整的根系分泌物；
　③迄今為止還沒有標準地分析根分泌物的方法, 因此各結果之間難以進行比較；
　④礦物營養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有效性以及根際微生物的種群密度之間的關系變得十分復雜, 甚至出現相反的實驗結果。
　　在根際中，由于植物根系的分泌作用而導致了眾所周知的微生物根際效應。根分泌物作用于周圍環境形成根際, 產生根際效應, 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。根際環境中的細菌密度比非根際土壤通常大2～4 個數量級，并表現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 等研究發現根分泌物除了可以影響到根際微生物的種群數量外, 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]。
　　根際環境－根際微生物—污染物相互作用構成了水生植物凈化水體機理的重要組成部分，它們三者之間相互作用，成為根區有別于非根區的原因。根際環境－根際微生物—污染物相互作用及其影響因素的研究結果既能為尋找、生產取代農藥化肥的一些微生態制劑，也能為污染土壤、水體、富營養湖泊的生物治理提供理論依據和方法指導。

3. 國內研究現狀

　　我國在70 年代中期開始研究水生植物的凈水工藝，80 年代以后迅速發展，特別是近十年來，對凈化多種類型污水的能力進行了研究，其中以水葫蘆為主體的生態工程建設取得了很大成績^[18]。水生植物對污染物的凈化包括吸附、吸收、富集和降解幾個環節，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。吸收到體內的有機物，屬于難降解的種類，如重金屬及DDT、六六六等有機氯農藥，可貯存于體內的某些部位，其蓄積量甚至達到很高時，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，則水體即可達到較好的凈化效果。也有一些有機污染物，如酚、氰等進入植物體內，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) 凈化含萘廢水的機理，發現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^[23]。
　　水生植物凈化工業有機廢水時，可以有效降低廢水中的COD 、SS、有機氮、有機磷等指標。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的總去除率達98 %，SS去除率可達97 %，氨氮的去除率可達99 %，取得良好凈化效益。水生植物對一些有毒有害有機污染物也有一定的凈化作用。施積炎等研究發現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合形態以及活性，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現，植物除自身能吸收氮、磷等營養物質外，由于植物根系的特殊的物理化學環境使得聚集在根區的微生物數量比非根區多得多，根區的凈水效果明顯比非根區好。在植物生長過程中不斷地向生長介質中分泌大量的低分子有機物（如糖類、有機酸、氨基酸、酚類化合物等），為根際微生物提供大量的營養和能量物質，加上植物根區的泌氧能力，在根區的微生物活性也增強了，對有機物降解加快，從而產生明顯的根際效應^[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磷、有機氮的分解及其它礦質元素的活化，鳳眼蓮根分泌物對根際細菌的降酚酶活性有積極影響，從而促進了根際細菌的降酚效率^[27，28]。鳳眼蓮分泌物中的氨基酸組分對根際細菌趨化作用也產生明顯影響^[29]。
　　郭耀基等研究發現分泌物同時影響微生物的生態分布，在大多數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。
　　微生物的根際效應是明顯的，植物根際細菌、真菌和放線菌的數量均大于非根際相應的數量。植物種類、土壤類型不同，植物的根際效應不同，各種微生物類型受根際效應的影響也不同，其中受影響程度為細菌> 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]。
　　從我國對根際環境的研究歷程來看，人們對根際環境和根際過程的認識逐步加深，目前關于根際的研究趨向于整體性的系統研究，形成了多學科的交叉研究前沿。這些研究為植物在恢復景觀水體、富營養化水體的應用提供了大量的理論和工程指導^[32]。

4. 展望

　　利用水生植物對污水的凈化修復過程，很少有廢物和排放物產生，無疑為我國日益惡化的水環境修復提供了一個良好的途徑，具有廣闊的市場和應用前景。但水生植物在其中的作用，國內外目前還存在一些的爭議^{[33 ]} 。絕大多數的室內和現場試驗都表明，水生植物的作用是高效的或有效的。水生植物能否發揮其最大的凈化及應用潛力，關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、凈化效果好、適宜其生存環境的物種是一項優先考慮的工作。目前，需要進一步研究的問題是根際污染物的去除過程，根際污染生態過程及調控，系統的進一步優化等等，通過優化植物的根際環境以達到植物處理最優效果。

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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 健：男，1980年生，碩士研究生。主要研究方向：廢水生物處理。