吳穎琳, 楊愿愿, 熊倩,* , 王犇, 劉芳, 應(yīng)光國

1. 華南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,廣州 510006

2. 華南師范大學(xué)廣東省化學(xué)品污染與環(huán)境安全重點實驗室,環(huán)境理論化學(xué)教育部重點實驗室,廣州 510006

3. 華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣州510623

水是地球上所有生物賴以生存的基礎(chǔ)。 隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展,科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,人口數(shù)量的迅速增長,工業(yè)化與城市化步伐的加速前進,人類對水資源的使用量急劇增加,污水排放量也相應(yīng)增加,使得水體污染和水資源短缺等問題日益嚴重[1]。 水體污染的來源主要有工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水三大類,各類污染物進入水體后隨食物鏈(網(wǎng))傳遞,對生態(tài)環(huán)境健康造成危害,并最終制約人類的可持續(xù)發(fā)展。 傳統(tǒng)的污水治理方法以微生物法、物理法和化學(xué)法為主,這些方法雖已較為成熟但仍存在成本較高、或不完全去除而易造成二次污染等缺點。 近年來,研究者們致力于探尋能實現(xiàn)人類社會、經(jīng)濟與自然和諧統(tǒng)一的污水治理方法,植物修復(fù)技術(shù)因其獨特優(yōu)勢得到了廣泛關(guān)注。 植物修復(fù)技術(shù)是指利用植物及其相關(guān)微生物特有的生理生化反應(yīng)過程,如光合作用、揮發(fā)轉(zhuǎn)化作用、穩(wěn)定生態(tài)作用和植物根系微生物的生物降解轉(zhuǎn)化作用等,對大氣、土壤和水體中污染物進行有效去除的技術(shù)手段[2-3]。植物修復(fù)技術(shù)因具有成本低廉、環(huán)境友好等特性而廣泛應(yīng)用于水體中各類污染物的去除[4]。 已有研究表明,植物修復(fù)技術(shù)在去除或降解如氮磷營養(yǎng)鹽、重金屬和有機污染物等多種有毒有害污染物上都表現(xiàn)出了較強的應(yīng)用潛力[2,5]。

浮萍是一種水生漂浮植物,其因具有較強的適應(yīng)能力和較好的污水修復(fù)能力而吸引了大量研究者的關(guān)注。 浮萍屬于被子植物門,單子葉植物綱,屬于天南星科浮萍亞科(Lemnoideae),包含5個屬,分別為紫萍屬(Spirodela)、少根紫萍屬(Landoltia)、青萍屬(Lemna)、扁無根萍屬(Wolffiella)和蕪萍屬(Wolffia),共有36個種;其中,蕪萍屬是世界上最小的開花植物[6-7]。 與大型水生植物(如水葫蘆、水花生等)相比,浮萍個體微小且結(jié)構(gòu)簡單,由葉狀體和假根(紫萍屬、少根紫萍屬和青萍屬)或僅由葉狀體組成(扁無根萍屬和蕪萍屬);易于培養(yǎng),無性繁殖生長速度快;因其形狀體積小且漂浮于水面,易于收獲。 浮萍營養(yǎng)價值高,低纖維,富含淀粉、蛋白質(zhì)、葉黃素和賴氨酸等,是良好的食品、飼料和生物質(zhì)基質(zhì)來源。 此外,浮萍廣泛分布于世界各類淡水生境中,對環(huán)境適應(yīng)能力強,是生態(tài)毒理研究和污染水體修復(fù)研究中的常用模式生物[8]。 本文針對浮萍在污染水體修復(fù)領(lǐng)域中的研究進展及其應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述,分別闡述了浮萍對氮磷營養(yǎng)鹽、重金屬和有機污染物的吸收積累研究概況,為浮萍在污染水體修復(fù)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 浮萍對氮磷營養(yǎng)鹽吸收的研究(Uptake of nitrogen and phosphorus by duckweed)

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,大量含氮、磷元素的廢水未經(jīng)處理就直接進入各類水體,導(dǎo)致水體中氮、磷等營養(yǎng)元素含量不斷增加,使得藻類及其他浮游生物大量繁殖,進而造成水體富營養(yǎng)化,對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴重危害。 針對水體富營養(yǎng)化的治理,目前常用的脫氮除磷方法有厭氧-缺氧-好氧法、氧化溝工藝和序批式活性污泥法等;這些方法主要是利用微生物的代謝去除水中的氮磷營養(yǎng)鹽,其應(yīng)用范圍均受到一定的限制,且運行成本較高[9]。 而浮萍不僅對廢水中的氮磷具有較高的耐受性,而且能夠有效吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)元素,并將其轉(zhuǎn)化為自身的生物量積累[10]。 此外,浮萍因具有生長繁殖速度快、生物量高、光合效率高和易于收獲等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于各種水生生態(tài)系統(tǒng)的污染修復(fù)中[11]。與傳統(tǒng)的脫氮除磷方法相比,利用浮萍去除水中的氮磷營養(yǎng)鹽具有綠色環(huán)保,不易造成二次污染,且處理過程所需能耗低、成本低等特點。 大量研究表明,浮萍能有效去除廢水中的氮磷,改善水體富營養(yǎng)化狀況,約0.3 ~1.0 g·L-1的浮萍就可以去除城市污水中 20 ~50 mg·L-1的總?cè)芙鉄o機氮[10]。 常規(guī)污水處理中,污水中生化需氧量和磷酸鹽含量經(jīng)過一次和二次處理過程均僅能降低約50%,而Priya 等[12]利用青萍(Lemna minor)對印度一學(xué)生宿舍產(chǎn)生的生活污水進行處理,結(jié)果顯示,生活污水經(jīng)浮萍處理后生化需氧量和正磷酸鹽水平分別能夠降低94.45%和79.39%。 李琪等[13]利用少根紫萍(Landoltia punctata)處理微污染地表水體,經(jīng)處理的Ⅴ類、劣Ⅴ類水體中氨氮和總磷含量在3 d 內(nèi)能夠達到地表Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn),且對氮、磷去除率均達到98.5%和82.9%以上。 用于污水處理的浮萍不僅能夠高效富集氮磷,改善水體富營養(yǎng)化狀況,還能快速繁殖并累積淀粉;因此,需要加強其管理,及時打撈浮萍,并將其資源化利用,以防打撈不及時或處理不當(dāng)造成水體二次污染。

研究者通過對浮萍吸收廢水中氮磷營養(yǎng)鹽的大量研究發(fā)現(xiàn),多種浮萍具有去除水體中氮磷營養(yǎng)鹽的能力,且不同種類浮萍對氮磷的吸收能力存在一定的差異。 謝朦等[14]在實驗室條件下探究了紫萍(S.polyrhiza)、稀脈浮萍(L.aequinoctialis)和少根紫萍(L.punctata)這3 種浮萍對富營養(yǎng)化水體的修復(fù)效果,結(jié)果顯示,上述3 種浮萍對總氮的去除率分別為80.3%、73.7%和83.8%,對總磷的去除率分別為98.8%、96.4% 和 99.3%。 Yilmaz 和 Akbulut[15]研究發(fā)現(xiàn),青萍(L.minor)對普通廢水的凈化能力比卵葉青萍(L.gibba)強,且L.minor對養(yǎng)豬廢水的凈化能力比L.punctata和S.polyrhiza強。 此外,水體中氮磷的濃度和存在形態(tài)都會影響浮萍對其吸收效果。顧新嬌等[16]探究了L.minor對不同濃度豬場養(yǎng)殖廢水中氮的去除能力,結(jié)果顯示,當(dāng)廢水濃度按體積分數(shù)用自來水稀釋至1%時L.minor對氨氮的去除率高達97.48%,然而當(dāng)廢水濃度按體積分數(shù)用自來水稀釋至5%和10%時L.minor對氨氮的去除率僅為70%左右。 通常,廢水中的氮主要以銨態(tài)氮N)和硝態(tài)氮的形式存在;其中是植物中最重要的氮源,但當(dāng)水體中濃度過高時,會降低植物的光合效率,從而減緩其生長速率。有研究表明,浮萍對廢水中不同形式氮的吸收能力不同[17]。 沈根祥等[18]通過吸收動力學(xué)實驗發(fā)現(xiàn),少根紫萍(S.oligorrhiza)對的親和力大于對的親和力;且當(dāng)水體中氮濃度較低時,S.oligorrhiza會優(yōu)先吸收凈化

相比于單獨培養(yǎng),共培養(yǎng)體系對部分廢水的修復(fù)能力更強,其中包括不同種類浮萍、浮萍與其他水生植物、浮萍與微生物共培養(yǎng)等多種方式。 有研究者建立了多種浮萍混合培養(yǎng)的共培養(yǎng)體系,并發(fā)現(xiàn)2 種或2 種以上的浮萍組合對水體中氮磷營養(yǎng)鹽的去除效果最好[19]。 浮萍共培養(yǎng)體系對部分水體中氮磷去除效果具有一定促進作用的原因可能是:(1)通過共培養(yǎng)的方式,有效增強了浮萍對不利環(huán)境的抵抗能力[20];(2)鑒于不同種類浮萍對氮磷的吸收能力有差異,通過共培養(yǎng)能發(fā)揮個體的優(yōu)勢,實現(xiàn)資源互補和生態(tài)位分化,從而達到最優(yōu)化效果[21]。 李陽等[22]將L.aequinoctialisLC33、L.punctataLC06 和S. polyrhizaLC15 這3 種浮萍分別進行單獨培養(yǎng)和共培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)這3 種浮萍組成的共培養(yǎng)體系對水中的去除效果最佳,去除率高達 98.17%。Zhao 等[23]研 究 發(fā) 現(xiàn),L. minor、L. punctata和S. polyrhiza這3 種浮萍組成的共培養(yǎng)體系對養(yǎng)豬廢水的修復(fù)能力優(yōu)于單一培養(yǎng)的浮萍。 由于不同植物物種對污染物的適應(yīng)能力存在差異,部分研究者開始探討浮萍與其他植物共培養(yǎng)對水體中氮磷的凈化效果,以期尋求最優(yōu)組合,為浮萍在實際水體修復(fù)中的應(yīng)用提供新思路。 鄧鴻楊[24]探討了不同類型水生植物組合去除氮磷效果,發(fā)現(xiàn)“浮萍+茭白”組合對氮磷的去除效果優(yōu)于“金魚草+黃花鳶尾”和“睡蓮+黃花鳶尾”組合。 此外,浮萍與部分微生物的相互作用對水體中氮磷的去除具有協(xié)同作用。 與浮萍共生的微生物群落包括植物生長促進菌(PGPB)和植物生長抑制菌(PGIB),接種對浮萍生長具有促進作用的菌群能夠顯著提高水體中浮萍的生物量,從而增強浮萍對水體中氮磷的凈化效果[25]。 Chen等[26]通過添加微生物強化浮萍處理系統(tǒng),該系統(tǒng)的啟動時間大大縮短了,且其對和總氮(TN)的去除率超過了普通浮萍處理系統(tǒng),分別達到80.02%和56.42%。 Ishizawa 等[27]選擇不動桿菌株 P23 作為PGPB 對浮萍體系進行培養(yǎng),結(jié)果表明,添加PGPB 的實驗組中浮萍生物量是對照組(不添加PGPB)的1.9 倍~2.3 倍,且其對水體中氮磷的去除效果更好。

2 浮萍對重金屬吸收的研究(Uptake of heavy metals by duckweed)

在工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的重金屬會隨工廠固體廢棄物、廢水和廢氣等直接或間接地進入受納環(huán)境中,通過一系列遷移轉(zhuǎn)化進而污染河流、湖泊等水體環(huán)境[28]。 與其他有機物相比,重金屬因其具有難降解、強毒性以及可生物積累等特性,進入水體環(huán)境后容易在水生生物體內(nèi)富集,影響水生生物的正常生理代謝活動,進而通過食物鏈(網(wǎng))對人體健康造成威脅,對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的影響。 目前,重金屬已成為我國水體中主要污染物之一,水體中主要存在的重金屬有鉛(Pb)、汞(Hg)、砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)和鎳(Ni)等[29]。 污水處理廠中使用的常規(guī)處理技術(shù)如混凝沉淀、氧化還原、化學(xué)沉淀和離子交換等工藝能夠一定程度去除水體中的重金屬元素,但會對環(huán)境造成不利影響且處理成本較高[30]。而植物修復(fù)技術(shù)因其具有成本低廉、無二次污染等優(yōu)點,已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。 浮萍作為漂浮植物的一種,由于其特殊的形態(tài)和較高的生長速率,對重金屬有較高的吸收效率[29]。 此外,浮萍還可通過螯合作用和液泡的區(qū)室化作用來抵御重金屬的毒性作用[31],并通過生物吸附和細胞內(nèi)積累等方式有效去除水中重金屬[32]。 在過去30 多年里,研究者們進行了大量浮萍去除水中重金屬的研究,研究表明,浮萍可以有效吸收水中低濃度且不易去除的重金屬,對 Ni、Cu、Cd、Zn、錳(Mn)、As 和鈾(U)等多種重金屬具有較好的吸收富集效果[33-35]。 本研究對近年來浮萍去除重金屬的研究情況進行了總結(jié),如表1 所示。 Chen 等[36]對中國南方不同種源的30 種浮萍進行了Cd 的毒性和累積效應(yīng)研究,結(jié)果表明,不同種類浮萍對Cd 的耐受性不同,且其生物量、光合色素和抗氧化酶活性均存在較大差異。 重金屬對浮萍的毒性作用是限制浮萍應(yīng)用的主要因素,因此篩選對特定重金屬適應(yīng)能力強、生物積累能力佳且抗逆性好的浮萍種類將有利于提高浮萍對重金屬污染水體的修復(fù)效果。

浮萍在重金屬修復(fù)方面的應(yīng)用已在許多研究中獲得較好的效果,有研究者發(fā)現(xiàn),將不同種類的浮萍混養(yǎng)、將浮萍與微生物或其他大型植物共培養(yǎng)均會對重金屬的吸收效果產(chǎn)生不同程度的影響。 Zhao等[37]將L.punctata和L.minor這 2 種浮萍分別單獨暴露和混合暴露于含不同濃度Cu 的培養(yǎng)基中,研究發(fā)現(xiàn),低濃度和高濃度條件下,2 種浮萍均可以耐受和累積一定量的Cu,且低濃度條件下,混合培養(yǎng)體系對Cu 的累積量高于單獨培養(yǎng)體系;高濃度條件下,混合培養(yǎng)體系對Cu 的累積量低于單獨培養(yǎng)體系,浮萍通過增強抗氧化酶的活性抵御高濃度Cu的毒性作用,限制了對Cu 的吸收。 由于不同種類浮萍對重金屬毒性的耐受性和富集能力存在差異,將不同種類的浮萍混養(yǎng)能在一定程度提高其生物量和抗氧化酶的活性,有效降低重金屬對浮萍的毒性,從而提高浮萍對水體中重金屬的修復(fù)效果[38]。 此外,當(dāng)與植物根系相關(guān)的微生物存在時,浮萍對體系中重金屬的吸收會受微生物影響。 Stout 等[39]從浮萍根中分離得到多種細菌,并對比分析了無菌浮萍與附著有細菌的浮萍對Cd 的吸收效果,意外發(fā)現(xiàn)細菌的存在促進了浮萍根的生長,但在一定程度上抑制了浮萍對Cd 的累積。 研究者推測,細菌的存在對浮萍起到了一定的保護作用,通過抑制有害Cd進入浮萍細胞內(nèi),有效降低Cd 對浮萍的毒性作用[39]。 由此可見,浮萍與其他水生植物或微生物混合培養(yǎng),有利于充分發(fā)揮不同水生植物對不同種重金屬的吸收能力,提高水體修復(fù)效果,具有一定的應(yīng)用前景。

另外,還有部分研究發(fā)現(xiàn),浮萍對重金屬的吸收能力受重金屬的化學(xué)形態(tài)、初始濃度和不同重金屬間相互作用的影響。 彭赟和嚴彬[40]探討了浮萍對不同濃度Cd2+的去除效果,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Cd(NO3)2溶液濃度為3 mg·L-1時,浮萍對其去除率可高達87%;但隨著Cd(NO3)2溶液濃度的進一步升高,浮萍對其去除率有所降低。 分析其原因,過高濃度的Cd2+會對浮萍產(chǎn)生毒性作用,影響其正常生長繁殖,進而影響其對Cd2+的去除效果[40]。 在自然界中,重金屬污染水體一般為多種重金屬復(fù)合污染。 多種重金屬的共存,既有可能通過協(xié)同作用加劇其對浮萍的毒性作用,也可能通過拮抗作用降低其對浮萍的毒性作用,進而促進浮萍對重金屬的吸收積累[41]。王秀娟[42]分別探究了Cu 和Ni 單一暴露和聯(lián)合暴露對紫萍(L.polyrhiza)生長的影響,結(jié)果表明,Cu2+和 Ni2+在較低濃度聯(lián)合(0.2 mg·L-1+5 mg·L-1和 0.6 mg·L-1+10 mg·L-1)暴露時,對L.polyrhiza生長表現(xiàn)出拮抗作用;而在高濃度聯(lián)合(1 mg·L-1+20 mg·L-1)暴露時則表現(xiàn)為協(xié)同作用,對L.polyrhiza葉綠素含量的抑制率高達73%。

eedmetals by duckw究eavy研f h的屬金重積ulation o累收吸萍浮1表n the uptake and accum S tudies oTable 1參Reference獻文考果結(jié)究研R esearch results件條露暴E xposure conditions類種萍浮Duckweed species屬etal金重Heavy m[46]~80%% ~80%%bout 70%90bout 90%:約7:約0n: A d: A率除率除u and Z、Zn 去Cd 去Cu Removal rate of C Removal rate of C-1):0.001、0.1-1)::2、4、6、8、100.001,0.1 108,6,4,2,/(mg·L /(mg·L/d e/d:間度時濃露露暴暴Exposure concentration Exposure tim萍青葉卵Lemna gibba、鋅n、銅鎘Cd, C u, Z[47]):-1,量質(zhì)g·g.64-1,干eed/(m/(mg·g .64 1 0551 055 d=, C濃、C度d=480.98積累.98u=屬金重Cu=480內(nèi)etal concentrations in duckw eight): C體萍dry w浮Heavy m 5,Cd=5-1):2.5 和/(μmol·L 5d=74,-1):C u=/d:4、7, Ce/d:間ol·L 時露.5 and 5/(μm 暴=2Cu Exposure tim度濃露Exposure concentration暴inor萍青L em na m、鎘銅Cu, C d[48]~96.4%~94.8%~96.4%~94.8%.0%91.2%86:91.0%b:.2%r:率率:86除除Pb 去Cr 去Removal rate of P Removal rate of C 15、15,10,-1):2、4、10-1):2:2、4、6、9、12,4129,6,4,2,/(mg·L /d /(mg·L e/d:間度時濃露露暴暴Exposure concentration Exposure tim萍青葉卵Lemna gibba、鉻r鉛Pb, C[49])露-1 Fe (7 d 暴-1 F e at 7 dg·L g·L5 m為m ended is 5 m值議建大最Maximum recom%50和100%,21度:7、14、21% and 50%的147,濃/d e/d:水間廢時astewater concentration:礦山露暴度ine w Exposure tim濃of m露暴Exposure concentration:100 inor萍青Lemna m鐵Fe[50]、、Cr=53.80.79、Hg=2-1, dry w eight):2.82g=,.45.58, H 0.49=62.82=3r=):Cd g·kg 249.20, C 2.79量、H g=、Cu.17u=5.76 g=質(zhì).20、Pb eed/(m=0, C d=, H-1,干.53133.58/(mg·kg =2 0.49 49 b=u=量=13.53、Cu , C、C r=etals in duckw, P.80.17=0含Pb 5.7653r=Pb屬:C d=, C金重數(shù).45 Bioconcentration factors: C中系=6萍集Cd浮 富Content of heavy m、hina域, C區(qū)邊uhan周廟域、七里區(qū)域4個iao surrounding area,ake in W區(qū)岸ilim鋪南oshui L里和十岸市北漢湖武水hilipu area, Q國墨:中點樣采Sampling sites: S north bank and south bank of M inor萍青Lemna m、r,、鉻u、鎘、銅d, C鉛, C汞Hg, C Pb

1表續(xù)參Reference獻文考果結(jié)究研R esearch results件條露暴E xposure conditions類種萍浮Duckweed species屬etal金重Heavy m[51]):g·-g 1,量質(zhì)-1,鮮eed/(m 0.557±0.009,/(mg·g.557±0.009、0.381±0.021, Z.251±0.041 etal concentrations in duckw n=度.381±0.021、Zn=0濃累.251±0.041積=1=1屬Cd Cd金u=重內(nèi)體Cu=0 eight): C萍浮Heavy m fresh w.34.3,.3、Cd=7n=4.1, Z.1、Zn=4-1): C u=6/d:6.3e/d:-1):Cu=4間時=7露/(mg·L Cd/(mg·L 暴Exposure tim度濃露暴Exposure concentration inor萍青Lemna m、鎘d、鋅銅Cu, Z n, C[52]):量、Ni=146 g·-kg 1,146質(zhì)i=-1,干/(mg·kg=54.6、Cr=198 eed/(m 735,198, N r=度、Pb etal concentrations in duckw s=.6, C累=10254濃b=屬、Cd積eight): A體、Si=2 022102, P金dry w d=重內(nèi), C萍浮=735 Si=2 022 As Heavy m、、249,i=、Cd=163拉帕特.5 117、Si=249、Ni=36.5拉奇加117, S 36i=anchrapara,、坎納anaghat特s=、拉138, N薩加-1): A arasat, K r=-1):A s=、巴拉丹納onadanga, R=79.4、Cr=138普、索/(mg·L.4, C79/(mg·L 卡吉b=mbikapur, B Pb 比加, P:安巴達度 點卡=163濃 樣Cd Kadambagachi, S露 采暴Exposure concentration Sampling sites: A、紫萍inor,萍青Lemna m Spirodela polyrhiza、、鎘、鎳d,i、硅、鉻i, C r, N, C砷鉛As, S Pb[53]%%%.53.37 99%94:99.53:94.37率率oval rate:oval rate:%、Hg 去除除%、Zn 去g rem%, H n rem%, Z:99.80:97.88.8099.8897率率除除Cu 去Pb 去oval rate:Cu rem oval rate:Pb rem.25、Zn =0.25 0.5,-1): C=0u=、P b.25 0.25n=7.5、Hg=0:7/d , Z e/d:間/(mg·L 0.25b=時-1):Cu=0露暴, P.25=0Exposure tim/(mg·L Hg度Exposure concentration濃露暴inor萍青Lemna m、鋅n、汞g, Z、鉛銅Cu, P b, H[54].5%15:15.5%率oval rate:除去大最Maximum rem-1):2-1):2/(mg·L:44/d e/d:間時濃暴度露露暴Exposure concentration/(mg·L Exposure tim inor萍青Lemna m硼B(yǎng)[55]~60%去%oval rate is about 40%60% ~40約率除The rem ater、15,15ake w:4、8、12100 L水8,12間:Loktak 湖4,oktak L/d e/d:of L時液100L暴養(yǎng)露溶培Exposure tim Culture solution:萍紫Spirodela polyrhiza、r s、鎘、砷d, C i, A、銅、鎳鐵、鋅鉻Fe, C u, C Zn, N

基于浮萍對重金屬具有較強的吸收富集潛力,現(xiàn)已有大量利用浮萍修復(fù)實際污水的研究。Bokhari 等[43]調(diào)查了L.minor對城市污水和工業(yè)廢水出水中重金屬的修復(fù)情況,發(fā)現(xiàn)L.minor對這2類水體均有較強的修復(fù)能力,浮萍對其中各重金屬的去除率如下:Cd(94.3%和94.7%)、Cu(92.2%和94.5%)、Pb(89% 和 97.4%)、Ni(84.2% 和 99%)。 此外,還有研究者把浮萍制成干粉,因其擁有較大比表面積和較高的孔隙率,可用作水中重金屬去除的有效生物吸附劑[7]。 陳蘭釵等[44]以稀脈浮萍(L.aequinoctialis)干粉作為生物吸附劑探討其對重金屬Pb 的吸附動力學(xué)及主要影響因素,研究發(fā)現(xiàn),L.aequinoctialis干粉對Pb 的吸附符合二級動力學(xué)方程,其吸附量在高達56.79 mg·g-1時仍未達到吸附飽和點,說明L.aequinoctialis干粉對Pb 的吸附容量大;同時,溶液初始pH、吸附劑顆粒大小和重金屬Pb 的初始濃度是影響吸附效果的主要因素。 李陽等[45]探究了多根紫萍(S.polyrhiza) 干粉和少根紫萍(L.punctata)干粉對水環(huán)境中Cd2+的吸附作用,結(jié)果表明,2 種浮萍干粉對Cd(50 mg·L-1)的去除率分別為83.15%(L.punctata)和95.72%(S.polyrhiza),且其吸附動力學(xué)過程均可用二級速率方程進行描述。

3 浮萍對有機污染物吸收的研究(Uptake of organic pollutants by duckweed)

目前,水環(huán)境中有機物污染已成為一個全球性問題。 隨著農(nóng)業(yè)、工業(yè)和經(jīng)濟的不斷發(fā)展,大量有機污染物隨農(nóng)用灌溉廢水,化工、制藥、造紙等工業(yè)廢水,或生活污水等直接或間接進入受納水環(huán)境;其中,一部分通過地表徑流流入地表水源中,而另一部分滲入地下水源中。 據(jù)不完全統(tǒng)計,全球范圍內(nèi)的有機污染物種類繁多、總量龐大,現(xiàn)有的有機污染物已多達700 萬種,其中人工合成的有機污染物種類也有10 萬余種,且每年仍以較高速度不斷遞增[56]。部分有機污染物,不僅具有難生物降解、易在環(huán)境中隨食物鏈積累等特性,還具有使動物和人類致畸、致癌和致突變的作用,嚴重威脅生態(tài)環(huán)境安全和人類健康。 因此,亟需尋求能夠高效、經(jīng)濟去除水環(huán)境中有機污染物的可持續(xù)性發(fā)展技術(shù)。

已有研究發(fā)現(xiàn),浮萍對水中有機污染物的脅迫具有較高的耐受能力且具有一定的恢復(fù)能力,可以有效去除部分有機污染物。 劉娥等[57]探究了L.minor對有機污染脅迫的耐受能力以及脅迫解除后浮萍的恢復(fù)規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)水中化學(xué)需氧量(COD)＜400 mg·L-1時,L.minor并未受到氧化脅迫;當(dāng)水中 COD 達 800 mg·L-1時,L.minor體內(nèi)活性氧和抗氧化物質(zhì)含量升高,但其仍可繼續(xù)生長,當(dāng)脅迫去除后,L.minor的抗氧化防御系統(tǒng)能夠恢復(fù)正常水平;當(dāng)水中COD 過高時(≥1 000 mg·L-1),活性氧急劇上升,抗氧化防御系統(tǒng)遭受不可逆?zhèn)Α?鑒于浮萍對有機污染具有較強的耐受能力,不少研究者開始針對浮萍吸收水中有機污染物展開研究,以期利用浮萍對有機污染水體進行修復(fù)。 現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),浮萍能夠吸附或吸收水體中的多種有機污染物,如農(nóng)用化學(xué)品[58]、藥物和個人護理產(chǎn)品(PPCPs)[59]以及其他工業(yè)化合物[60]等。

與不可生物降解的重金屬相比,浮萍不僅能夠有效吸收積累農(nóng)用化學(xué)品,還能將其降解轉(zhuǎn)化為自身生長發(fā)育可利用的有效組分[61]。 Dosnon-Olette等[62]以10 μg·L-1的異丙隆和80 μg·L-1的草甘膦對L.minor進行為期4 d 的暴露實驗,探討L.minor對異丙隆和草甘膦等2 種除草劑的去除效果,發(fā)現(xiàn)L.minor對異丙隆和草甘膦的去除率分別為25%和8%,其對2 種除草劑去除效果的差異可能與化合物的正辛醇-水分配系數(shù)(logKow)相關(guān)。 Olette 等[63]比較了L.minor,伊樂藻(Elodea canadensis)和黃金魚草(Cabomba aquatica)這3 種水生植物對硫酸銅和烯酰嗎啉(2 種殺菌劑)和啶嘧磺隆(除草劑)的去除效果,研究發(fā)現(xiàn),3 種水生植物均能吸收一定量的農(nóng)藥,去除率范圍為2.5% ~50%;相比于其他2 種水生植物,L.minor對3 種農(nóng)藥的去除效果較好,分別為 50%、11.5% 和 42% 。 Y?lmaz 和 Ta?[64]評價分析了L.minor對氯氰菊酯的修復(fù)潛力發(fā)現(xiàn),L.minor對氯氰菊酯的去除率為35.4% ~95.9%。 大量研究證明,多種浮萍具有去除農(nóng)藥的潛力,但不同種類的浮萍對于同種農(nóng)藥的吸收能力存在差異。 Dosnon-Olette 等[65]對 2 種浮萍(L.minor和S.polyrhiza)去除廢水中烯酰嗎啉的能力進行了評估,結(jié)果顯示L.minor和S.polyrhiza對污染物的最大去除量分別為 41 μg·g-1和26 μg·g-1(鮮質(zhì)量),且浮萍對污染物的吸收量與其初始暴露濃度呈正相關(guān)。 Prasertsup 和Ariyakanon[66]在溫室中探究L.minor和水浮蓮(P.stratiotes)對不同濃度毒死蜱的去除能力,結(jié)果顯示,低濃度(0.1 mg·L-1和 0.5 mg·L-1)暴露對L. minor和P.stratiotes的生長無顯著影響,高濃度(1 mg·L-1)暴露會抑制其生長;且當(dāng)毒死蜱暴露濃度為 0.5 mg·L-1時,L.minor和P.stratiotes對其去除率最高,分別為87%和82%。 此外,有研究者發(fā)現(xiàn),通過添加生物刺激劑或安全劑能夠提高浮萍對農(nóng)藥的耐受性并增強其吸收能力。 Panfili 等[67]研究發(fā)現(xiàn),與未經(jīng)處理的L.minor相比,經(jīng)生物刺激劑和安全劑處理的L.minor對水中除草劑特丁津的去除率均有所提高。

PPCPs 是一類新型污染物,主要包括抗生素、止痛藥、消炎藥、消毒劑和芳香劑等,因其使用量較大且現(xiàn)有的污水處理工藝難以將其完全去除,導(dǎo)致部分PPCPs 類污染物隨污水處理廠出水直接或間接排放入水環(huán)境中。 目前,已在多種水環(huán)境介質(zhì)中檢出PPCPs 殘留,且其殘留濃度一般為 ng·L-1到 μg·L-1之間[68-69]。 已有研究證明,多種浮萍具有去除廢水中 PPCPs 的潛力。 Singh 等[59]研究發(fā)現(xiàn),阿莫西林在S.polyrhiza處理組和非生物對照組中的去除率分別為 84.6% ~ 100% 和 62.1% ~ 73%,說明S.polyrhiza對阿莫西林具有一定的去除能力。 Iatrou 等[70]探究了L.minor對4 種抗菌劑的去除效果及其機制,研究表明L.minor對4 種抗菌劑的去除效率分別為頭孢羥氨芐(100%)、甲硝唑(96%)、甲氧芐氨嘧啶(59%)和磺胺甲惡唑(73%),且甲硝唑、甲氧芐氨嘧啶和磺胺甲惡唑3 種化合物的去除機制以植物吸收占主導(dǎo)。 由此可見,浮萍對多種PPCPs 具有去除潛力,且具有一定的化合物特異性。 此外,當(dāng)抗生素濃度水平較高時會導(dǎo)致浮萍代謝過程發(fā)生變化,進而影響其對抗生素的去除能力。 Gomes 等[71]通過研究發(fā)現(xiàn),高濃度的環(huán)丙沙星會損害L.minor呼吸電子傳遞鏈中正常的電子流,誘導(dǎo)過氧化氫的產(chǎn)生,從而改變浮萍的光合作用、呼吸途徑和氧化應(yīng)激能力,進而影響其對環(huán)丙沙星的去除能力。

鑒于浮萍對于農(nóng)藥、PPCPs 等有機污染物的去除效果較好,研究者們試圖探討浮萍是否能有效去除其他有機污染物。 Gatidou 等[60]利用L.minor去除水體中的5 種苯并三唑類化合物(苯并三唑、4-甲基-1H-苯并三唑、5-甲基-1H-苯并三唑、甲苯并三唑和5-氯苯并三唑),結(jié)果表明,在連續(xù)流系統(tǒng)中,L. minor對這5 種化合物的去除率為26% ~72%,依次為5-氯苯并三唑＜甲苯并三唑＜5-甲基-1H-苯并三唑＜苯并三唑＜4-甲基-1H-苯并三唑;且植物吸收是浮萍去除苯并三唑類化合物的主要機制。 Zhang和Liang[72]比較了曝氣情況下L.minor對8 種全氟烷酸的去除效果,研究結(jié)果表明,L.minor對十一氟已酸、全氟庚酸、全氟辛酸和全氟辛基磺酸等長鏈全氟烷酸的去除率超過95%,而對全氟丁酸、全氟戊酸、全氟丁烷磺酸和全氟己烷磺酸等短鏈全氟烷酸的去除效果不明顯;且暴露2 周后,L.minor胞內(nèi)全氟辛基磺酸的積累量可達14.4%。 隨后,研究者們進一步探討了L.minor對全氟烷基化合物中間產(chǎn)物的吸收積累效果,結(jié)果表明,暴露14 d 后,浮萍對200 μg·L-1全氟辛基磺酰胺的吸收積累量為86.7 μg·kg-1,而對 200 μg·L-1氟調(diào)聚物磺酸鹽的吸收積累量可達 1 226 μg·kg-1[73]。 Can-Terzi 等[74]探討了L.minor對亞甲基藍的植物修復(fù)能力,結(jié)果表明,L.minor可以有效地去除廢水中的亞甲基藍,去除率高達98%;當(dāng)亞甲基藍濃度為25 mg·L-1時,L.minor對其吸收能力達到飽和。 還有研究表明,浮萍可以有效去除或降解石油中各類碳氫化合物。Ekperusi 等[75]以人工濕地為生態(tài)系統(tǒng),對比分析添加三葉浮萍(L.paucicostata)對原油污染水域中石油烴的去除能力,研究表明,經(jīng)過120 d 處理后,與對照組濕地相比(11.46%),添加L.paucicostata的濕地對石油烴類化合物的去除率高達97.91%。 然而,當(dāng)前關(guān)于浮萍對污染物的吸收轉(zhuǎn)化研究普遍局限于實驗室內(nèi)研究,且多側(cè)重于污染物的去除效率方面,其內(nèi)在吸收轉(zhuǎn)化機制尚不清楚。 因此,有必要加強浮萍對污染物的吸收轉(zhuǎn)化機制研究,并擴大其在大規(guī)模水環(huán)境中的應(yīng)用。

4 展望(Prospect)

浮萍因其環(huán)境適應(yīng)能力強,對氮磷營養(yǎng)鹽、重金屬和有機污染物等均具有較強的富集能力,常用于環(huán)境監(jiān)測和水體污染修復(fù)方面的研究。 近年來,針對浮萍開展的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究取得了較大的進展,在污染水體的生態(tài)修復(fù)方面發(fā)揮了多方面的作用。 在國外,已有一些污水處理公司致力于浮萍污水處理系統(tǒng)的開發(fā)和利用,并擁有了一系列利用浮萍進行污水處理的專利技術(shù);浮萍處理系統(tǒng)更是被美國環(huán)境保護局列為污水處理的替代技術(shù)之一[76]。 利用浮萍處理污水和修復(fù)水體已成為生態(tài)處理和環(huán)境修復(fù)的一個重要的發(fā)展方向,但到目前為止浮萍在相關(guān)領(lǐng)域中應(yīng)用的研究仍存在很多挑戰(zhàn),有待進一步研究。

(1)目前,國內(nèi)外均已建立用于污染水體修復(fù)的浮萍塘,但現(xiàn)階段大多數(shù)浮萍塘處于管理不善狀態(tài);存在浮萍打撈不及時,或被打撈的浮萍隨意丟棄,腐爛后污染物再次進入水體造成污染等現(xiàn)象。 對此,今后需注重加強浮萍處理系統(tǒng)的全過程管理,探尋綠色環(huán)保與資源化的方式處理吸收污染物后的浮萍,實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)保效益的有效統(tǒng)一。

(2)鑒于部分重金屬對浮萍具有較大的毒性作用,因此在未來的研究中應(yīng)注重篩選對特定重金屬適應(yīng)能力強、生物積累能力佳且抗逆性好的浮萍種類,還可利用浮萍與其他水生植物混合培養(yǎng),充分發(fā)揮不同水生植物對不同種重金屬的吸收能力,提高水體修復(fù)效果。 此外,研究者還可嘗試通過基因工程和組織培養(yǎng)技術(shù),提高浮萍對重金屬的超富集能力。

(3)目前針對浮萍修復(fù)有機污染物方面的研究仍相對較少,且主要側(cè)重于浮萍對有機污染物的吸收積累能力方面,而其吸收轉(zhuǎn)化遷移機制尚未明晰。因此,有必要深入探究有機污染物在浮萍中的吸收、遷移及轉(zhuǎn)化機制,這對于闡明各類有機污染物的潛在生態(tài)風(fēng)險具有重要意義,同時也能夠為污水治理提供了科學(xué)依據(jù)。

(4)針對浮萍修復(fù)污染水體的研究大多局限于實驗室內(nèi)研究,由于室內(nèi)浮萍暴露的環(huán)境條件與實際污水情況存在較大差異,因此這些研究不足以準(zhǔn)確評估浮萍對于實際污水的修復(fù)能力。 在未來有必要利用實際污水對浮萍的修復(fù)能力進行進一步的探究,這將有助于研究者更好地了解浮萍在實際生活污水和工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用潛力。