水生植物治理水体重金属污染的研究进展

现代农业科技2023年第11期资源与环境科学
水生植物治理水体重金属污染的研究进展
俞文钰1，2郝桐锋1，2南海林2张树林1张清靖1，2*
（1天津农学院水产学院/天津市水产生态及养殖重点实验室，天津300384；
2北京市农林科学院水产科学研究所/渔业生物技术北京市重点实验室，北京100068）
摘要为了更好地解决水体重金属污染问题，本文分析了水体重金属污染的来源及其危害，综述了4种水生植物（挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物）在水体重金属污染治理中的作用方式，重点阐述了不同水生植物对水体重金属的富集效果及其机制，最后提出了进一步开展水生植物治理水体重金属污染的研究方向。

关键词水生植物；重金属污染；污染治理；根系分泌物；根际促生菌
中图分类号X5文献标识码A
文章编号1007-5739（2023）11-0156-03
DOI：10.3969/j.issn.1007-5739.2023.11.040开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
水是人类不可或缺的宝贵资源。

随着社会经济的快速发展，人们生活水平不断提高，人类的一些生产活动又造成了水体污染。

其中，水体重金属污染问题受到广泛的关注。

重金属离子多以高毒性价态存在，并且具有富集性，很难通过水体自然净化而使毒害得到降低或消除，从而对动物、植物以及人类造成严重危害。

相对于物理和化学等方法治理水体重金属污染，利用水生植物治理具有环保、绿色、经济等优势。

但不同植物对不同重金属水体污染治理效果不同[1-3]，且水生植物治理水体重金属污染过程中影响因素较多，特别是根系分泌物及微生物在水生植物治理过程中发挥重要作用[4]。

因此，本文在分析水体重金属污染的来源及其危害的基础上，综述了4种不同类型水生植物对水体重金属污染的治理效果和机制，以期为水生植物在水体重金属污染治理中的应用提供参考。

1水体重金属污染的来源及其危害
1.1来源
重金属是自然界中不可缺少的元素，大多存在于矿物质和各种岩石之中，且其含量占比很少，不足0.1%[5]。

风化、水流冲刷等自然现象造成的水体重金属污染微乎其微，绝大部分归因于人类不当的生产活动。

其中采矿活动是造成水体重金属污染的原因之一。

矿产资源的不合理开采，矿山排水处理不当、废弃矿石的浸淋等工业生产活动是重金属废水的主要源头[5]。

在工业生产中，电子仪器的生产、造纸、制革过程中排放的含有Cu、Hg、Ni、Cr、Cd、Zn的废液处理不当[6]，城市生活中排放的生活污水含有各类垃圾滤液及清洁剂类化学物质，均是导致水体重金属污染的原因。

1.2危害
水体重金属污染会造成严重的危害。

第一，重金属污染会破坏水质，水体中的重金属离子与部分有机污染物发生络合反应，造成水体复合污染[7]。

第二，水体重金属污染会使水生植物光合作用和呼吸作用受到损伤，还会引起水生植物蛋白质和酶活性的变化[8]。

第三，高浓度的重金属离子会改变细胞膜的通透性，抑制水生植物对营养物质的吸收，进而影响水生植物细胞的正常生理过程，对水生植物细胞整体造成伤害[8]。

第四，由于重金属具有富集性，通过食物链等途径会富集到水生动物体内，对动物造成不可逆的危害。

例如，重金属会对水生动物的代谢及生长发育造成严重的危害，当水体中重金属离子浓度达到一定值后，会导致水生动物中毒乃至死亡[9]。

第五，如果人类饮用重金属污染水源或食用重金属污染水源灌溉的蔬
基金项目渔业产业技术体系北京市创新团队项目（BAIC07-2022-06）；河北省重点研发计划项目（22326701D）；
北京市农林科学院青年基金项目（QNJJ202020）。

作者简介俞文钰（2000—），女，河北秦皇岛人，硕士研究生在读。

研究方向：农业水环境生态修复技术。

*通信作者
收稿日期2022-11-01
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菜都会导致人体健康受到伤害。

2水生植物对水体重金属污染的治理
水体重金属污染对动植物以及人类的影响严重，其污染治理除了加强源头控制外，还需要利用物理、化学或生物方法进行过程处理，从而使水体中重金属含量达标，降低重金属污染造成的环境压力。

相比于物理法和化学法修复水体重金属污染，利用水生植物等生物方法修复被重金属污染的水体具有成本低、生态环保、避免二次污染等优点[10]，可大面积推广，符合可持续发展观和生态绿色发展战略。

水生植物去除水体中超量的重金属是利用水生植物把受污染水体中的重金属移除、吸收或富集，使水体中重金属浓度达标[10]。

水生植物按照形态可分为挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物，均能够对重金属污染水体进行净化。

2.1挺水植物
挺水植物的根茎一般在水底基质中，其茎叶高度超出水面，一般挺水植物均有陆地性质，可用作湿地和浮床植物[11]。

常见的挺水植物有芦苇、香蒲和荷花等。

挺水植物治理水体重金属污染有多种方式。

一是挺水植物以吸收方式治理重金属污染。

其中含有主动吸收过程，因挺水植物种类不同及其针对不同重金属的承载力不同，所以挺水植物吸收量不能随水体中重金属含量的升高而增加[12]。

二是挺水植物通过植株茎部与根系等吸附水体中的重金属离子，而且挺水植物可以利用自身根茎释放的微量元素吸附水体重金属离子，达到净化水质的目的[11]。

三是挺水植物利用微生物的分解作用治理水体重金属污染。

挺水植物可以为基质微生物提供碳源，使挺水植物与微生物形成共生系统，联合修复，促进重金属离子的吸收[13]。

挺水植物能够富集水体中的重金属离子，不同挺水植物对不同重金属的富集程度、富集位置均不同[14]，且不同挺水植物对重金属的富集能力与季节变化有关[1]。

应重视进行重金属污染治理后挺水植物的处理。

以富集和抗污染、抗逆境胁迫能力均较强的茭白[15]为例，由于茭白属于茎菜类蔬菜，如果富集大量
Pb、Mn等重金属的茭白被误食将产生严重后果，所以应妥善处理此类挺水植物[16]。

2.2浮叶植物
浮叶植物属于浮水植物的一类，较为典型的有睡莲、水鳖、荇菜等，其特点是扎根于泥底，叶片上有大量的气孔并漂浮在水面上，通常生活在浅水区[11]。

浮叶植物对水质有较好的净化效果，例如睡莲不仅对静态水体的氮、磷污染治理有较好的效果[17]，还对重金属有一定的积累能力，对Cu全量的去除率可达89%[18]。

周虹霞等[19]通过对滇池湖岸植物调查发现，水鳖在水质净化中发挥重要作用，且水鳖对重金属Pb有一定的抗胁迫能力[20]。

荇菜对重金属净化功能的研究不多，但有研究报道荇菜对重金属Pb表现出很强的富集能力，并且Pb大多都被储存在其细胞壁中，此外，荇菜还具有多种防御策略应对Pb的毒害[21]。

2.3漂浮植物
漂浮植物也是一类浮水植物，它区别于浮叶植物的典型特征是全株漂浮在水面上，根系不发达。

大量研究表明，漂浮植物对水体中重金属离子表现出较强的富集能力[22]。

例如凤眼莲对重金属Cd、Cu、Mn表现出很强的去除效果，其中对Cd2+的去除率可达
84.21%[23]。

水禾、大薸、黄花水龙等对水体重金属Fe 污染均有治理效果，其中漂浮植物水禾去除水体中Fe 的效率最高，并且重金属大多富集在水禾的茎部[2]。

槐叶萍、大薸等漂浮植物对Cu2+有较强的富集能力[14]。

2.4沉水植物
沉水植物整个植株均在水面以下，大多数沉水植物对水体重金属污染都有较好的去除能力，其中大型藻类相对其他沉水植物而言对重金属有更好的吸收和富集作用[3]。

例如，狐尾藻对水体重金属Zn有较强富集能力[24]，粉绿狐尾藻对水体重金属Cd有富集作用，并有相对应的耐受机制[25]。

此外，金鱼藻是生态缸常用沉水植物，对重金属离子表现出较强的富集能力；去除重金属能力较强的沉水植物还有苦草、伊乐藻等，其中伊乐藻对水体中重金属Cd的去除率高达92%[26]。

管东红等[22]研究表明，沉水植物对水体重金属的吸收积累能力强于浮水植物和挺水植物，且沉水植物根系的重金属浓缩倍数最高。

3水生植物对水体重金属污染治理的机制
3.1植物根系分泌物的作用
水生植物根系分泌物是指根系的各个部位向周围环境释放的各类物质，主要包含无机离子、糖类、醇类和有机酸等[4]。

根系分泌物通过重金属螯合作用治理水体重金属污染，并可将其贮藏于液泡或细胞壁内以降低重金属对水生植物的伤害[27]，其中根系氨基酸、有机酸类
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分泌物会与重金属离子形成稳定的螯合物[4]；水生植物通过根系分泌的特殊有机物能交换吸附水体中的重金属，使重金属在水生植物根细胞内富集[4]。

为增强抗逆性，根系分泌物通过改变介质中重金属离子以及各类微生物的移动，达到增强水生植物抗逆性的目的。

有研究表明，植物根系分泌物能够促进重金属的移动，其中一些小分子分泌物易与重金属络合，促进重金属离子向植物根系迁移，使重金属贮藏在根际的黏液层，以此来保护水生植物[28]。

3.2根际促生菌的作用
根际促生菌是根系微生物的重要组成部分，指生长在根际周围，促进植物生长、抑制病原菌的微生物总称。

研究报道较多的有芽孢杆菌属、假单胞杆菌属、沙雷氏菌属等[29]。

植物根际促生菌通过3种方式促进水生植物治理水体重金属污染：一是根际促生菌能够降低部分水体重金属的价态，例如蜡样芽孢杆菌能够将Cr6+还原成Cr3+，以降低Cr的毒性[30]；二是植物根际促生菌分泌植物生长激素、特异性酶等促进水生植物根系的生长，增大根系与介质的接触面积，增强水生植物的净化能力[25]；三是根际促生菌还可以通过胞外聚合物络合水体中的重金属，同时能够保护水生植物[31]。

3.3根系分泌物与促生菌的协同作用
根系分泌物刺激微生物的生长代谢，一般来说，根系分泌物量越大根系周围微生物越活跃[32]。

研究发现，根系分泌物通过为微生物提供碳源，增强促生菌在水生植物治理重金属污染中的作用。

与此同时，根际促生菌又反作用于根系，促进水生植物分泌根系分泌物。

根系分泌物与根际促生菌相互作用，在提高水生植物治理重金属污染效率的同时还能减轻重金属对水生植物的毒害。

根际促生菌与介质中其他病原微生物等存在利用和竞争关系，但根际促生菌与分泌物之间的拮抗作用机制尚不明确[29]，需要进一步研究。

4结论与展望
利用水生植物净化水体的研究越来越系统，水生植物在治理水体富营养化，吸收氮、磷等物质的同时又能够治理难降解的重金属污染，相比于物理和化学方法，更能够减少二次污染的风险。

不论是挺水植物、浮叶植物、漂浮植物，还是沉水植物，均能对水体重金属污染有较好的净化作用。

根系分泌物和促生菌在水生植物治理水体重金属污染过程中发挥了非常重要的作用。

后续关于水生植物对水体重金属污染治理的研究还可从以下方面开展：如何合理搭配水生植物组合，使其在治理水体重金属污染时达到最佳的净化效果；进一步研究水生植物根际促生菌利用根系分泌物的能力，并筛选具有针对性的根际促生菌；妥善处理用于治理重金属污染的水生植物，尽可能避免其造成二次污染。

5参考文献
[1]俞佳，黄颖，刘云根，等.典型矿区河岸生态区重金属在“水—底质—植物”系统中的迁移富集效应[J].福建农林大学学报（自然科学版），2021，50（6）：850-857. [2]贾成霞，辛支明，曲疆奇，等.16种观赏植物对锦鲤工厂化
循环水养殖水体污染物的净化作用研究[J].渔业现代化，2018，45（3）：1-8.
[3]王兴利，吴晓晨，王晨野，等.水生植物生态修复重金属污
染水体研究进展[J].环境污染与防治，2020，42（1）：107-112.
[4]王亚菲，唐鑫.植物根系分泌物在水体污染修复中的作用
研究进展[J].现代农业研究，2021，27（11）：43-45. [5]邱小香，朱海燕.水体重金属的污染及其处理方法[J].湖南
农业科学，2011（14）：34-35.
[6]杨瑞香.水体重金属污染来源及治理技术研究进展[J].资
源节约与环保，2016（4）：66.
[7]徐西蒙，陈远翔.水体重金属-有机物复合污染的协同处
理技术研究进展[J].化工环保，2020，40（5）：467-473. [8]贾晓慧.水生植物受重金属污染毒害的相关研究[J].焦作
大学学报，2005，19（3）：54-55.
[9]吴贤汉，江新霁，张宝录，等.几种重金属对青岛文昌鱼毒
性及生长的影响[J].海洋与湖沼，1999，30（6）：604-608. [10]王惠榆.重金属胁迫下超富集植物修复的研究进展[J].科
技视界，2018（18）：53-55.
[11]张亚娟.城市污染景观水体植物净化修复方法研究[J].环
境科学与管理，2019，44（10）：65-70.
[12]申屠灵女.重金属污染土壤生物修复的原理与技术应
用[J].中国金属通报，2021（11）：194-197. [13]汤春芳.旱柳和狭叶香蒲对重金属吸收及其活性炭吸附
的比较研究[D].长沙：中南林业科技大学，2015. [14]王谦，成水平.大型水生植物修复重金属污染水体研究
进展[J].环境科学与技术，2010，33（5）：96-102. [15]王方园，谢晓君，龙珠，等.砷和汞在水生蔬菜及其生长
环境中的迁移富集[J].浙江师范大学学报（自然科学版），2017，40（2）：214-220.
[16]齐敏，杨双喜，汪娌娜，等.宁波市海曙区地产茎菜类蔬
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4结论
（1）在槽前西南急流控制下，暖湿空气被持续输送到暴雨区，为暴雨的发生和维持提供了充沛的水汽和能量。

850hPa低空急流增强到20m/s，为暴雨过程输送大量水汽，也为水汽在暴雨区辐合提供了动力条件。

低空暖湿气流也在辽东半岛地形抬升增幅作用下，加强了大连地区的降水，出现区域性的暴雨到大暴雨天气。

（2）散度场配置为高层辐散、低层辐合的高低空配置，有利于上升运动的发展，进而有利于强降水的产生。

（3）在700~850hPa之间假相当位温随着高度升高而减小，表明了中低层是高温高湿的高能量区，暖湿空气在此辐合抬升有利于触发不稳定能量的释放，不稳定条件明显，进一步促进了暴雨天气的形成和发展。

5参考文献
[1]王佳禹，王英梅，任建春，等.大连地区一次台风远距离暴
雨天气诊断分析[J].现代农业科技，2020（3）：185-186. [2]毕宝贵，刘月巍，李泽椿.2002年6月8—9日陕南大暴雨
系统的中尺度分析[J].大气科学，2004，28（5）：747-761. [3]王晓芳，徐明，闵爱荣，等.2010年5月我国南方持续性暴
雨过程分析[J].暴雨灾害，2010，29（2）：193-199. [4]程麟生，冯伍虎.“987”突发大暴雨及中尺度低涡结构的
分析和数值模拟[J].大气科学，2001，25（4）：465-478. [5]周娟，高天赤，杨军，等.浙江北部地区一次短时暴雨过程
非常规资料特征分析[J].气象与环境学报，2015，31（4）：7-13.
[6]贝耐芳，赵思雄.1998年“二度梅”期间突发强暴雨系统的
中尺度分析[J].大气科学，2002，26（4）：526-540. [7]翟国庆，高坤，俞樟孝，等.暴雨过程中中尺度地形作用的
数值试验[J].大气科学，1995，19（4）：475-480. [8]张小玲，陶诗言，张庆云.1998年7月20—21日武汉地区
梅雨锋上突发性中-β系统的发生发展分析[J].应用气象学报，2002，13（4）：385-397.
[9]孙健，赵平，周秀骥.一次华南暴雨的中尺度结构及复杂
地形的影响[J].气象学报，2002，60（3）：333-342. [10]丁治英，常越，朱莉，等.1958—2000年6月连续性暴雨
的特征分析[J].热带气象学报，2008，24（2）：117-126. [11]梁生俊.2003年渭河流域一次致洪暴雨过程综合分
析[J].暴雨灾害，2008，27（1）：32-36.
[12]朱乾根.天气学原理和方法[M].北京：气象出版社，
1981.
（上接第158页）
菜中重金属污染状况分析[J].中国卫生检验杂志，2021，31（24）：3034-3036.
[17]章志琴，方弟安，徐卫红，等.荷花和睡莲对景观水净化
的效果研究[J].江苏农业科学，2009，37（5）：320-322. [18]高军侠，陶贺，党宏斌，等.睡莲、梭鱼草对铜污染水体的
修复效果研究[J].地球与环境，2016，44（1）：96-102. [19]周虹霞，孔德平，范亦农，等.滇池大型水生植物研究进
展[J].环境科学与技术，2013，36（增刊2）：187-194. [20]丁春霞，施国新，徐勤松，等.水鳖叶片对不同浓度Pb2+
胁迫的生理和结构响应[J].广西植物，2009，29（6）：768-773.
[21]乔绪强.铅（Pb2+）胁迫下荇菜和菹草无菌苗的生理生化
特性与容忍机制[D].南京：南京师范大学，2014. [22]管东红，管映兵，杨帆.水生植物去除废水重金属研究进
展[J].绿色科技，2019（18）：80-83.
[23]周佳栋，马丹丹，刘敏，等.三种水生植物对重金属的富
集及净化能力研究[J].杭州师范大学学报（自然科学
版），2020，19（1）：57-63.
[24]吴晓梅，叶美锋，吴飞龙，等.狐尾藻对生猪养殖场沼液Cu、Zn的富集与净化效果[J].福建农业学报，2018，33（11）：1195-1200.
[25]朱桐豆.粉绿狐尾藻及根际促生菌强化人工湿地净化镉
污染水体研究[D].郑州：郑州大学，2021. [26]张饮江，易冕，王聪，等.3种沉水植物对水体重金属镉去
除效果的实验研究[J].上海海洋大学学报，2012，21（5）：784-793.
[27]刘长风，段士鑫，张晓宇，等.植物根系分泌物在重金属
胁迫下的响应研究进展[J].福建农业学报，2021，36（12）：1506-1514.
[28]吴启堂.根系分泌物对镉生物有效性的影响[J].土壤，1993，25（5）：257-259.
[29]霍佳慧，毕少杰，于欣卉，等.植物根际促生菌作用机制
研究进展[J].现代农业科技，2022（9）：90-96. [30]TRIPATHI M，GARG S K.Co-remediation of pentachloro-phenol and Cr6+by free and immobilized cells of native Bacillus cereus isolate：spectrometric characterization of PCP dechlorination products，bioreactor trial and chromate reductase activity[J].Process Biochemistry，2013，48（3）：496-509.
[31]杨露，辛建攀，田如男.根际微生物对植物重金属胁迫的
缓解作用及其机理研究进展[J].生物技术通报，2022，38（3）：213-225.
[32]李稹，黄娟，姜磊，等.人工湿地植物根系分泌物与根际
微环境相关性的研究进展[J].安全与环境学报，2012，12（5）：41-45.
164。