水生植物腐解过程对水中重金属迁移转化影响的研究进展*

王 颖 唐艳葵 许子飏 韦柳伊 郑广益 梁 艳

(广西大学环境学院，广西 南宁 530004)

水生植物腐解过程对水中重金属迁移转化影响的研究进展*

王 颖 唐艳葵#ThongsalakSaktikoun许子飏 韦柳伊 郑广益 梁 艳

(广西大学环境学院，广西 南宁 530004)

一些水生植物对重金属具有一定的耐受性和富集能力，越来越多的工程实践成功地将水生植物应用于重金属污染水体的修复。然而，水生植物进入衰亡期后，其腐解过程对水中重金属的迁移转化还不是很明确。综述了水生植物对重金属的富集作用及其残体腐解过程，着重探讨了腐解过程中产生的溶解性有机物(DOM)和由腐解滋生的微生物等与重金属的相互作用，并结合目前的研究现状提出了今后研究的发展方向。

水生植物 腐解 重金属 迁移转化

Abstract: Certain aquatic plants have tolerance and accumulation for heavy metals. More and more phytoremediation applications have been successfully implemented in remediation of heavy metal polluted water. However,the effects of decomposition process of aquatic plants on the fate of heavy metals in water are not clear. This review introduced the accumulation and decomposition of aquatic plants in water. The interaction of dissolved organic matter or microorganisms and heavy metals were discussed intensively. The future development trends of the related research had been presented based on the current status.

Keywords: aquatic plants; decomposition; heavy metals; fate

近年来，由于工业的不断发展以及人类生活水平的不断提高，通过各种途径进入水体的重金属越来越多，水体环境受到严重污染，水生生态系统遭到严重破坏。2011年，云南曲靖某公司非法倾倒铬渣导致珠江源头南盘江水质受到严重污染[1]。2012年，广西龙江河镉污染事故给当地的水生生态系统造成了严重影响[2]。水生植物对水中的重金属有富集作用，能有效改善水体环境。富集重金属的植物通过收割可将重金属带离水体。但是若水生植物残体滞留在水体中其腐解过程还会对水体中重金属产生什么影响呢？本研究就水生植物的腐解过程对重金属的迁移转化影响进行了综述，以期为相关领域的深入研究提供一定的参考。

1 水生植物对重金属的富集作用及其残体腐解过程

1.1 水生植物对重金属的富集作用

水生植物富集水中的重金属的过程主要有被动或主动的跨膜运输、离子交换、络合等作用[3]，其富集能力取决于植物类型与重金属类型的匹配[4]。任珺等[5]发现，挺水植物菖蒲(AcoruscalamusL.)对水体中镉的富集能力最强。王忠全等[6]发现，挺水植物美人蕉(CannaindiaL.)对铬、汞、锌富集能力较强，而浮水植物水浮莲(PistiastratiotesL.)对铅、铜、镉富集能力较强。乔云蕾等[7]研究了3种沉水植物对镉和锌的富集能力，发现苦草(Vallisnerianatans)>黑藻(Hydrillaverticillata)>金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)。HUANG等[8]发现，刚莠竹(Microstegiumciliatum)和圆叶节节菜(Rotalarotundifolia)表现出对锰强烈地富集作用。此外，沉水植物和漂浮植物由于其特殊的生理结构，还可通过植物表面吸附去除水中重金属[9]。

1.2 水生植物的腐解过程

水生植物作为水生生态系统的重要组成部分，对整个水生生态系统的结构和功能具有重要影响，但水生植物死亡后会发生腐解。水生植物腐解过程十分复杂，一般可分为两个阶段：第1阶段为易溶性物质淋溶和易分解物质降解，这一阶段植物残体质量快速减少；第2阶段为难溶性物质与微生物或胞外酶作用缓慢分解[10]。曹培培等[11]发现，芦苇(Phragmitesaustralias)、狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)等4 d的分解率达到18.7%、32.51%。李文朝等[12]在研究东太湖水生植物腐解时发现，浮叶植物最易腐解，半个月分解率就超过70%；沉水植物分解率不高，但其半个月的分解率与一年的分解率之比却高达88.4%。水生植物残体的生物量也是影响其腐解快慢的重要因素[13]。水生植物的腐解速率还与水体的酸碱度[14]以及营养元素的含量[15]有关。

水生植物腐解会造成水体二次污染。但水体中适量的水生植物腐解能有效改善水体氮磷等营养元素的循环。强蓉蓉等[16]研究发现，在凤眼莲(Eichhorniacrassipes)生物量小于4 kg/m2时腐解不会导致富营养化水体的进一步恶化，反而对透明度、总磷、总氮等指标有明显的改善作用。

2 水生植物腐解过程对重金属迁移转化的影响

水生植物腐解过程对水中重金属的迁移转化产生影响主要有腐解过程产生的溶解性有机物(DOM)与重金属相互作用、腐解水生植物滋生的微生物与重金属相互作用等。

2.1 DOM与重金属的相互作用

水生植物腐解过程中会释放大量营养物质，其中一部分以DOM的形式存在。DOM包含氨基、亚甲基、羟基、羧基等多种官能团[17]3。TIPPING[18]发现，类蛋白物质与铜和镉具有强烈的络合作用，尤其是对铜。DOM中50%(质量分数，下同)～75%的物质为腐殖质，主要由腐殖酸和富里酸组成。腐殖酸和富里酸与重金属发生络合作用能提高重金属的迁移能力[19]。侯博特等[20]认为，腐殖质对重金属还有吸附作用。冯启言等[21]发现，矿井水中的富里酸对铜具有较大的络合容量，其中的酚羟基和羧基等官能团参与了反应。pH、离子强度等因素也会影响水环境中DOM与重金属发生络合作用[22]。CHRISTL等[23]发现，降低离子强度或者升高pH可以强化腐殖质对铜和铅的络合作用。

重金属的毒性往往与其形态有关。DOM对重金属的形态变化起着重要作用。有研究发现，DOM存在的情况下，砷对藻类的毒性较弱，若砷与DOM结合甚至还对藻类的生长有促进作用，但是游离态的砷却严重抑制藻类的生长[24]。另有研究报道，铜与DOM形成络合物或吸附在悬浮颗粒物表面，能有效降低其毒性[25]。SANCHEZ等[26]认为，腐殖酸与硅藻细胞壁结合，使得硅藻细胞壁的屏障作用增强，减弱了铅对其的生物毒性。但也有研究认为，DOM与重金属的迁移转化没有关系[27-28]。目前，大多数研究都仅针对DOM对重金属迁移转化的影响，而对DOM具体组分如何与重金属结合的机制研究甚少。由于DOM组分复杂，不同化合物、不同官能团对重金属的迁移转化能力都有不同程度的影响，因此有必要进一步开展这方面的研究。

2.2 微生物与重金属的相互作用

水生植物腐解第2阶段主要是纤维素、木质素等有机物被微生物降解为无机物的过程[17]2。影响这一过程的主要因素是细菌和真菌的种类[29]以及群落结构[30]等。

细菌、真菌等微生物腐解有机物的过程能产生较多胞外聚合物，这些胞外聚合物可以固定重金属[31]。有研究发现，水生丝孢菌产生的类蛋白物质能与重金属发生有效的结合[32]，使其能够耐受高浓度重金属[33]。CHINNI等[34]发现，芽孢杆菌(Bacillus)所产生的锰氧化孢子能迅速氧化二氧化锰，使其能够耐受高浓度的锰。另一方面，有些微生物甚至对重金属也具有富集能力[35]。但另有研究发现，重金属会抑制微生物的生长和繁殖[36]。SOLE等[37]发现，重金属含量越高越不利于真菌的生长。NIYOGI等[38]也证实，在重金属污染的区域，微生物的活性较低。

2.3 其他因素与重金属的相互作用

重金属的迁移转化除受上述因素的影响外，还与其他生物或非生物因素有关[39]，如温度、pH、溶解氧、动物的扰动等[40]。在水生植物腐解过程中，温度起着至关重要的作用，在一定的生理适应范围内，温度能刺激生物活性、影响生态系统动力学平衡，进而影响水生植物残体的分解速率[41]。通过植物残体的腐解作用，富集的重金属重新被释放到水体从而产生二次污染[42]。在受重金属污染的水体中，pH对水生植物腐解及微生物的生长也起着重要的作用[43]262。pH也是影响水环境中重金属与固相表面结合作用的主要因素，直接影响溶液中固相表面的电荷和组分形态[44-45]，决定阴阳离子在液相和固相间的分配，进而影响重金属的迁移转化和生物效应[46]。此外，重金属的迁移转化还与重金属本身的特性有关，不同重金属的迁移能力本身各不相同[43]262。王新等[47]比较了5种重金属的迁移能力，发现锌、镉迁移能力最强，铜、砷次之，铅的迁移能力最弱。不同重金属之间还可能相互作用，发生氧化还原或共沉淀反应。VARSANYI等[48]发现，生物膜表面的铁能与砷发生氧化还原反应形成沉淀。

3 展 望

目前，关于水生植物腐解对水体水质影响的研究都取得了一定的进展，但是对于水生植物腐解过程对重金属迁移转化的影响研究还相对欠缺。在以下几方面应展开深入研究：

(1) 水生植物腐解的第1阶段应着重研究不同腐解时间对DOM成分、形态的影响，以期找到不同水生植物第1阶段的确切时间；

(2) 水生植物腐解的第2阶段应进一步明确水生植物残体中的重金属对微生物种群结构、活性等的影响；

(3) 探索水生植物腐解过程营养元素释放与重金属迁移转化之间的关系；

(4) 水生植物腐解过程会产生沉积物，有必要研究沉积物中重金属的迁移转化及生物效应。

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Effectsofdecompositionprocessofaquaticplantsonthefateofheavymetalsinwater:areview

WANGYing,TANGYankui,ThongsalakSaktikoun,XUZiyang,WEILiuyi,ZHENGGuangyi,LIANGYan.

(SchooloftheEnvironment,GuangxiUniversity,NanningGuangxi530004)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.020

2016-10-20)

王 颖，女，1991年生，硕士研究生，主要从事环境污染控制及修复研究。#

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*国家自然科学基金资助项目(No.51668006、NO.51168001)；国家社会科学基金资助项目西部项目(No.15XKS018)；广西自然科学基金回国基金资助项目(NO.2015GXNSFCA139015);广西研究生教育创新计划项目(No.YCSW2017036)。