浮萍科植物水环境修复及其资源化利用综述

万合锋， 武玉祥， 秦华军， 龙云川， 刘 勇， 袁 果

(1.贵州省生物研究所，贵州贵阳 550009； 2.贵阳学院生物与环境工程学院，贵州贵阳 550005)

随着社会经济的发展和城镇化、工业化程度的提高，环境污染问题日益突出，影响人们的正常生活和健康[1]。治理污染水体常用的物理化学方法投资大且容易造成二次污染[2-3]。生物生态修复技术是近几年迅速发展起来的污水治理新技术，遵循生态系统平衡的自然规律，通过培养动植物、微生物来吸收、降解[1]、转化和转移水中的污染物[3]，常用的工程措施有人工湿地、生物浮岛、净化塘、滤坝和滤床等[1，3]，具有处理效果好、成本低、操作简单、不会形成二次污染和具有美学价值等特点[2，4-5]。

植物修复是生物生态修复的一种，主要通过利用水生植物富集、转移氮、磷和重金属等污染物质来治理和调节污染水体，国内外对该技术的应用研究较多[6-7]，也展现出了很好的修复效果[8]。本文以浮萍科植物[4]为论述对象，综述其在环境修复中的作用，为探索低成本、低能耗、生态景观效果好的治污新方法提供参考。

1 浮萍科植物的生物学特征

1.1 植物学分类

水生植物浮萍(Duckweed)[9]是浮萍科(Lemnaceae)植物的统称[10]，属被子植物门单子叶植物纲槟榔亚纲泽泻目浮萍科，属、种分类不完全一致，现已有的几种分类是5属37种、5属40种、5属38种、3属6种、4属28种[4-5，10-14]。其中，5属分为多根紫萍属(Spirodela)、少根紫萍属(Landoltia)、浮萍属[青萍属[10](Lemna)]、芜萍属(Wolffia)和扁平无根芜萍属(Wolffiella)[4，10，13]；3属分为紫萍属(Spirodela)、浮萍属(Lemma)、芜萍属(Wolffia)[11]。

常见的浮萍科植物[11]有紫萍属的紫萍(S.polyrrhiza)[15](别称紫背浮萍)[16-17]、少根紫萍[10]；浮萍属的品藻(L.trisulca)、青萍(L.minor)(别称浮萍[18-19]，小浮萍[20-21])、细脉浮萍(L.aequinoctialis)[22]、稀脉浮萍(L.perpusilla)、膨胀浮萍(L.gibba)[10]，三叶浮萍(L.paucicostata)[23]；芜萍属的芜萍(W.arrhiza)[11]。近1个世纪的研究多集中在青萍、膨胀浮萍、紫萍和少根紫萍等4个品种上[10]。

1.2 形态特征

浮萍科植物是形体最小、结构最简单的被子植物之一，植株为叶状体，呈倒卵形或椭圆形。其组成为(3～6)mm×(2～4)mm的叶状体加上长2～5 cm、直径小于0.5 mm的1条细根[24]，叶状体呈绿色，背面有时呈紫色[10，22]。

1.3 繁殖方式

1.4 生态习性

浮萍科植物生长的pH值和温度域较宽[11]。有研究认为，浮萍的可生长温度为10～35 ℃[27]或2～35 ℃[11]，最佳生长温度为25 ℃[27]，当水温低于5 ℃时，浮萍会进入休眠状态沉入水底，水温回升后重新恢复生机[27]，通常3月下旬至4月底，浮萍迅速生长，5月起繁殖速度和生物量趋于稳定，并逐渐开始衰败[28]。

1.5 地理分布

从热带到温带，从淡水到半咸水，从静水到缓流均可见到浮萍科植物[24]，分布遍及世界各地[10]，在多数温带至热带地区全年可以见到[5，18]，多生长于水田、池沼、湖泊等静水中[29]，在氨态氮含量较高的夏季自然水体中也可以见到[11]。

人们对浮萍的研究已广布于江苏(紫萍、青萍)[11]、广西(青萍)[21，30]、四川(浮萍属)[30-31]、安徽、浙江(浮萍属)[32-33]、湖北[24]、山东[33]、上海[34](浮萍属种)等省(市、区)，其中污染较为严重的云南滇池稀脉浮萍和紫背浮萍较多[35]，因此其研究主要集中在浮萍属和紫萍属上。

2 浮萍科植物在环境修复中的应用

2.1 氮磷吸收转移

2.1.1 吸收机理 浮萍类植物是吸收、转化氮磷等营养物质的重要植物类群[22]，其主要通过促进硝化/反硝化速率来提高系统对总氮(total nitrogen，简称TN)以铵态氮与硝态氮的形式)的去除[9]。夏季污水中的氨态氮(NH3-N)可通过气态氨挥发、浮萍系统吸收/吸附和硝化反应去除，硝态氮(NOx-N)完全通过浮萍系统吸收/吸附去除；冬季硝化反应受到抑制，污水中的氨态氮主要通过气态氨挥发去除，NOx--N 含量保持稳定[34]。浮萍科植物会优先吸收氨态氮[13，20]，只有当水体中的大部分氨态氮被消耗掉以后，才开始大量吸收其他形态的氮[13]。水体中氮磷的去除量与浮萍体内氮磷养分的积累量动态类似，二者在数量上十分接近，说明水体中氮磷的去除主要是通过浮萍对氮磷的吸收来实现的[36]。污水处理中常用浮萍与其他水生植物协同吸附水中的污染物质[36-37]。

2.1.2 影响因素

2.1.2.1 温度、pH值的影响 高温和低温对浮萍的生长均有抑制作用，而低温的抑制作用更明显，低温下浮萍体内与磷代谢有关的酶活性水平较低，限制浮萍对磷的吸收[27]。种云霄等认为，稀脉浮萍和紫背浮萍的氮磷含量受培养液温度、光照影响，低温可导致氮含量降低，低温和低光照可导致磷含量降低[35]。浮萍正常生长的水体pH值为6～9[20]，但也可在pH值为4的条件下存活[38]。吴雪飞等调查发现，紫萍和青萍生长水体的pH值变化范围为4.5～7.5[11]，偏离最佳生长pH值时，浮萍的生长和对磷的去除将受到抑制[27]。

2.1.2.2 溶液中氮磷含量的影响 种云霄等研究发现，浮萍氮磷含量受培养液中氮磷含量影响，低含量氮磷可导致浮萍氮磷含量降低[35]，实际应用中可根据污水中氮磷含量选择品种进行去除[4，35]。

氮对浮萍生长的抑制主要是通过不同形态的氮和非离子态氨实现的，且氨的抑制尤为明显[22]。在氨态氮为唯一氮源的条件下，当氨态氮含量为0.2～2.0 mg/L时，浮萍生长明显被抑制；氨态氮含量>2.0 mg/L时，基本不能生长[20]；当NO3--N含量≤40 mg/L时，对浮萍生长没有影响[20]。

开封建立了建制区局，实行市局与区政府双重领导的新模式，被国家总局副局长滕佳材、郭文奇称赞为“开封模式”。她指导建立了全省第一个规范化的乡镇（办事处）食品药品监管所，为全省基层所建设开辟路子。为了壮大食品药品监管队伍，提升监管人员素质，她跑遍全国20多所“985”院校，引进2名博士和12名硕士；并招录公务员117名，划转、调入469人，使全市监管队伍从200余人扩大到1000余人。她积极协调政校互动，率先在全省建立了食品药品培训基地、学生实习基地，开创了食品药品教育与监管工作相结合的新局面。

不同磷初始含量可影响紫萍对磷的吸收效率，蔡树美等将水体初始磷含量设定为0.1～15.0 mg/L时发现，紫萍累积吸收磷量和吸收磷能力均随磷初始含量的升高而增加，当初始磷含量为45.0 mg/L时，紫萍对磷的吸收量和吸收能力下降，生长受到抑制；初始磷含量在0.3～3.0 mg/L范围内时，紫萍对磷的去除率会受到影响[16]。

2.1.2.3 表面活性剂的影响 溶液中的有机物含量会影响浮萍对氮磷的吸收，被高含量有机物污染的浮萍对氮磷的吸收力降低[37]。精细化工行业生产中使用的表面活性剂，会毒害浮萍生长，影响其对水体氮磷的吸收[6]。储超等通过采用室内培养模拟富营养化水体的方法得出，当阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(sodium dodecyl benzene sulfonate)和阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(cetyltrimethylammonium bromide)的含量达到10 mg/L时，紫背浮萍明显受到损伤，氮磷吸收率出现负值，尤其对磷吸收的影响更为明显[6]。

2.1.3 氮磷吸收效果 浮萍科植物对氮磷的吸收具有能力强[4]、投资少、能耗低、对污染物去除效果好等特点[36，39]，利用它净化污水改善水质已成为环境领域的研究热点[10，40]。吴雪飞等通过对江苏省水域中的浮萍进行研究得出，浮萍可在氨态氮、硝态氮、总氮、总磷含量范围分别为0～42、0.2～2.0、0.2～45.0、0.02～13.00 mg/L的水体中生存[11]；薛慧玲等研究得出，紫背浮萍可适应的氮、磷浓度至少分别为140、224 mg/L，且对磷有较强的去除能力[31]。

浮萍能有效转化高含量氨态氮废水中的氮元素，因此在净化高含量氨态氮废水(养殖污水)领域具有较大潜力[41]。张浩等为寻找处理高含量氨态氮废水(猪场废水等)的浮萍品种，对采集的520株浮萍品种分别在400、250 mg/L氨态氮下进行初筛和复筛，最终获得2个具有较强氨态氮胁迫耐受性的优势品种——少根紫萍和多根紫萍；通过验证试验发现，少根紫萍可在800 mg/L氨态氮废水中存活[38]。

不同种浮萍对水体氮磷的吸收去除效果不同。辛静等以某污水处理厂的二级出水为供试水，考察少根紫萍和稀脉浮萍对水中氮、磷的去除及积累情况得出，稀脉浮萍对水中总氮、总磷的去除量分别是少根紫萍的1.6、2.2倍，且体内的氮、磷积累量分别是少根紫萍的1.6、1.9倍[36]。汪宴廷等研究3种浮萍(芜萍、少根紫萍、青萍)对3种不同稀释倍数猪场厌氧废水中氮、磷的净化效果，结果显示，少根紫萍对污水氮、磷的净化率超过了75%，净化能力优于芜萍和青萍，适合作四川盆地净化养殖废水中氮、磷的优化品种[30]；蔡树美等研究表明，稀脉浮萍适用于低磷含量污水的净化，紫萍适用于高磷含量污水的净化[42]；鲍姝等在户外条件下研究云南本地的4个浮萍品种在不同氮磷含量污水中的生长情况，结果发现，不同浮萍品种在不同氮磷含量污水中的最大生长速率、氮磷含量和氮磷固定能力存在明显的种属差异，其中本地多根浮萍具有最高的生长速率[7.38 g/(m2·d)]和氮固定能力[336.47 mg/(m2·d)][4]。

合理的工艺组合可以克服冬季气候对浮萍单种体系污水处理系统的不良影响，实现浮萍污水处理系统在全年气候条件下的连续运行和对污水中氮、磷的高效去除[39]。在处理废水时最好选择浮萍与其他水生植物的混养体系，以达到较稳定的修复效果(特别是对有机污染物的去除[43])。例如，黄辉等在以稀释牛场厌氧废水为供试污水的条件下研究认为，在低有机污染条件下，浮萍单种体系对污水中氮、磷的净化效果较好，但是当水体有机污染程度较高时，混养体系不仅能高效去除污水中的氮、磷，也能稳定良好地去除水体中的高有机污染物[37，43]；黄辉以养猪场废水为供试污水进行研究发现，在模拟冬季气候条件下，少根紫萍-水花生的混养体系对供试废水化学需氧量(chemical oxygen demand，简称COD)、总磷(total phosphorus，简称TP)、氨态氮的总去除率可维持在80%左右[39]。因此，在利用浮萍去除水中氮、磷营养物质时，应优先考虑利用各地当季优势浮萍品种及不同品种浮萍的共生复合系统[11]。

2.2 有机物吸收转移

一般情况，湿地植物在处理高负荷有机废水时会受到不同程度的氧化胁迫，而浮萍对有机污染胁迫具有较高的耐受性，且在胁迫去除后具有一定的恢复能力。研究浮萍对水中有机污染物的耐受规律，可为人工湿地植物的选择提供科学依据[44]。刘娥等研究浮萍对有机污染胁迫的耐受能力及胁迫去除后浮萍的恢复规律发现，当COD小于400 mg/L时，浮萍未受到氧化胁迫；当COD达到800 mg/L时，浮萍体内的活性氧自由基(reactive oxygen species，简称ROS)含量上升，细胞膜脂过氧化加剧，但抗氧化酶活性升高，抗氧化物质含量增加，浮萍可保持生长，胁迫去除后，抗氧化防御系统恢复到对照水平；值得注意的是，当COD超过1 000 mg/L时，会造成不可逆伤害，胁迫去除后也不能恢复正常生长[44]。

2.3 富集重金属元素

浮萍在生长繁殖过程中对重金属、化学污染物质、有毒有害物质也具有一定的富集作用[27，31]。

李伶等研究得出，浮萍可以吸收水体中低含量的镉，受高含量镉胁迫时反应敏感，可作为水体中镉含量的指示植物[45]。唐艳葵等以青萍种浮萍为试验材料，考察金属离子含量梯度下青萍的生长状况、叶片色素含量以及金属离子含量对青萍金属离子吸收能力的影响，结果表明，金属离子含量越高，青萍生长受抑制的程度越严重；Cu(Ⅱ)对青萍的毒害大于Pb(Ⅱ)；在Pb含量为40 mg/L、Cu含量为4 mg/L时，青萍对Pb、Cu的平均单位鲜质量富集量分别为26.09、2.49 mg/g，同时青萍的生长受到抑制，叶绿素含量急剧下降，氮、磷从细胞中溶出，得出青萍比较适宜修复低含量Pb(Ⅱ)污染水体的结论[21]。张如金等研究甲酸、苹果酸、柠檬酸等3种酸处理下的浮萍对铀吸附作用的影响发现，3种酸处理下的浮萍对铀的吸附量明显提高[46]。

2.4 生物指示作用

浮萍科植物还可作环境中的指示生物。李天煜研究了我国特有的浮萍属植物——稀脉浮萍对不同来源水(自来水、池塘水、湖水、渗滤液)水质的综合评价和指示效果，在7 d的观测期内发现，稀脉浮萍对水质具有一定的评价和指示作用，其叶状体相对增殖率可用于水质的生物学监测和综合评价[24]。李伶等研究得出，浮萍是良好的水体污染物监测植物和水体重金属污染判定指示植物[45]。

3 浮萍科植物在环境毒理学中的应用

浮萍科植物也是有毒化学品生物毒性评价的常用植物[17，32]，是国内外生态毒理学研究中重要的试验材料[19]，是最常用于毒性评价的维管束植物[26]。金小伟等以我国本土紫背浮萍为试验材料，利用其生长抑制和叶绿素含量的变化，在96 h的试验时间条件下成功地评价了3种氯酚类化合物(杀虫剂、有机溶剂和合成染料)的毒性效应[17]。卫麦霞等以三叶浮萍为试验材料，采用光照恒温培养法评价了咪鲜胺及其制剂和主要代谢物对浮萍的生态环境效应和生物毒性[47]。龚道新等以三叶浮萍为供试植物评价了咪鲜胺(prochloraz)及其制剂施保克(sportak)和主要代谢物对生态环境安全性、色素含量及组成的影响[23]。戴灵鹏等以体数量、鲜质量和叶绿素为测试指标进行浮萍生长抑制试验，评价Cu和乙草胺单一和复合污染的毒性效应[32]。纳米行业中纳米颗粒的大量生产和应用可能会向环境中释放生态毒性和水生生物毒性[48]；胡长伟等以不同含量的纳米ZnO处理浮萍(LemnaminorL.)7 d后发现，50 mg/L纳米ZnO对浮萍产生了显著的胁迫作用[33]；梁艺怀等对我国本土常见的稀脉浮萍与标准试验生物青萍进行毒性效应终点和毒性响应差异比较试验，在环境基准研究和化学品安全管理中，青萍和圆瘤浮萍已在许多国家成为法定的植物毒性测试标准物[26]。

浮萍在生物治理蓝藻水华中有一定的应用价值[29]。微囊藻毒素影响生物体健康，甚至可通过食物链传递到人体，张玮等研究认为，浮萍可以去除0.058 ng/mg微囊藻[29]，浮萍塘能有效去除水体中的藻类，并将其维持在较低含量[9]。

4 浮萍科植物在农业生产、能源等领域中的利用

浮萍科植物在农业和能源领域也存在一定的开发利用价值，是一种优质的饲料[40]，常用于草鱼、家禽和牲畜等的饲养[4，17，23，31]，并且可以降低稻田温室气体的排放量[49]。例如，郑燕玲等通过构建“浮萍-黄粉虫”食物链显著降低养殖成本[50]；Wang等研究认为，浮萍可以使稻田减排温室气体(CH4、N2O)，稻田温室气体排放量降低17%左右[49]。另外，浮萍富含生物质蛋白和淀粉[40]，可作为潜在的生物质能源原料开发[4，14]。如作为生物乙醇生产的原料[13，18，31]，采用厌氧干发酵产生沼气、沼渣等持续利用。顾新娇等以浮萍和奶牛粪为发酵原料在中温条件下进行半连续厌氧干发酵试验，测得容积产气率可达0.50 L/(L·d)，原料产气率达 0.33 L/g[以挥发性固体(volatile solid，简称VS)计][18]。黄卫东等对浮萍与猪粪(干质量比1 ∶1，湿质量比7 ∶1)的混合物、猪粪进行中温厌氧消化产气性能的比较发现，浮萍与猪粪混合物的厌氧消化性能较优，可以提高产气率[51]。此外，浮萍还具有散热、透疹、利尿等功效，具有一定药用价值[10]。

5 结语与展望

浮萍科植物具有生长速度快、富含生物质蛋白和淀粉、适应环境能力强、易管理的特点，且具有较高的氮磷、有机物和重金属等吸附转移能力，在污水废水生物生态修复处理、环境毒理学试验和农业生产以及能源行业中的应用已经有大量研究。在当今能源短缺和环境问题日益突出的情况下，浮萍作为生物质原料和优质水生植物在能源生产和环境保护中有巨大的潜在利用价值。

但也存在一些问题，一方面缺少科学管理，浮萍生物量的增长速率决定了其对氮磷的转化能力[22]；水体中浮萍的恶性增殖也会抑制藻的光合作用，阻碍水体的表面复氧，影响溶解氧(dissolved oxygen，简称DO)含量，使水体厌氧且发黑发臭，死亡的浮萍又会腐烂分解，进一步加剧水体的表观污染[28]，因此，须要科学管理、定期打捞，以防植物体在水中腐烂而导致氮磷重新进入水体产生污染[16]。一般根据培养规模、氮磷的去除目标及投入劳动量的强度确定收获频率和收获量[22]。另一方面研究地域局限，浮萍对水质净化和工程应用研究多集中在南方部分地区。多数地区还存在管理不善，甚至在氧化塘、池塘、湖泊等水环境中的浮萍多数处于无管理状态[18]。这些问题既限制浮萍在水体净化中的开发利用，又增加水体富营养化和藻华的概率[11]。

在今后的研究中，应继续开发浮萍在水体污染修复和非粮生物质能源开放中的价值；拓展研究其在温室气体减排、农业生产利用和药用等方面的价值；也要注意其在富集金属和病原体时的安全性问题。

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