狐尾藻在农业面源污水生态修复中的作用研究进展

赵文哲　张志　宋颂　易军　陈学军　夏宗良

摘要 以种植业和养殖业为主的农业面源污染源造成土壤和水体污染日益加重，严重威胁我国农业和农村的环境质量安全。水生植物狐尾藻作为一种污染物富集植物，在农业农村污染水体生态修复和治理中具有广阔的应用前景。对狐尾藻的生理生态特性、重金属、氨氮和磷等富营养成分的吸收降解机制及其影响因素进行综述；同时，对今后狐尾藻在基因组学和生物技术育种方面的研究提出建议和展望，为进一步研究和利用狐尾藻进行污染生态修复提供科学依据。

关键词狐尾藻；污染水体；生态修复；富营养化

中图分类号X52文献标识码A

文章编号0517-6611（2023）08-0016-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.08.004开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress on Roles of Myriophyllum spicatum in Ecological Remediation of Agricultural Non-Point Source Wastewater

ZHAO Wen-zhe ZHANG Zhi SONG Song et al（1.College of Life Sciences， Henan Agricultural University， Zhengzhou， Henan 450002;2.Henan Provincial Academy of Eco-Environmental Sciences， Zhengzhou， Henan 450003;3.Henan Provincial Engineering Research Center of Eco-Environmental Damage Assessment and Restoration， Zhengzhou， Henan 450003）

AbstractAgricultural non-point source pollution， mainly from planting and breeding， has increasingly aggravated soil and water pollution， which seriously threatens the environmental quality and safety of agriculture and rural areas in China. As a kind of pollutant accumulator， the aquatic plant Myriophyllum spicatum has a broad application prospect in ecological restoration and treatment of polluted water in agricultural and rural areas. In this paper， the physiological and ecological characteristics of Myriophyllum spicatum， and its absorption and degradation mechanisms underlying heavy metals， ammonia nitrogen， phosphorus and other nutrient-rich components and their influencing factors were reviewed. Meanwhile， suggestions and prospects for the future research on the genomics and biotechnology breeding of the plant are put forward， which will provide scientific basis for further research and ecological remediation of pollution by Myriophyllum spicatum.

Key wordsMyriophyllum spicatum;Polluted water;Ecological remediation;Eutrophication

近年來，以种植业和养殖业为主的农业面源污染源造成土壤和水体污染日益加重，严重威胁我国农业和农村环境质量安全［1-3］。农业面源污水中的重金属、氨氮和磷、有机物污染物等具有隐蔽性和累积性，可通过多种途径进入食物链，严重影响人类身体健康和生命安全［4-5］。因此，进行农业面源污水修复是保障我国农业安全生产、实现乡村振兴和现代农业高质量发展亟待解决的重要问题。

植物修复技术具有成本低、操作简便、适用性强、经济价值突出、美化环境等优点，在农业面源污染修复中广泛应用［6-7］。杨林章等［8］提出了农业面源污染防控“4R”技术（即“源头减量—过程阻断—养分再利用—生态修复”）。Liu 等［9］报道了采用绿狐尾藻构建一套农业农村污水生态治理技术体系，对控制农业面源污染水体具有显著效果。由此可见，狐尾藻作为一种污染物富集植物在农业农村污水生态修复和治理中具有广阔的应用前景。该研究综述狐尾藻的生理生态特性及重金属、氨氮和磷等吸收降解机制及其应用，为进一步研究和利用狐尾藻进行污染生态修复提供科学依据。

1生理生态特性

狐尾藻属（Myriophyllum spp.）是被子植物门、双子叶植物纲、小二仙草科的水生植物，可以挺水或沉水生长，多年生，生长在在湖泊、河流、池塘、沟渠、湿地等环境中［10］。狐尾藻属共包含约69个种，在世界范围内广泛分布。狐尾藻可以通过有性生殖形成种子进行繁殖，可以是雌雄同株，例如穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum），也可以是雌雄异株，例如绿狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）。狐尾藻最主要的繁殖方式是无性繁殖，其茎节处可以生根，在水中蔓延生长，茎部的断枝也容易再生出新的植株［11］。狐尾藻好光喜温，在夏季快速生长繁殖，有一定的抵抗低温的能力。由于其快速繁殖的能力以及较好的适应性，狐尾藻在很多国家地区被列为入侵物种和恶性杂草［12］。李裕元等［13］在我国温带和亚热带的11个试验站对绿狐尾藻的适应性和竞争力开展研究，结果表明由于受越冬能力、本土水生植物的竞争以及天敌危害等因素的影响，绿狐尾藻在我国大范围的自然扩张比较有限。

2生态修复功能

狐尾藻对污水中的多种成分具有很强的生态修复和净化能力。狐尾藻通过光合作用为污水中其他生物提供生长所需的有机物和溶解性氧气，还可以通过根部或茎叶吸收、利用污水中的氮、磷等营养物质。另外，镉、铬、铜等重金属被狐尾藻吸收后，也会贮存在体内［14］。

2.1对有机污染物的降解化学需氧量（COD）是指水体中需要被氧化的还原性物质的量，被作为衡量水中有机物质含量多少的指标。COD值越大，说明水体受有机物的污染越严重。Souza等［15］收集了排放城市污水的河流中的水样，分析了17～30 ℃条件下狐尾藻对水中有机物质的降解效果。结果表明，处理15 d后污水的COD值显著下降，30 d后COD降低了67%，证明狐尾藻对污水中的有机物质具有明显的去除效果。

研究表明，狐尾藻可以通過多种机制降解或去除污水中的阿拉特津、氟乐灵、去草净、噻草酮等有机污染物［16］。①吸附固定。狐尾藻发达的根茎可以在水中形成庞大的网状结构，对有机物进行吸附固定、防止其在水中扩散。②促进微生物的降解能力。狐尾藻通过光合作用大大增加了水体中的溶解氧，进而促进了水体中分解有机物的微生物的快速繁殖和降解速率。降解后的有机营养成分还可以被狐尾藻等水生植物吸收利用，从而达到降解污水中有机污染物的目的。董文斌等［17］对养殖场一～五级的养殖废水进行去污效果检测，结果表明58 d后水样的COD去除率均值可达79.1%，其中一级废水COD去除率高达86.7%，五级废水COD去除率达82.6%，显示出较强的去除有机污染物的效果。徐哲［18］研究了深圳市丁山河上中下游3个由狐尾藻构建的人工湿地在污水厂尾水净化中的应用效果，结果表明，3个湿地的污染物去除率达到55%～91%，显示出狐尾藻湿地高效的生态修复效果。另外，绿狐尾藻和活性污泥（含有大量微生物）联用的污水处理系统，可以大大提高对污水中有机物的降解效果。

2.2水体富营养化的修复水中氮、磷等营养物质过量导致水体被污染的现象称为水体富营养化。水体富营养化会影响水质，造成水的透明度降低，阳光难以穿透水层，对水中植物的光合作用产生影响，导致水中的溶解氧少，对水生动物危害极大，甚至导致水生动物死亡［19］。水体富营养化此前大多使用物理法或化学法来治理，但是都存在投入大、治理不彻底的缺点。利用植物进行水体富营养化修复已经证实是一种环保有效的方式。狐尾藻对水体中的氮、磷的吸收利用能力较强，狐尾藻湿地可吸氮1～2 t/（hm·a）和磷100～300 kg/（hm·a）（相当于600头和1 000头猪的排放量）。狐尾藻对铵态氮、硝态氮、总氮的吸收率都达到90%以上，表明狐尾藻对氮的吸收去除效率效果非常显著［20］。

吴晓梅等［21］检测了穗花狐尾藻在不同的水力停留时间对氮、磷的去除效果，结果表明随着水力停留时间的增加，狐尾藻体内氮、磷含量均呈现先增后减的变化趋势。肖顺明［22］对狐尾藻的全株、根、茎、叶进行不同浓度下氮、磷的吸收速率的试验，结果表明狐尾藻对氮、磷吸收速率受氮磷浓度的影响，且对氮的吸收效率为磷的3倍。因此，狐尾藻对氮、磷的吸收和去除能力很强，很适合用于水体的富营养化修复。但要及时对狐尾藻进行打捞收割，防止狐尾藻枯萎后产生腐烂释放，造成水体的二次污染。

2.3对重金属的吸附水体中重金属的污染一直是污水处理的难题。常见的重金属污染包括铜、镉、铅等污染。常规的清除方法主要依靠物理吸附、化学絮凝，电化学以及膜处理法等，工艺复杂、费用高，既不经济又容易引入新的污染。引入水生植物通过自身代谢吸附水体中的重金属，环保又高效，是当下非常有潜力的污水净化策略。研究表明，狐尾藻在清除水体重金属污染方面具有较大的潜力。

穗花狐尾藻对镉、铬等重金属具有较强的生物吸附力，且受pH的影响。当铬初始浓度为36 mg/L时，pH 5.0具有最高的吸附效率［23-24］；溶液中共存的钙离子对狐尾藻生物吸附镉的能力有竞争作用，提高浓度会影响镉的吸附；热力学计算表明穗花狐尾藻对镉的吸附属于吸热的自发过程，在一定镉浓度下，升温有助于提高吸附能力［25］。穗花狐尾藻对铅也具有类似的吸附能力，通过模型计算表明穗花狐尾藻对铅离子具有最大的理论吸附量52.12 mg/g，铜离子和锌离子可以干扰铅离子的吸附；铅离子主要由于产生离子交换而被吸附，相较于钾离子和钠离子，二价钙离子与镁离子更容易发生交换；与对铬的吸附一样，pH同样影响穗花狐尾藻的吸附能力［26］。此外，吴晓梅等［27］研究表明，狐尾藻对于生猪养殖场沼液的铜离子和锌离子具有较好的富集能力，其中水力停留时间为40 d时可获得狐尾藻最大的沼液净化效率。总体来看，目前对狐尾藻吸收积累重金属的研究依然较少，尤其对其吸附积累金属或重金属离子的机制尚需要深入研究。

3狐尾藻生态修复的影响因素

近年来，国内外学者对影响狐尾藻净化能力的环境因素进行了研究，主要包括温度、光照、pH等。

3.1温度狐尾藻生长最适温度为20～30 ℃，高温或低温会对其生态修复功能产生一定的影响。安娜［28］研究发现高温条件下狐尾藻对氨氮的去除率达70%，对总氮的去除率达60%；低温条件下，对氨氮和总氮的去除率下降至20%。另外，低温环境下，狐尾藻需要30 d的适应期。总体来说，狐尾藻在高温条件下，可以维持净化和耐受的能力；在低温条件下，净化和耐受的能力会大大降低。

3.2光照不同光照条件对植物的生长发育、物质代谢、光合作用等产生重要影响。狐尾藻的生长和净水效果也会受光照的影响，在不同光质的照射下，其生长发育、光合作用会受到影响，进而影响其对污水的净化效果。胡清泉等［29］比较了红光、蓝光、白光和自然光4种光质条件下，狐尾藻的生物量、叶绿素含量和COD、氮磷的降解效率，结果发现在红蓝光3∶1时生物量最高；在白光时叶绿素含量明显低于其他3种光质；在红蓝光3∶1时狐尾藻对污水的降解效果最好，这表明光质对狐尾藻的光合能力及净化水体的效果有显著影响。桑雨璇等［30］研究了2种光照强度对沉水植物菹草和狐尾藻富集磷的效果，结果发现菹草在光照强度为66 μmol/（m2·s）时的生长速率和水体磷富集能力显著高于光照强度为110 μmol/（m2·s）时的情况，而狐尾藻的生长速率和富集磷的效率在2种光照强度下差异不显著。

3.3pH水生植物对水体pH的反应较敏感，酸性条件会对水生植物产生毒害作用，造成根茎损伤甚至植株枯萎死亡。但是水体pH也不宜过高，这同样会对水生植物造成不利影响。目前的研究表明，狐尾藻的生长和净水能力需要适宜的pH。李国新等［23］研究了不同pH条件下狐尾藻对重金属镉的吸附效果，并利用Langmuir模型进行了拟合分析。结果显示，pH低于2.0的强酸环境下狐尾藻的表面组织已经遭到破坏，不具备吸附重金属的能力；pH在3.0～6.0范围内镉吸附能力受pH影响较大，其中pH为5.0时理论吸附量最大。杨旻［31］研究了pH对狐尾藻去除不同形态氮的效果的影响，结果显示，在pH为7的中性条件下狐尾藻对铵态氮、硝态氮具有最大的吸收速率和亲和力，并且对铵态氮、硝态氮和总氮的去除能力最强；在弱酸和弱碱的条件下虽具有一定的吸收能力，但有所减弱。这表明狐尾藻对水体中不同物质的吸收和降解可能具有不同的最适宜pH。

4展望

狐尾藻对农村农业污水中的氮、磷等富营养成分及重金属等有毒物质具有较强的吸附吸收作用［32］，通过植物收获可以彻底去除污染物，并回收氮磷等富营养物质，在农业面源污染的生态修复中具有很好的推广应用前景。目前在狐尾藻的生理生态特性及生态修复机制研究取得了较好的进展，今后还需要从以下方面进行深入系统的研究。

4.1加强狐尾藻的基因组学和抗性育种研究狐尾藻好光喜温，夏季生长繁殖较快，但到了冬季气温降至4 ℃以下，许多狐尾藻植株的水上部分出现冻害，严重影响狐尾藻的生长。随着基因组学和现代分子生物学技术的发展，有望通过现代生物技术培育耐寒狐尾藻新品种。因此，今后需要加强狐尾藻基因组学领域的基础研究，为新品种的培育提供理论支撑。

4.2加強狐尾藻与附生微生物互作机理的研究微生物菌群附着在水生植物茎、叶和根生物膜上，对湿地污染物的去除具有重要作用［33］。狐尾藻和附生微生物之间复杂的相互作用，及其对氮、磷、重金属等吸收、吸附、去除的作用机理还需要进一步的研究。

4.3加强狐尾藻的栽培管理和资源化利用研究针对狐尾藻湿地生态修复技术体系需求，完善配套栽培和病虫害防治等技术措施，加强绿狐尾藻湿地的采收、维护及资源化利用等相关配套装备的研发，从而加快该技术成果在环保领域的推广应用。

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