狐尾藻在農業面源污水生態修復中的作用研究進展

趙文哲　張志　宋頌　易軍　陳學軍　夏宗良

摘要 以種植業和養殖業為主的農業面源污染源造成土壤和水體污染日益加重，嚴重威脅我國農業和農村的環境質量安全。水生植物狐尾藻作為一種污染物富集植物，在農業農村污染水體生態修復和治理中具有廣闊的應用前景。對狐尾藻的生理生態特性、重金屬、氨氮和磷等富營養成分的吸收降解機制及其影響因素進行綜述；同時，對今后狐尾藻在基因組學和生物技術育種方面的研究提出建議和展望，為進一步研究和利用狐尾藻進行污染生態修復提供科學依據。

關鍵詞狐尾藻；污染水體；生態修復；富營養化

中圖分類號X52文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2023）08-0016-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.08.004開放科學（資源服務）標識碼（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，以種植業和養殖業為主的農業面源污染源造成土壤和水體污染日益加重，嚴重威脅我國農業和農村環境質量安全［1-3］。農業面源污水中的重金屬、氨氮和磷、有機物污染物等具有隱蔽性和累積性，可通過多種途徑進入食物鏈，嚴重影響人類身體健康和生命安全［4-5］。因此，進行農業面源污水修復是保障我國農業安全生產、實現鄉村振興和現代農業高質量發展亟待解決的重要問題。

植物修復技術具有成本低、操作簡便、適用性強、經濟價值突出、美化環境等優點，在農業面源污染修復中廣泛應用［6-7］。楊林章等［8］提出了農業面源污染防控“4R”技術（即“源頭減量—過程阻斷—養分再利用—生態修復”）。Liu 等［9］報道了采用綠狐尾藻構建一套農業農村污水生態治理技術體系，對控制農業面源污染水體具有顯著效果。由此可見，狐尾藻作為一種污染物富集植物在農業農村污水生態修復和治理中具有廣闊的應用前景。該研究綜述狐尾藻的生理生態特性及重金屬、氨氮和磷等吸收降解機制及其應用，為進一步研究和利用狐尾藻進行污染生態修復提供科學依據。

1生理生態特性

狐尾藻屬（Myriophyllum spp.）是被子植物門、雙子葉植物綱、小二仙草科的水生植物，可以挺水或沉水生長，多年生，生長在在湖泊、河流、池塘、溝渠、濕地等環境中［10］。狐尾藻屬共包含約69個種，在世界范圍內廣泛分布。狐尾藻可以通過有性生殖形成種子進行繁殖，可以是雌雄同株，例如穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum），也可以是雌雄異株，例如綠狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）。狐尾藻最主要的繁殖方式是無性繁殖，其莖節處可以生根，在水中蔓延生長，莖部的斷枝也容易再生出新的植株［11］。狐尾藻好光喜溫，在夏季快速生長繁殖，有一定的抵抗低溫的能力。由于其快速繁殖的能力以及較好的適應性，狐尾藻在很多國家地區被列為入侵物種和惡性雜草［12］。李裕元等［13］在我國溫帶和亞熱帶的11個試驗站對綠狐尾藻的適應性和競爭力開展研究，結果表明由于受越冬能力、本土水生植物的競爭以及天敵危害等因素的影響，綠狐尾藻在我國大范圍的自然擴張比較有限。

2生態修復功能

狐尾藻對污水中的多種成分具有很強的生態修復和凈化能力。狐尾藻通過光合作用為污水中其他生物提供生長所需的有機物和溶解性氧氣，還可以通過根部或莖葉吸收、利用污水中的氮、磷等營養物質。另外，鎘、鉻、銅等重金屬被狐尾藻吸收后，也會貯存在體內［14］。

2.1對有機污染物的降解化學需氧量（COD）是指水體中需要被氧化的還原性物質的量，被作為衡量水中有機物質含量多少的指標。COD值越大，說明水體受有機物的污染越嚴重。Souza等［15］收集了排放城市污水的河流中的水樣，分析了17～30 ℃條件下狐尾藻對水中有機物質的降解效果。結果表明，處理15 d后污水的COD值顯著下降，30 d后COD降低了67%，證明狐尾藻對污水中的有機物質具有明顯的去除效果。

研究表明，狐尾藻可以通過多種機制降解或去除污水中的阿拉特津、氟樂靈、去草凈、噻草酮等有機污染物［16］。①吸附固定。狐尾藻發達的根莖可以在水中形成龐大的網狀結構，對有機物進行吸附固定、防止其在水中擴散。②促進微生物的降解能力。狐尾藻通過光合作用大大增加了水體中的溶解氧，進而促進了水體中分解有機物的微生物的快速繁殖和降解速率。降解后的有機營養成分還可以被狐尾藻等水生植物吸收利用，從而達到降解污水中有機污染物的目的。董文斌等［17］對養殖場一～五級的養殖廢水進行去污效果檢測，結果表明58 d后水樣的COD去除率均值可達79.1%，其中一級廢水COD去除率高達86.7%，五級廢水COD去除率達82.6%，顯示出較強的去除有機污染物的效果。徐哲［18］研究了深圳市丁山河上中下游3個由狐尾藻構建的人工濕地在污水廠尾水凈化中的應用效果，結果表明，3個濕地的污染物去除率達到55%～91%，顯示出狐尾藻濕地高效的生態修復效果。另外，綠狐尾藻和活性污泥（含有大量微生物）聯用的污水處理系統，可以大大提高對污水中有機物的降解效果。

2.2水體富營養化的修復水中氮、磷等營養物質過量導致水體被污染的現象稱為水體富營養化。水體富營養化會影響水質，造成水的透明度降低，陽光難以穿透水層，對水中植物的光合作用產生影響，導致水中的溶解氧少，對水生動物危害極大，甚至導致水生動物死亡［19］。水體富營養化此前大多使用物理法或化學法來治理，但是都存在投入大、治理不徹底的缺點。利用植物進行水體富營養化修復已經證實是一種環保有效的方式。狐尾藻對水體中的氮、磷的吸收利用能力較強，狐尾藻濕地可吸氮1～2 t/（hm·a）和磷100～300 kg/（hm·a）（相當于600頭和1 000頭豬的排放量）。狐尾藻對銨態氮、硝態氮、總氮的吸收率都達到90%以上，表明狐尾藻對氮的吸收去除效率效果非常顯著［20］。

吳曉梅等［21］檢測了穗花狐尾藻在不同的水力停留時間對氮、磷的去除效果，結果表明隨著水力停留時間的增加，狐尾藻體內氮、磷含量均呈現先增后減的變化趨勢。肖順明［22］對狐尾藻的全株、根、莖、葉進行不同濃度下氮、磷的吸收速率的試驗，結果表明狐尾藻對氮、磷吸收速率受氮磷濃度的影響，且對氮的吸收效率為磷的3倍。因此，狐尾藻對氮、磷的吸收和去除能力很強，很適合用于水體的富營養化修復。但要及時對狐尾藻進行打撈收割，防止狐尾藻枯萎后產生腐爛釋放，造成水體的二次污染。

2.3對重金屬的吸附水體中重金屬的污染一直是污水處理的難題。常見的重金屬污染包括銅、鎘、鉛等污染。常規的清除方法主要依靠物理吸附、化學絮凝，電化學以及膜處理法等，工藝復雜、費用高，既不經濟又容易引入新的污染。引入水生植物通過自身代謝吸附水體中的重金屬，環保又高效，是當下非常有潛力的污水凈化策略。研究表明，狐尾藻在清除水體重金屬污染方面具有較大的潛力。

穗花狐尾藻對鎘、鉻等重金屬具有較強的生物吸附力，且受pH的影響。當鉻初始濃度為36 mg/L時，pH 5.0具有最高的吸附效率［23-24］；溶液中共存的鈣離子對狐尾藻生物吸附鎘的能力有競爭作用，提高濃度會影響鎘的吸附；熱力學計算表明穗花狐尾藻對鎘的吸附屬于吸熱的自發過程，在一定鎘濃度下，升溫有助于提高吸附能力［25］。穗花狐尾藻對鉛也具有類似的吸附能力，通過模型計算表明穗花狐尾藻對鉛離子具有最大的理論吸附量52.12 mg/g，銅離子和鋅離子可以干擾鉛離子的吸附；鉛離子主要由于產生離子交換而被吸附，相較于鉀離子和鈉離子，二價鈣離子與鎂離子更容易發生交換；與對鉻的吸附一樣，pH同樣影響穗花狐尾藻的吸附能力［26］。此外，吳曉梅等［27］研究表明，狐尾藻對于生豬養殖場沼液的銅離子和鋅離子具有較好的富集能力，其中水力停留時間為40 d時可獲得狐尾藻最大的沼液凈化效率?？傮w來看，目前對狐尾藻吸收積累重金屬的研究依然較少，尤其對其吸附積累金屬或重金屬離子的機制尚需要深入研究。

3狐尾藻生態修復的影響因素

近年來，國內外學者對影響狐尾藻凈化能力的環境因素進行了研究，主要包括溫度、光照、pH等。

3.1溫度狐尾藻生長最適溫度為20～30 ℃，高溫或低溫會對其生態修復功能產生一定的影響。安娜［28］研究發現高溫條件下狐尾藻對氨氮的去除率達70%，對總氮的去除率達60%；低溫條件下，對氨氮和總氮的去除率下降至20%。另外，低溫環境下，狐尾藻需要30 d的適應期?？傮w來說，狐尾藻在高溫條件下，可以維持凈化和耐受的能力；在低溫條件下，凈化和耐受的能力會大大降低。

3.2光照不同光照條件對植物的生長發育、物質代謝、光合作用等產生重要影響。狐尾藻的生長和凈水效果也會受光照的影響，在不同光質的照射下，其生長發育、光合作用會受到影響，進而影響其對污水的凈化效果。胡清泉等［29］比較了紅光、藍光、白光和自然光4種光質條件下，狐尾藻的生物量、葉綠素含量和COD、氮磷的降解效率，結果發現在紅藍光3∶1時生物量最高；在白光時葉綠素含量明顯低于其他3種光質；在紅藍光3∶1時狐尾藻對污水的降解效果最好，這表明光質對狐尾藻的光合能力及凈化水體的效果有顯著影響。桑雨璇等［30］研究了2種光照強度對沉水植物菹草和狐尾藻富集磷的效果，結果發現菹草在光照強度為66 μmol/（m2·s）時的生長速率和水體磷富集能力顯著高于光照強度為110 μmol/（m2·s）時的情況，而狐尾藻的生長速率和富集磷的效率在2種光照強度下差異不顯著。

3.3pH水生植物對水體pH的反應較敏感，酸性條件會對水生植物產生毒害作用，造成根莖損傷甚至植株枯萎死亡。但是水體pH也不宜過高，這同樣會對水生植物造成不利影響。目前的研究表明，狐尾藻的生長和凈水能力需要適宜的pH。李國新等［23］研究了不同pH條件下狐尾藻對重金屬鎘的吸附效果，并利用Langmuir模型進行了擬合分析。結果顯示，pH低于2.0的強酸環境下狐尾藻的表面組織已經遭到破壞，不具備吸附重金屬的能力；pH在3.0～6.0范圍內鎘吸附能力受pH影響較大，其中pH為5.0時理論吸附量最大。楊旻［31］研究了pH對狐尾藻去除不同形態氮的效果的影響，結果顯示，在pH為7的中性條件下狐尾藻對銨態氮、硝態氮具有最大的吸收速率和親和力，并且對銨態氮、硝態氮和總氮的去除能力最強；在弱酸和弱堿的條件下雖具有一定的吸收能力，但有所減弱。這表明狐尾藻對水體中不同物質的吸收和降解可能具有不同的最適宜pH。

4展望

狐尾藻對農村農業污水中的氮、磷等富營養成分及重金屬等有毒物質具有較強的吸附吸收作用［32］，通過植物收獲可以徹底去除污染物，并回收氮磷等富營養物質，在農業面源污染的生態修復中具有很好的推廣應用前景。目前在狐尾藻的生理生態特性及生態修復機制研究取得了較好的進展，今后還需要從以下方面進行深入系統的研究。

4.1加強狐尾藻的基因組學和抗性育種研究狐尾藻好光喜溫，夏季生長繁殖較快，但到了冬季氣溫降至4 ℃以下，許多狐尾藻植株的水上部分出現凍害，嚴重影響狐尾藻的生長。隨著基因組學和現代分子生物學技術的發展，有望通過現代生物技術培育耐寒狐尾藻新品種。因此，今后需要加強狐尾藻基因組學領域的基礎研究，為新品種的培育提供理論支撐。

4.2加強狐尾藻與附生微生物互作機理的研究微生物菌群附著在水生植物莖、葉和根生物膜上，對濕地污染物的去除具有重要作用［33］。狐尾藻和附生微生物之間復雜的相互作用，及其對氮、磷、重金屬等吸收、吸附、去除的作用機理還需要進一步的研究。

4.3加強狐尾藻的栽培管理和資源化利用研究針對狐尾藻濕地生態修復技術體系需求，完善配套栽培和病蟲害防治等技術措施，加強綠狐尾藻濕地的采收、維護及資源化利用等相關配套裝備的研發，從而加快該技術成果在環保領域的推廣應用。

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