龔 深，巢傳鑫，鄒冬生，謝永宏*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，湖南長沙 410128；2.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南長沙 410125)

人工濕地是進(jìn)行生態(tài)工程水污染控制和處理的重要技術(shù)之一，作為處理主體的水生植物，由于投資低、易管理、污染物去除效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水的處理[1-3]。對(duì)比常規(guī)的物理化學(xué)方法，水生植物對(duì)污染物的去除多利用本身的代謝過程以及由代謝所引起的根系微環(huán)境、濕地基質(zhì)等的變化所產(chǎn)生的一系列正效應(yīng)協(xié)同對(duì)污染物進(jìn)行去除。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物修復(fù)機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究和分析，但很少有研究對(duì)植物的單一機(jī)理進(jìn)行全面的分析。在綜述人工濕地植物類別以及污染物去除機(jī)理的基礎(chǔ)上，討論了植物處理污染物方面的最新研究進(jìn)展，以期為人工濕地的污染物治理以及制定科學(xué)合理的修復(fù)方案提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 人工濕地系統(tǒng)中的水生植物群落

人工濕地模仿自然濕地建造而成，其利用物理、化學(xué)和生物過程的協(xié)同作用來凈化水體。一般由水生植物、附著生物膜和人工基質(zhì)組成一個(gè)獨(dú)特的植物-微生物-土壤生態(tài)系統(tǒng)，其中，水生植物群落作為人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)人工濕地內(nèi)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)具有重要作用。根據(jù)水生植物與生長基質(zhì)相關(guān)的生長形式，人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中的水生植物群落可以分為沉水植物群落、浮葉植物群落和挺水植物群落[4]。

1.1 沉水植物

1.1.1 生長特性

沉水植物是構(gòu)成人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[5]。沉水植物需要沉沒于水中完成生活史，其通過光合作用產(chǎn)生的氧氣都釋放到水中，可以顯著增加水體中的溶解氧含量[6]，甚至導(dǎo)致富氧狀態(tài)，進(jìn)而抑制厭氧菌的存活，防止水體變質(zhì)，可以有效保護(hù)水體的生態(tài)平衡[7]。此外，沉水植物還可以通過根從沉積物或水體中吸收金屬和類金屬[8]。

1.1.2 化感特性

自然界中的很多沉水植物都可以釋放出具有抑制藻類生長的化感物質(zhì)[9]，化感物質(zhì)可以使藻類細(xì)胞的生理過程產(chǎn)生變化，例如，影響體內(nèi)酶的活性，加快有毒物質(zhì)在體內(nèi)的積累速率，導(dǎo)致藻類生物量減小[10]。但是，不同沉水植物分泌的化感物質(zhì)對(duì)藻類的作用不同，例如，穗狀狐尾藻(Myriophyllum spicatum)可以釋放4 種多酚物質(zhì)，抑制藍(lán)藻的光系統(tǒng)活性，特別是PSⅡ光系統(tǒng)，通過降低藍(lán)藻代謝的方式抑制其生長[11]；從菹草(Potamogeton crispus)與銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)共同培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，化感物質(zhì)可以抑制葉綠素的合成，從而抑制銅綠微囊藻的生長[12]。當(dāng)藍(lán)藻(Cyanobacteria)與沉水植物共存時(shí)，藍(lán)藻對(duì)化感物質(zhì)更敏感，生物量明顯減小，使沉水植物成為控制藍(lán)藻水華的有效工具[13]。

1.2 浮葉植物

1.2.1 生長特性

浮葉植物同樣是人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中主要的植物種類之一，在水域中覆蓋面積廣，根系可以直接吸收水中的污染物和有害物質(zhì)。浮葉植物葉片漂浮于水面，在自身進(jìn)行光合作用的同時(shí)，可以通過遮陰作用抑制浮游植物的光合作用。在利用大薸(Pistia stratiotes)改善富營養(yǎng)水體時(shí)發(fā)現(xiàn)，大薸能降低水體濁度、鹽度和懸浮物含量，有效地改善水體環(huán)境[14]；對(duì)鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)凈化水體的研究發(fā)現(xiàn)，2 周后鳳眼蓮的生物量增大約40%，水體中總氮、總磷、硝酸鹽、磷酸鹽和化學(xué)需氧量濃度都減小了65%～80%[15]；利用大薸和紫萍(Spirodela polyrhiza)等浮葉植物對(duì)6 種重金屬進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，除了紫萍對(duì)鉻的去除率只有33.88%外，其他處理對(duì)重金屬的去除率都大于80%[16]。值得注意的是，大薸和鳳眼蓮是世界上普遍的入侵水生維管植物，具有快速生長和適應(yīng)不同水體的特點(diǎn)，其作為r-對(duì)策者，能在污水中快速吸收養(yǎng)分，通過擴(kuò)大種群數(shù)量迅速發(fā)揮作用。除了可以利用浮葉植物降低水體富營養(yǎng)化程度、提高水體透明度以及去除藻類外，還可以利用浮葉植物漂浮的生長特性，彌補(bǔ)沉水植物無法在富營養(yǎng)和透明度不高的水體中生存的缺陷，將浮葉植物對(duì)污染物的去除作用作為恢復(fù)或構(gòu)建沉水植物群落的前置環(huán)節(jié)加以運(yùn)用。

1.2.2 遮陰特性

由于浮葉植物葉片漂浮于水面，對(duì)藻類等浮游植物具有較強(qiáng)的遮陰作用，可以通過競爭光照的方式，使水體中的藻類等浮游植物逐漸死亡，藻類等浮游植物腐爛時(shí)消耗大量氧氣，使水體呈厭氧狀態(tài)，加速反硝化過程，有利于水體中氮的去除。除了通過遮陰抑制浮游植物生長，浮葉植物根系同樣會(huì)釋放出化感物質(zhì)，抑制藻類生長。鳳眼蓮根系分泌物可以在短時(shí)間內(nèi)使柵藻(Scenedesmus)的超氧化物歧化酶活性下降，導(dǎo)致活性氧收支失衡，活性氧積累過量，最終導(dǎo)致其死亡[17]，從而起到凈化水體的作用。

1.3 挺水植物

1.3.1 生長特性

挺水植物在人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中的使用最廣泛。挺水植物的根生長在底泥中，而莖、葉挺出水面，常分布于濕地邊緣的淺水地帶。較大的生物量，以及較高的氮、磷積累量使其對(duì)水體中氮、磷元素吸收能力較大，挺水植物具有較好的污染物處理效果。在不同季節(jié)，采用風(fēng)車草(Cyperus involucratus)和再力花(Thalia dealbata)兩種挺水植物的組合，對(duì)水體中總磷的去除率都比苦草(Vallisneria natans)和黑藻(Hydrilla verticillata)的處理高出10%[18]；在表面流人工濕地處理生態(tài)系統(tǒng)中，挺水植物蘆葦(Phragmites communis)、香蒲(Typha orientalis)和菖蒲(Acorus calamus)對(duì)氨氮、硝態(tài)氮、總氮和總磷的去除率分別比沉水植物伊樂藻(Elodea canadensis)和浮葉植物睡蓮(Nymphaea tetragona)高10%、20%、15%和30%[19]。在水淹條件下，挺水植物莖葉部分所產(chǎn)生氧氣通過通氣組織釋放到根部，從而改變根系微環(huán)境的氧化還原條件，使根系細(xì)菌硝化和反硝化活性提高，促進(jìn)污染物的吸收和利用。

1.3.2 富集特性

挺水植物可以將不能分解的污染物富集在體內(nèi)，并通過收割的方式將污染物徹底帶離水體或者土壤，達(dá)到去除污染物的目的。研究表明，收割挺水植物對(duì)濕地土壤中總氮、總磷的去除率分別為40%和35.7%，高于未收割植物的人工濕地對(duì)總氮、總磷的去除率(34.6%和29.1%)[20]；通過對(duì)8 種挺水植物的收割發(fā)現(xiàn)，收割挺水植物可以促進(jìn)水體的凈化，使水質(zhì)提高1～2個(gè)等級(jí)，但是單次收割對(duì)水質(zhì)的影響不顯著，因此可以采用多次收割的方式提高污染物去除量[21]。在對(duì)植物中揮發(fā)性污染物富集情況進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，相較于挺水植物，沉水植物中能檢測(cè)到濃度的目標(biāo)污染物含量明顯更大[22]。

2 污染物去除機(jī)理

2.1 植物的降解轉(zhuǎn)化機(jī)理

2.1.1 植物的吸收作用

植物的主動(dòng)吸收作用是植物在生長過程中具備的一項(xiàng)基本生理功能。在吸收過程中，植物除了吸收自身所需要的各項(xiàng)營養(yǎng)物質(zhì)外，還會(huì)將水體或者土壤中的污染物質(zhì)一起吸收到植物體內(nèi)，因此，植物的吸收作用是植物凈化過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1.2 植物的降解作用

植物吸收污染物后，可以利用體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)，通過改變污染物形態(tài)的方式，降低污染物的毒性和利用度等。研究發(fā)現(xiàn)，植物可以吸收土壤中的阿特拉津，并降解為毒性比母體低許多的脫乙基阿特拉津、羥基阿特拉津和脫異丙基阿特拉津[23]；沉水植物金魚藻(Ceratophyllum demersum)可以利用體內(nèi)的過氧化物酶和多酚氧化酶將水體中的雙酚A降解為對(duì)斑馬魚無致死性的降解產(chǎn)物4-異丙烯基苯酚[24]。

2.1.3 降解產(chǎn)物

污染物的降解產(chǎn)物可以分為可吸收降解產(chǎn)物和不可吸收降解產(chǎn)物。其中，可吸收降解產(chǎn)物一般與氮、磷等營養(yǎng)元素有關(guān)，例如，植物在吸收硝態(tài)氮后，會(huì)在根、莖、葉中通過硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、供氫體和硝酸還原酶的共同作用被還原為氨氮，從而被植物利用[25]。不可吸收降解產(chǎn)物則與重金屬有關(guān)，當(dāng)重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)到植物體內(nèi)后，植物體產(chǎn)生的植物螯合肽、有機(jī)酸和金屬硫蛋白等物質(zhì)與重金屬發(fā)生螯合沉淀等作用后，形成毒性低、流動(dòng)性弱的代謝物[26]。不可吸收降解產(chǎn)物不能被植物吸收，而是通過運(yùn)輸作用被輸送到細(xì)胞壁和液泡等代謝不活躍的區(qū)域或者亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存起來[27]。

2.1.4 植物的轉(zhuǎn)化作用

植物的轉(zhuǎn)化是指植物將污染物或降解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為自身生物量的過程，這也是利用植物去除污染物最傳統(tǒng)的方式，通常用于富含營養(yǎng)元素的水體或土壤。利用植物的吸收作用，吸收水體或土壤中的營養(yǎng)元素，在富營養(yǎng)水體中通過競爭營養(yǎng)元素的方式，抑制浮游生物的繁殖和生長，因此植物轉(zhuǎn)化的方式在富營養(yǎng)水體的處理中更常見。以氮元素為例，研究發(fā)現(xiàn)，植物通過吸收后轉(zhuǎn)化的方式脫氮率只有11.3%[28]，但是也有研究表明，其脫氮率可以達(dá)到50%以上[29]，這是由于不同植物對(duì)氮元素的需求不同，導(dǎo)致植物脫氮率差異較大。有研究對(duì)植物去除污染物時(shí)植物的生長指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，光合速率與污染物去除率的相關(guān)系數(shù)顯著高于其他生長指標(biāo)，尤其是對(duì)氮元素的去除[30]，其原因可能是植物吸收水體中的氮元素，促進(jìn)了葉綠素的合成，進(jìn)一步提高了光合速率。

植物的吸收、降解和轉(zhuǎn)化是一個(gè)連續(xù)的過程，本研究將此過程分開分析，以展現(xiàn)植物對(duì)污染物的降解機(jī)理，但是在實(shí)際情況下，需要綜合考慮目標(biāo)植物的特性，以取得最好的處理效果。

2.2 植物根系分泌物及環(huán)境響應(yīng)機(jī)理

2.2.1 根系微環(huán)境

根系微環(huán)境是指由植物根系、土壤和微生物構(gòu)成[31]，受植物根系活動(dòng)影響，貼近植物根系的區(qū)域，是植物與土壤之間物質(zhì)交換頻繁的界面，同時(shí)此區(qū)域中土壤微生物活動(dòng)非?；钴S[32]。植物根系除了進(jìn)行物質(zhì)交換外，還可以通過與周邊環(huán)境聯(lián)動(dòng)產(chǎn)生的正效應(yīng)，對(duì)污染物進(jìn)行降解。

2.2.2 根系分泌物

根系分泌物是指植物根系向周圍環(huán)境中釋放多種化合物的總稱。根系分泌物成分復(fù)雜，包括烷烴、烯烴、酯、胺、醇、酚、酮、有機(jī)酸、糖類和脂肪等化合物[33]。其中，糖類和脂肪酸等物質(zhì)給微生物提供了營養(yǎng)物質(zhì)，為微生物的繁殖創(chuàng)造了條件。此外，植物可以通過調(diào)控根系分泌物的方式來適應(yīng)環(huán)境，如寬葉香蒲(Typha latifolia)面對(duì)銅脅迫時(shí)，草酸的分泌量會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)顯著增大[34]。

根系分泌物中的有機(jī)酸和氨基酸等天然配體，可以與重金屬發(fā)生絡(luò)合或螯合作用，形成的可溶性絡(luò)合物，生物有效性提高，進(jìn)而增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的吸收效率。螯合作用則形成不易被植物所吸收的螯合物，固定于土壤中，降低了重金屬的遷移能力，減小重金屬對(duì)植物的脅迫[35]。此外，根系分泌物具有化感作用，能夠抑制根系周邊植物生長，間接提高水體透明度和溶解氧含量。

2.2.3 泌氧現(xiàn)象

水生植物積極響應(yīng)淹水帶來的缺氧環(huán)境，會(huì)出現(xiàn)泌氧現(xiàn)象。研究表明，水生植物在淹沒條件下的泌氧率較非淹沒條件下提高了52.2%～379.0%[36]。水生植物具有發(fā)達(dá)的通氣組織，有利于氧氣從地上部分輸送到植物根部，這些氧氣除了滿足根的有氧呼吸外，其中一部分會(huì)通過根尖以及根毛滲透到根際土壤中，改變根系周邊的氧化還原電位。當(dāng)植物根部泌氧作用加強(qiáng)，導(dǎo)致其根際氧化還原電位增大，pH 增大，重金屬的生物有效性增加[37]，植物吸收重金屬能力增強(qiáng)；水生植物根系泌氧作用減弱，有助于根際保持適度還原條件，此時(shí)重金屬的有效性降低，使重金屬固定在土壤中。此外，泌氧現(xiàn)象能使植物根系環(huán)境呈連續(xù)的好氧、缺氧和兼氧狀態(tài)，根系微環(huán)境中好氧菌和兼氧菌的種群密度顯著增大，在水淹狀態(tài)下使硝化作用和反硝化作用同時(shí)進(jìn)行[38]。研究表明，植物根系泌氧速率與氮、磷和化學(xué)需氧量的去除率正相關(guān)[39]，因此適當(dāng)強(qiáng)化植物的泌氧作用可以提高植物對(duì)污染物的去除率。

2.2.4 鐵膜作用

當(dāng)植物泌氧作用增強(qiáng)時(shí)，其根系表面會(huì)形成鐵氧化物膠膜，簡稱為鐵膜[40]。鐵膜的形成被認(rèn)為是根表面氧化鐵沉淀、植物氧損失和微生物的生物氧化共同作用的結(jié)果[41]。鐵膜作為植株受到脅迫時(shí)所產(chǎn)生的保護(hù)機(jī)理，能夠吸附周圍的重金屬，降低重金屬的流動(dòng)性。當(dāng)水稻(Oryza sativa)根須泌氧作用加強(qiáng)時(shí)，有利于形成更多的鐵膜，進(jìn)而使鐵膜中富集更多的重金屬[42]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，鐵膜的存在可以促進(jìn)根系對(duì)氮和磷污染物的去除，原因可能是鐵膜改變了根系周邊微環(huán)境，促進(jìn)了氮和磷代謝細(xì)菌的生長，從而改變植物根系周圍的微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)了根系對(duì)氮和磷元素的吸收。但是也有研究表明，過厚的鐵膜會(huì)阻礙植物根系對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[43]。

2.3 植物葉片揮發(fā)機(jī)理

2.3.1 葉片揮發(fā)作用

植物吸收污染物后，通過體內(nèi)生物酶轉(zhuǎn)化以及其他特殊代謝途徑，將污染物轉(zhuǎn)化為毒性小、容易揮發(fā)的形態(tài)，最后通過植物的蒸騰作用，從葉片氣孔排放到大氣中。這種形式一般揮發(fā)的速率非常慢，周圍的空氣質(zhì)量不會(huì)受到太大影響，且植物蒸騰速率會(huì)影響植物揮發(fā)的效果[44]。

植物葉片揮發(fā)作用受到植物類型和污染物類型的限制，多數(shù)水生植物不具有將污染物進(jìn)行降解并揮發(fā)的能力。此外，通過揮發(fā)排放的重金屬污染物最終會(huì)通過降水等方式回到水體或土壤中，使這種修復(fù)方法的處理效果差異較大。

2.3.2 抗壞血酸氧化還原作用

抗壞血酸是植物體中重要的小分子抗氧化物，其對(duì)植物的生長代謝、光合作用和抗氧化作用等生理過程具有十分重要的影響[45]?？箟难岬倪€原性對(duì)污染物具有一定作用，研究發(fā)現(xiàn)，抗壞血酸可以促進(jìn)植物對(duì)重金屬汞的揮發(fā)，其原理可能為抗壞血酸還原成單脫氫抗壞血酸，脫出的單電子與汞離子相互耦合，使汞離子轉(zhuǎn)化為氣態(tài)汞，通過蒸騰作用從葉片揮發(fā)[46]。此外，抗壞血酸的合成速率會(huì)隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)而增大[47]，合成速率增大，抗壞血酸循環(huán)代謝能力隨之增強(qiáng)，促進(jìn)汞離子與單電子的耦合，加快汞離子的揮發(fā)。

2.4 污染物儲(chǔ)存機(jī)理

2.4.1 植物儲(chǔ)存原理

植物將污染物儲(chǔ)存在體內(nèi)，是一種緩慢的、不可逆的封存過程，也是一種生物積蓄過程，通過一段時(shí)間的積累后，采用人工收割植物的方式可以徹底去除污染物。這種方式多應(yīng)用于對(duì)重金屬等無機(jī)污染物的去除。有機(jī)污染物在進(jìn)入植物體時(shí)，可以被降解成更小的產(chǎn)物從而被植物吸收，而重金屬等無法被降解和吸收，只能改變其價(jià)態(tài)，保存在植物體內(nèi)，因此，需要在植物葉片掉落或者植物體死亡之前，對(duì)植物進(jìn)行收割，否則污染物會(huì)隨著落葉和植物殘?bào)w重新回到土壤或水體中，造成二次污染。

2.4.2 植物收割及其伴生效應(yīng)

污染物在植物不同組織中富集的程度存在差異，有針對(duì)性地對(duì)植物進(jìn)行收割，可以達(dá)到效益最大化。研究表明，鋅主要富集在植物地下部分，而錳主要富集在植物地上部分[48]。植物除了吸收生長所需要的氮、磷等養(yǎng)分外，多余的養(yǎng)分同樣會(huì)富集在莖、葉中，蘆葦?shù)韧λ参锏厣喜糠炙患牡?、磷含量顯著大于地下部分，因此對(duì)植物地上部分進(jìn)行收割可以去除大部分的污染物[49]。但是也有研究表明，短時(shí)間內(nèi)多次收割會(huì)降低植株對(duì)氮、磷元素的吸收效率[50]。根據(jù)植物的生長特性選擇收割時(shí)間十分重要，例如，香蒲的最佳收割時(shí)間為10月下旬至11月中旬[51]。

植物收割除了能去除污染物，還具有許多有益的伴生效應(yīng)。研究表明，對(duì)植物進(jìn)行收割還可以拓展植物的生長空間，使光照更加充足，進(jìn)而加快植物新陳代謝的速率，促進(jìn)地上、地下生物量的積累，同時(shí)刺激根際微生物活動(dòng)[52]。

2.4.3 超積累現(xiàn)象

自然界中存在一類植物，其污染物積累量往往是普通植物的幾十倍甚至上百倍，稱之為超積累植物。寬葉香蒲根系對(duì)鉛、鋅和鐵的積累量可以分別達(dá)到1 352 mg/kg、963.73 mg/kg和9 565.27 mg/kg[53]；研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錳的濃度為15 000 μmol/L 時(shí)，水蓼(Persicaria hydropiper)的葉、根和莖中錳積累量分別達(dá)到24 447.17 mg/kg、11 574.47 mg/kg 和10 343.52 mg/kg[54]。

2.5 植物生物膜過濾機(jī)理

2.5.1 生物膜性質(zhì)

生物膜是由許多分散的群落、不溶性固體顆粒和水等物質(zhì)構(gòu)成的具有流變性質(zhì)的異質(zhì)薄膜[55]，不均勻分布在載體表面，且一般為多孔結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的吸附能力。在自然條件下，生物膜可以附著生長在所有接近水體或淹沒于水體的固體表面，包括植物植株、植物根系和基質(zhì)等。生物膜在水處理中的功能包括生物累積、生物強(qiáng)化、生物礦化、生物降解和生物吸附等，而生物膜的結(jié)構(gòu)是決定其功能的重要因素[56]。

2.5.2 生物膜結(jié)構(gòu)

生物膜結(jié)構(gòu)可分為物理結(jié)構(gòu)和微生物群落結(jié)構(gòu)。物理結(jié)構(gòu)是指生物膜的橫向結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外一般可以分為厭氧層、兼氧層和好氧層。在生物膜成膜過程初期，部分微生物和絲狀物質(zhì)被截留在植物表面，并迅速生長，逐漸覆蓋整個(gè)植物表面并逐漸增厚，隨著生物膜的厚度不斷增大，其物理結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化。生物膜增厚導(dǎo)致氧氣的傳遞受限，使生物膜表層呈好氧狀態(tài)，生長好氧微生物和兼氧微生物，而生物膜內(nèi)側(cè)則處于厭氧狀態(tài)并生長厭氧菌，可以同時(shí)進(jìn)行硝化和反硝化作用，對(duì)污染物進(jìn)行去除，達(dá)到凈化水體的效果。生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)是指生物膜中微生物群落的組成和豐度，其群落組成取決于廢水特點(diǎn)、污染物特點(diǎn)、水生植物等因素。不同微生物在人工濕地中發(fā)揮不同的作用。氨化作用主要由噬幾丁質(zhì)菌(Chitinophaga)、白 蟻 菌(Isoptericola)、芽 孢 桿 菌(Bacillus)和中華根瘤菌(Sinorhizobium)參與完成，而變形菌(Proteobacteria)、擬桿菌(Bacteroidetes)、厚壁菌(Firmicutes)和放線菌(Actinobacteria)則與反硝化作用有關(guān)[57]。當(dāng)環(huán)境條件變化時(shí)，植物生物膜上的微生物群落能積極響應(yīng)并適應(yīng)，研究表明，硝酸鹽負(fù)荷會(huì)刺激狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)附著生物膜中反硝化細(xì)菌的生長及反硝化基因豐度的增加[58]。此外，微生物群落豐度對(duì)處理效率也有影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)除氮的相關(guān)微生物豐度增大時(shí)，水體中的總氮、硝態(tài)氮和氨氮等的去除率也有所上升[59]。因此，生物膜中微生物群落的組成和豐度對(duì)污染去除具有重要作用。

2.5.3 胞外聚合物作用

生物膜上的微生物能夠分泌胞外聚合物，其是由微生物的分泌物、細(xì)胞裂解物和大分子水解產(chǎn)物以及吸附的有機(jī)物所組成的多聚物[60]。胞外聚合物中含有大量活性和可電離的化學(xué)官能團(tuán)，這些具有絡(luò)合和配位能力的化學(xué)官能團(tuán)能與重金屬離子相互作用[61]，降低重金屬含量。研究發(fā)現(xiàn)，污泥中胞外聚合物含量越大，磷的積累量越大，表明胞外聚合物對(duì)磷具有一定的積累作用[62]。

3 典型重金屬元素特性及其去除機(jī)理

植物富集、泌氧和鐵膜作用是人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中普遍的去除重金屬污染的3種方式。其中，植物富集重金屬后進(jìn)行收割的方式處理效果最佳，且收割后產(chǎn)物易處理、經(jīng)濟(jì)效益高，因此被廣泛應(yīng)用。

3.1 汞元素的特性及其去除機(jī)理

汞具有持久性、易遷移性、高生物富集性和高生物毒性等特性，汞的存在形態(tài)分為離子吸附態(tài)汞、共價(jià)吸附態(tài)汞、可溶性汞、難溶性汞和有機(jī)態(tài)汞，其中有機(jī)態(tài)汞毒性最強(qiáng)，且可以在大氣和食物鏈中長期存在。

植物可以吸收汞，經(jīng)體內(nèi)酶的轉(zhuǎn)化，從葉片揮發(fā)至大氣中，但揮發(fā)后的汞隨著空氣流傳播，可能隨降水再次返回水中，造成二次污染。植物富集作用可以將汞元素固定在植物體內(nèi)，植物吸收汞后，多積累在體內(nèi)，然后進(jìn)行收割，可以大大降低二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

植物差異和汞富集特性的差異，使不同植物對(duì)汞的吸收量不同。在3種不同濃度下，再力花對(duì)總汞、顆粒汞和溶解性汞的去除率都大于80%[63]。研究表明，微生物也可以將二價(jià)汞儲(chǔ)存在體 內(nèi)[64]。 甲 烷 菌(Methylomonassp.EFPC3、Methylosinus trichosporiumOB3b 和Methylococcus capsulatusBath)能夠在24 h 內(nèi)可以將80%～95%的甲基汞吸收[65]。

3.2 鎘元素的特性及其去除機(jī)理

鎘是具有毒性的重金屬污染物，其存在形態(tài)分為水溶性鎘和非水溶性鎘。其中，水溶性的離子態(tài)鎘和絡(luò)合態(tài)鎘，具有易遷移的特點(diǎn)且可以被植物吸收，非水溶性的鎘化合物(鎘沉淀物、吸附態(tài)鎘)則穩(wěn)定性較強(qiáng)，不易遷移和被植物吸收。鎘具有一定生物毒性，當(dāng)鎘在植物組織中的含量達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)使植物代謝紊亂，蛋白質(zhì)、糖類和葉綠素的合成受阻，最終導(dǎo)致植物死亡[66]。

植物可以通過細(xì)胞壁與鎘結(jié)合、根系分泌物和鎘螯合、根系分泌物限制鎘運(yùn)輸?shù)确绞?，控制鎘在植物體的積累和運(yùn)輸[67]。利用鎘耐受優(yōu)勢(shì)植物高度富集鎘的特性，可以高效去除水體中的鎘污染物，例如，利用浮萍(Lemna minor)去除水中的鎘元素，結(jié)果顯示浮萍可以去除水體中70%的鎘元素[68]。

根系微生物可以改善植物生長或增強(qiáng)植物的鎘積累能力，來促進(jìn)植物對(duì)鎘的吸收。根系微生物可以加快可溶性鎘向根系轉(zhuǎn)運(yùn)，并通過分泌有機(jī)酸降低土壤pH，促進(jìn)土壤中生物可利用度低的鎘元素溶解[69]。微生物在自身生長過程中產(chǎn)生的氨基酸、蛋白質(zhì)和多肽等物質(zhì)，與鎘元素發(fā)生鰲合反應(yīng)，促進(jìn)鎘元素的溶解和吸附，通過氧化還原和生物礦化等作用改變鎘元素的化學(xué)形態(tài)，降低其毒性[70]。

在人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中，基質(zhì)對(duì)鎘元素的去除也有很大作用?；|(zhì)含有豐富的膠體、孔隙和廣泛的生物膜，可以截留水體中鎘元素，使之與基質(zhì)表面的黏土顆粒和生物膜相互作用，吸附在基質(zhì)和生物膜上，達(dá)到去除目的。

4 存在的問題和展望

目前，人工濕地已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，取得了較理想的效果，成為污水處理的主要工藝之一。但從實(shí)際運(yùn)用來看，在以水生植物作為處理主體時(shí)還存在許多不足之處。

各種處理機(jī)理的關(guān)系及貢獻(xiàn)不明確。植物在處理污水的過程中都是多機(jī)理協(xié)調(diào)進(jìn)行，被視為一個(gè)連續(xù)的過程。植物對(duì)污染物進(jìn)行吸收的同時(shí)，周邊微生物和根系分泌物會(huì)對(duì)污染物進(jìn)行作用，最終的處理效果為多種機(jī)理協(xié)同作用的結(jié)果，無法得知各種處理機(jī)理貢獻(xiàn)大小及其之間的關(guān)系。因此，需要對(duì)不同機(jī)理進(jìn)行分類研究，未來深入研究植物、根系、微生物、基質(zhì)與凈化效果之間的關(guān)系，可以為人工濕地高效處理污水提供極大幫助。

植物種類選擇問題。人工濕地植物種類的選擇目前仍然存在一些問題，主要表現(xiàn)為可應(yīng)用植物種類少、水生植物處理效果受環(huán)境影響大和水生植物可能存在二次污染問題。為了解決這些問題，首先，需要擴(kuò)大植物的挑選范圍，挑選出更多的適應(yīng)性強(qiáng)、去污效果好的人工濕地植物。在人工濕地中，應(yīng)用廣泛且處理效果好的植物一般對(duì)污染物具有快速吸收的能力，相對(duì)容易快速生長和繁殖，并且具有一定對(duì)營養(yǎng)和環(huán)境變化的耐受性。在實(shí)際應(yīng)用過程中，鳳眼蓮、喜旱蓮子草(Alternanthera philoxeroides)、大薸、粉綠狐尾藻等處理效果較好的入侵植物多被選用。相比于其他傳統(tǒng)水生植物，入侵植物更具有耐受性且可以快速適應(yīng)環(huán)境，在水處理過程中能迅速發(fā)揮作用，但是，入侵植物大量繁殖會(huì)導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性受到破壞，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該妥善管理，及時(shí)對(duì)過度繁殖的植物進(jìn)行清理。其次，植物的處理效能會(huì)隨著季節(jié)發(fā)生變化。冬季氣溫降低，植物代謝減緩，同時(shí)生物膜活性降低，部分植物出現(xiàn)萎縮的現(xiàn)象。植物體代謝降低導(dǎo)致植物吸收效率下降，植物體萎縮，使植物附著生物膜面積減少，進(jìn)一步導(dǎo)致冬季人工濕地污水處理效率降低。因此，在植物配置時(shí)，需要考慮不同季節(jié)優(yōu)勢(shì)種的搭配。最后，水生植物在去除污染物時(shí)，其生物量會(huì)大大增加，重金屬等污染物也作為增加生物量的一部分被儲(chǔ)存在植物體內(nèi)。當(dāng)水生植物過量生長或者季節(jié)變化時(shí)，弱小植株死亡，導(dǎo)致污染物重回水體，因此，需要定期收割植物。

植物與微生物之間的協(xié)同作用研究有待加強(qiáng)。在人工濕地運(yùn)行期間，植物和基質(zhì)的作用可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映出來，但是容易忽視附著的微生物在其中的作用。因此，可以加強(qiáng)對(duì)人工濕地內(nèi)微生物的監(jiān)測(cè)和相關(guān)研究。未來深入研究微生物與植物之間的相互作用機(jī)理，可以為提高和優(yōu)化微生物-植物聯(lián)合處理技術(shù)提供思路。