水生态系统净水效果研究进展评述

张海燕  唐迎洲  顾建英

（1．上海市水务规划设计研究院，上海200233：

2．上海市水务局水环境研究工作室，上海200112）

  摘要：该文综述了国内外在水生动植物净水效果方面研究的成果，重点分析了水生植物在不同富营养化程度水体、不同种植比例、混合栽种、控藻以及去除重金属、农药医药残留物等方面的研究成果，以及水生动物（鱼类和底柄动物）投放规模的研究成果，总结提炼出主要研究结论以及存在的问题和不足，并提出未来水生态系统净水研究的攻关重点。

  关键词：水生植物；水生动物；净水效果；投放规模

  水生态系统是指由水生生物群落（水生植物和水生动物）与水环境共同构成的具有特定结构和功能的动态平衡系统。水生生物既是水体各类营养物质的消费者和分解者，又是水环境质量及功能的指示剂，对水体水质净化和稳定起着重要作用。本文收集分析了国内外大量水生态净化水体研究成果，并在此基础上进行归纳总结，找出主要研究结论以及存在的问题和不足。

1水生植物净水效果研究进展

  根据水生植物的生活方式，一般将其分为以下四大类：挺水植物、浮叶植物、沉水植物和漂浮植物。目前，国内外在四大类水生植物的净水效果研究非常丰富（浮叶和漂浮植物研究相对较少，这可能与其种类少、易疯长、难管理等因素有关），有不同季节的研究，有室内研究也有野外研究、有单种水生植物研究也有多种水生植物对比研究，并在部分领域形成了理论性成果。国内的太湖、巢湖、滇池、黄浦江等各类别的湖泊、河流以及城市水系中均有相关研究报道。净水研究成果较多的水生植物见表1。

 随着环境污染程度增加和社会各界对环境的广泛关注，目前对水生植物净水效果的研究已从氮磷去除逐渐趋于多元化，包括水生植物耐污性研究、水生植物组合净水效果研究、植物种植密度（比例）研究以及控藻和其他环境污染物质去除研究等。本文分类分析了一些具有代表性的研究成果。

1.1  不同富营养化程度下水生植物净水效果研究进展

 徐秀玲等研究了高中低3种不同富营养化水体（高营养化水体的总氮40.5 mg/L，总磷2.4 mg/L，氨氮34.4 mg/L）中菖蒲、香蒲、鸢尾生长状况及对氮和磷的去除效果，认为当水体富营养化程度过高时，会抑制植物的生长，影响氮磷的去除能力。李猛等研究了高中低3种不同富营养化水体(高营养化水体的总氮(9.41+0.41) mg/L，总磷(1.53 +0.18)  mg/L，氨氮（1.22+0.15）mg/L）中大藻生长状况及对氮磷去除效果，认为大藻对水体氮磷均有较好的去除能力，且随水体初始氮磷浓度的升高而增加。娄敏等对大藻和风眼莲的净水效果研究认为：水体氮磷含量低时2种水生植物的日均增长率较低，当水体达到一定富营养化程度时（总氮4.96 mg/L，总磷0.368 mg/L）植物的日均增长率达最高值；而富营养化程度过高时植物生长反而受到一定限制，其生物量增长率也下降。葛滢等开展的14种水生植物在重度和轻度富营养水体(轻度富营养化：总氮( 0.9—4.57)  mg/L，总磷(0.2—0.60) mg/L，硝酸氮(0.4—0.52)  mg/L；重度富营养化：总氮55.01 mg/L，总磷10.86 mg/L，硝酸氮22.76mg/L)的净水效果研究认为：重度富营养水体中，空心菜的净化效果最好，凤眼莲和鸭跖草其次，灯芯草、知风草和水芹菜也有一定效果；轻度富营养化水体中，鸭跖草、喜旱莲子草最好，凤眼莲、空心菜等较好，石菖蒲、灯芯草、知风草等略差；并认为重度富营养化水中植物生长的限制因子是氮磷以外的其它矿质元素，轻度富营养化水中的氮磷是植物生长的限制因子，建议控制轻度富营养化水中植物量。李静文等研究认为：千屈菜、花叶芦竹和野茭白在氮磷浓度较低时生长状态较好，生物量随着浓度的增加而增加，当浓度超过一定限值时生长受到抑制，生物量下降；千屈菜和花叶芦竹对总氮的耐受限度为1.8 mg/L，对总磷的耐受限度为0.3 mg/L，野茭白对总氮的耐受限度为1.4 mg/L，对总磷的耐受限度为0.2 mg/L。魏东慧等对灯心草、水田芥、菹草和轮藻的研究认为：4种水生植物在轻度富营养化水体中的净化效果均较好，水田芥相对最好；在重度富营养化水体中灯心草效果最好，水田芥和轮藻的净化效果相对较差。刘盼等采用大漂、凤眼莲和紫叶酢浆草在3种富营养化水体（高营养化水体的总氮11.22 mg/L，总磷0.86 mg/L，氨氮1.584 mg/L)的研究认为3种植物均能显著改善水质，大漂对富营养化水体的净化效果最为明显，凤眼莲次之。

 综合上述研究成果，部分研究结论稍有差异，这可能是由于不在同一条件下（如水质差异、温度差异等）的对比实验，但基本可以得出如下结论：不同富营养化水体的氮磷含量差异抑制水生植物的生长，继而影响水质净化效果；如轻度富营养化水体中，植物可能无法充分获得生长所需的氮磷量；重度富营养化水体污染物浓度极易超过水生植物的耐受，但各种水生植物的耐污能力仍有待进一步研究。

1.2不同种植密度下水生植物净水效果研究进展

 黄子贤等针对马来眼子菜、轮叶黑藻、苦草、伊乐藻4种沉水植物采用的0.5—3.0 g/L共计6种种植密度净水效果研究认为，30 d的4种水生植物对氮磷的去除率与种植密度成正相关性，即随着种植密度增加，氮磷去除率也随之提高。杜兴华等研究认为，37g/L的菹草去除有机物能力最强，17 g/L的菹草与10g/L的莲藕增氧效果最好，7 g/L的莲藕去氮效果最好，5 g/L的凤眼莲与37 g/L的菹草去磷效果最好。宋超等研究则认为：前5周的净水效果与种植密度有良好的正相关关系，但6周后净水效果与种植密度已无明显关系，过高的种植密度并不会带来明显的净化效果，净水时间对净水效果的影响较种植密度和种类两个因子的影响大。

 总体而言，国内外水生植物不同种植密度的净水效果研究成果相对较少（常见的种植密度研究成果主要是从景观园林角度提出），主要原因可能是部分水生植物分蘖造成密度发生变化，从而难以做出对比分析。水生植物合理种植密度应是今后需要重点研究的方向之一。

1.3混合栽种下水生植物净水效果研究进展

 朱秀红等开展的4种水生植物组合净水效果研究认为：旱伞草与红掌的组合综合效果最好，鸢尾与旱伞草次之，莼菜参与的组合净水效果总体均差。张敏等开展的3种浮水植物与3种挺水植物的组合净水效果研究认为：再力花与大漂、美人蕉与黄花水龙、再力花与聚草组合可以提高总氮去除率，大漂与再力花、大漂与美人蕉、聚草与再力花组合可以提高总磷去除率。白雪梅等研究认为芦苇、香蒲、荷花、轮藻和篦齿眼子菜组合对总氮的净化效果最好，芦苇、香蒲、荷花和篦齿眼子菜组合对硝态氮的净化效果最好，芦苇、香蒲、荷花、轮藻和金鱼藻组合对氨氮的净化效果最好。

 可见，合理选择多种水生生物组建复合净化系统可以克服单一物种季节性变化明显、生物净化作用不稳定的缺点，发挥各种水生生物在时间和空间上的差异，实现优势互补，提高水质净化效果。

1.4水生植物控藻能力研究进展

 1969年Fitzgerald发现水生植物的代谢产物可以抑制浮游藻类生长，1984年Rice提出“化感作用”，并将化感作用阐述为一种植物（包括微生物）通过向环境释放化学物质而对其他个体产生的有益或有害的作用。20世纪90年代水生植物的化感作用研究进入快速发展阶段，1994年美国水生植物管理中心利用大麦秸秆抑制藻类的方法是最具有代表性的化感控制藻类的成功实例。随着化感抑藻的研究深入，目前已基本形成如下成果。

 (1)已发现具有化感作用抑制藻类的水生植物60余种（表1中的水生植物基本都有化感抑藻的研究报道），其中浮水植物14种、挺水植物19种、沉水植物24种，可抑制的藻类约38种。水生植物的化感作用可以分为水生植物间的化感作用、对水生动物的化感作用和对藻类的化感作用（本文主要分析化感抑藻作用）。

 (2)发现水生植物化感物质抑藻六大机理。主要包括：破坏藻细胞结构、影响藻细胞光合作用、影响藻细胞呼吸作用、影响藻细胞酶活性、影响细胞结构和物质含量、影响藻类基因表达。

 (3)已从水生植物中分离鉴定出多种具有抑藻的化感物质，包括有机酸、不饱和酯、水解多酚、芳香族化合物以及含硫化合物等。

 (4)水生植物化感抑藻的差异性。主要包括：不同水生植物的抑藻能力差异、水生植物不同部位对化感抑藻作用的贡献差异、水生植物的抑藻作用具有选择性，化感物质浓度影响抑藻效果。

 化感物质作为植物的次生代谢物质，通常在自然条件下易降解，具有较好的应用前景，但这些物质在植物组织中的含量一般较小。需要继续深入、系统和全面研究化感物质抑藻机理等方面的研究，以寻找到含量丰富、抑藻效果明显且符合生态安全要求的化感物质。

1.5水生植物对其它水体污染物质的去除效果研究进展

 水体中其它化境污染物质主要包括重金属、农药残留物和以激素类和抗生素类药物为代表的药物残留物等。

1. 5.1去除重金属的研究进展

 金属不同于有机物，它难以被微生物降解，只有通过生物吸收方式从环境中除去。植物具有生物量大且易于后处理的优势，因此利用植物对金属污染位点进行修复是解决环境中重金属污染问题的一个很重要的选择。国外在水生植物净化去除重金属方面的研究较早。1976年，Sharp和Denny研究了铅对篦齿眼子菜的影响及在细胞内的分布情况后提出水生植物对重金属具有吸收和积累的潜力。国内在此方面的研究兴起于20世纪90年代后期。目前国内外对水生植物吸收积累重金属的机理研究尚未完全取得一致意见，但也基本形成如下共识：

 (1)不同类型的水生植物对重金属的耐受能力以及蓄积能力是不同的。一般认为，耐受能力为挺水植物>漂浮、浮叶植物>沉水植物；蓄积能力正好相反，沉水植物>漂浮、浮叶植物>挺水植物；根系发达的水生植物大于根系不发达的水生植物。但也有个别研究提出了异议，满江红对Hg的蓄积去除能力就比苦草高。

 (2)水生植物会控制重金属在其体内的分配，一般以根部最高，其次是茎、叶和果实。以凤眼莲为例，其根部As含量为叶部的3.4倍、Cr为22.0倍、Cu为3.7倍等。董小霞等对再力花、美人蕉、水烛、旱伞草、慈姑、梭鱼草、菖蒲、大藻和水葫芦9种植物去除Cu、Pb和Cd的实验认为：9种植物对3种重金属均有较强的抗逆性和富集能力，但其吸收的大部分重金属主要积累于植物根部，地上部分转运量较少。但在个别植物中叶、茎的重金属的含量接于根部，个别元素在叶部的含量甚至更高。这可能与它们的吸收的途径不同有关，比如苦草，整个植物都沉没在水中，根、茎、叶都能吸收重金属，所以体内重金属的分布比较均匀。重金属易富集在水生植物根部的特点导致不能简单通过收割植物地上部分来移除，必须定期对植物进行整体清理。

 (3)水生植物去除重金属的能力与生物量、水生植物个体株龄、水力停留时间、重金属类别、重金属含量、水温、pH值、其他金属离子含量等因素相关。

1.5.2去除农药、医药残留物的研究进展

 农药、医药残留物进入水体易对人类健康和水生生态系统安全产生持久的、潜在的威胁，已逐渐引起社会广泛重视。相关研究表明，水生植物能够吸收水体中的酚类和氰类等有机污染物且吸收后并不都积聚在体内而是通过酶系的作用和生化作用进行转化和分解，使其失去毒性，而根系吸附的酚和氰在根际微生物的作用下逐步分解转化。但由于农药、医药种类较多，目前研究方向和成果均比较分散，尚未形成水生植物去除的理论体系，尤其是缺少足够的植物生化作用机理方面的研究。

1.5.2.1水生植物去除农药残留物相关研究成果

 夏会龙等研究认为：凤眼莲可大幅加速水溶液中甲基对硫磷、乙硫磷、三氯杀螨醇、三伏氯氰菊酯的净化，净化机理是吸收后转移至茎叶并在体内富集或降解，并推断认为凤眼莲具有高效去除性质接近的有机磷农药、非极性农药或理化性状相似化合物污染水体的能力。刘建武等研究认为凤眼莲主要是依靠根系的吸附作用和吸收作用以及根际微生物的降解等途径完成净化作用。浮萍和伊乐藻在6d内可以富集全部水环境中的DDT，并能将1%~13%的DDT降解为DDD和DDE。金鱼藻、伊乐藻或浮萍可以显著降低地表水异丙甲草胺的浓度。Toyama等研究认为紫萍及其根际细菌协同作用可以加速水环境中苯酚、苯胺和2，4-二氯苯酚3种芳香族化合物的降解，其降解机理由于酚类化合物的不同而有很大的差别；并认为水生植物和细菌的协同作用可以加速化工类产品、特别是难降解的化工类化合物的降解。

1.5.2.2水生植物去除医药残留物相关研究成果

 有机药物污染物是一类新兴的微污染物，其中以激素类和抗生素类药物最为典型。Formi等研究认为满江红可以去除水体中抗生素磺胺间二甲氧嘧啶，且去除主要是生物作用（植物降解和根际微生物降解），植物体内残留量仅占3%。美国一些学者通过水浮莲去除土霉素的实验认为：植物根部分泌的物质可以去除抗生素；崔馨等对生菜去除土霉素的实验认为，生菜能够吸收土霉素，但土霉素浓度超过1 mg/L时会抑制生菜生长。荣婧等对风车草、凤眼莲等水生植物去除左炔诺孕酮(LNG)和磺胺嘧啶(SD)的研究认为，风车草去除LNG的主要方式是根表面和根组织内的分解、转化等代谢作用，当LNG浓度高时，由根组织向上输送至茎中代谢；凤眼莲去除LNG的主要方式是根表面环境的分解、转化等代谢作用，当LNG浓度高时，由根表面进入根组织内代谢；风车草、凤眼莲去除SD的主要方式是根部吸收、并经茎输送至叶，在叶组织内转化为代谢产物被植物利用或挥发到空气中。

2水生动物群落构建及净水效果研究进展

 1975年Shapir等提出经典的生物操纵法(bio-manipulation)，其核心内容是放养食鱼性鱼类以控制食浮游生物的鱼类，借此壮大浮游动物种群，然后借助浮游动物遏制藻类。但很多试验结果表明，这种方法可以应用于营养盐富集不多、藻类由小型种类组成的水体中，但对于那些藻类趋向大型、浮游动物又为小型的富营养水体则难以奏效。主要原因在于浮游动物只能控制细菌和微型藻类等，无法控制微囊藻等易集聚成群的水华藻类和大型丝状藻类。非经典生物操纵理论( non-traditional  biomanipulation)，即利用有特殊摄食特性、消化机制且群落结构稳定的滤食性鱼类来直接控制水华，典型鱼类有鲢鱼(Hypophthalmichthys molitrix)、鳙鱼（Hypophthalmi -chthys nobilis）等，非经典生物操纵理论也是当前研究的热点，并在实际工程中得到了成功应用。目前，底栖动物净水效果相关研究也正兴起，但在投放规模、生长环境需求等领域存在很多争议。

2.1  鱼类投放规模研究成果梳理

 Radke、张丽彬等研究认为，鲢鱼、鳙鱼主要滤取的是浮游动物、大型浮游植物和浮游植物群体，但其摄食活动减少了微型浮游植物（主要小于30 um）的采食压力和营养竞争对象，使浮游动植物向小型化发展，小型藻生物量增加。同时，由于鲢鱼主要以浮游植物为食，鳙鱼主要以浮游动物为食，鲢鱼过多则会大量摄食浮游植物，抑制以浮游植物为食的浮游动物生长繁殖，从而影响鳙鱼生长。可见，合适的滤食性鱼类放养规模和比例等因素与控藻效果密切相关。

 目前相关研究尚未对鲢鱼、鳙鱼的投放规模和比例形成统一意见：Domaizon等提出了8 g/m3是鲢鱼密度阈值，认为鲢鱼密度低于这一阈值时不利于抑制藻类生长；刘建康等研究了武汉东湖近几十年的控藻经验，认为鱼类投放规模为不超过50 g/m3，鲢鱼、鳙鱼的投放比例为7:3（这种投放方式已经在安徽镜湖等湖泊得到应用）；王绍祥等在参考刘建康研究成果的基础上，研究认为上海陈行水库放养的滤食性鱼量宜控制在3 g/m3;王嵩等在天津于桥水库开展的鲢鳙投放密度控藻试验认为，10、30、60 g/m3 3种密度下水体浮游生物量差别不大，10 g/m3可以满足该水库控藻要求；孙金辉研究推荐徐州云龙湖的鲢鳙投放密度为20 g/m3、鲢鳙投放比例为11:4。

2.2底栖动物投放规模研究成果梳理

 相关研究认为，即使放养鲢鳙鱼，部分水体仍会发生严重的蓝藻水华，这主要是由于鲢鱼、鳙鱼对蓝藻的消化利用率较低。相比鲢鳙，底栖动物具有滤水能力强、对蓝藻细胞破损率高等特点，不仅可以弥补鲢鳙鱼对蓝藻消化能力差的缺陷，还能增加高营养级动物对藻类的立体操纵空间，有利于提高水体系统调节能力。河蚬（Corbicula jluminea）、铜锈环棱螺（Bellamya aeruginosa）、三角帆蚌（Hyriopsiscumingii）等是其中的主要研究对象。但底栖动物净化水体的机理目前尚未明确（如自身呼吸行为、摄食行为及水体中泥沙含量对控藻作用的影响等），投放规模以及生长影响因素等存在较大争议，详述如下：

2.2.1底栖动物投放规模研究

 (1)河蚬投放规模研究。徐海军等在研究了20、40、80 g/L 3种河蚬密度的控藻效果后认为20g/L密度下的藻类消除量高于40、80 g/L，过高的群体密度反而降低了控藻效果。任文伟等提出河蚬控藻投放密度应低于20只/m2(或小于25 g/m2)。

 (2)铜锈环棱螺投放规模研究。朱苗骏等研究认为，高铜锈环棱螺群体密度有助于提高净水效果，但低群体密度更有助于群体数量增长，提出“以江河、水库为水源，尤其是新开挖的养殖水体，投放螺蛳的密度以1 kg/m2以下为宜，以确保繁衍的幼体的正常生长”的建议。张爱菊等针对5种不同铜锈环棱螺密度(50、100、200、400、800 g/m2)的水质净化效果研究认为，高群体密度有助于叶绿素a、氨氮、硝酸盐氮等物质的降低，但低密度下总磷去除效果较好。陈静等研究认为，低密度投放对氨氮、硝酸盐氮等物质的去除效果较好。

 (3)三角帆蚌投放方案研究。胡莲等在宁夏童子湖（轻度富营养状态）的研究中推荐三角帆蚌放养密度为3只／m3(均重31.80 g)。费志良等在藻类密度为106个/mL的水体研究认为河蚌投放密度为18.75只/m3(均重(120+5)g)时控藻效果效果最佳。周彦锋等研究认为，在宽阔水体应实施低三角帆蚌投放密度，即不超过1只／m3 (体重为(387.5+21.6)g)。

2.2.2生长环境对底栖动物影响研究

 (1)理化因子对底栖动物的影响研究。凌去非等在昆承湖的研究认为，水体中理化因子尤其是COD的变化对河蚬的分布与密度等有着较大的影响。邓道贵等在巢湖的研究认为，河蚬和环棱螺的种群密度和生物量均随水体富营养化的加剧而下降，其中环棱螺生物量与总氮、硝态氮、总磷和溶解性磷浓度呈显著负相关，而河蚬生物量仅与溶解性磷呈负相关；但他认为河蚬和环棱螺的种群密度和生物量与水深均无明显相关，这与陈其羽、由文辉、蔡炜分别在东湖、淀山湖、太湖相关研究中提出的“河蚬密度和生物量都随着湖泊深度的增加而减小”的结论相反。

 (2)底质环境对底栖动物的影响研究。Karatayev等研究认为，粘土底质以及粘土与石头混合底质中河蚬生物量和密度较大，淤泥底质的河蚬的密度和生物量最小。但刘俊在研究湘江软体动物多样性时发现河蚬在砂质淤泥底质中丰度最高，在粘土底质中数量最少。由文辉等研究认为，河蚬主要分布在沙质淤泥的底质中，螺类主要分布在淤泥底质中。白秀玲等研究认为沉水植物是影响螺类等底栖动物分布的重要生态因子。屈铭志等研究认为，铜锈环棱螺在泥沙含量高的水体中对微囊藻水华的净化效果更为明显。

2.3典型水生态系统净水效果研究成果梳理

 采用水生植物与水生动物的立体复合水生态系统已经在国内有多项示范性工程，比较著名的包括梅梁湾牵龙口水厂水源地生态净化工程示范区(面积7km2)、盐城市区饮用水源生态净化工程（生态湿地净化区80多hm2）、嘉兴市石臼漾水厂水源人工生态湿地工程(规划总面积2.59 km2，处理规模达到25万m3/d)等。但据相关资料以及笔者调研的情况，部分示范工程在实际运行管理中也存在一些问题，如单项水生生物总量控制、生物量配比等，这些问题均有待深入研究。

3探讨

 随着经济社会的快速发展，水体遭受的污染呈加重趋势，包括污染量和污染物类型，并且各种污染互相影响，不断地发生着分解、化合或生物沉淀作用。为更好的应对这种趋势，进一步强化水生态净化水体效果研究是必然趋势。梳理国内外众多研究成果，可以发现，不同研究成果之间或多或少存在一定的差异性，这与研究的季节时间、地理空间、温度光照、试验时长、水质组分、组分浓度、生物群落密度以及水力停留时间等若干因素有关，这也说明水生态系统净水效果研究是一项复杂的工作，前人研究成果仅能作为参考，应结合当地的实际情况开展必要的小试或中试研究，以科学合理构建符合区域水情、污情等特点的水生态净水系统。因此，本文初步提出如下建议：

 (1)加快本土水生生物净水能力研究。以本土水生生物为净水研究对象，立足水生态安全，重点开展不同季节、不同富营养化程度水体、不同污染物质水体、不同水力特征水体中水生生物净水效果研究和种类筛选，以及水生生物的管理养护等研究，并编制规范性、指导性文件，指导区域水生态系统工程构建。

 (2)水生态系统组合效果研究。开展多种类型水生植物、水生动物的组合净化水体是未来的一个发展方向。目前的研究主要集中在利用单种生活型动植物治理污染，但治理效果是有限的。利用多种水生植物和水生动物组建复合生态系统具有独特优势，可以克服单一物种季节性变化明显、生物净化作用不稳定的缺点，发挥多种水生生物在时间、空间和净水效果上的差异，实现优势互补。

 (3)重视水生生物净水机理性研究。水体中的重金属、农药医药残留、藻类很难用常规的净水处理技术去除，采用水生动植物净化是已经被证明是可行且符合经济要求。但由于这些环境污染物质种类众多，目前尚未形成成熟的理论体系，绝大部分还处于探索阶段，应开展深入研究，尤其是净水机理性方面的研究。