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2021-05-28来源：环境生态网
近年来工业化和城市化进程导致水域生态系统氮、磷含量急剧增加，加速水质恶化，严重影响水体功能性。
我国7大水系、湖泊、水库等水域受到了不同程度污染，污染指标主要为总氮、总磷、高锰酸钾指数、生化需氧量等。水质污染已严重影响我国经济发展，开展水体污染及其防治的研究一直污染生态学研究的重点和难点。
从有效性和安全性出发，调控水体目前常用生物法，即利用生物的生命代谢活动来降低存在于环境中有害物质的浓度，从而使水环境得以净化修复，水生植物兼具城市景观功能及生态功能，在水质处理中受到广泛关注。
#01 水生植物净化水质的机理
植物根系的吸收
水生植物在其生长过程中需要吸收营养物质，水环境中的某些污染物正好可被植物作为自身营养物质加以利用。水生植物吸收Pb、Zn后，不同器官富集存在显著差异，表现为根 >茎 >叶。
水溶性污染物通过两个途径到达根表面：第一条是通过质体流途径，即污染物随植物的蒸腾拉力，在植物吸收水分的同时与水一同到达植物根部；另一条则是扩散途径，即通过扩散到达根表面。植物将污染元素作用自身营养物质吸收后，通过人为收割，将大量污染物移除水环境。
植物富集作用
水生植物也可通过富集作用对水质进行净化，水生植物在吸收污染物尤其是重金属离子等有机物之后，便富集、固定在其体内，同时植物也具有将污染物转化成安全、低毒的结合态的机制。
植物在吸收重金属离子后，通过金属转运细胞将重金属离子转运至根细胞，随后转运至液泡中。在重金属胁迫条件下，植物会形成适应性，即耐受基因型合成较多植物螯合肽（PC），并与重金属离子螯合。
在对菹草叶细胞的超微定位观察中发现，重金属离子主要富集于植物细胞壁上，植物细胞壁成为十分重要的离子交换场所。在植物细胞壁与金属离子结合未达到饱和前，植物细胞壁的金属沉淀作用会对植物对污染物的耐受性起到一定作用。
微生物作用
植物根系的分泌物能为根系微生物提供养分，促进其生长，根系微生态系统中，微生物数量显著高于其他区域，且根系微生物能对有机污染物起到降解和代谢作用。
根系微生物在土壤修复的研究中已有大量报道，在水域环境中，根系微生物同样能起到修复污染水体的作用。
在水生植物在水环境中利用光合作用生成氧气，并通过通气组织，将氧气从植物体的上部输送到底部，经过释放和扩散，在植物根部形成一个好氧区域，这个区域对很多微生物尤其是硝化细菌来说，是极好的繁衍栖息区域，因此这个区域的微生物相当活跃，能够将对水生动物有害的氨氮转化为硝态氮。
凤眼莲又称水葫芦，是一种根系发达的高等水生植物，被广泛运用于污水治理，其发达的根系是其净化水质的重要因素。
在凤眼莲存在在水环境中，其根系微生物具有降酚作用，凤眼莲根系微生物能提高凤眼莲降酚效率和多酚氧化酶活性。在对凤眼莲根系微生物群落结构分布、组成与功能的研究中发现，根系微生物群落参与水体氮循环，其中氨氧化细菌占根系微生物数量总数的10％，并同时发现了参与硝化——反硝化作用的细菌。
对藻类的抑制作用
水生植物对藻类的抑制作用主要来自两个方面。第一个方面是水生植物的生长同样需要营养物质及光热条件等环境因素，因此会与藻类形成竞争效应。高等水生植物根系发达，在与藻类的竞争中处于优势地位，对氮、磷等营养元素的吸收能力较强，藻类由于缺少限制性营养元素，生长受到抑制，从而避免了水华的发生。同时水生植物的存在也会阻碍光照进入水体，进一步抑制藻类生长繁殖。
另一方面，植物会分泌出抑制藻类生长的化感物质，这类物质主要分为五大类：脂肪族、芳香族、含氮杂环化合物、类萜和含氮化合物。研究表明，化感物质可通过影响藻类细胞膜结构、呼吸作用、光合作用、酶活性及基因表达以达到抑制藻类生长的目的。
研究发现，随着芦苇等7种水生植物浸出液浓度的升高，小球藻密度的最大值开始下降，并出现细胞结构溶解破坏的现象。芦苇浸出液在10mg/L的浓度下，对小球藻的抑制率为97.6%，当浸出液浓度升高到20mg/L时，其抑制率则达到100％，藻类被完全抑制，无法生长。研究表明，水生植物的离体器官仍具有分泌化感物质的能力，在今后的研究中亦可利用这一特性对化感物质进行分离、提纯。
#02 水生植物的种类及作用
水生植物是指能够在水中长期生活的植物，我国水生植物资源丰富，高等水生植物多达300余种。按照不同生活型将水生植物分类，目前主要分为4大类。
挺水植物
又称湿生、沼生植物，是水生植物中最具观赏价值的一类。大部分生活在水岸边或是较浅水体中，有完善的通气组织、维管束、机械组织和保护组织。植株高大、挺拔，绝大部分挺水植物有茎、叶的分化，茎叶立于水面之上，根或地下茎扎入底泥，有些种类还具有非常发达的根状茎。常见的挺水植物有莲、香蒲、千屈菜、菖蒲、水葱、芦苇、风车草等。
目前挺水植物已广泛用于城市污染水体修复、河道修复等工程，兼具生态及景观价值，并已有大量研究报道，主要讨论不同种类挺水植物对氮、磷等元素的去除效果，以筛选出最适宜的挺水植物。各种对比研究发现，宽叶香蒲、黄花鸢尾等对污染水体的修复效果尤为突出，已被广泛栽种于城市人工湿地并取得良好效果。
浮叶植物
浮叶植物的漂浮于水面或高于水面，根或地下茎生于泥中，常具有发达粗壮的根状茎，地上茎不明显或茎细弱不能直立，体内常贮藏大量气体，使得植物能稳定漂浮于水面上，叶子的表面有角质层，可以防止水分蒸发过快。常见的浮叶植物有睡莲、芡实、红菱、荇菜等。
目前浮叶植物用于污染水体修复的研究报道较为零星，且浮叶植物营漂浮生活，难以管理，因此在水环境治理中并没有挺水植物使用广泛。包先明等（2005）探讨了荇菜对富营养化湖泊氮磷营养水平的影响，实验结果表明随着荇菜的生长，水体中氮、磷元素显著降低，藻类生长受到抑制，水体透明度得到改善。移植或栽种浮叶植物是重建湖泊生态系统的重要作用措施之一。
漂浮植物
漂浮植物的种类较少，整个植株漂浮于水中，随水流、风浪移动，因此难以控制，常见的漂浮植物有凤眼莲、浮萍、满江红等。
其中凤眼莲对于污染水体中氮、磷元素的去除效果尤为明显，但其本身的快速生长容易成为新的污染源，大面积占据水面遮蔽了阳光进入水体，导致中下层水体缺氧，使水生生物的生存受到威胁。因此若使用凤眼莲进行水体修复，则要加强管理，避免外溢。
沉水植物
沉水植物全部植株沉没于水中，有发达的通气组织，利于在溶解氧较低的水体中进行气体交换。叶多为狭长或丝状，植株各部分均能吸收水中养分，在弱光的水体环境中仍能正常生长。沉水植物的种类较多，常见的有有黑藻、苦草、金鱼藻、马来眼子菜等，多用于观赏水体的造景材料。
近年来沉水植物的生态功能也越来越受到重视，沉水植物的生态功能主要有三点。
第一点是影响水体流速，沉水植物会随水流形成弹性扭曲现象，影响水体流动，多数情况下，对流速的影响力会随着植株的生长而增大。
第二点是为水生动物提供生存环境，既作为初级生产者又为水生动物作为食物，维持水域生态系统的稳定。
第三点则是对水质的净化所用，黑藻对Pb、Cu、Zn的富集量较高，穗花狐尾藻对Zn的富集最强，龙须眼子菜对Zn、Cn均有较大富集。
#03 水生植物在水环境中的处理方式
生态浮床
生态浮床是一种对于污染水域进行生态修复的生态技术，将水生植物种植于能漂浮于水面的材料上，并人工搭建出不同造型，不仅能治理水环境，还能起到园林景观效果。
德国最早于1979年对生态浮床进行研究，取得良好成效，此后日本、美国等发达国家为了达到净化水质的目的，对湖泊、河流等饮用水源进行生态浮床修复。
我国于20世纪80年代开始进行生态浮床的研究。自1991年，我国在大型水库、湖泊、河道等水域环境中共种植水生植物130种。
2000年，在国家“863”水环境治理专项项目之一的五里湖整治工程中分别使用了水面覆盖率15%、30%、45%的生态浮床处理组，取得预期效果，其中45%处理组的水体中多项水质指标均达到地表水Ⅲ类标准。
2001年为进行北京什刹海生态修复治理工程，在其上游来水区搭建了生态浮床，面积为50㎡×1.2m，最上层栽种高等水生植物，经过10个月的治理，什刹海总氮水平由6mg/L下降至2mg/L，总磷水平由0.5mg/L下降至0.2mg/L.叶绿素A含量显著降低，水体透明度提高，对什刹海水质的总体评价为IV类，好于相邻的西海（劣V类）和前海（劣V类）。
人工湿地
人工湿地作为一种新型污水处理工程又具有城市景观价值。于20世纪70年代发展起来，由耐受性较强的水生植物为主的高、低等生物和处于水饱和状态的基质构成的人工复合体。
在处理污水时，有机物的降解和转化主要是由土壤微生物来完成的，不溶性的有机物通过湿地的沉淀、过滤，可以很快被截留下来，被土壤微生物加以利用，可溶性的有机物则通过生物膜的吸附和微生物代谢去除。磷的去除主要是由基质的物理化学作用、植物的摄取和微生物的同化共同完成。
土壤基质对磷有吸附和化学沉降作用，湿地植物可强化根系和基质对颗粒态磷的滞留、根际微生物对颗粒态磷的吸收和矿化等过程。
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