所（园）在水生植物及其资源化在环境污染物处理研究方面取得系列进展
近期，水生植物资源与开发利用课题组围绕威胁水生态的磷和重金属（铜和锌）等重要元素，开展了水生植物功能挖掘及其残体资源的循环利用的研究，并取得系列进展。相关研究论文“Removal effects and mechanisms of aquatic plants on high-concentration phosphorus of water in summer”、“Removal effects and mechanisms of a biomass-ash composite on tailwater phosphate from sewage treatment plants”和”Improving earthworm quality and complex-metal removal from water by adding aquatic-plant residues into cattle manure “分别发表于SCI收录期刊Journal of Environmental Management（IF=8.91）、Science of the Total Environment（IF=10.75）和Journal of Hazardous Materials（IF=14.23）。
１、筛选出了夏季高温下有效去除废水磷的水生植物种类，初步解析了其去除水体磷的机制。
针对夏季高温条件下缺乏有效去除水中高浓度磷的水生植物种类，研究比较了4种挺水植物（美人蕉、千屈菜、慈姑和黑三棱）和4种浮水植物（水鳖、黄花水龙、圆叶节节菜和卵叶丁香蓼）于夏季高温下（日平均温度33~35℃）对高浓度磷（3~5.5 mg/L）的去除效果和机制，优选出千屈菜、茨菇、水鳖和水龙等四种水生植物，作为水体高浓度磷的景观修复的品种；水鳖和水龙分别通过磷富集和快速生长的方式，而千屈菜和慈姑则同时具备两种方式；SOD和CAT对高温和/或高浓度磷有所响。研究结果为水生态修复工程的全年景观修复提供了夏季植物工具种。
图1 四种水生植物去除水体磷的机制
2、解析秸秆灰去除水体磷的效果和机制，推荐出秸秆灰协同水生植物去除磷的模式，为水体磷的控制提供一条绿色价优的路径。
目前，水体磷是制约河水和湖等自然水体的关键因素。针对污水处理厂排放标准与地表水管控标准的差异及秸秆等生物质电厂排放的灰堆积污染等，结合前期秸秆灰农用的研究成果积淀，率先设计并研究了秸秆灰及其配方去磷效果与机制。结果发现，秸秆灰去磷的主要机制是化学沉淀和离子交换，贡献分别为70.3%和29.1%；配方25%红壤，可显著提高秸秆灰的物理吸附和化学沉降的贡献，相对增幅为55.3%和14.5%，水体磷的去磷率达92.4%。将优选的秸秆灰配方（+25%红壤；CBA）协同杉叶藻应用到农村生活污水（P: 0.97 mg/L）中，10天内将水体磷处理到地表水II-III类。研究结果，为磷污染水体的生态去除提供一种绿色经济的修复模式，拓宽生物资源的利用场景。
图2 秸秆灰优配、除磷机制及其协同水生植物修复磷污染水体的效果
3、解析了水生植物残体添加对蚯蚓品质改善和蚯蚓粪去除水体Cu-Zn复合金属的优化机制，拓宽水生植物资源化高值利用路径。
针对水生植物工程带来的残体堆放占地及二次污染等问题，设计将用于美丽中国建设用的荷花的叶片和用于养殖尾水修复的四季水芹，添加到牛粪中进行蚯蚓转化，发现：水生植物特别是荷叶的添加提供了蚯蚓的品质，荷叶和水芹对蚯蚓品质有协同作用，并将其品质提升到I级水平；为了拓宽蚯蚓粪在生态修复领域的应用，率先解析了蚯蚓粪对当前威胁水生态的铜锌复合重金属的去除效果与机制，结果表明：蚯蚓粪对水体铜锌复合重金属的去除效率为80.2~98.2%，对铜和锌主要的去除机制为离子交换、阳离子-π键、化学沉淀等作用机制（84.6~94.2%）；水芹添加，改变了微生物群落，尤其降低了拟杆菌（Firmicutes）的丰度，将微生物的相对贡献降低到0~0.15%，丰富和强化了含氧官能团（CH2，C=O， CH和COOH等），增加了磷和铁含量，进而将铜和锌的去除率提升到94.6~97.9%。考虑到蚯蚓粪用于水体修复，将带入氮磷营养盐，增大水体富营养化的风险，设计了优选的水芹蚯蚓粪与苔草（Carex）、空心菜（Ipomoea aquatica）和杉叶藻（Hippuris vulgaris）的组合，优选出水芹蚯蚓粪+苔草组合技术修复铜锌复合污染水体的模式，该模式可在10天内，将水体铜锌消减的同时，将水体氮磷浓度稳定在地表水IV类及以下。成果率先为水生植物残体的资源化利用拓宽了领域，增加了产业的生态经济效益。
图3 添加水生植物残体对蚯蚓品质改善和蚯蚓粪协同水生植物去除水体铜锌复合重金属的效果
我所观赏植物研究中心李金凤博士和崔键研究员为论文第一作者，姚东瑞研究员和崔键研究员为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金面上项目、江苏省科技厅社会发展重点项目和省属公益类科研院所自主科研项目、水利厅水利科技项目、江苏省中国科学院植物研究所自然科学基金项目和江苏省植物资源研究与利用重点实验室开放基金等的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.116434
