石油污染土壤植物修復技術(shù)研究及展望

李先梅，肖 易，吳蕓紫，韋政偉，金 濤，周建利，田應兵

(長江大學農(nóng)學院，湖北荊州 434023)

在石油開采、運輸、加工以及儲存過程中，由于操作不當或事故泄漏等原因，常會有石油外溢或排放，造成嚴重的環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計，目前我國共有油井20萬口，每口油井污染的土地面積為200～500 m2，由此造成的土壤污染面積可達8 000萬m2，這一數(shù)值每年還在不斷增長[1]。石油污染土壤的主要表現(xiàn)形式為落地石油污染，80%以上的原油被截留在表層50 cm以上土壤中[2]。石油烴在表層土壤中的積累會導致土壤黏稠度的增加，影響土壤通透性，損害植物根部，阻礙根的呼吸與養(yǎng)分的吸收，引起根部腐爛，導致作物發(fā)芽出苗率降低，結(jié)實率下降，抗倒伏、抗病蟲害能力降低，對農(nóng)作物的生長和發(fā)育造成很大的負面影響[3]，嚴重者會導致遭受污染土壤在幾年甚至幾十年寸草不生[4-6]。此外，石油中的芳香烴類物質(zhì)對人和動物的毒性較大，它還能通過食物鏈在動植物體內(nèi)逐漸富集[5-7]，從而危害到人類的健康[8]。因此，石油污染土壤的修復與治理受到廣泛的關注[9-10]。為此，筆者查閱相關文獻，綜述了石油污染土壤植物修復技術(shù)并提出了展望。

1 石油污染土壤的修復技術(shù)

20世紀80年代前，石油污染土壤處理方式僅限于物理或化學方法[11]。物理法通過焚燒、隔離或換土，可凈化土壤中大部分有機污染物，但只是暫時防止了石油烴類的遷移，并僅適于小面積被石油烴類嚴重污染土壤的治理，同時破壞土壤結(jié)構(gòu)和組分，且價格昂貴，很難實施，不能作為永久的治理方法[12-15]。化學方法可以獲得較好的除油效果，但操作比較復雜，僅適用于油污濃度較高的土壤，并且由于所采用的化學試劑的二次污染問題限制了其應用[16]。

20世紀80年代以后，微生物修復技術(shù)成為人們研究的熱點[17-20]。微生物修復技術(shù)與物理、化學方法相比，費用較低，處理形式多樣，無論污染面積的大小均可施用，并且具有可同時處理受污染的土壤和地下水、操作相對簡單、能永久性地消除污染物、無二次污染等特點[21]。然而面對大面積、高濃度的環(huán)境污染，微生物修復技術(shù)由于去污能力弱而很難達到較好的處理效果。植物修復則以其投資少、操作簡便、效果好、不破壞場地結(jié)構(gòu)、不引起二次污染、吸收污染物的生物量大、有利于生態(tài)環(huán)境的改善和野生生物的繁衍生境、兼顧美化環(huán)境等優(yōu)點而成為人們普遍接受的去除土壤石油污染物的首選技術(shù)[22-26]。目前，美國和歐洲已成為世界上兩個最大的應用植物修復技術(shù)的國家[27-30]。

2 植物修復技術(shù)的機理分析

植物修復技術(shù)是指以植物忍耐和超積累某種或某些污染物的理論為基礎，利用植物及其共存微生物體系清除污染物的一種環(huán)境污染治理技術(shù)，即利用植物來修復和消除由有機毒物造成的土壤污染[31-33]。在實際操作時，先將植物種植于被污染的土壤中，然后收獲其地上部分。土壤中的污染物在種植過程中或被轉(zhuǎn)化為低毒或無毒的形態(tài)或化合物、或被植物吸收隨收獲物而從土中帶走，然后再將收獲的植物進行利用和處理。植物修復有機污染物的機理包括吸收、降解、揮發(fā)等[34-35]。

2.1植物吸收植物吸收是通過植物直接吸收污染物并將其轉(zhuǎn)運蓄積到該植株的地上可收割部分。植物吸收是去除有機污染物的有效途徑之一[36-38]。凌婉婷等研究了20種植物根對土壤中多環(huán)芳烴菲、芘的吸收作用，結(jié)果表明，菜心根對菲和芘的吸收作用顯著，45 d后對菲和芘的吸收量分別高達11.9和428.3 mg/kg[39]。

2.2植物降解植物降解是指植物本身及相關微生物和各種酶系將有機污染物降解為無毒的小分子中間產(chǎn)物，最終分解為CO2和H2O。Gordon等研究雜交楊樹對TCE(三氯乙烯)的修復，結(jié)果表明，雜交楊樹在其體內(nèi)可將TCE降解成三氯乙醇、氯代酮，最后降解成CO2[40]。

2.3植物揮發(fā)植物揮發(fā)是指與植物吸收相互聯(lián)系的，利用本身的吸收、積累、揮發(fā)而減少土壤中的揮發(fā)性污染物，即植物將污染物吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中[41]。Schwab等利用紫花苜蓿(Medicagosativa)研究植物根系對萘的吸附降解情況，發(fā)現(xiàn)通過植物揮發(fā)可去除土壤中32.0%～45.0%的萘[42]。

3 植物修復技術(shù)的應用

早在1983年，Chaney就提出了利用超富集植物清除土壤污染物的思路，即植物修復技術(shù)。最常見的用于修復有機化合物的植物物種包括柳樹、楊樹和各種草本植物[43]。

3.1木本植物木本植物具有強大的根系，能夠在土壤污染物濃度較高時旺盛生長，并對石油污染物具有一定的降解作用，且具有經(jīng)濟價值高、景觀效果好、生態(tài)效益顯著等優(yōu)勢。陸秀君選用山皂莢(GleditsiajaponicaMiq.)、梓樹(CatalpaovataG.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、沙棘(HippophaerhamnoidesL.)4種木本植物的種子，分別在不同石油污染濃度下進行試驗，發(fā)現(xiàn)在一定濃度石油污染土壤上栽種山皂莢、梓樹苗木作為植物修復的主要樹種是可行的[44]。Spriggs等研究表明，木本植物黑柳樹(SalixnigraMarshall)、岑樹(FraxinuspennsylvaniaMarshall)、白楊(Populusdeltoides×P.nigraDN 34 )能促進根際土壤中石油組分的降解[45]。董亞明等對木本植物檉柳(Tamarixchinensis)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)修復新疆石油污染土壤的研究表明：經(jīng)過80 d的修復，石油烴去除率可達到26.5%～28.6%[46]。這表明，不同木本植物忍耐和修復石油污染土壤的能力存大較大差異，部分常見木本植物種類及其石油烴降解率見表1。

3.2草本植物在石油污染土壤上進行植物修復，公認的理想的植物種類應具有較強的生命力，其發(fā)芽率應不受污染物的影響或影響較小，許多草本植物具有這方面的特點。彭昆國等對玉米(ZeamaysL.)、高粱(Sorghum)、披堿草(ElymusdahuricusTurcz.)和翅堿蓬(SuaedahetropteraKitag)4種供試植物進行了溫室盆栽試驗，觀測發(fā)現(xiàn)，高粱和披堿草具有較大的種子發(fā)芽率和石油污染耐受性[47]。李方敏等發(fā)現(xiàn)，黑麥草(LoliumperenneL.)和玉米草在石油污染的土壤上具有較強的種子萌發(fā)能力[48]。Phillips等比較了裸麥(ElymusangustusTrin.)、高芽草(Agropyronelongatum)、黑麥草、紫花苜蓿(Medicagosativa)、牛毛草(FestucarubraL.)和藍草(Puccinellianuttalliana)6種草本植物對石油烴污染土壤的修復作用，發(fā)現(xiàn)所有的植物修復組中石油烴類的降解率都高于空白對照組，這表明植物修復能有效地降低土壤中石油烴的含量[49-50]。錢曉榮等通過種植黑麥草、紫花苜蓿，對以PDCB(二氯苯)為代表的PCOPs(多氯代有機污染物)污染土壤的植物修復進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PDCB降低了82.4%～62.8%[51-52]。劉春爽等研究了蘆葦修復新疆石油污染土壤效果，結(jié)果表明：經(jīng)過123 d的修復，石油烴去除率可達到41.2%～62.1%，明顯高于空白樣(19.8%～37.9%)，其中飽和烴去除效果最好，可達60.5%～73.1%[53]。這表明，不同草本植物對石油污染土壤具有較好的修復效果，部分常見草本植物種類及其石油烴降解率見表1。

3.3花卉品種我國學者彭勝巍等研究了8種花卉植物種子萌發(fā)對石油烴污染土壤的響應，發(fā)現(xiàn)在石油污染含量為20 635 mg/kg的條件下孔雀草和硫華菊的發(fā)芽率分別比其他花卉高11.1%～44.4%和15.8%～47.4%[54]。張志能等以勝利油田為研究基地，研究適合其原位修復的土生花卉植物，發(fā)現(xiàn)紫茉莉、鳳仙花、矮牽牛適合生長在高達1.0%石油污染的土壤上[55-56]，并對污染土壤具有較好的修復效果，首次把牽?；╗57]和鳳仙花[58]確定為具有專性修復石油烴污染土壤的植物。這表明，花卉植物具有修復土壤石油污染物的潛能，部分常見花卉品種及其石油烴降解率見表1。

表1 部分木本植物草本植物、花卉品種及其石油烴降解率 %

3.4植物聯(lián)合修復單一植物品種修復石油烴與其他有機或無機污染物復合污染土壤效果并不顯著[61-62]，混合的植物修復效果最好[63]。Xu等研究了玉米、黑麥草和白苜蓿及其聯(lián)合修復對污染土壤中菲和芘的去除效果，發(fā)現(xiàn)與單一植物修復相比，植物聯(lián)合修復對PAHs(多環(huán)芳烴)具有更好的修復效果，玉米和黑麥草聯(lián)合修復的土壤中菲和芘的去除率達98.20%和95.80%[64]。Schwab等對被原油及石油提煉物污染土壤的植物降解的調(diào)查研究顯示，黑麥草與大豆(Glycinemax)輪作之后，污染土壤中總石油烴含量明顯下降[65]。

3.5人為調(diào)控種植植物對土壤石油烴的修復效果優(yōu)于不種植物[66]，是因為植物的存在使土壤中的微生物數(shù)量增多，活性增強。在植物修復石油污染土壤的過程中，若要達到較為理想修復效果，人為調(diào)控十分必要。在受污染土壤上種植對石油類物質(zhì)有耐受性的植被，并施用肥料，可大大加速土壤中石油類物質(zhì)的降解。劉繼朝等研究了狗牙根對石油污染土壤的修復效果，結(jié)果表明：添加尿素可以有效地增加狗牙根對石油的去除率，當尿素∶土為1∶2 000時，石油污染去除率達到69.4%[67]。袁敏等研究發(fā)現(xiàn)，施用CaCO3和有機肥能明顯提高紫花苜蓿地上部生物量[68]。張松林等對人為石油污染土壤紫花苜蓿田間修復試驗研究表明：施肥對種植苜蓿組土壤扣除空白石油污染物殘留量影響很大，施肥組為不施肥組的0.6倍，顯示施肥有助于種植苜蓿組土壤石油污染物的去除[69]。

4 展望

雖然國內(nèi)外應用植物修復石油污染土壤的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但仍存在許多的不足，需要進一步研究。

(1) 木本植物有良好的修復石油污染土壤的效果，目前國內(nèi)采用木本植物修復石油污染土壤的研究尚少，需要進一步篩選出符合要求的木本植物來進行植物修復研究。

(2)花卉植物在治理石油污染土壤的同時具有美化環(huán)境、公眾接受度高等優(yōu)點，目前這一技術(shù)正在成為人們研究的熱點，如何提高花卉植物的降解率需要進一點研究。

(3)某些植物在高濃度石油污染土壤上生長較好，去污能力強，但初期種子對石油污染耐受能力較差，如何提高植物品種的發(fā)芽率需進一步研究。

(4)目前國內(nèi)針對高效修復植物篩選的研究很多，但是在作物的栽培過程中，如施肥技術(shù)，耕作管理等尚不完善，需要加強這方面的研究。

在石油污染土壤的治理過程中，要注意與其他方法相結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達到最優(yōu)化，同時也要綜合考慮經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

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