植物修復技術在污染土壤修復中的應用

(日本埼玉環(huán)境科學國際中心, 日本 埼玉 347-0115)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中處于水圈、生物圈、巖石圈與大氣圈的獨立圈層，是農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟、文明的最基本的自然資源。多年來，隨著經(jīng)濟以及工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展，土壤污染問題日益突出。根據(jù)資料，中國的農(nóng)用地近20%被重金屬等有害物質(zhì)污染，正潛在地威脅著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、地下水和生態(tài)環(huán)境的安全。在日本,被查明的污染土壤年年增加，尤其是2003年日本實施了土壤污染對策法之后，被查出來的土壤污染每年都居高不下。現(xiàn)在，重金屬類、殘留農(nóng)藥、揮發(fā)性有機物、二惡英類、石油類等各類有害物質(zhì)引起的土壤污染正受到日益廣泛的關注。土壤組成復雜，存在場所固定，受到污染后其影響一般是長期性和蓄積性的。污染物在土壤中積累到一定程度后，土壤的健康與生物生產(chǎn)等機能將受到損害，進而導致糧食減產(chǎn)和污染，而且可以通過水環(huán)境和生物等媒體形成二次污染，最終影響人體健康。土壤資源非常有限, 因此如何將這些廣泛存在的污染土壤作為自然資源進行有效利用和修復，是世界各國面臨的重要課題，屬于一個亟待解決的國際性難題。

目前，常用的污染土壤修復或凈化技術主要有封固、藥劑固定、搬出填埋、熱分解、洗凈和焚燒等物理或化學的方法。這些方法一般都是將土壤作為固體廢棄物處理，需要巨大的費用，而且處理后的土壤一般喪失其植物生產(chǎn)等諸多生態(tài)功能，因此難以應對大面積的污染土壤，尤其是大面積污染農(nóng)田的修復治理。

污染土壤的植物修復技術近年來受到廣泛關注。該技術是利用綠色植物體系修復污染土壤的一項較為新興的手段，一般被稱為低成本、環(huán)境友好的非破壞型原位污染土壤修復技術, 操作簡單，容易被公眾和政府機構(gòu)接受[1-2]。污染土壤的植物修復，雖然近年來得到廣泛研究，取得了很大的進展，但其大范圍的實際應用還沒有展開。本文就污染土壤的植物修復原理、技術發(fā)展、研究現(xiàn)狀、實用化促進以及筆者近年來的研究等作簡要介紹和討論。

1 污染土壤的植物修復技術及其基本原理

植物修復(Phytoremediation)是指利用植物對有機或無機污染物的吸收、蓄積、固定、分解等機能，修復污染環(huán)境媒體(土壤、底泥、水質(zhì)、大氣等)的技術總稱[3-4]。將植物修復技術用于修復污染土壤時，一般是通過種植優(yōu)選的植物及其根際微生物直接或間接吸收、揮發(fā)、分離、降解、固定土壤中的污染物，使土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能得到恢復或改善。如圖1所示，根據(jù)其作用過程和原理，植物修復技術可以分為植物萃取(phytoextraction)、根際過濾(rhizofiltration)、植物固定(phytostabilization)、植物降解(phytodegradation)、植物揮發(fā)(phytovolitization)等類型[2,5-6]，其修復機理與對應的有害物質(zhì)見表1。

圖1 植物修復的概念圖

植物修復修復機理對應物質(zhì)植物萃取(Phytoextraction) 植物將土壤中的污染物質(zhì)吸收提取到根部可收獲的部位和植物地上莖葉部位,一般利用超富集植物 重金屬、放射性核素、非金屬(B,F等)、部分有機污染物質(zhì)植物固定(Phytostabilization) 植物在土表形成綠色覆蓋層,植物根系及其分泌物通過吸附、積累、沉淀等過程減少污染物因淋洗、地表侵蝕等作用導致的污染物質(zhì)向地下水等其他地方擴散 重金屬、放射性核素、非金屬、有機污染物植物降解(Phytodegradation) 植物通過體內(nèi)或分泌的植物酶將有機物質(zhì)降解的過程 有機污染物根域降解(Rhizodegradation) 植物根系環(huán)境以及根圈微生物的作用,使污染物質(zhì)得到分解 有機污染物質(zhì)根際過濾(Rhizofiltration) 植物根系吸收、吸附、沉淀污染物,形成一個根系過濾系統(tǒng),一般利用根系發(fā)達的植物 重金屬、有機污染物植物揮發(fā)(Phytovolatilization) 植物將污染物質(zhì)吸收到植物體內(nèi),通過植物蒸騰作用將揮發(fā)性化合物或其代謝產(chǎn)物釋放到大氣的過程 揮發(fā)性無機或有機物質(zhì)(Hg,Se,VOC類物質(zhì)等)

從表1可以看出，對重金屬(Cd、Pb、Cr等)與放射性物質(zhì)(Cs、Sr等)以及其他一些無機污染物(As等)，其最有效的方法是植物萃取。植物修復技術的基本原理是通過植物的光合作用，將分散在土壤中的污染物提取出來，轉(zhuǎn)移到植物地上莖葉部位或可以收獲的根部，最后通過收獲與處理用于修復的植物，從而實現(xiàn)修復治理土壤的目的。

對農(nóng)藥等有機污染物而言，雖然植物翠取、植物降解以及植物揮發(fā)等都可能有一些貢獻，但主要的還是根域分解。通過根系分泌物的作用，促進根圈微生物的生長與繁殖，而且植物種植還可以改善根域土壤的氧氣供給，這些都可以促進有機污染物的分解，土壤植物修復的關鍵是選擇合適的植物。

一般具有以下特征的植物較為理想：土壤中污染物濃度較低的情況下也可以多量吸收和積累；對污染物具有較高的耐性、富集能力或促進分解的能力；對多種污染物同時具有較好的修復能力；生長快、生物量大、耐病蟲害、容易栽培種植與管理；收獲后通過有效利用(如制造生物燃料、作為觀賞花卉等) 產(chǎn)生高附加值的經(jīng)濟效益。

2 植物修復技術的特點及其發(fā)展

目前修復與凈化污染土壤有多種可以應用的技術，包括掘削除去、填埋、焚燒、熱解、洗凈、藥劑固化、生物修復等。污染場地修復中，具體需要應用什么技術需要根據(jù)污染土壤的規(guī)模、污染程度、污染類型、修復后土壤的用途等決定。表2就各類技術進行了大概比較。一般而言，物理/化學的處理方法在短時間內(nèi)可以處理污染土壤，但成本高耗能大，并破壞土壤機能，尤其會嚴重破壞土壤的植物生產(chǎn)機能，而且容易造成二次污染等。通過物理/化學方法處理后的土壤，一般會喪失其生物生產(chǎn)機能，也就是會喪失作為農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的土壤資源。這些方法主要適用于面積小污染嚴重的情況。

植物修復技術的最大優(yōu)點是利用自然條件下植物的生長修復污染土壤,成本低，可以維持和改善土壤性能, 對應的污染物十分廣泛, 同時有利于對周圍水質(zhì)、大氣、環(huán)境綠化的改善，具有良好的社會、生態(tài)、綜合效益,很容易被公眾接受。缺點是修復周期長，對深層污染的修復有困難，容易受氣候等因素影響。植物修復一般適用于污染濃度不高，污染范圍較大的農(nóng)林業(yè)土壤。

人類利用植物凈化環(huán)境早已存在，如20世紀20年代土壤化學研究者和探礦者就利用植物抽取土壤中的金屬[7]，蘆葦?shù)纫苍缫延糜谒|(zhì)凈化[8]。但是，植物修復技術概念的形成、發(fā)展、系統(tǒng)研發(fā)以及一些示范性試驗是從20世紀70年代才漸漸發(fā)展起來的，特別是對在海灣戰(zhàn)爭中大量原油及其中的重金屬的修復，該技術受到一定程度的重視并推動其發(fā)展[9]。此后，出現(xiàn)了通過植物栽培收獲超重金屬積累型植物，從而對重金屬污染土壤進行系統(tǒng)修復的提案[10]，而對利用植物修復有機污染物的系統(tǒng)研究展開就更晚一些[11]。筆者對含有phytoremediation關鍵詞的論文通過JST和PubMed的科學論文檢索系統(tǒng)進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)20世紀90年代以后發(fā)表的論文數(shù)量顯著增加，這也說明了植物修復技術研究開發(fā)的進展情況[2]。

表2 土壤污染處理性能的比較

3 植物修復技術成果

植物修復技術的系統(tǒng)研發(fā)在很多國家的政府、大學、研究所以及民間企業(yè)的參與下，在對各種污染物的修復以及促進修復效率等方面取得了大量研究成果?，F(xiàn)在，植物修復技術研究開發(fā)在美國、加拿大、歐洲、中國等很多國家和地區(qū)都非?；钴S，已經(jīng)成為環(huán)境修復技術中的熱點而備受關注。中國大概從2000年前后開始，在國家“863”計劃、“973”計劃和一些自然科學基金項目支持下，植物修復領域的研發(fā)工作不斷推進，現(xiàn)在產(chǎn)官學研各類機構(gòu)給予重視，研發(fā)工作活躍，取得了值得注目的成果。

在植物修復中，對無機污染物尤其是重金屬類的研究較為廣泛。20世紀80年代以來，關于利用超積累植物清除重金屬污染土壤的設想提出以來，超積累植物的研究逐漸展開，并成為植物修復研發(fā)的熱點[12],對其吸收、轉(zhuǎn)運和積累重金屬的生理和生化機理有了清楚的認識。目前，國內(nèi)外在此方面有大量研究,已發(fā)展到分子水平[13-14],并克隆和鑒定出相應的重金屬轉(zhuǎn)運體基因ZTP1、ZNT1 和ZNT2,為進一步運用基因工程改良植物的修復潛能提供了一條有效的途徑[13]。重金屬超量積累植物(hyperaccumulator)是指其組織內(nèi)能夠超量吸收和積累重金屬的植物，超積累植物體內(nèi)的重金屬含量為一般植物的100倍以上。一般的標準是，Hg為10 mg/kg,Cd為100 mg/kg，Pb、Cu、Ni、Co、As、Cr為1000 mg/kg，Zn、Mn為10 000 mg/kg以上[2]?，F(xiàn)在至少已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了45科約400多種的重金屬超積累植物,其中很多已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化[14]。表3是幾種超積累植物及其積累能力。我國目前發(fā)現(xiàn)的超積累植物有砷-蜈蚣草(Pterisvitatta)、鋅-東南景天((SedumalfrediiHanc)、錳-商陸(Phytolaccaacinosa)、鎘-龍葵(Solanumnigrum)等。

表3 重金屬高濃度濃縮植物種及其蓄積能力

關于利用植物根系分泌的酵素以及利用根圈微生物的活性修復有機污染物的研究相當廣泛?，F(xiàn)在對各類農(nóng)藥殺蟲劑、木材防腐劑、石油類化合物、DNT等炸藥類、TCE等氯素類有機污染物等各種物質(zhì)的植物修復均有報道，其產(chǎn)業(yè)化也得到推進[2]。即使對于一些難分解的化學物質(zhì)如二惡英類等，研究發(fā)現(xiàn)有些植物(如栗、蘋果等)根系可以分泌一些促進其分解的酵素[17]。

但是，植物修復最大的瓶頸問題是其修復效率低，所以如何促進植物修復效率的提高是研究的重點。在盡量選擇高修復能力植物的基礎上，促進植物修復效率的研究主要有以下幾個方面。

1)化學促進法。這種方法是通過化學處理促進土壤中金屬的可移動性，使金屬更容易被植物吸收。多種表面活性劑如EDTA，CDTA，DTPA，EDDHA，NTA等被廣泛研究和利用，并證明對重金屬的積累有一定的促進作用，但這種方式也可能增加重金屬被淋洗到地表深層，對地下水造成污染的風險。此外，發(fā)現(xiàn)盡管EDTA增加了重金屬的可移動性以及在植物根部的濃度，但可能對植物地面部位的積累量影響不大[12]。

2)轉(zhuǎn)基因工程技術。通過基因轉(zhuǎn)換技術提高超積累植物的生物量，或克隆出超積累植物以及分泌生物降解酶的植物，用于促進植物修復的效率[18]。這一技術也許在將來具有發(fā)展前景，但因為可能存在的一些未知風險以及一些禁止在野外使用這類植物的有關法律[19]，目前其應用受到限制。

3) 植物-微生物聯(lián)合修復體系。在植物生長的同時，其根系及其分泌物為微生物的繁殖提供了良好場所。研究表明，植物根際區(qū)域的微生物具有豐富的多樣性，其數(shù)量一般明顯高于非根際區(qū)域，這在很大程度上提高了對土壤中有機污染物的降解率。微生物的旺盛生長，不僅可以促進有機污染物的分解，也能促進植物生長?，F(xiàn)在研究主要著重于植物和菌根菌的共生方面[20]。向土壤中添加外部有用微生物的方式也得到關注，但如何解決有效微生物在土壤中的旺盛增殖是一個關鍵性難題。筆者的研究組通過向植物添加白色腐朽菌，促進了白色腐朽菌在土壤中大量存活和植物根際的旺盛生長，進而促進了植物生物量的顯著提高。通過建立多年生黑麥草、大麥等與白色腐朽菌聯(lián)合修復體系，接種區(qū)植物根系的重量與微生物數(shù)量顯著增加，4個月后土壤中的二惡英減低率達15%～45%[21-22]。

4)耕作技術。通過改進農(nóng)業(yè)耕作技術也可以促進植物修復效率。通過合理施肥與有機碳源的添加等可以促進植物生長和微生物活性，由此可以提高植物凈化的效率。例如，HUANG等[23]設計了多過程植物凈化方式(Multi-process phytoremediation)以強化有機污染土壤的修復。該方式包括土壤耕作通氣暴露、微生物接種、植物修復等過程，其修復時間可以比單純的植物修復縮短一半。

4 植物修復的實用化問題

植物修復雖然被廣泛研究，但作為綠色環(huán)保工程技術還沒有得到廣泛的認識和實際應用。在促進植物修復技術的實際應用方面，修復效率的提高、修復用植物種類的擴大、復合污染土壤的應對，以及技術的系統(tǒng)化和穩(wěn)定化等很多問題亟待解決。除此之外，植物修復技術的關鍵問題是經(jīng)濟成本問題。植物修復技術一般被稱為低成本的環(huán)境友好型技術，但實際上低成本必然導致土地所有者在多年的修復期間沒有收入。所以單純依賴利用超積累植物修復土壤的傳統(tǒng)植物修復方式，在實際應用中將受到很大限制，這也是植物修復技術難以得到廣泛應用的最重要的原因。

為了促進植物修復技術的實用化，近年來我們改變了一般的利用超富集植物的修復模式，重視可以用作生物能源或觀賞植物的有用植物，建立了收益型的植物修復模式。其理念如圖2所示[24]，用生物燃料資源植物代替植物修復專用植物，收獲后的植物用于制造生物燃料。這樣，每年就像農(nóng)業(yè)耕作一樣，將污染土壤作為資源同時進行利用和修復。這樣的模式還可以促進生物燃料產(chǎn)業(yè)以及花卉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。筆者的研究組通過向日葵、玉米等資源植物與植物修復專用植物的比較試驗，發(fā)現(xiàn)這些資源植物比專用植物生長快，生物量大，最終從土壤中吸取的重金屬的量也不比專用植物低[24]。以玉米為例，如圖3所示，污染土壤修復后收獲的玉米，其籽粒供給生物酒精廠，其余部分可以做成生物炭、生物氣與木醋液。生物炭可以用于工業(yè)除臭劑，生物氣用于能源，木醋液用于生物防蟲劑等。通過這樣的方式可以增加玉米的附加值。所以，利用生物燃料型資源植物修復污染土壤，從土地資源的利用與修復以及收益性來看，可能是一個有效的模式?，F(xiàn)在，我們正在利用高性能花卉類植物作一些代表性的農(nóng)田修復試驗，取得了一定效果。

圖2 一般植物修復與收益型修復模式的比較

圖3 污染土壤修復后玉米的有效利用

5 今后展望

如何通過合理的方式修復廣泛存在的污染土壤是一項重要的課題，也具有重要的社會意義和國際意義。筆者認為通過促進植物修復技術的實際應用解決這一難題十分必要。資料表明美國有21.7萬個污染區(qū)域[2]。日本在2003年實施污染土壤對策法后被查明的污染土壤的件數(shù)年年增加。根據(jù)報道，中國受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染耕地面積近2 000萬公頃，約占耕地總面積的20%，每年造成的糧食產(chǎn)量損失高達1 000萬噸，直接經(jīng)濟損失達200多億元[25]。要解決這樣大范圍存在的土壤污染問題，光靠一般的物理化學方法顯然很難實現(xiàn)。調(diào)查資料表明，修復一個污染點平均需要1 600～2 500萬美元的巨額費用[2]。美國從20世紀80年代實施包含污染土壤修復義務的CERCLA法已經(jīng)過了30多年，其污染土壤的修復治理進展不太明顯。日本在2003年實施了污染土壤特別對策法之后，很多被查明的污染土壤的修復工作也進展艱難。關鍵原因是物理化學技術需要巨額的費用以及對土壤機能的破壞。

目前，污染土壤的修復在產(chǎn)業(yè)方面也是一個迅速成長的領域?，F(xiàn)在歐美日等國家有很多公司參與土壤修復業(yè)務。在日本有包括日立、松下、三菱等大公司在內(nèi)的很多公司參與土壤與地下水的凈化業(yè)務， DOWA集團于2010年與中國公司合作進入了中國土壤凈化市場。植物修復作為一個綠色環(huán)保型工程技術，也會有良好的發(fā)展前景。美國的植物修復市場在2000年時約為1億美元，到2005年增長了5倍[2]。日本在1999年的市場規(guī)模為100萬美元，2005年增加了8倍，預計到2020年將增加到3億美元[2]。隨著中國有關土壤污染治理法規(guī)的加強，中國土壤修復的需求量正在迅速增加。

植物修復以天然的太陽能為能源，適用于大面積中低程度污染區(qū)域的治理，尤其是農(nóng)業(yè)污染土壤的治理。其成本較低，而且具有良好的社會、生態(tài)、土壤資源保護等綜合效益?；谥参镄迯偷难芯楷F(xiàn)狀與將來的需求，植物修復的主要課題有以下幾個方面。

1) 發(fā)現(xiàn)和篩選出富有應用價值的超富集性植物和具有較高富集能力的經(jīng)濟型植物資源。研究其分布、特性、修復機理、修復效率、應用價值、管理方式、適合栽培的地域，建立數(shù)據(jù)庫，為各地區(qū)污染土壤的植物修復工作提供依據(jù)和基礎。

2)建立適合復合土壤污染的修復體系，提高修復效率。可以考慮通過利用植物與微生物以及與物理化學方法相結(jié)合的聯(lián)合修復體系。

3)建立高附加值的收益型修復體系。將污染土壤作為可再生資源在有效利用的同時進行修復，讓污染場地的所有者在修復期間也可以繼續(xù)獲得良好的收益。比如，種植的玉米或向日葵等資源性作物直接販賣給生物燃料公司而不是作為糧食流通到市場，從而降低對人們健康的危害。因為污染物一般在花卉部位積累濃度較低，所以生產(chǎn)的花卉在符合安全標準的范圍內(nèi)也可以考慮利用。

4) 植物修復技術的實際應用和長期監(jiān)測研究?，F(xiàn)在，利用植物修復技術修復實際污染場地并將土壤修復完好的事例，以及對修復效果、投入成本和效益產(chǎn)出進行長期監(jiān)測等方面的數(shù)據(jù)仍然非常缺乏，這方面的研究非常必要。

5)修復后植物資源的有效處理技術體系。將收獲后的植物進行焚燒的方式不是最佳方式，如何將其作為生物資源進行高附加值的有效利用，并對其中的重金屬予以回收等方面的低成本實用性技術體系亟須解決。