植物修復(fù)技術(shù)在污染治理中的應(yīng)用與發(fā)展

張華春 原福慶 孫健 劉文杰 張義森

（1. 遼寧排山樓黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧阜新 123000；2. 遼寧省環(huán)保集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110161）

1 引言

隨著世界工業(yè)化進(jìn)程加快，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，給社會的發(fā)展和人類的生存帶來了嚴(yán)重的影響。近年來，人們的環(huán)境保護(hù)和治理的意識逐漸加強(qiáng)，生態(tài)環(huán)境治理已經(jīng)成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。常用的修復(fù)技術(shù)可大致分為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)以及植物修復(fù)。其中，物理、化學(xué)法主要通過封固、藥劑固定、搬出填埋、熱分解、洗凈和焚燒等手段進(jìn)行修復(fù)［1］，不僅操作程序復(fù)雜，消耗成本巨大，還易產(chǎn)生二次污染，針對大面積低濃度污染物的修復(fù)在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的限制。植物修復(fù)作為一種較為新興的修復(fù)技術(shù)，具有成本低、操作簡單、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越多人的認(rèn)同。本文探討了植物修復(fù)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的具體應(yīng)用和發(fā)展。

2 植物修復(fù)技術(shù)概述

植物修復(fù)技術(shù)是指利用植物與土壤、水體或大氣等外部環(huán)境之間的相互作用，通過吸附、吸收、固定、分解等作用，實(shí)現(xiàn)環(huán)境中污染物的有效去除，使生態(tài)環(huán)境得到凈化和修復(fù)［2］。根據(jù)植物與環(huán)境相互作用的過程和原理，植物修復(fù)主要包括4 種類型。

2.1 植物提取

植物提取也稱作植物萃取，是指通過針對特定污染物有富集作用的植物，將其提取到植物根部，并通過吸收、富集、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)移等作用將其貯存到地上的莖葉等部位，然后對富集污染物的部分進(jìn)行收割，從而實(shí)現(xiàn)污染物的去除。這種方式主要用于土壤中污染物的去除，其作用過程一般分為兩個階段，一是植物根部將土壤中束縛態(tài)污染物轉(zhuǎn)化為非束縛態(tài)，二是污染物從植物根部向地上部分的轉(zhuǎn)移［3］。該技術(shù)對淺層且污染物濃度不高的土壤具有較好的修復(fù)效果［4］，其重點(diǎn)在于合理篩選與運(yùn)用生物量大、生長迅速、抗病蟲害能力強(qiáng)的超富集植物［5］，是目前研究較多、發(fā)展前景較好的植物修復(fù)技術(shù)。

2.2 植物揮發(fā)

植物揮發(fā)是指通過植物對土壤或水體中污染物進(jìn)行吸收、累積作用，再利用植物的蒸騰作用將污染物轉(zhuǎn)化成氣態(tài)釋放到大氣中。但該技術(shù)在使用中將受到一定限制，如揮發(fā)到大氣中的重金屬可能會因過高的濃度或再沉降等，對環(huán)境造成二次污染，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。

2.3 植物固化

植物固化也稱作植物降解，是指通過植物自身的作用將環(huán)境中的污染物質(zhì)進(jìn)行累積、沉淀和轉(zhuǎn)化，降低其活性和毒性，實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量的改善。該技術(shù)具有分解、沉淀、螯合、氧化還原等多種類型的作用［6］，可以有效避免環(huán)境中的污染物質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散，對其進(jìn)行固定，但并不具備永久去除污染物質(zhì)的能力，對環(huán)境中的特定污染物如重金屬等不能從根本上去除，因此在應(yīng)用中也具有一定的局限性。

2.4 植物轉(zhuǎn)化

植物轉(zhuǎn)化是指通過植物自身獨(dú)特的新陳代謝作用，或其分泌物（如各類酶）實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染物的分解。該技術(shù)對疏水性適中的污染物處理效果較好，對疏水性較強(qiáng)的污染物則需要通過與其他技術(shù)結(jié)合的綜合方法實(shí)現(xiàn)環(huán)境的凈化與治理［7］。

3 植物修復(fù)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

3.1 在土壤污染中的應(yīng)用

污染土壤的修復(fù)是目前植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用最多的領(lǐng)域，其核心在于根據(jù)污染土壤類型選取適生植物，并對擬使用的修復(fù)機(jī)理進(jìn)行有針對性的優(yōu)化，達(dá)到因地制宜的凈化目的。

各類金屬礦山開采等人為因素會導(dǎo)致土壤中存在大量的重金屬污染物。重金屬在土壤中自然消化需要極長的時間，對土壤的污染具有隱蔽性、滯后性、形態(tài)多樣性、消除難度大，且易隨著食物鏈遷移富集等特點(diǎn)，對自然環(huán)境和人類健康產(chǎn)生巨大威脅。處理時需要結(jié)合污染場地重金屬的種類以及濃度等特點(diǎn)，合理篩選具有較強(qiáng)耐受性、富集功能以及內(nèi)部輸送能力的修復(fù)植物。如風(fēng)滾草、蒲公英、狼把草、玉米、棉花、月季、蒿柳、楊樹等植物對鎘元素有較強(qiáng)的吸附作用；刺玫薔薇、樺樹、小葉楊、云杉等植物對鋅元素有較強(qiáng)的吸附作用；楊梅、鳳尾蕨、寬葉香蒲、密蒙花、紫穗槐等植物對鉛元素有較強(qiáng)的吸附作用；菜豆、百車軸草、黃白楊等植物對汞元素有較強(qiáng)的吸附作用［8-12］。

除了重金屬外，石油烴、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴（PAHs）、多氯二苯和一些難以降解的農(nóng)藥等會給土壤帶來有機(jī)物的污染。由于受揮發(fā)性、分解、轉(zhuǎn)換、消化以及吸收等因素的影響，植物在處理土壤中的有機(jī)污染物時，相比重金屬元素的處理，在原理上和過程上都要復(fù)雜得多。一般通過植物與地下生物群共同影響、植物組織形成的酶與分泌物以及植物自身的吸收等方式實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的去除，同時利用植物吸收作用應(yīng)考慮污染物在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化形式。研究表明，玉米、紫花苜蓿等對多環(huán)芳烴有一定的降解能力［13-14］；白楊、狼尾草等對農(nóng)藥有較好的降解能力［15-16］。

3.2 在水體污染中的應(yīng)用

不同于污染土壤，由于在水環(huán)境中存在沉水植物、挺水植物、浮水植物等不同類型的水生植物，植物修復(fù)對水體的作用方式更加豐富，因而產(chǎn)生了很多實(shí)際應(yīng)用，如河岸的護(hù)坡、緩沖帶、人工浮床、人工濕地、穩(wěn)定塘等，可以對環(huán)境產(chǎn)生良好的改善作用。

植物對可溶性水體污染物具有吸收與分解的作用。水生植物經(jīng)過長期進(jìn)化，具有比陸生植物更復(fù)雜與發(fā)達(dá)的根系，可實(shí)現(xiàn)對水體中可溶性的難降解污染物的吸收。植物可吸收水體中的氮磷元素并將其轉(zhuǎn)化成自身生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，如鳳眼蓮、美人蕉、香根草、蕹菜、細(xì)葉萼距花等，對去除水體中氮磷等營養(yǎng)元素，修復(fù)水體富營養(yǎng)化具有良好的效果［7］；利用水生植物的超積累效應(yīng)，通過螯合和區(qū)室化等作用，對水體中的重金屬元素和有機(jī)污染物等有毒有害物質(zhì)進(jìn)行吸收和富集，再利用人工清除作業(yè)，實(shí)現(xiàn)污染物的去除，如劍蘭、苦草、香蒲、蘆葦、浮萍、黑三棱等對有毒有害物質(zhì)均有較好的修復(fù)效果［17］。

植物對懸浮污染物具有凝聚與過濾作用。很多水生植物在生長過程中，會形成大面積群體植物網(wǎng)絡(luò)或者發(fā)育出龐大的根系，可有效過濾水體中不溶水的各類污染物，防止水環(huán)境的進(jìn)一步污染。例如浮水植物和挺水植物體型龐大，形成的過濾層可對泥沙和難溶膠質(zhì)物等污染物進(jìn)行過濾和沉淀。

3.3 在大氣污染中的應(yīng)用

植物除了可以監(jiān)測大氣污染外，在改善大氣環(huán)境方面也很早就得到了應(yīng)用，利用植物修復(fù)技術(shù)不但可以凈化大氣污染，在城市綠化、景觀設(shè)計(jì)和生態(tài)體系建設(shè)等方面也具有部分指導(dǎo)和應(yīng)用價(jià)值。

植物對大氣中的物理性顆粒物，如煤炭燃燒或垃圾焚燒后的灰塵等，具有明顯的控制作用，這種現(xiàn)象稱為滯塵。滯塵方式主要有停著、附著和黏著3種，因此在篩選植物時通常選取葉片數(shù)量較多、總?cè)~面積大、葉面粗糙多絨毛、能分泌黏性油脂或漿汁的物種［18］，如核桃、板栗、刺槐、側(cè)柏、華山松、桑樹、鳶尾等［19-21］。

空氣中含有微生物（如各類細(xì)菌）以及一些病原微生物等屬于大氣的生物污染。此類病原體會隨著粉塵和飛沫在空氣中進(jìn)行傳播，植物依靠滯塵作用可減少病原體的流通，對大氣環(huán)境起到一定的控制和修復(fù)作用。如闊葉林、針葉林、檜柏林、圓柏林、松樹林等產(chǎn)生可揮發(fā)性的殺菌素，對某些有害病菌具有殺傷作用［22-23］。

大氣中的有毒有害的化學(xué)污染物，如二氧化硫、氮氧化物、多元芳烴等，是大氣污染的主要污染源。植物一般通過固化或轉(zhuǎn)化作用對空氣中的有害氣體進(jìn)行凈化。如楊樹、絳柳、國槐、廣玉蘭等對大氣中的二氧化硫［24-26］，火棘、辛荑、灑金桃葉珊瑚、南天竹等對大氣中的氮氧化物，都具有較好的凈化效果［27-29］。

4 植物修復(fù)技術(shù)的強(qiáng)化

植物修復(fù)雖然具有眾多優(yōu)勢，但也存在一定問題，其最大的應(yīng)用瓶頸就是修復(fù)效率低，難以在短時間內(nèi)達(dá)到預(yù)期效果，因此學(xué)者針對如何提高植物修復(fù)的效率開展了大量研究，由此誕生了一系列強(qiáng)化植物修復(fù)效率的方法。

4.1 農(nóng)耕技術(shù)

農(nóng)耕技術(shù)是最綠色的修復(fù)強(qiáng)化方法之一，常用于強(qiáng)化污染土壤的植物修復(fù)，可以從植物與土壤兩個方面達(dá)到強(qiáng)化植物修復(fù)的目的［30］。常用的措施包括施加肥料、水分調(diào)控和改良耕作技術(shù)等。其中，施加肥料可改良土壤營養(yǎng)環(huán)境、pH 和氧化還原電位，促進(jìn)植物的生長，同時還可改變污染物的存在形式和活性，促進(jìn)植物對污染物的吸收［31］，如土壤中加入氨態(tài)氮肥能降低植物根際pH 值，增加交換態(tài)鎘的含量，促進(jìn)向日葵對鎘的吸收［32］；水分調(diào)控對植物生長很重要，適量灌溉有利于植物生長，干旱或洪澇都會抑制植物的修復(fù)能力；通過中耕松土、合理間種、優(yōu)化種植密度等改良的耕種技術(shù)也可達(dá)到強(qiáng)化修復(fù)的效果，如土荊芥和蠶豆、玉米間作后，土荊芥、蠶豆、玉米生物量都較單作增加，修復(fù)植物土荊芥體內(nèi)的鉛、鎘含量顯著增加，而農(nóng)作物蠶豆、玉米體內(nèi)的鉛、鋅含量顯著降低［33］。

4.2 化學(xué)改良

植物修復(fù)的化學(xué)強(qiáng)化是通過向環(huán)境中添加某種化學(xué)物質(zhì)，提高植物的生長效果或改變環(huán)境中污染物的狀態(tài)，從而提高植物對污染物的吸收作用。常用的化學(xué)試劑有螯合劑、植物激素、酸堿調(diào)和劑、表面活性劑等。螯合劑可使重金屬污染物從不溶態(tài)轉(zhuǎn)變成可溶態(tài)，從而更易被植物吸收，如DPTA，EDTA，EDDS，NTA 等被廣泛研究和應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，向含鉛土壤中添加適量EDTA，可以提高豌豆對鉛的富集能力［34］。但螯合劑的添加量需要合理控制，若濃度過高，會導(dǎo)致較高的生物毒性，使植物生長受到極大的抑制，甚至造成水體污染［35］；植物激素通過加速植物的生長、改善植物的代謝功能或與環(huán)境中重金屬產(chǎn)生螯合作用，對重金屬進(jìn)行吸收或降低其毒性，實(shí)現(xiàn)植物修復(fù)小的提升，如二乙基氨基己酸乙酯（DA－6）對黑麥草在鎘的去除作用方面具有良好的促進(jìn)效果［36］。

4.3 微生物聯(lián)合

植物根系可分泌微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，而微生物反過來分泌可促進(jìn)植物生長或增強(qiáng)其抗逆性的植物激素、鐵載體、有機(jī)酸等物質(zhì)，從而形成微生物—植物共生系統(tǒng)，提高污染物的凈化效果［37］。微生物聯(lián)合主要是通過菌根或接種植物內(nèi)生菌與植物根部聯(lián)合的方式強(qiáng)化植物修復(fù)，如將木立菌微桿菌TYSI04 和短小芽孢桿菌PIRI30 接種入香蒲根部，可增強(qiáng)香蒲降解廢水污染物質(zhì)的能力［38］；在鉛污染土壤中，叢枝菌根真菌可提高豆科喬木光合作用和活性氧的清除能力，減少葉片中鉛濃度并緩解鉛脅迫［39］。

4.4 基因工程

植物的基因工程改造是一個新興的領(lǐng)域，通過導(dǎo)入的金屬螯合劑、重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、植物螯合肽（PCs）和金屬硫蛋白（MTs）等特定外源基因的表達(dá)，提高植物對環(huán)境的耐受性或?qū)ξ廴疚镂铡⒎€(wěn)定和富集能力。如利用基因工程手段引入汞運(yùn)載功能和超積累功能的表達(dá)載體，得到的轉(zhuǎn)基因煙草極大地加強(qiáng)了其對汞的吸收和積累能力［40］。但目前利用基因工程的植物修復(fù)技術(shù)大多還停留在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，轉(zhuǎn)基因植物能否在環(huán)境中正常生長并對本地的物種是否有不良影響還有待進(jìn)一步考察。

5 結(jié)論和展望

植物修復(fù)作為一種操作簡單、環(huán)境友好、成本低廉的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，適用于大面積中低污染環(huán)境的治理。但單一植物修復(fù)因受環(huán)境影響干擾較大、修復(fù)周期長而難以達(dá)到預(yù)期效果，由此發(fā)展出農(nóng)耕技術(shù)、化學(xué)改良、微生物聯(lián)合與基因工程等多種植物修復(fù)技術(shù)強(qiáng)化措施。今后，植物修復(fù)在以下方面仍然有研究空間：

（1）進(jìn)一步篩選更加優(yōu)質(zhì)的超富集植物，以期適應(yīng)更加復(fù)雜惡劣和多元化的污染環(huán)境。

（2）發(fā)揮基因工程技術(shù)優(yōu)勢，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育優(yōu)質(zhì)品種，并進(jìn)一步研究其安全問題，力爭早日工程化應(yīng)用。

（3）加強(qiáng)對超富集植物的后續(xù)無害化處理和資源化利用的研究，確保修復(fù)植物的妥善處置，避免造成二次污染。