環(huán)境綠色修復(fù)的地球化學基礎(chǔ)與相關(guān)理論探討

周啟星,唐景春,魏樹和

(1.南開大學環(huán)境科學與工程學院環(huán)境污染過程與基準教育部重點實驗室/ 天津市城市環(huán)境污染診斷與修復(fù)技術(shù)工程中心,天津 300350;2.中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧 沈陽 110016)

隨著環(huán)境污染問題的日益復(fù)雜化,有關(guān)環(huán)境治理與修復(fù)的各種方法和手段也得到快速發(fā)展[1-3],特別是在面向生態(tài)文明建設(shè)的國家重大需求下,環(huán)境綠色修復(fù)已經(jīng)成為該領(lǐng)域的技術(shù)前沿及今后重點發(fā)展的方向。筆者認為,環(huán)境綠色修復(fù)是指能耗最低、效果最佳、可持續(xù)性強的環(huán)境治理與修復(fù)技術(shù)或方法,狹義概念是指生態(tài)修復(fù)方式。因此,毫無疑問,綠色植物是環(huán)境綠色修復(fù)的物質(zhì)基礎(chǔ),尤其是超積累/修復(fù)植物的系統(tǒng)篩選與應(yīng)用以及生態(tài)修復(fù)實踐[2,4-8],盡管植物修復(fù)不等同于環(huán)境綠色修復(fù)。至今,筆者所在課題組在植物修復(fù)這項工作上已經(jīng)取得較大進展,成功篩選了龍葵(Solanumnigrum)、三葉鬼針草(Bidentispilosae)和孔雀草(Tagetespatula)等Cd超積累植物,以及紫茉莉(Mirabilisjalapa)、鳳仙花(Impatiensbalsamina)和牽牛花(Pharbitisnil)等石油烴修復(fù)植物,并進行較為廣泛的應(yīng)用,還實施了多項生態(tài)修復(fù)工程。在水專項、大氣專項和土壤專項相繼啟動的背景下,開展環(huán)境綠色修復(fù)這一前沿技術(shù)的深入和系統(tǒng)研究,意義重大。為了使環(huán)境綠色修復(fù)得到理論上的支撐與指導(dǎo)以及實踐方面的正確引導(dǎo),筆者在對該領(lǐng)域20余年研究工作與應(yīng)用實踐進行總結(jié)的基礎(chǔ)上,從理論上予以系統(tǒng)闡述與深入探討。

1 超積累/修復(fù)植物篩選的地球化學基礎(chǔ)與評判標準

超積累植物(hyperaccumulator,國內(nèi)許多學者也將其翻譯成超富集植物)一詞最初是由BROOKS等[9]提出的,當時是指植物莖(以干重計)中Ni含量大于1 000 mg·kg-1的植物,現(xiàn)在多指能超量富集1種或幾種重金屬或其他元素的植物。之后,由于修復(fù)對象擴展到元素以外的化合物特別是有機污染物,“超積累植物”相應(yīng)擴展到“修復(fù)植物”。從BROOKS等發(fā)表的這一文獻來看,他們提出的“超積累植物”這一概念的理論基礎(chǔ)是地球化學,其早期目標是針對礦產(chǎn)資源的尋找及開發(fā)利用。實際上,在勘查地球化學或礦床地球化學的研究中,以植物灰分中某些特征性元素含量的高低作為找礦依據(jù),這是地球化學找礦法的基礎(chǔ)。這種方法還包括地植物學找礦,即根據(jù)植物的科屬及其群落的分布與礦化地區(qū)的關(guān)系,通過利用與礦床有關(guān)的特殊植物種屬及其形態(tài)、顏色等的變異,以指導(dǎo)找礦。例如,“海州香薷”(銅草)常用作找銅礦的標志。可見,從本質(zhì)上來看,環(huán)境綠色修復(fù)中超積累/修復(fù)植物的篩選,其實就是地球化學找礦,即植物采礦[10],這是有其理論根據(jù)的。

自1983年以來,以CHANNY為代表的學者經(jīng)過大量研究提出了超積累植物評判的臨界含量標準和轉(zhuǎn)移特征標準[11-14]。其中,所謂臨界含量,一般系指有毒物質(zhì)(早期主要為有毒元素)脅迫下生物開始表現(xiàn)受害癥狀時的濃度,在此是指植物地上部重金屬或其他元素(或化合物)含量是普通植物在同一生長條件下的100倍,一般界定為植物莖或葉中重金屬臨界含量:w(Zn)和w(Mn)為 10 000 mg·kg-1,w(Cd)為100 mg·kg-1,w(Au)為1 mg·kg-1,w(Pb)、w(Cu)、w(Ni)、w(Co)和w(As)為1 000 mg·kg-1;而轉(zhuǎn)移特征標準是指植物地上部重金屬或其他元素(或化合物)含量大于根部該種物質(zhì)含量,這正好與大家知道的生態(tài)學常識(植物根部吸收積累有毒物質(zhì)濃度均高于植物莖葉部和籽實)相反。

盡管上述2個評判標準獲得的超積累/修復(fù)植物具有較大的科學價值,但往往缺乏其實踐意義。為了彌補這一缺陷,筆者通過長期觀察和實驗研究,從理論上提出了超積累/修復(fù)植物評判的另外2個標準。

(1)耐性特征標準。此類綠色植物對有毒物質(zhì)具有較強的耐性能力,至少當環(huán)境介質(zhì)中有毒物質(zhì)濃度高到足以使其地上部含量達到臨界含量時,其地上部生物量與對照相比沒有下降。特別是與對照相比,植物地上部生物量沒有下降,至少當介質(zhì)中有毒物質(zhì)濃度高到足以使植物地上部含量達到超積累/修復(fù)植物應(yīng)達到的臨界含量時地上部生物量沒有下降這一耐性能力,也應(yīng)作為超積累/修復(fù)植物必不可少的判定標準。這是因為當介質(zhì)中有毒物質(zhì)濃度較低時,對于植物來說,均可正常生長,其地上部生物量不下降;但當介質(zhì)中有毒物質(zhì)濃度高到一定程度時,許多耐性能力不強的植物生長就會受抑制,這些植物有的盡管能生存下來并完成生活史,但其地上部生物量往往會明顯下降,通常表現(xiàn)為植株矮小、葉色變淡或花色變化等生物學特性改變[7,15-16]。但對超積累/修復(fù)植物來說,在一定的污染脅迫下,植物地上部生物量沒有下降,這可能是植物液泡的區(qū)室化作用或其體內(nèi)某些有機酸對有毒物質(zhì)的螯合作用消除了對植物生長的抑制而使其具有較強的耐性能力[17-19]。因此,植物地上部生物量沒有下降也應(yīng)是超積累/修復(fù)植物區(qū)別于耐性能力較弱、非超積累植物的一個顯著特征[20]。當然, 理想的超積累植物還應(yīng)具有生長迅速、生長期短、抗逆境以及抗病蟲能力強、地上部生物量大并且能同時富集2種或2種以上有毒物質(zhì)的特點。

(2)富集系數(shù)特征標準。植物地上部富集系數(shù)應(yīng)>1.0,至少當介質(zhì)中有毒物質(zhì)濃度達到其超積累植物應(yīng)達到的臨界含量時,其地上部富集系數(shù)應(yīng)>1.0。因為當介質(zhì)中有毒物質(zhì)濃度高到超過超積累/修復(fù)植物應(yīng)達到的臨界含量標準時,甚至高出幾倍的情況下,由于植物對有毒物質(zhì)的積累有隨介質(zhì)中有毒物質(zhì)濃度升高而升高的特點[4,21],植物體內(nèi)積累的有毒物質(zhì)含量雖可能會達到其應(yīng)達到的臨界含量標準,但當介質(zhì)中有毒物質(zhì)濃度略低于超積累/修復(fù)植物所應(yīng)達到的臨界含量時,植物對有毒物質(zhì)的積累可能就難以達到其應(yīng)達到的臨界含量而表現(xiàn)出與非超積累植物相同的特征?；蛘?至少植物對有毒物質(zhì)的富集應(yīng)超過介質(zhì)中的濃度,才具有實踐上的意義。

總之,后2個標準是對已有超積累/修復(fù)植物判定標準的補充和完善(表1),是判斷超積累/修復(fù)植物是否具有實踐價值的依據(jù)。

表1 超積累/修復(fù)植物判定的4個標準

Table 1 The 4 criteria for identifying and determining hyperaccumulation/remediation plants

序號標準定義內(nèi)涵大多數(shù)植物的反應(yīng) 1臨界含量標準植物體吸收、積累有毒物質(zhì)的能力超強植物地上部(莖或葉)含量是普通植物在同一生長條件下的100倍對有毒物質(zhì)的吸收與積累有一定范圍 2轉(zhuǎn)移特征標準植物體轉(zhuǎn)移(一般是指從根部轉(zhuǎn)移到地上部)有毒物質(zhì)的能力超強植物地上部含量大于其根部含量植物地上部含量小于其根部含量 3耐性特征標準植物體對有毒物質(zhì)毒害脅迫的耐性能力超強在一定濃度條件下,生物量不減少,有時反而增加受到毒物脅迫,其生長受抑制,生物量明顯下降 4富集系數(shù)特征標準植物體從介質(zhì)中提取或富集有毒物質(zhì)的能力超強植物體內(nèi)含量高于根區(qū)介質(zhì)中濃度,即富集系數(shù)>1.0植物體吸收的濃度不會超出介質(zhì)中含量

2 “未污染區(qū)也存在超積累/修復(fù)植物”的新認識與其篩選的新方法

2.1 “未污染區(qū)也存在超積累/修復(fù)植物”的新認識

以往,尋找或獲取超積累/修復(fù)植物都是在地球化學異常區(qū)(包括采礦區(qū)和污染區(qū))進行的。也就是說,以往報道的超積累/修復(fù)植物都是從污染區(qū)或采礦區(qū)通過實地采樣分析方法發(fā)現(xiàn)的,因而一般認為超積累/修復(fù)植物是污染區(qū)或采礦區(qū)植物對環(huán)境污染長期適應(yīng)和進化的結(jié)果[22],超積累/修復(fù)植物只分布在較狹窄的污染區(qū)域,這也是超積累/修復(fù)植物篩選的重要理論基礎(chǔ)之一[23-25]。

從歷年的研究結(jié)果[4,26-29]來看,污染區(qū)植物并非都是超積累/修復(fù)植物,絕大多數(shù)也不具有超積累植物/修復(fù)植物通常具有的地上部有毒物質(zhì)含量大于根部含量的特點,其地上部有毒物質(zhì)含量也很難達到超積累/修復(fù)植物應(yīng)達到的臨界含量標準。不同植物種之間對有毒物質(zhì)的積累也存在較大差別,這說明并非所有植物經(jīng)過對有毒物質(zhì)長期適應(yīng)和進化后都能成為超積累/修復(fù)植物,有毒物質(zhì)對植物積累特性的誘導(dǎo)或馴化可能只通過植物本身所固有的某種或某些基因才能起作用,植物對有毒物質(zhì)的積累特性可能是由植物本身所固有的某些特有基因決定的[30-31]。

由于超積累/修復(fù)植物對有毒物質(zhì)所表現(xiàn)出的超積累或修復(fù)特性可能是植物對污染脅迫長期適應(yīng)與進化的結(jié)果[19,22],也可能是植物本身就具有某種或某些特有基因以及相關(guān)機制而對有毒物質(zhì)表現(xiàn)出超積累或修復(fù)的特性[20,32],從而也就存在著植物未經(jīng)有毒物質(zhì)長期誘導(dǎo)或馴化而其本身就可超積累有毒物質(zhì)的可能性。在這種意義上,在未污染區(qū)也是可以篩選到超積累/修復(fù)植物的。

總之,為避免只在污染區(qū)尋找超積累/修復(fù)植物這一“片面”認識中許多超積累/修復(fù)植物易被漏掉及植物種識別困難、采集目標植物不明確等問題,筆者有針對性地提出了“未污染區(qū)也存在超積累/修復(fù)植物”的新認識。

2.2 未污染區(qū)和污染區(qū)相互印證的超積累/修復(fù)植物篩選的新方法

這一新方法涉及盆栽篩選試驗、盆栽濃度梯度確認試驗、小區(qū)確認試驗和現(xiàn)場采集植物送回室內(nèi)分析測試4個主要環(huán)節(jié):首先選擇未污染區(qū)開展盆栽篩選試驗,從中獲得超積累/修復(fù)特征植物的系統(tǒng)結(jié)果[33];在此試驗結(jié)果基礎(chǔ)上,為了進一步了解這些特征植物在田間污染脅迫下對有毒物質(zhì)的超富集/修復(fù)能力,在進行盆栽不同濃度梯度確認試驗的同時,進行小區(qū)試驗;與此同時,在采礦區(qū)或污染區(qū)實地采集這些目標植物,送回室內(nèi)按照根部和地上部分別進行相關(guān)有毒物質(zhì)的分析測試;根據(jù)分析測試結(jié)果進而再依據(jù)上述4個超積累植物評判標準,從中篩選出超積累/修復(fù)植物。以往的篩選研究,往往不做濃度梯度確認試驗或小區(qū)試驗,這是對以往各種篩選方法的集成創(chuàng)新。

根據(jù)這一集成新方法,對未污染區(qū)40科160種農(nóng)田雜草進行盆栽篩選研究,成功發(fā)現(xiàn)龍葵(Solanumnigrum)和球果蔊菜〔Rorippaglobosa(Turcz.) Thell.〕等Cd超積累植物[20]。可見,這不僅為我國污染環(huán)境的植物修復(fù)提供了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新材料,而且證實了上述理論的正確性和方法的先進性,這可謂是“超積累植物篩選方法上的突破”。

3 超積累/修復(fù)植物形成的環(huán)境介質(zhì)與植物交互作用機制

對于植物生長來說,環(huán)境介質(zhì)中的水是最基本的因素。但在植物與環(huán)境介質(zhì)的交互作用過程中,由于人類生活在陸地上的緣故,人類歷史發(fā)展足以表明,以土壤-植物交互作用最為深刻(表2),也最具有實踐層面上的普遍意義[1]。

表2 超積累/修復(fù)植物與環(huán)境介質(zhì)(以土壤為例)的交互作用關(guān)系

Table 2 Interactive relationships between hyperaccumulation/remediation plants and environmental media (soil as an example)

介質(zhì)特性基本描述與植物/作物生長的關(guān)系對超積累/修復(fù)植物的適宜性 質(zhì)地與表面積不同粗細礦物顆粒(礫石粒徑>2 mm,砂粒粒徑為>0.05～2 mm,粉砂粒徑為0.002～0.05 mm,黏土粒徑<0.002 mm),以及在土體中的組合狀況和所有顆粒外面的面積之和土壤過砂或過黏、夾砂夾黏、通體砂、通體黏等,均不利于植物生長最好的土壤一般含有10%～20%的黏土,粉砂和砂粒的量相等,且有機質(zhì)豐富孔隙與團聚體土粒與土粒,或者團聚體之間以及團聚體內(nèi)部孔洞壤質(zhì)土孔隙度為45%～52%,有適量通氣孔且有較多毛管孔隙,水氣協(xié)調(diào),利于植物生長不僅應(yīng)有適量孔隙,而且大小孔隙比例也要適宜 溫度地面以下土壤溫度在2～4 ℃條件下開始生長,在10 ℃以上條件下生長比較活躍,超過35 ℃條件下生長受阻有其生長的最適土壤溫度,因植物品種不同而有差異;在冬季,土壤保溫性能強 顏色土壤反射的那部分可見光的顏色表土顏色越黑,越有利于植物生長黑色或深黑色表土,配以紅色或褐色底土層 類型(土壤)土壤自身發(fā)生發(fā)展以及因人類影響而產(chǎn)生土壤性狀質(zhì)與量的差異黑土、黑鈣土、黃棕壤、暗棕壤、褐土、潮土、灌淤土、水稻土和綠洲土等類型,適合植物生長人為培肥的土壤,有利于植物生長

3.1 超積累/修復(fù)植物形成的質(zhì)地特性與表面積機制

以環(huán)境介質(zhì)土壤為例,其質(zhì)地特性首先反映在礦物顆粒的分級與機械組成上,與其通氣、透水供肥、保溫導(dǎo)熱及耕作的難易程度有密切關(guān)系。土壤中的礦物顆?？砂雌渲睆酱笮》譃槭[、砂粒、粉粒和黏粒等若干等級。太粗或太細的顆粒均對植物生長不利。最適合植物生長的土壤顆粒,一般含有10%～20%的黏土,粉砂和砂粒的量相等,且有豐富的有機質(zhì)。這對超積累/修復(fù)植物的生長同樣重要,并影響其修復(fù)潛能的發(fā)揮[1,34]。

一般來說,顆粒直徑越大,其表面積就越小。1 g砂粒(顆粒直徑為2 mm),其表面積只有11 cm2;1 g黏土(顆粒直徑為0.000 2 mm),其表面積可達113 000 cm2。在植物修復(fù)過程中,其表面積大小也在一定程度上影響著植物修復(fù)效率。資料顯示,壤土對綠色植物生長最為合適。也就是說,具有一定表面積的土壤,對超積累/修復(fù)植物清除有毒物質(zhì)具有最大效能[5,30]。在比較砂粒、粉砂和黏土等時,重要的是要注意這些粒度組表面積的相對量[35]。

3.2 超積累/修復(fù)植物形成的孔隙與團聚體機制

以土壤介質(zhì)為例,孔隙是指土壤中大小不等、彎彎曲曲、形狀各異的各種孔洞,單位土壤容積內(nèi)孔隙所占的百分數(shù),稱為土壤孔隙度。土壤孔隙是植物根系伸展以及土壤動物、微生物活動之處。土壤體系中孔隙的數(shù)量和質(zhì)量,影響土壤、水、氣、熱等諸因素,所以,為了滿足植物對水分和空氣等的需要,有利于根系的伸展與活動,要求土壤尤其是土壤耕層不僅應(yīng)有適量的孔隙,而且大小孔隙比例也要適宜[1,35]。在植物修復(fù)過程中,土壤孔隙在一定程度上影響植物修復(fù)效率。在大雨之后,大孔可以排出水并被空氣填充,起到曝氣作用;小毛孔使水抵抗重力,并通過毛細作用將水從地下水中排出,它們是植物供水所必需的。因此,理想的結(jié)構(gòu)包括大小孔隙,其比例應(yīng)與其提供的植物對水、空氣等需求相對應(yīng)。

團聚體是在植物根系、掘土動物以及干濕交替、凍融交替與土壤耕作等多種作用下形成的直徑為0.25～10 mm的結(jié)構(gòu)單位,是土壤中各種物理、化學和生物學機制共同作用的結(jié)果[1,36]。它反映了良好的土壤結(jié)構(gòu)體,其特點是多孔性與水穩(wěn)性。若土壤團聚體較多,超積累/修復(fù)植物種子則易于發(fā)芽出土,根系易于伸展,出苗整齊,植株易于生長。

3.3 超積累/修復(fù)植物形成的溫度與顏色機制

溫度不僅直接影響超積累/修復(fù)植物的生長,還通過影響微生物活性進一步影響其對污染環(huán)境的修復(fù)潛力[1,24]。資料[37]顯示,土溫對植物生長的作用與氣溫同樣重要。白天氣溫高于夜晚,植物在白天的生長效率要高于夜晚。土壤水的凍結(jié)與解凍也影響著土壤結(jié)構(gòu),緩慢和偶爾的凍融可使土壤變得疏松,從而有利于后茬超積累/修復(fù)植物的生長發(fā)育。在我國北方,尤其在低溫季節(jié),維持較高的土溫對超積累/修復(fù)植物來說具有更大的實踐意義。

土壤顏色除了受母質(zhì)影響外,更多地則是取決于其有機質(zhì)多寡[25,38]。對于表土來說,其越暗,表明所含有機質(zhì)就越多,從而可以有更好的聚集和高的保水保肥能力,進而有利于超積累/修復(fù)植物的生長發(fā)育。對于下層土壤來說,土壤顏色則反映了土壤的濕度和通氣條件。一般來說,紅色和褐色的底土意味著通風良好,有利于超積累/修復(fù)植物根系的生長和底土微生物對有機污染物的降解活動;鐵紅色、灰色和橄欖色表明含有大量積水和還原性鐵,不利于超積累/修復(fù)植物的生長和底土微生物的活動[1]。

3.4 超積累/修復(fù)植物形成的土壤類型機制

土壤類型也在一定程度上影響著超積累/修復(fù)植物的修復(fù)效率[5]。如圖1所示,土壤從其風化與發(fā)育程度上來講,可分為輕度、中度和強度3種類型,依次為凍土、干旱土、淋溶土和老成土。凍土在寒冷條件下永凍,逐漸成為中度風化土;干旱土在干旱的荒漠中,富含大量鹽基;淋溶土由中等水熱黏粒累積,多存在于半濕潤、濕潤的草甸草原上;老成土為高度風化土,富含大量礦物質(zhì)成分,廣泛存在于亞熱帶森林及熱帶雨林中。在植物修復(fù)過程中,應(yīng)充分考慮植物的生長習性與土壤類型的匹配度,通過優(yōu)化,進而充分提高植物修復(fù)效率。

圖1 按風化和發(fā)育程度的土壤分類及其與植物生長的關(guān)系Fig.1 The soil taxonomy based on soil weathering and development and its relationships with plant growth

3.5 超積累/修復(fù)植物形成的污染解毒與耐性機制

超積累/修復(fù)植物的形成,不僅是植物長期進化的結(jié)果,也是在污染脅迫下的一種生存策略或臨時表現(xiàn)的應(yīng)急反應(yīng)[22,26,31,39-40]。任何有毒物質(zhì)只要進入環(huán)境系統(tǒng),不僅要在物理體系中發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化,還要在生命體系中經(jīng)歷逐漸放大的過程(圖2)。一般來說,進入環(huán)境介質(zhì)的有毒物質(zhì),先被綠色植物攝取,進而進入食草動物、食肉動物等,再通過食物鏈最終被人體所吸收。對超積累/修復(fù)植物來說,這主要體現(xiàn)為對有毒物質(zhì)從環(huán)境介質(zhì)中提取或解毒的過程,這樣可大大降低有毒物質(zhì)對人類的危害,并起到對環(huán)境系統(tǒng)的保護作用。

圖2 有毒物質(zhì)在環(huán)境系統(tǒng)的基本過程與動態(tài)機制Fig.2 Basic processes and dynamic mechanisms of toxic substances in the environmental system

超積累/修復(fù)植物形成的污染解毒與耐性機制,可歸納為以下4個方面:(1)在細胞外或細胞壁上沉淀。植物細胞壁是有毒物質(zhì)進入植物細胞的第一道關(guān)卡,細胞壁中的果膠質(zhì)成分可為有毒物質(zhì)提供大量交換或吸附位點。研究表明,Pb、Cd、Ni、Zn和Cu等重金屬進入植物體后大量沉積在細胞壁上,以此來阻止其進入細胞原生質(zhì)[20,30],如80%左右的Cd沉淀于Cd超積累植物禾稈蹄蓋蕨(Athyriumyokoscense)根尖細胞壁上[41];Zn的超積累植物葉芽鼠耳芥(Arabidopsishalleri)在根表皮細胞壁上主要以磷酸鹽沉淀形式來富集重金屬[42]。(2)細胞內(nèi)區(qū)域化分布。植物對有毒物質(zhì)的吸收或提取,還可透過質(zhì)膜在細胞內(nèi)累積。當細胞壁結(jié)合的有毒物質(zhì)(離子狀態(tài))達飽和后,進入細胞內(nèi)的大部分有毒物質(zhì)以離子狀態(tài)被轉(zhuǎn)運到液泡內(nèi)儲存起來,使其在植物細胞內(nèi)區(qū)室化。由于植物將有毒物質(zhì)與細胞內(nèi)其他物質(zhì)相隔離,進而增強了植物對重金屬的耐性能力[28,43]。(3)螯合效應(yīng)。超積累/修復(fù)植物不僅可通過螯合機制加大對有毒物質(zhì)的吸收和積累,而且能與其進行螯合作用并降低其毒性。已有研究表明,在重金屬污染脅迫下,超積累/修復(fù)植物根系受刺激后分泌大量有機酸或氨基酸等物質(zhì),易與金屬離子形成金屬螯合物。目前,在植物體內(nèi)已檢測出谷胱甘肽等多種氨基酸金屬螯合物,還包括金屬硫蛋白(MTs)、類金屬硫蛋白(MTs like)和金屬植物螯合肽(PCs)以及熱急蛋白等[28,44]。(4) 酶系統(tǒng)的作用。在污染脅迫下,超積累/修復(fù)植物通過體內(nèi)多種抗氧化保護酶對氧自由基的清除來達到保護細胞免受傷害的目的。研究表明,礦區(qū)內(nèi)生態(tài)型五節(jié)芒植物體內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)活性遠高于非礦區(qū)內(nèi)植株,說明在污染場地中植物對有毒物質(zhì)產(chǎn)生了耐性機制,植物體內(nèi)的抗氧化保護酶起到作用,從而減輕對植物體的傷害[20,45]。

4 環(huán)境修復(fù)的生態(tài)格局優(yōu)化與綜合強化

4.1 生態(tài)組分與生態(tài)介質(zhì)優(yōu)化

生態(tài)組分包括生命組分及其共存的非生命組分。其中,植物、動物和微生物個體及其種群和群落是生命組分,按其生態(tài)功能又可分為生產(chǎn)者、消費者和分解者[46]。對生態(tài)組分進行優(yōu)化,就是要通過對生產(chǎn)者、消費者和分解者3大生命組分的協(xié)調(diào),調(diào)動生產(chǎn)者組分(一般來說就是綠色植物)最大限度地進行光合作用。在污染生態(tài)系統(tǒng)中,就是要充分利用超積累/修復(fù)植物的“積極性”來消除對環(huán)境的污染。以植物、動物和微生物等單一修復(fù)主體或聯(lián)合修復(fù)為例,常見的生態(tài)組分優(yōu)化方式有品種選育、引種馴化、菌種篩選、基因改造以及這些方式的聯(lián)合等。

非生命組分也就是前面所說的環(huán)境介質(zhì),是指生物生存的生境,包括水、空氣、土壤、沉積物等介質(zhì)和無機鹽、有機質(zhì)、光等生態(tài)因子。環(huán)境介質(zhì)優(yōu)化則是通過優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)中單一或多種非生命組分,并與其中的生命組分進行協(xié)調(diào),進而提升生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)潛力的過程。以環(huán)境介質(zhì)土壤為例,土壤中的傳質(zhì)和有毒物質(zhì)降解過程較為復(fù)雜。特別是通過對土壤中胞外產(chǎn)電菌的激發(fā),并能通過導(dǎo)電傘毛相互聯(lián)接形成龐大的電路,為土壤中補充電子受體提供新的方法[47]。因此,在土壤中植入微生物電化學系統(tǒng)并進行優(yōu)化[48-49],原位利用土壤中的土著微生物降解有機污染物并產(chǎn)電也具有技術(shù)層面的優(yōu)勢。

4.2 分子生態(tài)優(yōu)化

分子生態(tài)優(yōu)化是基于分子水平改善或增強綠色植物對有毒物質(zhì)的吸收、固定、轉(zhuǎn)化和降解等能力以及與動物和微生物等生態(tài)組分的協(xié)調(diào)性,以提升生態(tài)修復(fù)對宏觀生態(tài)與微觀環(huán)境的修復(fù)潛力。分子生態(tài)技術(shù)的發(fā)展,為環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域提供了極為高效的工具和新的視角。以植物的分子生態(tài)優(yōu)化為例,在植物應(yīng)對鋁毒機制的研究中,CHEN等[29]發(fā)現(xiàn)絨毛草的啟動子順式突變可以揭示其對鋁毒的適應(yīng)機制,而ART1調(diào)控的HlALMT途徑則是鋁毒脅迫的響應(yīng)機制。將抗鋁基因在對鋁敏感的植物中超表達,即可提高植物的抗鋁毒能力。

在重金屬超積累植物中,也發(fā)現(xiàn)一些特異性的重金屬轉(zhuǎn)運基因。如TcHMA3是一個能將Cd特異性地轉(zhuǎn)運到液泡里的基因[50];東南景天中的SaMTP1是一個重金屬Zn超強跨膜運輸功能基因,通過轉(zhuǎn)基因手段將其轉(zhuǎn)移到生物量大的植物體中,可培育新的修復(fù)植物,明顯提升其修復(fù)效率[20,51]。WATANABE等[52]曾將酵母金屬硫蛋白基因的結(jié)構(gòu)因子CPU1導(dǎo)入具有較大生物量的向日葵中,轉(zhuǎn)基因的向日葵因此對土壤中Cd具有較強的耐性,同時具備了較大的生物量和較強的耐性,即具備了很好的修復(fù)潛力。目前,筆者已掌握了很多從微生物、植物、動物中陸續(xù)分離出的與金屬化合物形態(tài)轉(zhuǎn)化有關(guān)的基因,如汞離子還原酶基因(merA)、有機汞裂解酶基因(merB)、汞轉(zhuǎn)運蛋白基因(merT)、金屬硫蛋白基因(MT)、植物螯合肽基因(PCs)、鐵離子還原酶基因(FRO2)和鋅轉(zhuǎn)運蛋白基因(ZIP)等。如能結(jié)合基因工程將這些基因運用于花卉修復(fù)植物中,可得到抗不同重金屬甚至是超量蓄積重金屬的轉(zhuǎn)基因花卉植物。

4.3 系統(tǒng)水平優(yōu)化

系統(tǒng)水平優(yōu)化是根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)整體性原則,在生物種群和群落多維度以及在區(qū)域水平上,實現(xiàn)對生態(tài)組分和環(huán)境介質(zhì)的系統(tǒng)優(yōu)化。例如,以金屬礦廢棄地生態(tài)修復(fù)為例,可以通過基質(zhì)改良(使用保水劑提高其蓄水能力,使用粉煤灰降低重金屬污染,使用食用菌肥料增加有機質(zhì)含量等)、植被重建(通過植物篩選得到適應(yīng)廢棄地生態(tài)系統(tǒng)及對含有毒物質(zhì)環(huán)境介質(zhì)具有修復(fù)能力的鄉(xiāng)土物種)和景觀再造(通過群落優(yōu)化配置,構(gòu)建采礦跡地生態(tài)林植被恢復(fù)模式、經(jīng)濟林植被恢復(fù)模式和近自然植被恢復(fù)模式)等措施,提升生態(tài)系統(tǒng)水土環(huán)境質(zhì)量,恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性水平,確保生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[1,53]。

4.4 生態(tài)進化

生態(tài)進化是指生態(tài)系統(tǒng)朝著種群多樣化、組織水平更高、生產(chǎn)力更大的方向發(fā)展,即其種群結(jié)構(gòu)以及生物與環(huán)境介質(zhì)的相互契合狀態(tài)朝著更優(yōu)化的方向發(fā)展。一些超積累/修復(fù)植物是在污染脅迫下長期進化的結(jié)果[22]。在區(qū)域水平上,如發(fā)生山崩，使巖石表面裸露,該表面就可能逐漸被稀疏的地衣所覆蓋,隨后依次出現(xiàn)苔蘚、禾草木、灌木叢、小喬木、大喬木等進化優(yōu)勢種群,并同時伴隨有土壤的發(fā)生發(fā)展[1,54]。

基于漢江流域水源涵養(yǎng)功能的生態(tài)修復(fù)研究表明,按照林地適宜性評價結(jié)果對水源涵養(yǎng)修復(fù)區(qū)進行植被優(yōu)化配置,漢江流域水源涵養(yǎng)修復(fù)區(qū)內(nèi)林地面積增加6.28萬hm2,產(chǎn)水量減少7.29×107m3,水源涵養(yǎng)功能(蓄水保水能力)增加8.56×l07m3,說明優(yōu)化后的植被類型結(jié)構(gòu)趨于合理,涵養(yǎng)水源效益更大,為漢江流域植被優(yōu)化利用和后續(xù)水土環(huán)境生態(tài)修復(fù)提供了較為科學的參考[55]。

4.5 修復(fù)功能強化

環(huán)境修復(fù)過程中由于有毒物質(zhì)類別與性質(zhì)、環(huán)境介質(zhì)以及其他場地條件等因素的不同,不同的修復(fù)方法均存在一定的適用性與局限性。因此,有必要根據(jù)實際情況,進行修復(fù)工藝的優(yōu)化與組合設(shè)計,強化修復(fù)功能[5,56]。強化修復(fù)措施主要基于生態(tài)系統(tǒng)功能強化原理,一般分為物理強化、化學強化、農(nóng)藝強化、生物強化和聯(lián)合強化等。

環(huán)境綠色修復(fù)的物理、化學強化,是其修復(fù)功能提升的主要手段。物理強化包括直接加熱、蒸氣加熱、蒸汽浸提、紅外加熱、微波輻射加熱、玻璃化、電極驅(qū)動和超聲等方法,化學強化主要有化學淋洗、化學氧化、催化氧化、溶劑浸提、沉淀、吸附/解吸、氧化-還原、質(zhì)子傳遞、脫氯、聚合和水解等方法。物理、化學強化手段通常互為補充,如采用超聲強化淋洗修復(fù)Pb、Cd和Cu復(fù)合污染的土壤[57],采用叢枝菌根和根瘤菌強化對鈾污染土壤的植物修復(fù)[40]。

環(huán)境綠色修復(fù)的農(nóng)藝強化,通常是指采用農(nóng)藝手段或農(nóng)業(yè)措施如施肥、育種、水分管理等提升其修復(fù)效率的方法。如通過提升CO2濃度使之作為一種氣肥,可使作物生物量明顯增加,并且研究表明經(jīng)CO2強化的向日葵和印度芥菜富集Cd的修復(fù)效果也有明顯提升[58]。

環(huán)境綠色修復(fù)的生物強化是利用生物(植物、動物和微生物)之間的協(xié)同效應(yīng),尤其是重點利用微生物的降解功能,進而促進并提升植物修復(fù)效率。微生物強化植物修復(fù)技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的生物強化方法之一,如向燕麥(Avenasativa)根際接種根際簇生菌和叢枝菌根真菌后,燕麥生物量有明顯增加,其對石油烴的降解率也高達47.93%,明顯高于未接種的對照組[59]。

環(huán)境綠色修復(fù)的聯(lián)合強化是將多種修復(fù)措施進行優(yōu)化組合,達到最大程度的強化目標。如在微生物強化植物修復(fù)過程中,可進一步引入物化修復(fù)方法,形成物化-微生物-植物相耦合的修復(fù)方法;將根際促生菌、降解菌、產(chǎn)電菌等微生物和吸附固定材料、修復(fù)植物相結(jié)合,可開發(fā)能夠連續(xù)處理有機污染環(huán)境的新型“三位一體”的物理-電化學強化生物修復(fù)技術(shù)。

5 總結(jié)與展望

綜上所述,“未污染區(qū)也存在超積累/修復(fù)植物”的新認識、超積累/修復(fù)植物形成的環(huán)境介質(zhì)與植物交互作用機制以及環(huán)境修復(fù)的生態(tài)格局優(yōu)化與綜合強化,構(gòu)成了環(huán)境綠色修復(fù)的理論體系。該理論體系與未污染區(qū)和污染區(qū)相互印證的超積累/修復(fù)植物篩選的新方法,不僅對今后該領(lǐng)域研究的深入與廣泛開展起到理論與方法的指導(dǎo)作用,而且對今后環(huán)境保護工作特別是生態(tài)文明建設(shè)實踐有著十分重要的借鑒意義。

地球化學是研究地球的化學組成、化學作用和化學演化的科學,是環(huán)境綠色修復(fù)的學科基礎(chǔ)。近年來,作為較老學科的地球化學,在面對生態(tài)文明建設(shè)等國家重大需求以及與環(huán)境科學、生態(tài)學等新學科的“碰撞”中,在元素地球化學、有機地球化學、勘查地球化學、礦床地球化學、生物地球化學等老的分支學科得到進一步發(fā)展的基礎(chǔ)上,環(huán)境地球化學、區(qū)域地球化學和現(xiàn)代天體化學,特別是生態(tài)地球化學等地球化學新的分支學科逐漸成型并將發(fā)揮出更大作用。