禾本科植物修復(fù)多環(huán)芳烴污染土壤研究進(jìn)展

劉柏成，李法云，趙琦慧，吝美霞

（1 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)生態(tài)技術(shù)與工程學(xué)院，上海 201418；2 上海城市路域生態(tài)工程技術(shù)研究中心，上海 201418；3 美麗中國(guó)與生態(tài)文明研究院（上海高校智庫(kù)），上海 201418；4 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

在土壤環(huán)境內(nèi)諸多的污染物中，由于多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）的致癌、致畸和致突變的“三致”作用及其難以去除的特性，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（U.S.Environmental Protection Agency，US EPA）于1979 年將其列為優(yōu)先控制污染物?；剂先紵蚬I(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品均可導(dǎo)致大量的PAHs排放。資料表明，2014年全球因工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致約4.7×105t的PAHs 排入環(huán)境中[1]，其中大部分的PAHs進(jìn)入土壤環(huán)境中。目前，有關(guān)PAHs污染環(huán)境工程修復(fù)方法大多成本昂貴，且可能存在帶來(lái)二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，研發(fā)有關(guān)環(huán)境友好且低成本的修復(fù)方法日益受到了國(guó)家、組織或團(tuán)體的重視[2]。

目前，針對(duì)PAHs 污染土壤的修復(fù)方法一般可以分為物理修復(fù)方法、化學(xué)修復(fù)方法與生物修復(fù)方法[3]，如圖1 所示。物理修復(fù)方法包括加熱法、萃取法、客土法等。物理修復(fù)方法耗時(shí)短、操作簡(jiǎn)便，但其普遍存在成本較高的問(wèn)題，且不能實(shí)現(xiàn)污染物的徹底去除[4]?；瘜W(xué)修復(fù)法可基于氧化劑的性質(zhì)，將其分為芬頓氧化法、高錳酸鉀氧化法、過(guò)硫酸鹽氧化法和臭氧氧化法等?；瘜W(xué)修復(fù)法適用范圍廣，但其可能會(huì)為土壤帶來(lái)二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。基于當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，環(huán)境友好、成本低廉、效果穩(wěn)定和不易產(chǎn)生二次污染的生物修復(fù)法正成為研究重點(diǎn)[5]。在生物修復(fù)方法中，可以按照發(fā)揮作用的主體將其分為動(dòng)物修復(fù)、微生物修復(fù)與植物修復(fù)。

圖1 多環(huán)芳烴污染土壤修復(fù)方法比較

動(dòng)物修復(fù)通過(guò)土壤動(dòng)物與降解菌的交互作用來(lái)影響土壤中PAHs 的去除。土壤動(dòng)物一般通過(guò)3 個(gè)方面來(lái)影響相關(guān)降解菌的活性：土壤動(dòng)物通過(guò)物理活動(dòng)，可以提高土壤通氣性，改善生存環(huán)境；土壤動(dòng)物直接取食降解菌，可以緩解菌的生存壓力；土壤動(dòng)物的分泌物可以刺激相關(guān)菌的生長(zhǎng)發(fā)育[6]。已有研究證明線蟲(chóng)、蚯蚓等土壤動(dòng)物在PAHs污染土壤修復(fù)中的作用不容忽視[6-7]。

微生物修復(fù)是通過(guò)利用土壤原生微生物、外源高效降解菌，在人工設(shè)置的條件下對(duì)PAHs實(shí)現(xiàn)加速降解效果的修復(fù)方法[8]。微生物的強(qiáng)化修復(fù)一直是微生物修復(fù)相關(guān)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。微生物固定化載體技術(shù)作為一種新型生物強(qiáng)化手段，其研究進(jìn)展一直備受重視。

植物修復(fù)可以通過(guò)不同的機(jī)制促進(jìn)PAHs 的去除，如直接吸收和積累、刺激微生物活性以及植物根際與酶的共同作用等。其廣泛具有低成本、低能耗、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢(shì)。禾本科植物普遍具有發(fā)達(dá)的纖維狀根系，能夠最大限度吸收污染物，環(huán)境抗逆性強(qiáng)，在PAHs 污染土壤修復(fù)領(lǐng)域具有較大潛能。

本文總結(jié)了禾本科植物修復(fù)PAHs 污染土壤的機(jī)理、效應(yīng)和強(qiáng)化修復(fù)方法，并對(duì)未來(lái)禾本科植物-微生物聯(lián)合修復(fù)PAHs 污染土壤的研究進(jìn)行了展望，以期為PAHs污染土壤修復(fù)相關(guān)領(lǐng)域提供新的思路。

1 PAHs 污染土壤修復(fù)研究發(fā)展趨勢(shì)分析

為系統(tǒng)了解國(guó)內(nèi)外多環(huán)芳烴污染土壤修復(fù)方法和技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)近10年（2012—2022）國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)分析。國(guó)外文獻(xiàn)來(lái)源于Web of Science，國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)研究來(lái)源于中國(guó)知網(wǎng)CNKI，分 別 以“Remediation of polycyclic aromatic hydrocarbon contaminated soil”“多環(huán)芳烴污染土壤修 復(fù)”“Phytoremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons contaminated soil”和“多環(huán)芳烴污染土壤植物修復(fù)”作為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，并按照全記錄和引用的參考文獻(xiàn)的格式進(jìn)行導(dǎo)出。使用VOSviewer軟件，閾值設(shè)定為10，即關(guān)鍵詞的出現(xiàn)次數(shù)不少于10次，生成可視化共線時(shí)間圖（圖2、圖3）。

圖2 國(guó)外PAHs修復(fù)關(guān)鍵詞可視化共線時(shí)間圖

圖3 國(guó)外PAHs植物修復(fù)關(guān)鍵詞可視化共線時(shí)間圖

圖2、圖3 表明，近10 年國(guó)外有關(guān)PAHs 污染土壤修復(fù)和植物修復(fù)的研究中，以評(píng)價(jià)性綜述類(lèi)文章發(fā)表量居多，內(nèi)容以土壤修復(fù)的局限性和對(duì)人類(lèi)健康的危害為分析重點(diǎn)。從污染物形態(tài)來(lái)分析，研究的對(duì)象為熒蒽（fluoranthene）、萘（naphthalene）和苯并芘（benzopyrene）。從修復(fù)方法進(jìn)行分析，化學(xué)修復(fù)、植物修復(fù)、微生物修復(fù)（修復(fù)菌群主要以假單胞菌屬、桿菌屬、放線菌屬等為代表）為研究熱點(diǎn)，且植物修復(fù)與微生物修復(fù)呈現(xiàn)高度相關(guān)性。從化學(xué)修復(fù)手段進(jìn)行分析，2015 年后的研究主要集中于對(duì)芬頓氧化劑的探索。從植物修復(fù)手段進(jìn)行分析；2017年以后，植物修復(fù)成為研究重點(diǎn)，主要以苜蓿盆栽實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，研究更加集中于植物根系對(duì)PAHs的吸附作用、污染脅迫下的植物生理效應(yīng)和營(yíng)養(yǎng)狀況[9]。2017—2018年，主要研究對(duì)象從苜蓿類(lèi)植物逐漸過(guò)渡為禾本科植物（其中以黑麥草為主），研究開(kāi)始逐步聚焦于植物根際土壤微生物群落的豐富度、基因型、多樣性、土壤酶活性（多酚氧化酶）等，污染物形態(tài)由單一的PAHs轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N污染物（PAHs與鎘的復(fù)合污染等），并開(kāi)始嘗試將植物修復(fù)運(yùn)用到場(chǎng)地之中。2019 年至今，植物聯(lián)合根際土壤微生物共同降解PAHs的降解途徑和降解產(chǎn)物正在上升為研究熱點(diǎn)[10]。

由上述資料可見(jiàn)，國(guó)外的PAHs 污染土壤植物修復(fù)研究中，經(jīng)歷了由單一污染物形態(tài)轉(zhuǎn)向復(fù)合型，修復(fù)手段從化學(xué)修復(fù)轉(zhuǎn)向生物修復(fù)，修復(fù)植物種類(lèi)從單種轉(zhuǎn)向多種植物聯(lián)合，宏觀植物生理特性的研究轉(zhuǎn)向微觀根際微環(huán)境的研究，單植物修復(fù)作用轉(zhuǎn)向植物與微生物、表面活性劑、土壤改良劑聯(lián)合作用等幾個(gè)階段的發(fā)展。

圖4、圖5表明，國(guó)內(nèi)對(duì)PAHs污染土壤修復(fù)的研究中，其污染物研究對(duì)象以菲和芘（pyrene）為主，少數(shù)是苯并[a]芘（Benzo[a]pyrene），復(fù)合污染物多以PAHs 和重金屬鎘（cadmium）的復(fù)合狀況居多。修復(fù)方法以植物修復(fù)和生物修復(fù)為主。在生物修復(fù)方法中，添加生物表面活性劑（如鼠李糖脂、Tween 80等）的強(qiáng)化修復(fù)是研究熱點(diǎn)。修復(fù)場(chǎng)所以焦化場(chǎng)地和農(nóng)田土壤為主。以時(shí)間線來(lái)分析，2012—2015年間，植物修復(fù)是PAHs污染土壤修復(fù)的研究熱點(diǎn)，主要受試植物是禾本科植物黑麥草。2015—2016 年，PAHs 污染土壤修復(fù)以微生物修復(fù)為研究重點(diǎn)，研究關(guān)注于PAHs降解菌的群落豐富度、固定化微生物手段等方面[11]。2016—2017 年，表面活性劑被應(yīng)用于PAHs 污染土壤的修復(fù)之中，且植物與微生物聯(lián)合作用成為研究熱點(diǎn)。2017 年至今，生物炭在PAHs污染土壤修復(fù)中的作用受到生態(tài)學(xué)者的廣泛關(guān)注[12-13]。研究重點(diǎn)開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到污染場(chǎng)地實(shí)際修復(fù)[14]，例如PAHs 與重金屬?gòu)?fù)合污染修復(fù)。在植物修復(fù)方面，植物與微生物共生的根際微環(huán)境成為研究熱點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)PAHs污染土壤修復(fù)的研究中，經(jīng)歷從盆栽到污染場(chǎng)地、從單一修復(fù)方法到復(fù)合修復(fù)方法、從宏觀層次到微觀層次等幾個(gè)階段的發(fā)展。

圖4 國(guó)內(nèi)多環(huán)芳烴污染土壤修復(fù)關(guān)鍵詞可視化共線時(shí)間圖

圖5 國(guó)內(nèi)植物修復(fù)PAHs污染土壤關(guān)鍵詞可視化共線時(shí)間圖

綜上所述，國(guó)內(nèi)與國(guó)外研究現(xiàn)狀相比，整體的發(fā)展進(jìn)程是相似的，均是從單一的方法到多種手段結(jié)合、從宏觀環(huán)境到微環(huán)境的研究。然而，在強(qiáng)化植物修復(fù)PAHs污染土壤及場(chǎng)地應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)研究相對(duì)落后于國(guó)外，這方面的研究仍亟待加強(qiáng)。

2 禾本科植物對(duì)PAHs 污染土壤的修復(fù)機(jī)理

2.1 禾本科植物的生態(tài)學(xué)特性

禾本科植物（Poaceae，也稱(chēng)Gramineae）主要包括稻亞科、竹亞科、早熟禾亞科等12 個(gè)亞科和少數(shù)不確定類(lèi)群，最新的研究表明其共有668屬的約10000 余種，其中中國(guó)有禾本科植物200 余屬的約1200 多種。禾本科植物的生境覆蓋地表約40%的面積，包括溫帶的草原、熱帶的稀樹(shù)草原、亞熱帶的農(nóng)田等。

禾本科植物在不同的生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮著不同的作用。禾本科植物通過(guò)對(duì)地球的碳循環(huán)產(chǎn)生影響，提高地球的總光合生產(chǎn)力。單子葉禾本科植物對(duì)重金屬污染可產(chǎn)生去除作用。已有研究證明，高羊茅、多花黑麥草、剪股穎等禾本科植物對(duì)重金屬鉻（Cr）、銅（Cu）、鉛（Pb）的蓄積作用[15-16]。禾本科植物不僅可去除重金屬污染物，對(duì)有機(jī)污染物也有良好的去除作用。在二氯苯（PDCB）污染土壤種植黑麥草，發(fā)現(xiàn)黑麥草對(duì)二氯苯（PDCB）的蓄積量顯著提高[17]。

禾本科植物在降解PAHs 污染方面具有其獨(dú)有的生態(tài)學(xué)優(yōu)勢(shì)，具有生長(zhǎng)周期短、生物量大、覆蓋面廣、根系發(fā)達(dá)、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。表1 以?xún)?yōu)勢(shì)PAHs修復(fù)禾本科植物多年生黑麥草和豆科植物白三葉為例。禾本科植物相較于其他科的植物，具有較短的降解周期，一般在60～80d 即可達(dá)到要求，如禾本科植物高羊茅70d 時(shí)菲、芘去除率可達(dá)到52.82%～83.28%、47.27%～75.39%[18]。禾本科植物可以覆蓋污染土壤，減少PAHs向大氣中的耗散，以減少二次污染。得益于禾本科植物普遍具有抗逆性，在PAHs污染土壤中，禾本科植物能夠正常進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。根系方面，禾本科植物的根系呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠較好吸附土壤中的PAHs。而且禾本科植物的次生根代謝物更可以促進(jìn)原生土壤中降解菌的活性，強(qiáng)化生物修復(fù)過(guò)程。禾本科植物體內(nèi)富含糖類(lèi)、淀粉類(lèi)和纖維類(lèi)物質(zhì)，可以把體內(nèi)的糖類(lèi)、淀粉類(lèi)和纖維通過(guò)工業(yè)方法轉(zhuǎn)化變成乙醇[19]，進(jìn)行二次利用，降低成本，例如禾本科能源植物柳枝稷、象草、狼尾草、南荻等[20]，見(jiàn)表2。

表1 禾本科植物多年生黑麥草與豆科植物白三葉對(duì)比

表2 禾本科能源植物

2.2 禾本科植物對(duì)PAHs污染土壤修復(fù)機(jī)理

2.2.1 禾本科植物直接吸收作用

植物對(duì)土壤有機(jī)污染物有著直接的吸收作用[22]。植物通過(guò)植物根系的吸收作用來(lái)達(dá)到去除污染物的目的。根部的吸收作用，按照吸收的方式可以分為主動(dòng)運(yùn)輸與被動(dòng)運(yùn)輸。禾本科植物的地下部分對(duì)PAHs有著更強(qiáng)的富集能力。通過(guò)分別計(jì)算黑麥草根與莖葉的植物富集系數(shù)（PCF），發(fā)現(xiàn)黑麥草根對(duì)PAHs 的富集能力高于莖葉[23]。Ni 等[24]發(fā)現(xiàn)水稻種植150d 后其根部PAHs 含量顯著高于地上部。PAHs 進(jìn)入禾本科植物體內(nèi)后，在根系中以游離態(tài)的形式存在。在向上轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，游離態(tài)和束縛態(tài)的比例會(huì)發(fā)生變化[25]。如黑麥草和三葉草體內(nèi)菲的形態(tài)，在莖中游離態(tài)菲與束縛態(tài)菲的比例則為6∶4。由于PAHs是疏水性有機(jī)污染物，禾本科植物根系成分也會(huì)影響PAHs 的降解率。張明[26]研究發(fā)現(xiàn)根系中的脂肪和碳水化合物對(duì)黑麥草吸附PAHs 均有較高的貢獻(xiàn)。張曉斌[27]在小麥根系上的研究也得到相似的結(jié)論。

2.2.2 禾本科植物根際分泌物對(duì)PAHs脅迫的響應(yīng)

植物根系分泌物作為對(duì)抗逆境的一種手段，植物可以通過(guò)分泌不同的化合物來(lái)達(dá)到不同的效果。禾本科植物根系分泌物降解PAHs 主要通過(guò)3 種途徑：根系直接分泌相關(guān)酶降解PAHs，例如過(guò)氧化物酶與酚氧化酶；根系分泌物通過(guò)提高PAHs的生物有效性來(lái)使其降解，例如氨基酸和有機(jī)酸；根系分泌物通過(guò)影響根際微生物的活性來(lái)促進(jìn)PAHs的降解，例如維生素、核苷酸、多糖類(lèi)等物質(zhì)[28]。

（1）根際相關(guān)酶的作用。禾本科植物根際降解機(jī)制是根際相關(guān)酶（過(guò)氧化物酶、蛋白酶、漆酶、水解酶、脂肪酶等）的分泌。Ko?ná?等[29]研究發(fā)現(xiàn)玉米的錳過(guò)氧化物酶、木質(zhì)素分解酶的活性與PAHs 的降解密切相關(guān)。不同種植物根系分泌物對(duì)PAHs 的降解有差異。Dubrovskaya 等[30]研究發(fā)現(xiàn)高粱和紫花苜蓿根際過(guò)氧化物酶對(duì)PAHs及其衍生物的活性不同。陰離子紫花苜蓿過(guò)氧化物酶能夠氧化PAHs 的衍生物，陽(yáng)離子高粱過(guò)氧化物酶能夠氧化母體PAHs。這對(duì)多種植物混播修復(fù)PAHs 污染土壤的方法具有指導(dǎo)意義。在禾本科植物根際分泌物降解PAHs 產(chǎn)物的研究中，根際酶可以將PAHs 轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的物質(zhì)。玉米根際酶可以將萘、芘、熒烯和菲等轉(zhuǎn)化為4-羥基苯甲酸甲酯和2,3-二羥基萘，這兩種物質(zhì)可以用于食品防腐劑添加劑和化妝品中[31]。關(guān)于PAHs 降解副產(chǎn)物的二次利用，會(huì)成為今后研究的熱點(diǎn)，這對(duì)降低修復(fù)成本、降解副產(chǎn)物的回收具有重要意義。禾本科植物降解PAHs，有著獨(dú)特的降解途徑。以往的研究表明芘降解途徑主要是通過(guò)雙氧化途徑。Zheng 等[32]發(fā)現(xiàn)在火鳳凰根際酶刺激下，首次提出芘通過(guò)單雙氧合途徑進(jìn)行降解，如圖6所示，并首次發(fā)現(xiàn)芘的環(huán)氧化產(chǎn)物1-羥基芘。

圖6 火鳳凰單雙氧合途徑降解芘

（2）低分子量有機(jī)酸的作用。其中值得關(guān)注的是，低分子量有機(jī)酸（LMWOA，MW＜500）作為禾本科植物根系分泌物中活躍部分，正成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的一個(gè)新領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)LMWOA既可以通過(guò)增強(qiáng)根際存在的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和礦物質(zhì)的溶解，為微生物生長(zhǎng)提供碳源和能量，促進(jìn)根際微生物種群的增長(zhǎng)，還可以與PAHs 等難溶性有機(jī)污染物結(jié)合。Sivaram 等[33]通過(guò)向玉米和蘇丹草根際分離菌添加LMWOA 混合物，結(jié)果顯示LMWOA 促進(jìn)根際微生物降解高環(huán)PAHs。Sun 等[34]選取絲氨酸、蘋(píng)果酸、果糖和丙氨酸這4 種常見(jiàn)的禾本科植物根系分泌物，探究其對(duì)菲溶解有效性的影響，研究結(jié)果表明4種分泌物均可提高土壤中菲的提取率，其中果糖對(duì)土壤吸附菲的抑制程度最低，氨基酸（丙氨酸、絲氨酸）的作用效果中等，有機(jī)酸（蘋(píng)果酸）的效果最佳。在PAHs脅迫下，植物根際分泌LMWOAs具有物種特異性。木欖根際中，乳酸是唯一與PAHs 污染水平呈正相關(guān)的LMWOAs，檸檬酸是唯一與PAHs水平呈顯著負(fù)相關(guān)的LMWOAs[35]。

（3）根系分泌物對(duì)根際微生物的作用。禾本科植物根系分泌物可以增強(qiáng)對(duì)根際微生物的非特異性刺激，PAHs 在禾本科植物根際分泌物存在時(shí)生物降解速度加快。Xie 等[36]通過(guò)模擬根際黑麥草的根系分泌物，發(fā)現(xiàn)根際分泌物可以被土壤中的相關(guān)微生物作為C 源、N 源來(lái)參與芘降解的生化過(guò)程。Techer 等[37]對(duì)PAHs 污染土壤原生菌的生物量和分解代謝活性進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)芒草根分泌物對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)和PAHs的分解代謝活性有促進(jìn)作用，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)主要起作用的是槲皮素。

2.2.3 禾本科植物與根際微生物的聯(lián)合作用

根際微生物以PAHs 為唯一碳源和能量來(lái)源，在相關(guān)酶的作用下，通過(guò)好氧、厭氧等途徑使苯環(huán)斷裂，如圖7示意了好氧菌降解菲的一般途徑。研究表明，植物進(jìn)行光合作用固定太陽(yáng)能，其中有20%的能源通過(guò)根際的沉積作用達(dá)到根系，以供根系周邊的游離放線菌、固氮菌、根瘤菌、AM真菌等微生物利用使其正常進(jìn)行代謝和繁殖過(guò)程。在根際土壤之中，微生物的活性遠(yuǎn)高于正常土壤。例如在細(xì)長(zhǎng)燕麥根際土壤中，異養(yǎng)菌的種群數(shù)量是正常土壤的4.4 倍，菲降解菌的數(shù)量是正常土壤的9.3倍[38]。不同種植物與根際微生物，其聯(lián)合作用機(jī)理也不同。楊柳科植物的碳釋放量遠(yuǎn)高于其他植物的平均水平，高碳釋放量有利于促進(jìn)根際微生物的活性，對(duì)PAHs降解菌有著更高的富集能力，代表植物為楊柳[39]。豆科植物能夠與根際降解菌共生形成菌根，可以有效固定土壤中游離N，還可以與AM真菌形成共生模式，為根際降解菌提供營(yíng)養(yǎng)和生存條件，代表植物有紫花苜蓿、三葉草等[40]。禾本科植物發(fā)達(dá)的根系可以為根際微生物的生存提供適宜的環(huán)境條件，根系分泌物可以增加土壤有機(jī)質(zhì)，刺激微生物生長(zhǎng)發(fā)育，達(dá)成一種互惠體系。

圖7 好氧菌降解多環(huán)芳烴菲的一般途徑

2.3 禾本科植物對(duì)PAHs污染土壤修復(fù)效果

根據(jù)當(dāng)前研究進(jìn)展，已有前人研究證實(shí)禾本科植物、菊科植物、豆科植物、草本科植物在修復(fù)PAHs 污染土壤時(shí)均有不錯(cuò)的效果。由于禾本科植物發(fā)達(dá)的纖維狀根系結(jié)構(gòu)，使其能極大限度地吸收污染物，同時(shí)其具有較強(qiáng)的抗逆性，所以在同等污染程度的土壤之中，禾本科植物的修復(fù)效果更好?，F(xiàn)階段，通常于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用盆栽實(shí)驗(yàn)進(jìn)行禾本科植物修復(fù)實(shí)驗(yàn)。如表3所示，黑麥草、蘇丹草、高羊茅、柳枝稷等禾本科植物均表現(xiàn)出對(duì)PAHs污染土壤良好的修復(fù)效果。

表3 盆栽實(shí)驗(yàn)下中的多環(huán)芳烴類(lèi)污染土壤的禾本科植物修復(fù)

通過(guò)研究蘇丹草、白三葉和羊茅3種禾本科作物對(duì)PYR的生物降解，相同種植密度下，蘇丹草、白三葉和羊茅對(duì)根際PYR 的降解率分別為34.0%、28.4%和9.9%[41]。Guarino 等[42]通過(guò)對(duì)意大利南部Bagnoli棕地PAHs污染土壤進(jìn)行植物修復(fù)，發(fā)現(xiàn)單子葉禾本科植物節(jié)節(jié)麥（Pip）、藍(lán)羊茅（Fes）根系PAHs 積累量最大。而通過(guò)蘇丹草進(jìn)行相似實(shí)驗(yàn)，也得到了相似結(jié)果，蘇丹草對(duì)PAHs的總?cè)コ试?0d后達(dá)到最大值98%～57%[43]。更加值得注意的是一種特殊的修復(fù)植物火鳳凰Fire Phoenix（為禾本科組合植物，包括高羊茅和大羊茅等），研究其對(duì)PAHs污染土壤的修復(fù)效果，經(jīng)150d培養(yǎng)，火鳳凰對(duì)Σ8PAHs的降解率高達(dá)99.40%[44]。

3 PAHs 污染土壤禾本科植物強(qiáng)化修復(fù)方法

3.1 禾本科植物與其他植物間作

在一些污染物較復(fù)雜的污染土壤中，單作禾本科植物的修復(fù)作用難以滿(mǎn)足要求。通過(guò)禾本科植物與其他科植物間作，既提高植物生物量，又促進(jìn)土壤酶活，進(jìn)而強(qiáng)化修復(fù)作用（圖8）。Cheema 等[48]選擇禾本科植物高羊茅分別與豆科植物紫花苜蓿、十字花科植物油菜間作，結(jié)果顯示間作模式下組合植物的水溶性酚類(lèi)化合物（WSP）滲出率和脫氫酶活性大大提升，對(duì)土壤中菲和芘有更高的降解率。王嬌嬌等[49]也做過(guò)類(lèi)似實(shí)驗(yàn)。他們通過(guò)將黑麥草、蘇丹草、香根草和甜菜單作與間作，發(fā)現(xiàn)在間作模式下，禾本科植物黑麥草、蘇丹草、香根草的生物量均有所提高，且PAHs的降解率間作模式顯著高于單作模式。禾本科植物地毯草（Axonopus compressus）、菊 科 植 物 飛 機(jī) 草（Chromolaena odorata）和 豆 科 植 物 翅 豆 （Psophocarpus tetragonolobus）間種于鎘和菲共污染土壤，得到了相似結(jié)論[50]。但間作植物種類(lèi)的選擇也會(huì)影響修復(fù)效率。有些植物會(huì)與禾本科植物產(chǎn)生種間競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，影響禾本科植物的生長(zhǎng)發(fā)育，例如玉米和黃瓜[51]。因此，合理地選擇間作植物將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)。

3.2 添加表面活性劑強(qiáng)化PAHs污染土壤修復(fù)

PAHs 生物可利用性低，很難被植物從土壤中吸附，添加表面活性劑可以強(qiáng)化禾本科植物的修復(fù)。表面活性劑強(qiáng)化植物修復(fù)技術(shù)（surfactantenhanced phytoremediation，SEPR），是以表面活性劑溶解難溶有機(jī)物的特性為基礎(chǔ)，增強(qiáng)PAHs的生物可利用性，提高修復(fù)效率的一種手段[52]。不同種類(lèi)與比例的SEPR 組合對(duì)PAHs 的降解具有不同的影響[53]。現(xiàn)今研究的SEPR 可以分為合成表面活性劑、生物表面活性劑和雙子表面活性劑（gemini）3 種。由于合成表面活性劑易于獲得，價(jià)格低廉，有著更大的應(yīng)用范圍，如表4是一些常見(jiàn)的合成表面活性劑的種類(lèi)和理化性質(zhì)。在強(qiáng)化禾本科植物修復(fù)的使用中，合成表面活性劑Tween 80 與生物表面活性劑由于其易生物降解、毒性小的特性，受到了研究人員的關(guān)注。

表4 常見(jiàn)合成表面活性劑的種類(lèi)和理化性質(zhì)

添加合成表面活性劑和生物表面活性劑均能提高禾本科植物的修復(fù)效率。Keshavarz等[54]通過(guò)向香根草噴灑Tween 80，香根草的生物量和PAHs 降解率顯著提高。氮三乙酸（NTA）和茶皂素（TS）的添加提高了土壤溶解有機(jī)質(zhì)和土壤微生物活性，促進(jìn)蘇丹草對(duì)土壤中鎳和芘共修復(fù)效率[55]。值得注意的是，以膠體氣體泡沐形式（CGA）組成的表面活性劑，在去除PAHs 方面也有著不錯(cuò)的效果。CGA懸濁液和生物表面活性劑的組合溶液可能為高濃度PAHs 去除提供新的思路，未來(lái)仍需加強(qiáng)相關(guān)的研究。

3.3 修復(fù)過(guò)程中的環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控作用

在PAHs 污染土壤修復(fù)的過(guò)程中，環(huán)境因子占據(jù)著主要的地位。眾多的環(huán)境因子例如營(yíng)養(yǎng)元素、溫度、光照、鹽堿值等的缺失或者失衡，都會(huì)對(duì)禾本科植物降解PAHs的效果有著顯著的影響。

（1）營(yíng)養(yǎng)元素 由于PAHs 污染土壤中P、N、K等營(yíng)養(yǎng)元素的缺失，禾本科植物會(huì)受到毒害，其修復(fù)作用會(huì)受到影響。通過(guò)人為調(diào)控，可以在一定程度上減輕禾本科植物受到的毒害作用。Steliga和Kluk[60]通過(guò)施加無(wú)機(jī)肥 “Azofoska”到PAHs 復(fù)合污染土壤中，有效地增強(qiáng)了高羊茅對(duì)PAHs 的抗性。施肥還可以幫助植物克服污染土壤中PAHs引起的生長(zhǎng)障礙。在中高濃度的PAHs 污染土壤中，植物的生長(zhǎng)是受限的，施肥可以改善這一現(xiàn)象。Cartmill 等[61]通過(guò)向中高濃度PAHs 沙土中控釋肥料，結(jié)果顯示黑麥草的適應(yīng)性、生長(zhǎng)、光合作用和葉綠素含量均有所提高，并對(duì)根際細(xì)菌數(shù)量有良好的促進(jìn)作用。

（2）溫度高溫與低溫都會(huì)對(duì)禾本科植物生長(zhǎng)產(chǎn)生危害，其中低溫的脅迫更加嚴(yán)重。長(zhǎng)期處在低溫脅迫條件下的禾本科植物，其生長(zhǎng)發(fā)育緩慢，生物量降低，根系分泌物減少，進(jìn)而影響修復(fù)效果。低溫還會(huì)導(dǎo)致禾本科植物根際微生物的活性減弱。PAHs 的生物利用度也隨著溫度的升高而上升。因此，最佳降解溫度的調(diào)控將提高禾本科植物的修復(fù)效率。

（3）光照不同的光照強(qiáng)度限制著禾本科植物的生長(zhǎng)。在缺少光照的條件下，禾本科植物將會(huì)把更多的資源和能量分配給地上部分，來(lái)幫助其最大程度地獲取光能。地下部分資源的短缺會(huì)造成根系發(fā)育遲緩，根系分泌物的分泌受到遏制，根系的直接吸收作用也會(huì)減弱。長(zhǎng)期得不到完整光照的禾本科植物，生長(zhǎng)緩慢，修復(fù)周期變長(zhǎng)。通過(guò)人為調(diào)控光照的強(qiáng)度，以保證植物獲取足夠的光能，可以有效促進(jìn)PAHs的降解。

（4）鹽堿度鹽脅迫會(huì)造成禾本科植物離子毒害、發(fā)芽率低、抑制生長(zhǎng)等危害。隨著鹽堿度的增加，高羊茅和中華羊茅等羊茅屬植物的發(fā)芽率大幅降低，地下部根的數(shù)量和長(zhǎng)度減少，地上部萎縮，葉綠素含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。過(guò)高的鹽濃度還會(huì)導(dǎo)致根際非嗜鹽微生物的礦化度降低。通過(guò)人為施加改良劑可以減輕高鹽堿的毒害，進(jìn)而優(yōu)化修復(fù)效果。外施硅、氯化鈣、水楊酸和水熱炭源改良劑等均可有效提高其耐鹽性，具有很好的研究前景[62-65]。

4 展望

我國(guó)政府對(duì)土壤污染防治十分重視，國(guó)務(wù)院于2016 年發(fā)布《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》后，又于2021 年發(fā)布了《關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見(jiàn)》。由于植物修復(fù)具有穩(wěn)定性好、低成本、綠色友好等優(yōu)點(diǎn)，在PAHs污染土壤修復(fù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用空間。在禾本科植物修復(fù)PAHs污染土壤的過(guò)程中，禾本科植物根際酶的活性、微生物的活性、環(huán)境因子的調(diào)控均能影響PAHs污染土壤的修復(fù)作用。針對(duì)植物修復(fù)降解周期長(zhǎng)、降解效率相對(duì)不足等缺點(diǎn)，穩(wěn)定、綠色、高效、低耗的禾本科植物修復(fù)技術(shù)將是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。

（1）重視禾本科植物在PAHs 污染場(chǎng)地修復(fù)應(yīng)用研究。當(dāng)前研究進(jìn)展仍局限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，未來(lái)需要向?qū)嶋H的應(yīng)用場(chǎng)地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，應(yīng)用生物反應(yīng)器原理，將禾本科植物運(yùn)用到污染場(chǎng)地和農(nóng)田規(guī)模研究之中。

（2）加強(qiáng)禾本科植物修復(fù)PAHs 污染土壤根際微域機(jī)理與調(diào)控研究。關(guān)于禾本科植物根際分泌物與微生物聯(lián)合促進(jìn)PAHs的降解作用已經(jīng)得到相關(guān)研究證實(shí)，有關(guān)根際分泌物與微生物聯(lián)合降解PAHs 的途徑、對(duì)微生物多樣性影響及根際修復(fù)調(diào)控措施等可予以重點(diǎn)關(guān)注。

（3）PAHs 污染土壤禾本科植物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)研究。迄今為止，雖然在PAHs污染土壤植物修復(fù)強(qiáng)化方法方面，國(guó)內(nèi)外研究已開(kāi)展了環(huán)境因子調(diào)控、添加表面活性劑、微生物聯(lián)合修復(fù)和間種等手段，但鑒于未來(lái)土壤修復(fù)技術(shù)的低碳、穩(wěn)定、高效和低成本發(fā)展方向，有關(guān)禾本科植物與低成本生物載體固定化微生物聯(lián)合修復(fù)仍將是未來(lái)技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)。