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植物修復技術是利用超富集植物提取受污染環境中污染物的一項新興技術，其基本原理是利用植物及其根際微生物體系對環境中的污染物進行吸收、降解、揮發及轉化，進而實現對污染環境的修復( Channy et al.,1997; Brooks et al.,1998; 周啟星,2002; Eleni et al.,2011; Dmuchowski et al.,2014) 。
植物修復以其費用低、不破壞場地土壤結構及無二次污染等顯著優勢逐步被采用,并取得良好修復效果( Mackova et al.,1997; Benoit et al.,2010; 周啟星等,2011; 周啟星等,2014; Bell et al.,2014) 。
但是,相對其物理、化學等環境治理技術,由于該項技術存在植物生長緩慢 ,生物量小 ,修復效率較低 ,修復深度不佳等問題,使其難以推廣應用,大部分僅停留在實驗階段。
因此,解決限制植物修復技術應用的瓶頸問題,對于植物修復技術的健康發展和大規模應用具有重要的實踐意義( Passatore et al.,2014) 。
污染物理化性質及其交互作用的影響
1、污染物理化性質的影響
土壤污染物的植物修復效率受污染物理化性質的影響 。如 污染物分子大小 、污染物形態 、辛醇 -水分配系數( Kow ) 、半衰期、解離常數、蒸汽壓等。植物對呈吸附態的重金屬吸收能力較強。土壤中疏水性較強,半衰期<10 d,蒸汽壓>10-4 的污染物由于其主要以氣態形式通過葉面氣孔被植物吸收,因而其植物修復效率較低( Ryan et al.,1988; 林道輝等,2003) 。水溶性較強的污染物,即 lgKow <4 的污染物通過根系吸收進入植物體內,水溶性差的有機污染物,即lgKow >4 的有機物則易被土壤顆粒吸附,難以被植物吸收。lgKow 處于 1 ~ 3.5 的有機污染物容易被植物轉運吸收,而 lgKow <1 的污染物則不易通過植物細胞膜被植物吸收( 周啟星等,2011) 。
污染物的分子量大小影響著植物修復效率,分子量<500 的污染物一般易被植物根系吸收,分子量較大的污染物難以被植物吸收轉運。
植物修復效率還受污染物分子結構的影響,分子結構不同,污染物對植物的毒害性也就不同,如多氯聯苯對農作物的危害會隨著苯環上氯原子個數的增加而增大( Tu et al.,2011;Zhou et al.,2014) 。
2、污染物初始濃度及其交互作用的影響
污染物的初始濃度對植物修復的效率具有很大的影響。不同污染物的相互作用對植物修復的影響極為復雜,不僅是拮抗、協同或加和作用。
實驗如下：
Liu 等( 2010) 利用大白菜處理土壤中鉛污染的實驗中發現,污染物在初始濃度為 500 mg˙kg-1時的修復效率遠遠大于初始濃度 1500 mg˙kg-1 的修復效率。Cai 等( 2010) 利用鳳仙花處理土壤中石油烴的試驗中表明,污染物初始濃度為 5000 mg˙kg-1 的修復效率是初始濃度為40000 mg˙kg-1 的3倍。Liu 等( 2010) 在用鳳仙花修復 Cd 和 Pb 污染土壤時發現,在 Cd 初始濃度較高時可抑制植物對 Pb 的吸收,而Pb 則促進植物對 Cd 的吸收。
周啟星等( 2011) 利用孔雀草和鳳仙花分別處理土壤中 Cd、Pb 與有機物的復合污染,實驗結果表明,當重金屬初始濃度較低時可促進植物對有機污染物的吸收,重金屬初始濃度較高則對植物吸收有機物有抑制作用。實驗還發現,當有機污染物初始濃度較低時可提高植物的生物量,對植物修復效率有促進作用。
Chen 等(2010)在利用小麥處理土壤中鎘-麝香復合污染的試驗中發現,植物對麝香的吸收效果隨Cd 的初始濃度的升高而不斷提升,提升幅度最高可達 36%。
Sun 等( 2011) 在利用孔雀草處理重金屬與苯并芘復合污染的實驗中發現,Cd 對苯并芘的植物吸收有促進作用,而 Pb 和 Cu 則抑制了苯并芘的吸收。
Kucerova 等( 1999) 發現,龍葵對初始濃度為 25mg˙L-1 的 PCBs 的代謝率比初始濃度為 50mg˙L-1 的 PCBs 提高了 3 ~ 5 倍。
薛曉磊等( 2013)用蜈蚣草處理 As 污染的試驗中發現,植物體內 As的累積量隨著 As 初始濃度的提升而增加,當初始濃度由0.1mg˙L-1提高到100mg˙L-1時,植物對As的轉運系數( TF) 由 1.4提高到了 2.4。
劉京等( 2012) 在狼尾草等 6 種植物對十溴聯苯醚污染土壤的修復試驗中發現,狼尾草隨污染物初始濃度增加,其植物體內污染物的累積量相應增加,生物量也有所增加; 而龍葵隨污染物初始濃度升高,地上部生物量大幅下降。
Conger 等( 1997) 研究證明,除草劑Bentazon 初始濃度過高時會對柳樹等 6 種植物產生毒害作用,使植物無法生長或衰退。
土壤和氣象因子的影響
1、土壤因子的影響
植物吸收污染物效率受土壤理化性質的影響。土壤顆粒的比表面積大小影響著植物對多環芳烴等有機污染物的吸附能力,進而影響其生物可給性。同樣的植物對壤土、砂土及粘土中的污染物的修復效率有明顯的差異,如砂土中植物修復 Ni 的效率較低。土壤 pH 值影響植物對有機物的吸收。一般來說,在酸性條件下可促進有機物在土壤顆粒中的解吸,植物根系可將其吸收進入植物體中; 而在堿性條件下,土壤中一些腐殖質提供了大量的結合位點,降低了其生物可給性。
Lopez( 2000) 研究表明,除 Ni、As 之外,在堿性條件下,幾乎所有的重金屬被植物吸收的能力隨土壤 pH 的上升均呈現下降趨勢。
土壤中水分可抑制污染物在土壤顆粒表面的吸附,促進生物可給性,然而水分過多時,植物體會因根際養分不足抑制生長狀況,影響降解能力。土壤的黏粒與有機質含量是影響植物的吸收效率的另一大重要因素,黏粒含量高的土壤對離子型有機污染物的吸附能力較強,一些疏水性有機物會被有機質含量高的土壤固定或吸附,從而降低其生物可給性。
如,Rigol 等( 2002) 發現,棕色森林的有機層土壤相比其礦物層土壤對 Cs+ 的吸附能力更高,這是由于在前者的礦物層中,由酸侵蝕導致層狀硅酸鹽釋放出了大量的 Al3+ ,這些自由 Al3+ 聚合體堵住了 Cs+ 結合到土壤專性吸附位點的入口,從而導致土壤降低了對Cs+ 的吸附能力; 在有機層中有機酸復合了 Al3+ ,而Cs+ 仍被吸附于土壤專性吸附位點上,因此吸附效果較好。
Weissenfels 等( 1992) 發現，有機質含量高的土壤對多環芳烴的吸附強度高,影響了植物對多環芳烴的降解。不過土壤有機質對污染物吸收的影響程度也與土壤類型、特性和污染物的種類及含量等相關,陳鳳等( 2007) 對昆山市農田土壤有機質含量對植物修復重金屬的累積影響實驗中發現,Hg 和Pb 的累積量與有機質含量呈極顯著相關,但 As、Cr、Ni 和 Cu 等并未表現出一定的相關性。陳翠紅等( 2011) 發現,小麥在褐土中對 Cd 的累積能力要強于潮土。土壤中陽離子交換量也可影響植物對重金屬的吸附。郭鵬然等( 2009) 發現,土壤中陽離子交換量的增加可使土壤中非殘留態釷含量增加。
此外,在一定條件下,土壤中無機鹽可促進一些重金屬被植物體吸收,Manousaki 等( 2009) 發現土壤中含有 3%的 NaCl 可促進植物對 Cd 的吸收。
2、氣象因素的影響
濕度、風度、光照及溫度等氣象條件均可影響植物的生長發育和生物量,進而影響土壤污染物植物修復效率。
普通光照會促進植物的生長發育,并對污染物的降解產生促進作用。但在紫外光照射下,污染土壤表面的多環芳烴可發生光誘導毒性效應從而使其毒性增加( 范淑秀等,2007) 。風可擴散植物升騰作用產生的熱量,低速的風對植物生長有促進作用。空氣濕度和含水量影響植物的生長發育。通常情況下,植物生長和開花需要較高的濕度和含水量,土壤修復過程中應保持田間持水量在70% ~80% ,有利于植物葉片伸展,提高花朵的質量。但由于潮濕的環境利于一些蟲卵發育,因此在濕度超過90%且通風較差的情況下會導致病蟲害的滋生與蔓延 ,嚴重影響植物的生長發育 ,甚至會導致其枯萎 、死亡,使生物量下降。溫度可以影響植物的生長速度,進而影響單位時間內的生物量。
Eweis( 1998) 認為,溫度每增加 10 °C ,植物或微生物降解污染物的速率可增加 0.8 ~ 1.2 倍左右。但室內溫度長期過高
也會增加發生病蟲害的機率,如孔雀草連續在超過35 °C 的室溫且通風狀況不佳的情況下,1 周左右即會被紅蜘蛛蟲害。概括來說,氣象條件對植物修復的影響主要有以下幾點: 影響植物的生長發育和生物量; 影響土壤中污染物的揮發; 影響植物對污染物的葉面吸收作用; 影響土壤和植物對污染物的吸附能力( 周啟星等,2011) 。
植物種類、根際效應及其栽培措施的影響
1、植物種類的影響
植物種類的選取對植物修復效率具有關鍵性作用。目前世界范圍內已經發現的超富集植物有400余種,相比 10 年前提高了數倍。其中多數植物對重金屬具有超累積作用,部分植物對有機物吸收能力較強,還有一些超富集植物可同時修復重金屬和有機物的復合污染。針對不同的污染物,選擇最佳的超富集植物是提高植物修復效率的關鍵。不同植物的組織成分不同,其累積、代謝污染物的能力也就不同。不同植物產生的分泌物和酶的種類及功效不同,因而其植物修復的效率會有一定的差異。
基因改良對植物提高修復效率有促進作用。Kucerova 等( 1999) 發現,龍葵的分化組培比未分化組培對多氯聯苯的轉化效率相對較高,由于龍葵的毛根組培在形態上與正常的植物根系更相似,因而其轉化效率更高。在此基礎上,魏樹和等( 2004a) 發現龍葵對鎘的超富集能力。不同植物對污染物的吸收方式存在差異。
如劉京等( 2012) 在植物修復十溴聯苯醚污染土壤的實驗中發現,魚腥草主要依靠根部固定污染物,而狼尾草則通過根部將污染物向地上部轉移。此外,植物修復效率與植物細胞的形態密切相關,同一植物不同組培對污染物的轉化能力存在一定差異。
植物對污染物的吸收與植物根系的類型也有 關聯 ,根系類型不同 ,其根系分泌物種類 、菌根菌數量及酶活性等均有較大差異。土壤表層的污染物含量要大于土壤深層,而植物須根處于土壤表層且比植物主根有著更大的比表面積,因此須根對污染物的吸收能力要大于植物主根。孫鐵珩等( 2001)研究表明,禾本植物吸收污染物的能力大于木本植物,主要是由于禾本植物根的類型大部分為須根。但有關這方面研究相對較少,有待進一步深化。
Sun等( 2014) 應用 18 種野生植物修復土壤中 PAHs,其中根系較為發達的 Pteris cretica 對污染物的吸收效率最高。周啟星等( 2011) 利用不同花卉處理石油污染土壤,結果表明,鳳仙花和牽牛花的處理效果明顯高于五彩石竹等其他幾種植物。
其中,牽牛花對石油烴的降解率可達 70%以上( Zhang et al.,2010) 。Sun 等( 2011) 利用孔雀草提取土壤中的苯并芘,發現根系累積的污染物濃度是莖葉中的 2 倍以上。植物體不同部位吸收污染物的能力不同,實驗證明,絕大部分植物根系累積污染物的能力大于莖葉和果實。不同種類的蔬菜對有機農藥的吸收能力也不同,一般遵循以下規律: 根莖類>葉菜類>果實類。但葉菜類中的圓白菜對 Cd 的富集系數很低,甚至比某些莖菜類和果菜類還要低。
2、植物根際效應的影響
植物根際土與非根際土有著不同的微環境,根際土壤的植物修復效果往往優于非根際土。根際圈內菌根真菌、細菌等微生物的代謝活動可以轉化及降解土壤中的有機污染物,植物根部分泌出的H+ 、HCO有機碳源,并增加了金屬的可溶性,形成可溶的有機金屬復合物。
植物修復中如植物提取、植物固定等均可利用植物的根系分泌物質的螯合沉淀作用來去除及固定重金屬( Ouyang et al.,2002) 。根際分泌的酸根離子及氫離子可改變土壤根際環境的 pH值,使得在酸性條件下易解吸的重金屬元素更好地被植物吸收。存在于根際微環境中的與植物根部共生的一些微生物,如真菌等可直接吸收土壤中的放射性核素。
Ehlken 等( 2002) 對草原土壤的研究發現,大量不可移動的放射性元素 Cs 被土壤中的真菌所固定。Sun 等( 2011) 利用孔雀草修復重金屬及有機物的復合污染實驗中發現根際土的有機物修復率高于非根際土 20%左右。
3、栽培措施的影響
栽培措施對提高植物修復效率具有積極的作用。對修復效率有提高效果的主要栽培措施包括育苗 、翻耕 、種植密 度 、除草 、輪作 、間作 、套作及收割等。
由于超富集植物的生長周期較長,因而育苗的方式對于超富集植物的發芽率、成活率及生長速率有著至關重要的影響,如石油烴的超富集植物高羊茅和黑麥草,其生長季一般需要半年左右。
陳同斌等( 2002) 通過組織培養方法種植砷超富集植物蜈蚣草,解決了其在植物修復實際應用中快速生長的難題。除此之外,還可以采取育苗移栽的方法來縮短植物生長周期。根據超富集植物各個生長階段對于污染物的吸收情況也能夠采取一定的措施來縮短修復周期,如某一超富集植物在開花期所提取的重金屬量占全生育期總量的比重較大,而從花期到成熟期又需要一定的時間,可以在花期收獲此植物,然后再種植一茬,相對縮短了植物修復的周期。
翻耕在植物修復過程中起到重要作用,播種或移栽前進行翻耕有利于增加土壤中的空氣含量,有利于土壤團粒結構的形成。值得注意的是,翻耕的深度要視植物根系生長狀況、土壤污染深度以及土壤的理化性質等因素而定,污染較輕時,采用常用的機耕用具在表層翻耕即可,但當污染深度過深時,就要采用特殊裝置深翻。種植密度的選擇對單位面積植物地上部的生物量有著重要影響,種植密度適宜,可提高其植株的光合作用及營養吸收,提高植物的生物量,促進植物對污染物的吸收效率。
Liphadzi 等( 2003) 在不同種植密度條件下對向日葵修復重金屬污染土壤進行研究 ,結果表明 ,在稀植條件下 ,植物提 取的重金屬含量明顯高于密植條件下的處理。雜草現象在植物修復過程中經常出現,與超富集植物形成競爭關系,影響植物的正常生長,減少植物量。
Li 等( 2003) 將除草劑應用于 Alyssum murale 和 A. corsi-cum 的修復過程,顯示有 4 種除草劑對控制雜草具有很好效果,然而有 12 種除草劑卻對修復植物產生嚴重的毒害作用,這說明應用除草劑有利有弊,合理利用除草劑可在一定程度上提高植物修復效率。輪作、間作及套作等種植方式可以減少植物生長過程中遇到的病蟲害及雜草等現象。收割可以縮短育苗時間,提高單位時間的生物量,從而提高植物修復效率。廖曉勇等( 2004) 發現,蜈蚣草每年收割 3 次,每次收割后所留高度在 7.5 cm,其對土壤污染物的修復效率是每年收獲 1 次的 1.9 倍左右。
植物添加劑的影響
單純用植物修復土壤中的污染物在一些特殊土質中難以達到預期的效果,在植物中加入一些添加劑有助于提高污染物的生物有效性,進而提高植物對污染物的修復效率。螯合劑能夠打破重金屬在土壤中液-固相之間的平衡,使平衡狀態向有利于重金屬解析的方向傾斜,土壤溶液中重金屬濃度提高了,進而有助于植物對土壤中重金屬的提取。有機螯合 劑可促進重金屬從植物根系向地上部分的轉移,還能夠活化其離子活性,提高其生物有效性( Jiang etal.,2003) 。如土壤中水溶性的鉛離子在添加有機螯合劑后可增加 100 倍,這樣就能大幅提高植物對其修復效率(Huangetal.,1996)。Pickering等( 2000) 對印度芥菜添加二巰基丁二酸時發現,金屬砷吸收總量影響不明顯,但其形成的螯合物卻提高了砷在植物體內向地上部的轉運系數。
Liu 等( 2010) 利用 EDTA 強化金盞菊修復土壤中 Cd 的試驗中發現,EDTA 的添加使 Cd 的修復效率提高了217%。Cui 等( 2007) 將螯合劑 EDTA 應用于百日菊( Zinnia elegans Jacq)處理土壤中 Pb 污染的實驗中,結果表明,施加螯合劑后植物中 Pb 的累積濃度增加了 2.5 倍。Bay 等( 1997) 將 EDTA 和 EGTA 分別施加到含 Pb、Cd 污染的土壤中,使得印度芥菜植物體內 Pb、Cd 的濃度分別上升 400 和 1900 mg˙kg-1 。Liu 等( 2008) 發現,在蜀葵修復土壤中Cd 污染的試驗中施加 EGTA 可以提高重金屬在植物體內的累積量。
然而,有機螯合劑的添加也存在一定的風險,如果沒有完全被植物利用,就很可能形成二次污染,因此,在使用有機螯合劑時盡量采用易降解的螯合劑。
酸堿調節劑可影響土壤中污染物的活性及生物有效性( Robinson et al.,1999) 。對于絕大多數重金屬來說,pH 的降低有助于提高土壤溶液中重金屬的濃度。pH 值降低,H+ 增加,吸附在土壤顆粒表面上的重金屬陽離子與 H+ 交換量增大,打破重金屬離子溶解-沉淀平衡,從而促進了重金屬離子在土壤顆粒表面的解吸。如 Co 的超累積植物 Berkheya coddii在土壤施加酸堿調節劑將 pH 值由 7 降低至 5.5 時,其植物體內的 Co 累積量提高了 5 倍之多。Zn 的超累積植物Thlaspi caruelesences 的盆栽試驗結果表明,在施加酸性調節劑將土壤變成酸性的情況下,其吸收的 Zn 遠高于堿性土壤條件( Brown et al.,1994) 。也有少數重金屬如 Ni、As 等適宜在偏堿性土壤中修復,應用酸堿調節劑即可實現 pH 的改變,提高植物對其修復效率( Lopez et al.,2000) 。
有研究發現,超富集植物與菌根真菌等微生物聯合修復土壤污染物在一定程度上促進了植物對污染物的吸收,這也是目前植物修復領域中最為重要的研究方向之一。篩選特效微生物制成某種微生物菌劑,在植物根部接種與其結合能夠促進菌根真菌與植物根系的共生,提高真菌浸染的成功率和植物修復效率( 表 1) 。
Tak 等( 2013) 提出將植物根際促生菌聯合植物修復土壤中重金屬可提高植物修復的效率,可以進行深入研究。Weyens 等( 2014) 應用楊樹幼苗修復土壤中Ni-TCE復合污染的實驗中發現,接種假單胞菌的修復效率比不接種的修復效率高45%。黃藝等( 2000) 研究污灌土壤中菌根小麥與無菌根小麥根際 Cu 的變化趨勢,結果表明,菌根小麥中交換態 Cu 的量顯著增加,可有效促進植物對 Cu的吸收。楊柳等( 2010) 對土壤中 Pb 用黑麥草進行處理,在其根系接種菌根真菌后,植物中 Pb 的累積量提高了50%。Kong 等( 2014) 應用植物修復處理珠江三角洲一帶電子垃圾污染土壤的實驗中發現,植物與微生物聯合對修復土壤中 Pb、Cd 及 PCBs 均有很高的修復效率。
除了上述 3 種添加劑外,施加生長調理劑可調控植物體內的激素水平,并使其更好地適應重金屬的脅迫。如生長素可增加植物中 Pb 的濃度,提高植物的生物量。當生長素與 EDTA 聯合使用時,植物葉片中 Pb 的濃度顯著增高( Monni et al.,2001) 。施加乙烯等生長調理劑還能夠提高印度薺菜適應Cd 的脅迫能力( Salt et al.,1995) 。所以合理地利用生長調理劑可在一定程度上抵抗重金屬脅迫植物正常發育,減輕污染物對植物量的影響,提高植物對重金屬的吸收能力,進而提高植物修復的效率。
不過有些調理劑僅能促進污染物從植物根部到地上部的轉移,不能提高對污染物的降解率,因此需要配合螯合劑使用才可達到理想的效果。此外,Varanasi 等( 2007) 應用納米零價鐵、V2 O5/TiO2 修復土壤中PCBs，PCBs 的總體被破壞程度達到 95%以上,納米零價鐵還可將三氯乙烯在1.5 h 內完全脫氯,納米鐵聯合植物修復土壤技術也成為當今植物修復領域中的另一熱點。
高園園等( 2013) 利用不同表征的納米鐵強化孔雀草及鳳仙花處理重金屬與 PCBs 復合污染土壤,提高了植物吸收土壤中 PCBs 的含量。Chen 等( 2010) 利用環糊精強化多種植物修復 PCBs污染土壤的試驗中發現,環糊精的使用對植物吸收PCBs 有明顯的促進作用。還有學者發現,利用活性 炭修復土壤中 PAHs 和 PCBs,修復效率最高可達90%以上( Vasilyeva et al.,2010; Hale et al.,2012) 。
展望
植物修復效率受多種因素影響,而在研究過程中,人們往往只側重于單因素進行實驗。
因此,針對以上論述的 3 個方面的影響因素,并輔以施加植物添加劑,對植物修復技術進行改良是今后植物修復技術應當加強的研究。
改變土壤性質、控制氣象條件及栽培措施等在實施過程中具有一定的困難,需耗費大量的人力物力且具有很大的不確定因素。植物添加劑對植物修復的影響十分明顯,可操作性強,能提高植物對污染物的提取和累積能力,但植物添加劑的使用勢必會提高修復成本,甚至會帶來二次污染且對工程的操作制造一定的困難。
因此,今后應從以下 3 個方面開展深入研究:
深入研究：
( 1) 對影響植物修復各種因素的機理進行研究,尤其是機理尚不明確的因素,如污染物初始濃度交互影響的機理,從機理方面入手改善植物修復的條件。
( 2) 繼續開發經濟節約型、環境友好型且效果顯著的植物添加劑,對微生物菌劑可進行重點研究,并通過實驗針對不同的植物確定各種植物添加劑乃至幾種添加劑聯用的合理投加范圍。
( 3) 因地制宜并有針對性地篩選超富集植物處理污染土壤中各類污染物。如,鳳仙花、孔雀草、紫茉莉等對重金屬及有機物復合污染土壤具有較強超累積作用的植物。結合上述幾種影響因素,采用盆栽與田間實驗相結合,分析實驗數據的顯著性差異,探索污染土壤植物修復的最佳條件,摸索出一套合理的植物栽培管理措施; 將基因工程技術和分子生物學理論應用于超累積植物的改良,并通過調節外界環境因素最大限度地促進植物的生長發育,進而達到提高修復效率的目的。
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