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有机物污染土壤的植物修复

花匠小妙招
2024-11-09 03:44

植物修复可用于石油化工污染、炸药废物、燃料泄漏、氯代溶剂、填埋场淋滤液和农药等有机污染物的治理。植物对有机物污染土壤的修复有三种机制，一是植物直接吸收有机污染物，这些污染物或不经代谢而直接在植物组织中积累，或将污染物的代谢产物积累在植物组织中，或将有机污染物完全矿化成无毒或低毒的化合物(如二氧化碳、硝酸盐、氨和氯等)；二是从植物体中释放出促进生物化学反应的酶，将有机污染物分解成毒性较小的化合物；三是植物刺激效应，即强化根际(根-土壤界面)的矿化作用，通过植物提高微生物(细菌和真菌)的活性来促进有机污染物的降解。对于有机污染土壤的植物修复研究与实践，近年来受到了广泛的关注(李云辉等2007，张伟等2007，沙净等2008,彭胜巍等2008，王靖等2008，曹雪莲等2008，宋雪英等2009，丁克强2009, Gerhardt2009, Van Aken 2010，McGuinness2009，Matsumoto 2009)。

(一)有机污染物的直接吸收和代谢

利用植物去除土壤中有机物污染涉及有机污染物性质、土壤环境条件和植物种类，因此，植物对有机污染物的吸收和代谢主要受这三方面因素的影响。

1．有机污染物的理化性质

土壤中有机污染物浓度是影响植物修复效率的直接因素，而有机污染物的生物有效性是决定植物一微生物系统中污染物吸收和代谢效率的关键。生物有效性与化合物的相对亲脂性有关。亲脂性常用辛醇-水分配系数Kow或log Kow表示，其值越小，表示该化合物的水溶性越高，而亲脂性越小。亲脂性高的化合物一般容易通过细胞膜。土壤中有机污染物是通过在水中的扩散和质流过程到达根系表面的。对于log Kow>3的化合物，由于根系表面的强烈吸附而不易在植物体内转运；水溶性高的化合物(log Kow<0.5)则不能被吸附到根系表面或不能进行主动的跨膜运输。因此，植物对位于浅层土壤中的中度憎水有机物(log Kow=0.5～3.0)有很高的去除效率，这包括一些苯系化合物(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)、氯化溶剂和短链的脂肪族化合物等。污染物分子量的大小也影响其通过渗透而进入植物细胞的速度，利用植物修复有机污染土壤时，植物根系对有机污染物的吸收往往局限于小分子极性化合物，并且吸收速率通常很低。

2．土壤环境条件

除有机污染物的性质之外，土壤对有机污染物的吸附也会影响其生物有效性，与土壤颗粒紧密吸附的污染物不易被植物或微生物吸收和分解。影响污染物吸附的土壤理化特性主要有土壤质地、黏粒矿物类型、有机质含量、阳离子交换量、含水量及pH等。此外，污染时间长短也是影响其生物有效性的重要因素。土壤含有的可生物降解的污染物，会因污染时间较长而转变为难降解的污染物。与土壤颗粒紧密吸附的污染物、微生物或植物难吸收的污染物不易被植物降解。如果污染物既不与其他生物(土壤节肢动物、草食动物)发生相互作用，又不易移动，则可以考虑采用植物固定，/稳定化技术。

使用人工合成的或天然的表面活性剂可以增加有机污染物的溶解度，促进微生物对污染物的分解。这类表面活性剂包括Triton X-100, SDS,鼠李糖脂、Tergitol NPX等。值得关注的是使用改性环糊精不仅可以促进上壤有机污染物的溶解，而且对土壤中重金属的溶解也有促进作用，从而有利于植物修复。

3. 植物种类及其他性质

不同植物对同一种有机污染物的吸收能力存在很大差异。一些高等植物能从土壤和水体中吸收大量致癌性芳香烃类物质，如多环芳香烃(PAHs)。菜豆(Phaseolus vulgaris)根系在含14C标记蒽(ANT)(0.01 mg/L)营养液中生长30d，有60％的14C分布在根系，茎和叶片的14C均占14C总量的3％。在30 d内，有90％以上的蒽(75 mg/株)可被植物代谢为其他化合物。黑麦草(Lolzum perenne)可从土壤中吸收大量苯并[a]芘，它的地上部的苯并[a]芘含量可以达到9140 ug/kg。胡萝卜对苯并[a]芘亦有较大的富集力，其叶片的PAHs含量可高达1430 ug/kg。

植物吸收有机污染物之后，可以通过木质化作用将污染物储藏在新的植物结构中；或转化为对植物无毒的代谢物，储藏于植物细胞中；也可以将其代谢或矿化，将其挥发到大气中。植物根对化学物质的吸收速率不仅取决于该物质在土壤溶液的浓度及其物理、化学特性，还与植物本身的特性有关。其中，植物的蒸腾作用是决定植物修复工程中污染物吸收速率的关键变量，它又与植物种类、叶面积、养分、土壤水分、风力条件和相对湿度有关。

(二)酶的作用

某些植物根系释放到土壤中的酶可直接降解有机化合物，且降解速度快。在这一降解过程中，有机污染物从土壤中的解吸和质流过程成为限速步骤。植物死亡后，释放到环境中的酶还可以继续发挥分解作用。虽然植物修复主要还是靠整个植物体来实现，然而，某些植物酶对有机污染物的降解提高了植物修复的潜力；当pH较低、金属浓度和细菌毒性较高时，游离的酶系有可能被破坏或钝化。

(三)根际的生物降解

某些“特异”植物的根系能释放出有利于有机污染物降解的化学物质，其中包括单糖、氨基酸、脂肪酸、维生素和酮酸等低分子化合物以及多糖、聚乳酸和黏液等大分子有机物，它们与植物脱落的死亡细胞以及植物向土壤释放的光合产物共同构成一个特殊系统，即根际，由此增加土壤有机质含量，改变有机污染物的吸附特性，从而促进它们与腐殖酸的共聚作用。生长于多环芳烃(PAHs)和矿物油污染土壤中的苜蓿草就具有这种特异的根际效应。从微生物角度来说，植物根系中生长的菌根菌能与植物共生，具有独特的代谢途径和独特的酶系，可以代谢白生细菌所不能降解的有机物。例如，无菌凤眼莲10h内只能降解1.9％的酚，假单胞菌对酚的降解也仅达到37. 9％，但是凤眼莲和假单胞菌的联合体系却能降解97. 5％的酚，其原因是凤眼莲的根系分泌物促进了假单胞菌等酚降解菌的生长，加速了酚的降解(乐毅全等1990)。

1．降解过程

在植物根际内，污染物的降解过程实际上包含了植物一微生物的联合作用，它包括微生物好氧、厌氧代谢过程和腐殖化作用过程。

(1)微生物好氧代谢过程

单一的专性好氧菌对芳烃类、苯磺酸类等污染物的降解作用并不明显。但是，若将这些单一的好氧菌与根际内其他微生物群落混合，组成共栖关系，即可显著提高对这些难降解污染物的矿化能力，防止有机污染物中间体的生成与积累。

(2)微生物厌氧代谢过程

厌氧菌对环境持久性污染物(POPS)如PCBs、DDT和PCE(五氯乙烯)的去除能力较强。一些有机污染物(苯和其相关污染物)在厌氧条件下可完全矿化为CO2。

(3)腐殖化作用过程

土壤的腐殖化作用过程也是一种有效的污染物解毒方法：用同位素标记法实验表明，腐殖化作用可以影响PAHs在土壤-植物系统中的归宿。根际微生物可以加速腐殖化进程，减少污染物的暴露时间，从而减轻有害物质对植物的潜在毒性。

以微生物作用为主要方式的生物修复对治理土壤中有机污染十分有效，但也有其局限性，特别是对重金属污染的清除效率较低。近年发展起来的植物一微生物联合修复技术，利用植物的独特功能，并与根际微生物协同作用，从而发挥生物修复的更大效能。

2.根际作用

对于微生物而言，植物发挥着相当重要的作用。植物以多种方式帮助微生物转化，植物根际在生物降解中起着重要作用。植物提供了微生物的生长环境，可向土壤环境释放大量分泌物(糖类、醇类和酸类等)，其数量约占年光合作用产量的10％～20％，细根的迅速腐解也向土壤中补充了有机碳，可以提高微生物矿化有机污染物的速率。植物根系分泌的糖类、有机酸、氨基酸和脂肪酸等有机质，能够降低根际土壤的pH，加上植物根系对土壤水分、氧含量和土壤通气性的调适，刺激了根系附近微生物群体的发育，使根际环境成为微生物作用的活跃区域。植物为微生物提供适宜的生存场所还表现在植物可以将地面氧气转移至根区，使根区的好氧分解作用能够正常进行。由于提供了一种有利于好氧微生物生长和繁殖的有氧环境，其细菌总数达到1.6×108，真菌总数达到4.0×105，促进了根区微生物矿化作用；而根际外测得的细菌和真菌的数量则分别只有2.7×105和9.0×104，明显比根际内少。土壤中有机碳的含量与有机污染物的降解有直接关系，例如有机碳的含量越高，莠去津的矿化越快；多环芳烃的降解会随植物根系微生物密度增加而增加；草原地区的微生物对2-氯苯甲酸的降解率比无植物生长的对照区高11％～63％。