植物修复技术在环境污染中的应用

植物修复技术在环境污染中的应用

植物修复技术是一种近年来发展起来的绿色修复技术。它易为人们接受、成本低廉、技术要求低, 是一种非常有前途的生物修复技术。文章详细介绍了植物修复的基本类型及其修复空气、水、土壤中有毒有害物质的研究进展和应用情况。

植物修复(Phyto rem ediat ion) 技术是近年来发展起来的一种用于清除环境中有毒有害污染物的绿色修复技术, 是当前研究中的热点问题。植物修复技术是利用植物对某种污染物具有特殊的吸收富集能力, 将环境中的污染物转移到植物体内或将污染物降解利用, 对植物进行回收处理, 达到去除污染与修复生态的目的。目前生物修复在地表水、地下水、土壤中的无机污染物、有机污染物、重金属等应用中有大量的研究, 已有成功的修复实例, 在国外己达到商业化的水平; 对去除空气中氮氧化物也开始了逐步研究, 显示了非常好的前景。与传统的修复技术相比, 植物修复技术是一项易为人们接受的、廉价的、能切实有效地处理某些有毒污染物的新方法。植物修复在环境保护中具有重要的理论价值和广阔的应用前景。

利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在根系地带, 降低其活动性, 阻止其向深层土壤或地下水中扩散, 但并不为植物利用, 即根系对污染物起固定作用。

植物中超过20% 的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部, 因此会生长很多微生物, 尤其在根表面向外1～ 3mm 的地方, 这些微生物是没有种植过植物的土壤的3～ 4 倍。一些有机物可以同植物相结合促进重金属的降解, 也可以矿化某些有机污染物如PAH s、PCB s。植物根系将土壤中重金属或有机污染物从污染的土壤中转移到植物的地上部分。一般指那些能累积超过叶子干重110% 的M n, 或者011% 的Co、Cu、Pb、N i、Zn, 或者0101%的Cd 的植物。目前世界上有5 0 0多种这样的植物。

植物的根、茎、叶吸收或降解污染物, 主要是有机污染物如PAH s、TPH s、PCB s, 无机污染物如氮氧化物、硫氧化物。判断这些污染物能否进入植物体内的指标是该物质在辛醇—水中的分配系数( logK OW )。logK OW 在1～ 315 之间的物质可以被植物吸收降解。

某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空隙中挥发。如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(M TBE) , 印度芥菜降解硒化合物; 烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发出的物质可能被空气中的活性羟基分解。如有毒的Hg2+ 经植物挥发后变成了低毒的Hg, 高毒的硒变成了低毒的硒化物气体等。

植物通过叶表孔隙挥发水分的形式转移在水系中的污染物。如白杨、桉树、河香柏等树木具有很深的根系, 每天可以蒸腾大量的水, 将水中某些污染物转移至植物体内。氮氧化物N xO y 是污染空气的一类主要化合物, NO 2 同O 3 在光照的条件下容易形成光化学烟雾, N 2O 是一种能引起温室效应的气体, 它可以辐射传热, 破坏同温层的O 3。某些植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用, 利用这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法。H irom ich i Mo rikaw a 等人详细研究了NO 2 被217 种高等植物、50 种野生草本植物、60 种人工培育的草本植物和107 种木本植物吸收和还原为N 2 的情况, 结果表明辛荑对NO 2 吸收最高, 达1217 m gög (干重) ;菊科、桃金娘科、茄科和杨柳科有较高的还原N 2 的能力。基因工程为培育高吸收NO 2 植物开辟了前景, 植物还原NO 2 时涉及硝酸盐还原酶(NR)、亚硝酸盐还原酶(N iR )、谷氨酸盐合成酶(GS)。这些酶的基因解码均在细胞核上。拟南芥、海桐、石斑木是N iR 很好的来源; 转基因拟南芥显示了良好的表达烟草NR 的能力[ 4 ]。植物修复在空气污染物中的应用目前尚处于研究阶段, 植物筛选与基因工程的深入研究为以后的空气污染治理提供了一个很好的方向。

水环境中的污染大致可分为三类: 无机营养元素如氮、磷等, 有机污染物如农药、杀虫

剂多环芳烃PAH s、炸药等和重金属的污染。利用水生植物去除由氮、磷等无机营养元素引起的水体富营养化问题已有大量研究。种植莲藕、水稻既可以去除氮、磷, 又有很好的经济价值; 香根草是一种高富集氮、磷的水陆两生植物, 通过香根草根系的吸收作用, 可大幅度地去除氮、磷, 它又是一种集原料、饲料、燃料三料于一体的经济植物,在修复污染水环境的同时也具有商业价值; 被制成浮床的大椿草、水芹、水荣草、多花黑麦草等对去除水体中的氮、磷和抑制藻类滋生均有明显的作用。这些植物发达的根系及与根系共生或混生的微生物往往共同对水环境起着净化作用。农药、杀虫剂、多环芳烃、炸药等有机污染物多具有“三致”作用, 有的还可以进入食物链累积, 威胁人体的健康。利用某些植物可以降解、矿化这些污染物为毒性弱的小分子、具有无机物的特性, 修复受污染的水体。水葫芦可以去除水体中的有机磷农药、染料、酚、多环芳烃、甲基对硫磷等有机污染物; 浮萍、伊乐藻对杀虫剂DDT 降解有明显的作用, 金鱼藻、伊乐藻或浮萍可以显著降低地表水中异丙甲草胺浓度; 长春花可用于修复受炸药TN T 污染的地表水;龙葵能有效地降解PCB s。植物通过根系吸收、浓缩和沉淀水体中有毒有害重金属是非常具有吸引力的一种含重金属废水的处理方法, 是目前研究的热点问题。用于修复水体污染物的植物大多是沉水和水面漂浮植物, 其中如绿藻对Cd、Hg、Cu、Pb 的去除率可达80%～ 90%; 水葫芦、水芹菜等植物治理重金属废水也取得了巨大的成功, 它们能在水中长期地吸收Pb、Cu、Cd 等金属, 并可以富集砷, 使体内砷的含量达到水中砷浓度的几十倍。黑麦草对黄金废水不仅有很强的净化能力, 而且也具有很高的富集功能, 其根部的含金量最高可达784 göt (干重) 。植物种苗对水中重金属的去除作用比植物根的去除作用更强, 利用植物种苗去除水中重金属被称为种苗过滤, 是修复含重金属

废水发展的新方向。渠荣遴等人研究了玉米、豌豆、蓖麻和向日葵等作物种苗对水体中Zn、Pb、Cu 的去除作用, 结果表明:蓖麻对Zn 的积累最高, 达3010m gög; 向日葵对Pb 的积累最高, 达9116m gög; 向日葵对Cu 的积累最高, 达2413 m gög, 其茎、叶中也有一定量的铜积累。因而, 选择合适的一些传统作物种苗进行环境水体中重金属污染的植物修复具有良好的应用前景。

土壤中的污染物主要为有机物如有机农药、石油类(TPH)、酚类、氯溴代有机化合物等和重金属等。植物修复有机污染物的方式主要以植物固定、植物降解为主。有机污染物的植物修复技术最初用于清除军用物资如TN T , 但现在已被用在许多方面。紫花苜蓿, 黑麦草, 小蓝茎草已成功地用于土壤中PAH s 的修复,在6 个月内可以将PAH s 总量降低57% 。银合欢可以吸收和代谢二溴甲烷、三氯乙烯; 转基因胡萝卜根须中聚集的苯酚浓度可达1 000 mmo löL , 氯酚50 mmo löL , 在120 h 内可降解90% 以上的苯酚类化合物,研究表明根须中的过氧化酶可以促进这些物质的代谢[ 18 ]; 在黑麦与大豆轮作的地块上TPH 消失量显著高于无植被的地块; 植物还能降解杀虫剂和除草剂, 桑科植物及蔷薇科植物的根系分泌物能促进PCB 降解菌的生长。柳树、鹅掌揪、落羽松、掸木及栋属植物都能有效地降解除草剂灭草松[ 1 ]。土壤中重金属污染具有难于生物降解、毒性大和相对稳定的特点, 是影响生态系统安全的一类重要污染物质。其中尤以Pb,Cd, Cu、Hg、Zn 等及其复合污染为突出。植物修复主要是选用超富集植物通过根系吸收固定这些重金属, 并转移到地面部分, 可采用收割的方式去除土壤中重金属。宝山堇菜是一种Cd 超富集植物, 它不仅可以超量吸收Cd, 而且可以从地下向地上部位有效输送。蜈蚣草不仅有较强的耐受和富集Sn的能力, 同时也具有较强的耐Pb、Zn 的能力, 对低浓度的Cu 也具有一定的耐性, 而且具有生长速度快和生物量大的特点, 通过野外调查发现, 蜈蚣草具有较高修复Sn 污染表土的能力。印度芥菜对Zn 和Cd 有较好的忍耐和富集能力, 通过改善植物生长条件等措施可以大幅度提高其富集能力, 是有潜力的Zn、Cd 污染土壤的修复植物。

与传统的修复技术相比, 植物修复是一种容易接受、成本低、技术要求低的修复方法,