二氧化碳浓度升高对植物修复土壤污染的影响

赵义武，刘 宁

（北京轩昂环保科技股份有限公司，北京 100029）

土壤污染是当今全球污染最严重的问题之一。随着人类对土地资源的开发利用，大量有毒有害污染物质进入土壤，超出了土壤自净的范围，最终导致土壤污染。导致土壤污染的原因主要有：1）工业废料的排放，如有害气体、化学品、农药、化肥和杀虫剂等；2）事故导致的污染物排放；3）固体废物在填埋后部分有毒有害物质的泄漏等。土壤主要污染物包括有机和无机污染物。有机污染物包括多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、洗涤剂和杀虫剂等。无机污染物包括硝酸盐、磷酸盐，重金属和放射性元素等。

严重的土壤污染会导致：1）土壤肥力下降，从而降低土壤中作物产量；2）土壤的污染物通常具有滞留性，会对土壤造成长期污染；3）污染土壤不易生长植物，导致资源的浪费；4）污染物会造成土壤结构改变，导致许多重要生物死亡；5）土壤污染间接影响了人类的健康；6）土壤污染物可通过渗入或通过地表径流导致水源和地下水污染；7）土壤污染也会产生挥发性污染物导致大气污染。

土壤的修复方式包括原位修复和异位修复。土壤的有机污染修复的方法通常包括物理、化学、生物以及生物-植物联合的修复方法。去除土壤中有机污染物最常采用的是生物修复的方法。由于微生物本身的特性，使得生物修复过程对外界的环境要求较高。相对于其他的修复方法，植物修复方法要更困难、更复杂一些，这是因为在修复过程中，有机污染物在植物体的存在形式比较复杂，且有机污染在植物体内的中间代谢产物的形态也比较复杂。但植物修复因其具有非破坏型的修复方式和运行成本较低、操作简便且对环境不会造成二次污染的特点，因而采用植物修复污染土壤是一种绿色的修复方式，也越来越受到国内外环保工作者的重视。

1 植物修复土壤有机污染的机制

1.1 植物提取

植物提取是指污染物通过根部富集进入到植物体内，然后转移到植物的其他部分，在转移过程中污染物本身的形态和性质没有发生改变。有机污染物进入植物体内后，通过木质部在植物体内进行转移，大部分有机污染物会在植物生长代谢的过程中被转化成植物自身所需的物质而储存在植物体内；部分污染物会通过植物的蒸腾作用从叶片挥发到空气中；极小部分的污染物会被植物完全降解，最终转化成CO2和H2O。环境中大多数的单环芳香碳氢化合物及有机溶剂都是通过植物的矿化作用达到降解的目的，从而从环境中去除。

Sung等研究表明，污染物的辛醇和水分配系数比值（logKow）直接影响植物去除有机污染物的效果。中等的亲水性有机污染物（logKow为0.5～3.0）可以较容易地进入植物体内，在植物体内通过木质部进行转移然后转化成无毒的产物，然后被植物利用，储存在植物体内；而疏水有机化合物（logKow＞3.0）往往不易进入植物体内，通常只是被根表吸附；易溶于水的有机物（logKow＜0.5）不易吸附在植物的根表，很容易进入植物体内。

影响植物吸收有机污染物的因素很多，要达到较高的去除效率就必须从土壤自身的环境、污染物性质以及植物的种类这三方面入手，进行深入的研究。

1.2 根际酶的降解

植物可以向土壤中释放大量的有机污染物的降解酶，但这些酶的活性具有一定的限制时间，在存活性时间内的酶可以对土壤中的有机污染物起到降解作用。同时酶对周围的环境要求较高，金属浓度过高、酸度不适宜以及毒素的存在都会导致酶的失活，从而失去降解污染物的作用。

有研究指出，三硝基苯酚的降解率受硝基还原酶的影响十分显著，在硝基还原酶存在的情况下，其降解效率显著提升；过氧化氢酶的存在显著增加了PCBs的降解效果；在脱卤素酶的作用下，TCE（三氯乙烯）的去除效果明显得到了改善；去氯代酶的作用使得含氯溶剂可以转化为氯离子。研究证实，植物根系分泌物中包含的酸性磷酸酶、真菌及细菌产生的相应的磷酸酶对有机磷的去除具有显著效果。有研究指出，通过筛选找到分泌具有特异性酶的植物，可以修复土壤中的某类有机污染物。

植物的根部区域含有丰富的营养物质和能源，是植物根际区域微生物或力和代谢能力的源泉，这些能源和营养物质部分是通过根系产生的分泌物提供的，这些分泌物对提高微生物的活力、降解有机污染物具有有效的促进作用。Godsy等研究表明棉白杨根系分泌物可以促进氯乙烯降解。Yoshitomi等研究表明，土壤中的芘在植物根系分泌物的作用下，降解效果得到了有效改善；对微生物降解情况的研究发现，植物根系分泌物也有效增加了微生物对芘的降解率。通过竞争的方式减少有机污染物与土壤颗粒的结合点位，可以有效减少污染物在土壤中的残留情况。植物根系释放的分泌物有时就可以充当这种竞争的角色，有时还可以充当表面活性剂，有效缓解污染物在土壤中的溶解，从而提高污染物在土壤中的去除率。

1.3 根际微生物的降解

在植物修复土壤有机物污染的过程中，植物根部的污染物的降解效果最好，这与植物根际的微生物种类繁多且具有较高的活性有关。微生物的降解作用是有机污染物降解的主要方式，有机农药的充分降解就是污染物本身被氧化生成二氧化碳和水的过程。有机农药为微生物的新陈代谢和增值提供了丰富的营养物质和能源。这个过程主要是依靠微生物分泌的专一酶进行的，所以影响微生物活性的因素都会影响土壤中有机污染物的降解速率。土壤中生物降解的速度取决于4个变量，即：农药及其代谢物的生物利用率、微生物的生理状态、农药降解菌在污染现场的生长和增殖及微生物的种群上限。Nichols等发现植物根际的微生物数量显著增加，同时土壤中污染物的降解效率也显著提高。张建等研究表明，酞酸酯类的降解主要是通过土壤中的微生物作用实现的。

在降解污染物的过程中，植物根际微生物的生物量和代谢能力都明显优于植物的非根际，降解效果也明显高于非根际，这主要是因为根系分泌物为根际区域的微生物提供了丰富的能量和营养物质。Reilley等研究结果表明，根际区域微生物数量的变化直接影响了多环芳烃的降解效率，数量增大，降解效率提高。

2 土壤污染植物修复的强化措施

2.1 接种AM真菌

菌根（Mycorrhiza或Mycorrhizae）是指真菌与植物根系形成的共生体。能够侵染植物根系形成菌根的真菌叫菌根真菌（Mycorrhizal fungus）。形成菌根的植物被称为菌根（Mycorrhizal plant）或寄主植物（Host plant），不能形成菌根的植物被称作非菌根植物（non-mycorrhizal plant）或非寄主植物（non-host plant）。丛枝菌根真菌能够与大部分陆生高等植物（＞80%）形成互惠共生体，是最普遍、最古老的植物促生菌之一。菌根侵染宿主植物后可以产生大量的外生菌丝，这些外生菌丝可以有效地改善植物根部周围的土壤环境，帮助植物吸收更多的营养物质。大量的外生菌丝存在于土壤中，可以改善土壤质量，为植物生存提供更好的环境。

大量研究表明，接种AMF（丛枝菌根真菌）的植物对于外界的抵抗性都好于未接种的植物。孙铁珩等进行了种植苜蓿（Medicago sativa）并接种真菌（Glomus caledonium）对土壤中PAHs的植物修复研究，结果表明接种真菌（Glomus caledonium）后修复效果明显提高。刘世亮等研究表明， 苯并（a）芘B[a]P起始浓度为1mg/kg、10mg/kg和100mg/kg时，90d后在种植紫花苜蓿（Medicago sativa） 并接种菌根真菌（Glomus caledonium）土壤中B[a]P的降解率分别达86.2%、86.6%、57.0%，而不接种AMF的对照土壤中B[a]P降解率则为75.9%、77.7%、53.4%。Joner研究了丛枝菌根真菌Glomus mosseae BEG69接种的三叶草和黑麦草修复多环芳烃污染的土壤。16周后，接种后降解率为66%，高于未接菌（56%）。Joner和Leyval利用丛枝菌根修复不同浓度多环芳烃污染土壤，26周，接种菌根土壤中剩余浓度为222mg/kg，未接菌的为275mg/kg。

2.2 增施表面活性剂

有机污染物进入土壤后可与土壤的成分发生吸附或固定作用。水溶性的高低会影响植物对污染物的吸收累积和降解的作用。水溶性较低的污染物不易被植物吸收累积，达不到降解的目的，而疏水性的污染物则不易被植物和微生物利用，这就降低了污染物的降解效果。表面活性剂可以增加有机污染物的水溶性，通过向土壤中添加表面活性剂，可以提高植物和微生物对有机污染物的降解效果。不同的表面活性剂以及不同土壤类型对有机污染物的洗脱效果都会产生影响，除此之外污染物的性质也是不可忽略的因素。高士祥等研究了表面活性剂对土壤中污染物的洗脱效果影响时得出十二烷基本磺酸钠溶液对土壤中苯酚、硝基苯的洗脱率分别达93.97%和78.74%。单一的表面活性剂增溶速率较低，而且容易受吸附和沉淀作用的影响，降低其增溶的效果，如果大量使用容易造成成本较高并会带来污染。几种表面活性剂的相互协同作用可以增加有机污染物的可溶性，这可有效改善单一表面活性剂的弊端。

2.3 转基因植物

为了改善植物修复有机物污染土壤的能力，利用基因工程手段对植物进行改造，可以培育出对污染物有高效降解作用的植物。例如从细菌、真菌、动物中分离出能降解有机污染物的基因，将其转化到目标植物中。转基因植物因其具有更好的抗性和累积能力，能更好地修复污染土壤。利用转基因植物修复污染土壤，已经逐渐受到各国科研人员的注意。

目前已有很多研究将基因转接到植物中，2006年Rylott等在植物中导入降解环三甲基三硝胺（RDX）的基因，增强了植物对RDX的抗性，导入基因后植物的生长明显优于野生植物。Kawahigashi等将三种基因（CYP1A1、CYP2B6、CYP2C19）同时导入水稻中，研究发现转基因水稻对除草剂的降解效果明显提升。Doty等证明：将携带细胞色素P4502E1的基因导入烟草中，这种转基因烟草对二溴乙烷有显著的去除效果，而且降解三氯乙烯的效率增加了640倍。Limura等人通过向植物中导入锰过氧化氢酶达到修复五氯苯酚的目的，取得了较好的效果。通过向植物转入具有降解效果的功能性基因，可达到有效降解有机污染物的效果，这种将基因工程与植物修复相结合的手段，将是未来的发展方向，具有十分广阔的发展前景。

3 增施二氧化碳强化植物修复的可行性分析

随着世界经济的迅猛发展，能源消耗量持续增长，二氧化碳的排放量逐年增加，如何降低这些二氧化碳的排放已经成为国内外研究关注的重点。二氧化碳作为植物光合作用的必须因子，植物的生长必然会对其浓度的升高产生积极响应，从而影响植物的地上地下生理过程，为强化土壤污染的植物修复提供可能，具体表现在以下几个方面。

3.1 二氧化碳浓度升高对植物生物量的影响

植物的形态会随着二氧化碳浓度的升高而发生一定的变化。汪杏芬等研究发现，植物根系的表面积对二氧化碳浓度的升高会作出积极的响应，但由于不同植物的结构不同，导致结果会存在一定的差异。一些植物如大豆等根茎比成倍增加，其结构发生变化主要是对二氧化碳浓度升高的响应，有利于植物在外界的胁迫下吸收更多的营养物质。不同类型的植物对二氧化碳浓度升高的表现存在差异，C3植物对二氧化碳浓度的响应比C4植物显著。这是因为植物的种类存在差别，从而对二氧化碳浓度升高也会产生不同的响应：C3植物叶片厚度增加的效果明显强于C4植物。王春乙等发现二氧化碳浓度升高对玉米等C4作物的株高影响并不显著，而有研究表明在高浓度二氧化碳水平下，大豆等C3植物株高在不同生育时期都有较大增长。

此外，花的发育对二氧化碳的浓度变化也会产生一定响应。有研究发现，在二氧化碳浓度倍增至更高的情况下，大多数植物的开花数量、花的干重都有所增加。在高浓度二氧化碳下，植物细根的生长时序和空间分布会发生显著的变化。Thomas等对辐射松（Pinus radiata）进行2年的CO2浓度升高处理后的研究发现，与正常情况相比，高浓度二氧化碳使得植物细根更早出现。同样，在对黄松（Pinus ponderosa）近2年的研究中也发现，高浓度二氧化碳处理下，0.3m深处植物根的生长较早，而常态下的植物根生长明显晚于处理过的。可见，高浓度二氧化碳会促进植物的根较早生长。

3.2 二氧化碳浓度升高对植物光合作用的影响

二氧化碳做为植物光合作用过程最重要的物质，其浓度升高将直接影响光合作用的变化。二氧化碳浓度升高使得C3植物的光合速率和净光合生产力提高；C4植物则对CO2浓度升高未表现出十分显著的变化。这是由于C4植物在正常大气CO2浓度下所需的二氧化碳已经满足了光合作用所需，所以C4植物对二氧化碳浓度升高的响应没有C3植物明显。CO2浓度升高可能增加了CO2占有Rubisco酶结合位点，抑制植物的呼吸作用，从而提高了植物的净光合效率。王春乙等研究表明，CO2浓度增加使得C3作物比C4作物的光合速率增长得快，且C3植物的光合时间也比C4植物长，光补偿点C3植物下降的也较为明显。

Acock等指出，在较短时间内对暴露在高浓度CO2下的叶子的光合速率有提高作用，而时间过长就会对植物光合作用产生一定的抑制作用。Gunderson等也发现，长时间暴露在高浓度CO2下会抑制植物光合作用，并称这种现象为对CO2的光合适应现象。植物光合作用因其的种类、生长环境及生长阶段的不同，对高浓度CO2的响应也存在区别，除此之外，其他的环境因素也会产生相应的影响。

3.3 二氧化碳浓度升高对植物抗逆性的影响

植物的抗逆性可以使植物抵抗外界环境的不利因素，如抗寒性、抗旱性、抗盐性等。抗氧化系统也是植物对逆境胁迫的一种防御机制，抗氧化能力受植物本身性质及周围环境因素的影响。高浓度二氧化碳下云杉、火炬松和橡树的超氧化物歧化酶（SOD）活性下降，而烟草和小麦未受影响，云杉和烟草的过氧化氢酶（CAT）活性下降，但桔树、橡树、松树的CAT活性并未受到影响。Pritchard等的研究表明，增施CO2条件下两种不同基因的植物的抗氧化酶、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽过氧化物酶活性都有所下降。

二氧化碳浓度升高能提高植物抗盐的胁迫能力。NaCl会抑制冬小麦生长，而高浓度二氧化碳促进其生长；NaCl会降低植物叶片中叶绿素的含量，而二氧化碳浓度升高可促进其含量增加，这表明二氧化碳浓度升高可以增强植物的抗盐性。

3.4 二氧化碳浓度升高对根际微生物的影响

土壤微生物对生态系统的影响受到碳源的限制，二氧化碳浓度升高将给植物根际微生物带来丰富的营养物质，从而提高土壤中微生物的活性。大气二氧化碳浓度的升高直接影响植物的光合作用和分泌物，从而影响土壤微生物可利用的物质达到影响土壤中微生物的效果。大气二氧化碳浓度的升高对土壤微生物的生物量和微生物活性都产生或多或少的影响。

（1）大气二氧化碳浓度升高对土壤微生物生物量的影响

土壤中的微生物生物量是分解动植物残体和土壤中有机污染物的主要参与者，对土壤性质和植物的生长有着重大的影响，作为重要的生产者参与到整个生态系统的循环当中。Marilley等研究了高浓度CO2下土壤微生物生物量碳、氮以及微生物活性等发现，微生物活性明显增高，生物量也增加。但也有一些研究表明二氧化碳浓度的升高不会对微生物生物量产生影响，甚至有的还得出了相反的结论，Barnard等研究认为CO2浓度升高并未对土壤中微生物的生物量氮产生一定的影响。这有可能与微生物的N源，生活环境等有关，这需要更进一步的研究。

土壤微生物中细菌占大部分，是土壤分解有机物的主要成员，并随着二氧化碳浓度的升高细菌数量不断增加，而真菌数量随二氧化碳浓度的增加变化不明显，可见二氧化碳对土壤中微生物的影响与种类有关。二氧化碳浓度的增加使有些微生物数量增加，有些不变，有些降低，这可能与微生物的呼吸方式、土壤的性质及微生物对营养物质的需求不同有关，更深层次的原因还需大量的实验来探索。但总的来说，一般情况下的土壤微生物生物量随着二氧化碳浓度的升高而增加。

（2）大气二氧化碳浓度升高对土壤微生物活性的影响

大气中的二氧化碳浓度升高，增加了植物可利用碳的量，大约一半的光合产物会通过植物转移至地下，通过根系分泌物运送到土壤中，为根际微生物提供了更多可利用的物质，从而增加了微生物的活性。郭嘉等研究二氧化碳浓度对稻田中微生物的影响表明，二氧化碳浓度升高增加了土壤上层水体中碳源的量，为微生物提供了更多可利用的能源，增加了微生物的生物量和活性。在CO2浓度升高后，白栎的细根数量和菌根有所增加，同时微生物活性也表现出增加的趋势。但有些研究也表明微生物活性不变或下降，Schortemeyer等的研究表明，在大气CO2浓度升高的条件下，胭脂栎植物群落根际微生物活性（ FDA水解） 下降。这可能与不同的植物种类及生存环境的差异及研究的环境、微生物的种类等有关。

土壤的微生物活性很大程度上受植物输入到土壤中的有机底物量的影响，不同的植物也会对土壤中的微生物活性产生不同的影响。

3.5 二氧化碳浓度升高对根系分泌物和酶的影响

植物根系在生长过程中会向土壤中分泌一些物质，这些物质通常具有某种特定的功能。Moorhead等人对阿拉斯加北部在高浓度CO2（680μmol·mol-1） 条件下生长3年的植物原生态系统做了研究，研究表明高浓度的二氧化碳增加了白毛羊胡子草（Eriophorum vaginatum）根的表面和桦木（Betulanana）的菌丝中磷酸酶的活性；并且菌根的外延菌丝中纤维素酶活性也表现出增加的趋势，这些都能增加植物摄取所需物质的能力。相反，Cardon则没有发现CO2浓度升高对裂稃燕麦（Avena barbata）和大麦状雀麦（Bromus hordeaceus）两种植物根系磷酸酶活性产生显著的影响。土壤酶活性是土壤微生物活性的一个重要组成部分，其对环境的变化反应比较敏感。二氧化碳浓度的升高对土壤酶的数量和活性都有影响，不过研究结果并不一致，这可能与研究的环境和酶的种类有关系，但大气二氧化碳浓度的升高使大多数酶数量增加、活性增强。Runion等通过分析土壤磷酸酶发现高浓度CO2条件下根际微生物的整体活性增加了16%。

综上，大量实验表明二氧化碳浓度的升高对多数根系分泌物和酶都有积极的作用，从而增强了土壤的活性和自我修复的能力。

4 展望

相对于其他污染土壤的修复技术，植物修复技术操作简单、无二次污染，并且工程造价较低，但是到目前为止，大规模的实地应用还十分有限。通过上文的分析可以看出，CO2浓度升高影响了土壤有机污染修复的基础和有机污染物降解的途径，这为利用高浓度CO2强化土壤有机污染修复奠定了基础。因此，综上所述，虽然每种处理技术都具有优势，但不可避免地具有局限性。如果将CO2捕集起来并利用其来强化植物修复，不仅可为碳减排提供一种新的思路，而且也可为强化植物修复探索一个新的方向。

目前，国内的植物修复技术的研究与应用尚处在起步阶段，然而我国的土壤污染问题已十分严峻，一些地区的农业污染已经影响到农产品的质量安全，希望今后开展大量的研究使植物修复技术得到广泛的应用。相信随着研究的不断拓展和深入，植物修复技术能够在我国未来的土壤修复过程中发挥重要的作用。

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