油污土壤的植物修复及其非微生物强化措施研究进展

王 建,祁迎春,何 娜,宫诗雅,高思琪,张 腾

(延安大学 石油工程与环境工程学院，陕西 延安 716000)

石油是目前世界上主要的能源来源，它的大量开采和加工会导致环境事故和含油废水、废物排放的增加。由于石油烃具有疏水性和缓慢的生物降解过程，可以在环境中长期存在，其毒性对陆生和水生生态系统都会产生负面影响，并能够随着食物链进入动物和人体，具有致癌作用，因此在世界各地受到高度关注[1～2]。

石油污染土壤的修复不仅需要去除污染物以保障农产品质量安全，还需要恢复土壤的物理、化学和生物属性，保障农作物正常生长和土壤生态环境。传统去除土壤中石油污染物的物理和化学方法会破坏污染场地的理化性质，甚至会造成环境的二次污染，且不适用于修复大面积轻度污染土壤[3]。基本上难以应用和奏效破坏环境、成本高和公众接受度差的缺点。生物方法包括微生物修复和植物修复，具有生态、经济、美观等优点，已成为石油污染土壤修复的一种有前景的替代方法。

单独应用植物修复耗时较长且修复效率较低，为了缩短土壤修复时间，提高修复效率，植物修复可以与各种强化措施相结合进行联合修复。油污土壤的植物修复技术及各种强化措施的研究，对石油污染土壤的植物修复技术的发展具有重要意义。通过合理适宜的植物与微生物组合和添加适宜的土壤改良剂，可以提高植物修复的综合修复效率[4]。笔者简要总结近期石油污染土壤的修复植物筛选及应用添加无机和有机土壤改良剂强化措施进行石油污染土壤植物修复的研究进展。

1 修复植物筛选

植物修复技术是通过植物提取、植物挥发、植物稳定、植物转化和根际修复等多种植物过程去除土壤中的石油烃污染物[5]。随着土壤中烃类污染物含量的增加，植物受到的毒害会通过各种生理指标表现出来，直至不能生长甚至短时间内枯死。不同浓度原油污染土壤对紫锥菊影响研究表明，1%和2%的原油污染处理没有观察到开花，随着原油浓度的增加，总叶绿素、蛋白质、抗氧化能力等生理参数显著降低，而叶花青素、电解质渗漏、丙二醛、脯氨酸、总碳水化合物等其他参数均增加[6]。笔者课题组[7]研究了陕北黄土区土壤石油污染物对玉米种子出苗率和幼苗生长的影响结果表明，玉米的出苗率抗石油污染物抑制作用较强，株高、茎宽、生物量和叶片叶绿素浓度随着石油浓度的增加受到一定程度的抑制作用。因此，用来修复油污土壤的植物必须对油污土壤有较强耐受性，且有较大的生物量。目前，多种植物被尝试用来修复油污土壤，包括野生禾本科杂草[8～12]、豆科植物[8～13]、农作物[7～14]、观赏植物[15]、灌木[8～11]和乔木[13]等。

不同的植物去除石油烃的机制不尽相同。近期的一项研究表明，鸭跖草和莲子草对碳氢化合物进行了根际降解和的植物提取，而狗牙根只进行了根际降解[16]。Arias-Trinidad等[12]利用李氏禾(Leersia hexandra)对受新油和风化油污染的土壤进行植物修复的研究结果表明，在热带内涝环境中，李氏禾根际能够促进固氮细菌生物量、植物生物量和污染土壤(含新鲜和风化石油)的植物修复。即使是亲缘关系相近的修复植物其修复机制也存在差异。两种苜蓿的田间比较研究[13]表明，黄花苜蓿(Medicago Falcata L.)和紫花苜蓿(Medicago Sativa L.)对土壤石油烃的抗性相似，其根际污染物浓度比周围土壤低30%。两种植物对土壤微生物总量的刺激作用相同，但紫花苜蓿根区的碳氢氧化微生物(包括多环芳烃降解菌)数量较大。反过来，黄花苜蓿提供了一个有利的可用氮平衡。两种苜蓿都能同样刺激土壤的脱氢酶和过氧化物酶活性，而黄花苜蓿增加了土壤多酚氧化酶的活性，但降低了过氧化氢酶的活性。黄花苜蓿根组织过氧化氢酶、抗坏血酸氧化酶和酪氨酸酶活性高于黄花苜蓿。两种植物根的过氧化物酶活性相似，但紫花苜蓿和黄苜蓿根提取物的过氧化物酶谱存在一定差异。

紫松果菊对PAHs污染土壤的修复效能研究结果[17]表明，紫松果菊对PAHs污染土壤具有较强的耐性，在PAHs总浓度为183.60 mg·kg-1时，紫松果菊对土壤中4种PAHs的去除率分别为66.2%、70.3%、40.6%和65.4%。相关性分析发现，PAHs的去除率与地下生物量的相关性更好，说明植物地下生物量对多环芳烃去除率影响较大。

在筛选修复植物的过程中，也需要考虑植物对环境的需求，具有相当水平石油去除能力的植物中对环境条件要求低的更具优势。研究表明，尽管黑麦草对TPH的去除率最高为47%，但无花果对TPH的去除率最高为46%，但由于无花果对水的需求量低，生长速度快，因此在修复被碳氢化合物和/或重金属污染的土壤方面更适合[18]。污染土壤上野生黑莓植物根系中各多环芳烃化合物的积累水平不同，最多的是苯并[a]芘[19]。

钻屑中往往含有石油类、硫化物、金属Cr、Zn、Cd和Mn等[20]。不同草种对钻屑和原油在种子萌发和5叶期的耐量水平研究表明，一年生黑麦草(Lolium multiflorum lam.)和大麦(Hordeum vulgare L.)的钻屑碳氢化合物还原率最高，而黄狐尾和一年生黑麦草的原油污染碳氢化合物还原率最高[21]。

在中试条件下，对金属和石油烃共污染土壤的植物修复研究[22]表明，单一培养的苜蓿降低了污染土壤渗滤液的电导率、有机碳和铜的总浓度，而pH和溶解氧增加。与单独种植紫花苜蓿相比，紫花苜蓿与向日葵互作修复对土壤中无机污染物的提取、中分子量和高分子量PAH(瑞典环境保护局，2009)的降解没有影响，对C10-C40的多环芳烃和低分子量PAH的降解效率也较低。共栽降低了茎和根中铅的浓度。5个月后土壤的剩余生态毒性表明，互作对紫花苜蓿茎的干物质量有正向影响。

土壤中的易降解烃类污染物会先被去除，因此对于新污染土壤，植物修复的第一个生长周期往往修复效率较高。例如棉花[23]、高粱和大麦[24]等。而修复污染土壤至不危害植物生长，凭借单独的植物修复往往需要几年的时间。以大豆修复被植物油和矿物油污染的土壤的研究结果表明，分别连续进行至少7个和9个120 d的大豆生长周期，才可以使污染不再危害大豆的生长[25]。

2 添加营养物质

通常情况，受污染土壤的肥力状况较低，添加营养物质可以使微生物和植物充分生长，有利于污染物的去除。尽管如此，但在植物修复时添加的营养物质必须达到一定的量是才会显著促进烃类污染物的去除。Palmroth等[12]研究发现，每千克土壤添加NPK复合肥50 mg(含16.6% N，4% P和25.3% K)或生物废物堆肥提取液10 mL(TOC为700 mg·L-1)均不能显著增加乔木、混合草或混合豆科植物修复土壤中柴油的去除率。Merkl等[26]推荐在营养不良的砂壤土中用B.Brizantha进行植物修复时最佳施肥量是每千克土壤施用600 mg N/P/K。笔者课题组[27]为研究石油烃降解过程中土壤营养物质的供给平衡，设置石油浓度为20 g·kg-1的污染土壤并加入不同比例的N和P的营养物质，分析陕北土壤石油烃降解过程中的养分变化状况。结果发现，当C ∶N ∶P=100 ∶10 ∶1并结合翻耕措施时土壤中C、N、P的含量降低的幅度最大，并且石油烃的降解率达最高。同时，施肥和翻耕可以显著提高土壤石油烃的降解率。王艳杰等[28]研究表明，在石油污染土壤中添加营养物与玉米秸秆碎屑或玉米秸秆生物炭获生物炭能提高土壤中微生物数量，其中生物炭与营养物联合处理组效果最佳。添加玉米秸秆碎屑和生物炭能够显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，并提高土壤田间持水量。疏松生物质材料与营养物联合施用可以显著促进总石油烃和不同组分烃类物质的降解。土壤孔隙度和总氮可提高微生物的数量，进而增加对石油烃类化合物的去除能力。

Cartmill等[29]描述了施用控释肥料(CRF)通过促进光合作用、叶绿素含量和碳氢化合物污染土壤中的细菌数量来克服生长障碍。Fu等[30]研究了用苜蓿和有机肥去除老化污染土壤中选定的多环芳烃。与未施肥和未施肥处理相比，有机肥提高了11.6%的多环芳烃耗散。Basumatary等[31]研究了短叶茳芏[Cyperus brevifolius (Rottb.) Hassk]对含有8%(w/w)原油的污染土壤中总油脂(Total oil and grease，TOG)降解的影响，结果表明，短叶茳芏在含化肥的原油污染土壤和不含化肥的原油污染土壤中可分别降低TOG含量的86.2%和61.2%。在未种植的处理中，TOG含量在含化肥和不含化肥的原油污染土壤中分别降低了13.7%，和12.5%。种植短叶茳芏的处理的TOG生物降解率显著高于未种植植物的处理。

3 堆肥

Abioye等[32]以2.5%和1%废润滑油为污染源，分别添加5%(w/w)的有机废弃物(香蕉皮、啤酒厂废谷粒和废蘑菇堆肥)在自然条件下用植物大麻槿(Hibiscus cannabinus)进行为期90 d的修复研究。结果在污染水平2.5%和1%的土壤中废润滑油分别最高(啤酒厂废谷粒堆肥+植物修复)去除了86.4%和91.8%，而未进行修复处理的土壤分别去除了52.5%和58.9%。试验结束时，发现该植物未从土壤中积累碳氢化合物，但在根和茎中有明显的铁和锌(来源于废润滑油)积累。然而，堆肥与植物修复相结合不一定会提高的单独植物修复对TPH的降解率。Escobar-Alvarado[33]探讨了植物修复与堆肥结合对废机油和铅污染土壤中烃类降解效率和铅溶解度的影响。此研究先向污染土壤中加入仙人掌果(Opuntia ficus indica)和庭院修剪下的草进行堆肥处理，然后使用紫花苜蓿(Medicago sativa)进行植物修复。经过9周的堆肥过程，仅去除了初始TPH浓度的13%，在随后的20周的植物修复过程去除了48%的TPH。而在单独进行植物修复时，TPH降解率最高，达到66%。推测由于堆肥的不稳定性，不仅没有为土壤提供养分和更好的环境条件，反而影响了修复植物的生长。

Asemoloye等[34]以黑油烃污染土壤为研究对象，研究了废弃蘑菇堆肥对黑油烃污染土壤植物修复的影响及其对修复植物大黍(Megathyrsus maximus)生长的影响。尽管单独种植(对照)降低了土壤重金属和多环芳烃含量，但经废弃蘑菇堆肥处理后降解率进一步提高，同时提高了植物修复效率、植物质量和潜在光合速率。Reddy等[35]对重金属和多环芳烃污染的渣场的本地牧草与土壤堆肥改良剂结合的植物修复进行了三年实地调查。结果表明，在植物根系和枝条样本中发现污染物浓度低于检测限，表明植物对污染物的吸收不明显。土壤中多环芳烃由于根际降解而浓度降低，重金属浓度虽然没有明显下降，但被有效固定。Dariusz等[36]以能源作物(魔芋和油菜)为研究对象，结合肥料和堆肥，辅以添加纳米二氧化硅，对植物修复技术的效率和经济潜力进行了评价。研究数据表明，基于能源作物利用的方法，既可以去除危险污染物，又能生产可移动能源，是一种值得推荐的可持续重污染土壤修复方法。种植魔芋结合堆肥和纳米二氧化硅的混合施肥，获得了同时对多环芳烃去除效率和生物产量的最佳效果。

Hussain等[37]用生物炭(5%v/v)、堆肥(5%v/v)和接种碳氢化合物降解细菌对加标原油污染(3.4%，w/w)土壤中碳氢化合物进行意大利黑麦草修复。结果表明，修复75 d后，混合使用堆肥、生物炭和细菌作为联合土壤改良剂，可以通过加强植物根际效应来有效去除总石油烃，从而提高黑麦草的根际调节潜力，脱烃率最高可达到85%。Saum等[38]比较了生物炭、植物(Mesquite tree seedlings)、堆肥和这些处理的组合对污染土壤中石油的生物降解速率和石油降解细菌的种群数量的影响。除了与生物炭联合修复，植物的存在显著地增强了其他所有处理中的石油降解。种植植物结合堆肥改良的的土壤中，油的降解程度最大(轻烃组分的44%)。生物炭会减少石油降解群落的种群规模，在石油污染土壤中添加生物炭并不能提高土壤的生物修复率。相比之下，使用植物和添加堆肥相结合是非常有效的生物修复技术。

4 添加生物表面活性剂

生物表面活性剂是细胞外排出的两亲性化合物，含有疏水和亲水部分，使它们在生物体的液相之间积累，从而降低表面和界面张力。施用生物表面活性剂是一种绿色污染土壤处理技术。Almansoory等[39]评估了生物表面活性剂在汽油污染土壤植物修复中的应用潜力，并将其与烃降解细菌、十二烷基硫酸钠和细菌培养上清液等添加剂进行比较。结果表明，生物表面活性剂对TPH的去除率为93.5%，而烃降解细菌、十二烷基硫酸钠和细菌培养上清液对TPH的去除率分别为85.4%、86.3%和70.3%。因此，生物表面活性剂可以提高植物修复技术在土壤处理方面的性能。

Liao等[40]在盆栽试验中，采用两种生物表面活性剂(鼠李糖脂和大豆卵磷脂)和一种合成表面活性剂(吐温80)促进玉米对原油污染土壤的植物修复。结果表明，这些表面活性剂对玉米生物量没有明显影响，但对玉米叶片叶绿素荧光有抑制作用。鼠李糖脂和大豆卵磷脂增强了土壤微生物种群，从而增加了石油总烃的去除量，其中饱和烃是原油中石油烃含量下降的主要组分。此外，所有选择的表面活性剂处理都能抑制玉米叶片中多环芳香烃的积累，但通过鼠李糖脂质和吐温80处理可以促进玉米根系中多环芳香烃的积累。

5 小结与展望

植物修复技术已成为石油污染土壤最有应用前景的修复方法。然而，修复耗时长是限制其实际应用的关键性缺陷。限制石油烃污染土壤植物修复效率的原因主要有两个方面，一方面，石油污染物通过影响四大肥力因素(养分因素、物理因素、化学因素、生物因素)降低了土壤肥力水平，另一方面石油污染物对植物具有毒害作用。在植物修复过程中，要想有效去除石油污染物，必须有效地恢复土壤肥力。土壤肥力是土壤的物理、化学和生物特征的综合表现。因此，修复石油污染土壤必须采用综合方法，即同时影响污染土壤的养分因素、物理因素、化学因素和生物因素。目前对单个肥力因素与石油烃去除效率之间的关系研究较多，但同时对四个肥力因素与石油烃去除效率之间的关系研究较少。石油烃对土壤的污染，实际上是破坏了土壤的自然肥力，在自然肥力短时间无法恢复的情况下，只能通过人工肥力进行弥补。即通过耕作、施肥、灌溉、土壤改良等人为因素改善土壤肥力。未来的研究重点是在采取综合强化措施，同时改善四大肥力因素，并建立污染土壤肥力因素测定诊断-修复措施选择-修复效果预测之间的关系。