环境绿色修复的地球化学基础与相关理论探讨

周启星,唐景春,魏树和

(1.南开大学环境科学与工程学院环境污染过程与基准教育部重点实验室/ 天津市城市环境污染诊断与修复技术工程中心,天津 300350;2.中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016)

随着环境污染问题的日益复杂化,有关环境治理与修复的各种方法和手段也得到快速发展[1-3],特别是在面向生态文明建设的国家重大需求下,环境绿色修复已经成为该领域的技术前沿及今后重点发展的方向。笔者认为,环境绿色修复是指能耗最低、效果最佳、可持续性强的环境治理与修复技术或方法,狭义概念是指生态修复方式。因此,毫无疑问,绿色植物是环境绿色修复的物质基础,尤其是超积累/修复植物的系统筛选与应用以及生态修复实践[2,4-8],尽管植物修复不等同于环境绿色修复。至今,笔者所在课题组在植物修复这项工作上已经取得较大进展,成功筛选了龙葵(Solanumnigrum)、三叶鬼针草(Bidentispilosae)和孔雀草(Tagetespatula)等Cd超积累植物,以及紫茉莉(Mirabilisjalapa)、凤仙花(Impatiensbalsamina)和牵牛花(Pharbitisnil)等石油烃修复植物,并进行较为广泛的应用,还实施了多项生态修复工程。在水专项、大气专项和土壤专项相继启动的背景下,开展环境绿色修复这一前沿技术的深入和系统研究,意义重大。为了使环境绿色修复得到理论上的支撑与指导以及实践方面的正确引导,笔者在对该领域20余年研究工作与应用实践进行总结的基础上,从理论上予以系统阐述与深入探讨。

1 超积累/修复植物筛选的地球化学基础与评判标准

超积累植物(hyperaccumulator,国内许多学者也将其翻译成超富集植物)一词最初是由BROOKS等[9]提出的,当时是指植物茎(以干重计)中Ni含量大于1 000 mg·kg-1的植物,现在多指能超量富集1种或几种重金属或其他元素的植物。之后,由于修复对象扩展到元素以外的化合物特别是有机污染物,“超积累植物”相应扩展到“修复植物”。从BROOKS等发表的这一文献来看,他们提出的“超积累植物”这一概念的理论基础是地球化学,其早期目标是针对矿产资源的寻找及开发利用。实际上,在勘查地球化学或矿床地球化学的研究中,以植物灰分中某些特征性元素含量的高低作为找矿依据,这是地球化学找矿法的基础。这种方法还包括地植物学找矿,即根据植物的科属及其群落的分布与矿化地区的关系,通过利用与矿床有关的特殊植物种属及其形态、颜色等的变异,以指导找矿。例如,“海州香薷”(铜草)常用作找铜矿的标志。可见,从本质上来看,环境绿色修复中超积累/修复植物的筛选,其实就是地球化学找矿,即植物采矿[10],这是有其理论根据的。

自1983年以来,以CHANNY为代表的学者经过大量研究提出了超积累植物评判的临界含量标准和转移特征标准[11-14]。其中,所谓临界含量,一般系指有毒物质(早期主要为有毒元素)胁迫下生物开始表现受害症状时的浓度,在此是指植物地上部重金属或其他元素(或化合物)含量是普通植物在同一生长条件下的100倍,一般界定为植物茎或叶中重金属临界含量:w(Zn)和w(Mn)为 10 000 mg·kg-1,w(Cd)为100 mg·kg-1,w(Au)为1 mg·kg-1,w(Pb)、w(Cu)、w(Ni)、w(Co)和w(As)为1 000 mg·kg-1;而转移特征标准是指植物地上部重金属或其他元素(或化合物)含量大于根部该种物质含量,这正好与大家知道的生态学常识(植物根部吸收积累有毒物质浓度均高于植物茎叶部和籽实)相反。

尽管上述2个评判标准获得的超积累/修复植物具有较大的科学价值,但往往缺乏其实践意义。为了弥补这一缺陷,笔者通过长期观察和实验研究,从理论上提出了超积累/修复植物评判的另外2个标准。

(1)耐性特征标准。此类绿色植物对有毒物质具有较强的耐性能力,至少当环境介质中有毒物质浓度高到足以使其地上部含量达到临界含量时,其地上部生物量与对照相比没有下降。特别是与对照相比,植物地上部生物量没有下降,至少当介质中有毒物质浓度高到足以使植物地上部含量达到超积累/修复植物应达到的临界含量时地上部生物量没有下降这一耐性能力,也应作为超积累/修复植物必不可少的判定标准。这是因为当介质中有毒物质浓度较低时,对于植物来说,均可正常生长,其地上部生物量不下降;但当介质中有毒物质浓度高到一定程度时,许多耐性能力不强的植物生长就会受抑制,这些植物有的尽管能生存下来并完成生活史,但其地上部生物量往往会明显下降,通常表现为植株矮小、叶色变淡或花色变化等生物学特性改变[7,15-16]。但对超积累/修复植物来说,在一定的污染胁迫下,植物地上部生物量没有下降,这可能是植物液泡的区室化作用或其体内某些有机酸对有毒物质的螯合作用消除了对植物生长的抑制而使其具有较强的耐性能力[17-19]。因此,植物地上部生物量没有下降也应是超积累/修复植物区别于耐性能力较弱、非超积累植物的一个显著特征[20]。当然, 理想的超积累植物还应具有生长迅速、生长期短、抗逆境以及抗病虫能力强、地上部生物量大并且能同时富集2种或2种以上有毒物质的特点。

(2)富集系数特征标准。植物地上部富集系数应>1.0,至少当介质中有毒物质浓度达到其超积累植物应达到的临界含量时,其地上部富集系数应>1.0。因为当介质中有毒物质浓度高到超过超积累/修复植物应达到的临界含量标准时,甚至高出几倍的情况下,由于植物对有毒物质的积累有随介质中有毒物质浓度升高而升高的特点[4,21],植物体内积累的有毒物质含量虽可能会达到其应达到的临界含量标准,但当介质中有毒物质浓度略低于超积累/修复植物所应达到的临界含量时,植物对有毒物质的积累可能就难以达到其应达到的临界含量而表现出与非超积累植物相同的特征。或者,至少植物对有毒物质的富集应超过介质中的浓度,才具有实践上的意义。

总之,后2个标准是对已有超积累/修复植物判定标准的补充和完善(表1),是判断超积累/修复植物是否具有实践价值的依据。

表1 超积累/修复植物判定的4个标准

Table 1 The 4 criteria for identifying and determining hyperaccumulation/remediation plants

序号标准定义内涵大多数植物的反应 1临界含量标准植物体吸收、积累有毒物质的能力超强植物地上部(茎或叶)含量是普通植物在同一生长条件下的100倍对有毒物质的吸收与积累有一定范围 2转移特征标准植物体转移(一般是指从根部转移到地上部)有毒物质的能力超强植物地上部含量大于其根部含量植物地上部含量小于其根部含量 3耐性特征标准植物体对有毒物质毒害胁迫的耐性能力超强在一定浓度条件下,生物量不减少,有时反而增加受到毒物胁迫,其生长受抑制,生物量明显下降 4富集系数特征标准植物体从介质中提取或富集有毒物质的能力超强植物体内含量高于根区介质中浓度,即富集系数>1.0植物体吸收的浓度不会超出介质中含量

2 “未污染区也存在超积累/修复植物”的新认识与其筛选的新方法

2.1 “未污染区也存在超积累/修复植物”的新认识

以往,寻找或获取超积累/修复植物都是在地球化学异常区(包括采矿区和污染区)进行的。也就是说,以往报道的超积累/修复植物都是从污染区或采矿区通过实地采样分析方法发现的,因而一般认为超积累/修复植物是污染区或采矿区植物对环境污染长期适应和进化的结果[22],超积累/修复植物只分布在较狭窄的污染区域,这也是超积累/修复植物筛选的重要理论基础之一[23-25]。

从历年的研究结果[4,26-29]来看,污染区植物并非都是超积累/修复植物,绝大多数也不具有超积累植物/修复植物通常具有的地上部有毒物质含量大于根部含量的特点,其地上部有毒物质含量也很难达到超积累/修复植物应达到的临界含量标准。不同植物种之间对有毒物质的积累也存在较大差别,这说明并非所有植物经过对有毒物质长期适应和进化后都能成为超积累/修复植物,有毒物质对植物积累特性的诱导或驯化可能只通过植物本身所固有的某种或某些基因才能起作用,植物对有毒物质的积累特性可能是由植物本身所固有的某些特有基因决定的[30-31]。

由于超积累/修复植物对有毒物质所表现出的超积累或修复特性可能是植物对污染胁迫长期适应与进化的结果[19,22],也可能是植物本身就具有某种或某些特有基因以及相关机制而对有毒物质表现出超积累或修复的特性[20,32],从而也就存在着植物未经有毒物质长期诱导或驯化而其本身就可超积累有毒物质的可能性。在这种意义上,在未污染区也是可以筛选到超积累/修复植物的。

总之,为避免只在污染区寻找超积累/修复植物这一“片面”认识中许多超积累/修复植物易被漏掉及植物种识别困难、采集目标植物不明确等问题,笔者有针对性地提出了“未污染区也存在超积累/修复植物”的新认识。

2.2 未污染区和污染区相互印证的超积累/修复植物筛选的新方法

这一新方法涉及盆栽筛选试验、盆栽浓度梯度确认试验、小区确认试验和现场采集植物送回室内分析测试4个主要环节:首先选择未污染区开展盆栽筛选试验,从中获得超积累/修复特征植物的系统结果[33];在此试验结果基础上,为了进一步了解这些特征植物在田间污染胁迫下对有毒物质的超富集/修复能力,在进行盆栽不同浓度梯度确认试验的同时,进行小区试验;与此同时,在采矿区或污染区实地采集这些目标植物,送回室内按照根部和地上部分别进行相关有毒物质的分析测试;根据分析测试结果进而再依据上述4个超积累植物评判标准,从中筛选出超积累/修复植物。以往的筛选研究,往往不做浓度梯度确认试验或小区试验,这是对以往各种筛选方法的集成创新。

根据这一集成新方法,对未污染区40科160种农田杂草进行盆栽筛选研究,成功发现龙葵(Solanumnigrum)和球果蔊菜〔Rorippaglobosa(Turcz.) Thell.〕等Cd超积累植物[20]。可见,这不仅为我国污染环境的植物修复提供了具有自主知识产权的新材料,而且证实了上述理论的正确性和方法的先进性,这可谓是“超积累植物筛选方法上的突破”。

3 超积累/修复植物形成的环境介质与植物交互作用机制

对于植物生长来说,环境介质中的水是最基本的因素。但在植物与环境介质的交互作用过程中,由于人类生活在陆地上的缘故,人类历史发展足以表明,以土壤-植物交互作用最为深刻(表2),也最具有实践层面上的普遍意义[1]。

表2 超积累/修复植物与环境介质(以土壤为例)的交互作用关系

Table 2 Interactive relationships between hyperaccumulation/remediation plants and environmental media (soil as an example)

介质特性基本描述与植物/作物生长的关系对超积累/修复植物的适宜性 质地与表面积不同粗细矿物颗粒(砾石粒径>2 mm,砂粒粒径为>0.05～2 mm,粉砂粒径为0.002～0.05 mm,黏土粒径<0.002 mm),以及在土体中的组合状况和所有颗粒外面的面积之和土壤过砂或过黏、夹砂夹黏、通体砂、通体黏等,均不利于植物生长最好的土壤一般含有10%～20%的黏土,粉砂和砂粒的量相等,且有机质丰富孔隙与团聚体土粒与土粒,或者团聚体之间以及团聚体内部孔洞壤质土孔隙度为45%～52%,有适量通气孔且有较多毛管孔隙,水气协调,利于植物生长不仅应有适量孔隙,而且大小孔隙比例也要适宜 温度地面以下土壤温度在2～4 ℃条件下开始生长,在10 ℃以上条件下生长比较活跃,超过35 ℃条件下生长受阻有其生长的最适土壤温度,因植物品种不同而有差异;在冬季,土壤保温性能强 颜色土壤反射的那部分可见光的颜色表土颜色越黑,越有利于植物生长黑色或深黑色表土,配以红色或褐色底土层 类型(土壤)土壤自身发生发展以及因人类影响而产生土壤性状质与量的差异黑土、黑钙土、黄棕壤、暗棕壤、褐土、潮土、灌淤土、水稻土和绿洲土等类型,适合植物生长人为培肥的土壤,有利于植物生长

3.1 超积累/修复植物形成的质地特性与表面积机制

以环境介质土壤为例,其质地特性首先反映在矿物颗粒的分级与机械组成上,与其通气、透水供肥、保温导热及耕作的难易程度有密切关系。土壤中的矿物颗粒可按其直径大小分为石砾、砂粒、粉粒和黏粒等若干等级。太粗或太细的颗粒均对植物生长不利。最适合植物生长的土壤颗粒,一般含有10%～20%的黏土,粉砂和砂粒的量相等,且有丰富的有机质。这对超积累/修复植物的生长同样重要,并影响其修复潜能的发挥[1,34]。

一般来说,颗粒直径越大,其表面积就越小。1 g砂粒(颗粒直径为2 mm),其表面积只有11 cm2;1 g黏土(颗粒直径为0.000 2 mm),其表面积可达113 000 cm2。在植物修复过程中,其表面积大小也在一定程度上影响着植物修复效率。资料显示,壤土对绿色植物生长最为合适。也就是说,具有一定表面积的土壤,对超积累/修复植物清除有毒物质具有最大效能[5,30]。在比较砂粒、粉砂和黏土等时,重要的是要注意这些粒度组表面积的相对量[35]。

3.2 超积累/修复植物形成的孔隙与团聚体机制

以土壤介质为例,孔隙是指土壤中大小不等、弯弯曲曲、形状各异的各种孔洞,单位土壤容积内孔隙所占的百分数,称为土壤孔隙度。土壤孔隙是植物根系伸展以及土壤动物、微生物活动之处。土壤体系中孔隙的数量和质量,影响土壤、水、气、热等诸因素,所以,为了满足植物对水分和空气等的需要,有利于根系的伸展与活动,要求土壤尤其是土壤耕层不仅应有适量的孔隙,而且大小孔隙比例也要适宜[1,35]。在植物修复过程中,土壤孔隙在一定程度上影响植物修复效率。在大雨之后,大孔可以排出水并被空气填充,起到曝气作用;小毛孔使水抵抗重力,并通过毛细作用将水从地下水中排出,它们是植物供水所必需的。因此,理想的结构包括大小孔隙,其比例应与其提供的植物对水、空气等需求相对应。

团聚体是在植物根系、掘土动物以及干湿交替、冻融交替与土壤耕作等多种作用下形成的直径为0.25～10 mm的结构单位,是土壤中各种物理、化学和生物学机制共同作用的结果[1,36]。它反映了良好的土壤结构体,其特点是多孔性与水稳性。若土壤团聚体较多,超积累/修复植物种子则易于发芽出土,根系易于伸展,出苗整齐,植株易于生长。

3.3 超积累/修复植物形成的温度与颜色机制

温度不仅直接影响超积累/修复植物的生长,还通过影响微生物活性进一步影响其对污染环境的修复潜力[1,24]。资料[37]显示,土温对植物生长的作用与气温同样重要。白天气温高于夜晚,植物在白天的生长效率要高于夜晚。土壤水的冻结与解冻也影响着土壤结构,缓慢和偶尔的冻融可使土壤变得疏松,从而有利于后茬超积累/修复植物的生长发育。在我国北方,尤其在低温季节,维持较高的土温对超积累/修复植物来说具有更大的实践意义。

土壤颜色除了受母质影响外,更多地则是取决于其有机质多寡[25,38]。对于表土来说,其越暗,表明所含有机质就越多,从而可以有更好的聚集和高的保水保肥能力,进而有利于超积累/修复植物的生长发育。对于下层土壤来说,土壤颜色则反映了土壤的湿度和通气条件。一般来说,红色和褐色的底土意味着通风良好,有利于超积累/修复植物根系的生长和底土微生物对有机污染物的降解活动;铁红色、灰色和橄榄色表明含有大量积水和还原性铁,不利于超积累/修复植物的生长和底土微生物的活动[1]。

3.4 超积累/修复植物形成的土壤类型机制

土壤类型也在一定程度上影响着超积累/修复植物的修复效率[5]。如图1所示,土壤从其风化与发育程度上来讲,可分为轻度、中度和强度3种类型,依次为冻土、干旱土、淋溶土和老成土。冻土在寒冷条件下永冻,逐渐成为中度风化土;干旱土在干旱的荒漠中,富含大量盐基;淋溶土由中等水热黏粒累积,多存在于半湿润、湿润的草甸草原上;老成土为高度风化土,富含大量矿物质成分,广泛存在于亚热带森林及热带雨林中。在植物修复过程中,应充分考虑植物的生长习性与土壤类型的匹配度,通过优化,进而充分提高植物修复效率。

图1 按风化和发育程度的土壤分类及其与植物生长的关系Fig.1 The soil taxonomy based on soil weathering and development and its relationships with plant growth

3.5 超积累/修复植物形成的污染解毒与耐性机制

超积累/修复植物的形成,不仅是植物长期进化的结果,也是在污染胁迫下的一种生存策略或临时表现的应急反应[22,26,31,39-40]。任何有毒物质只要进入环境系统,不仅要在物理体系中发生迁移转化,还要在生命体系中经历逐渐放大的过程(图2)。一般来说,进入环境介质的有毒物质,先被绿色植物摄取,进而进入食草动物、食肉动物等,再通过食物链最终被人体所吸收。对超积累/修复植物来说,这主要体现为对有毒物质从环境介质中提取或解毒的过程,这样可大大降低有毒物质对人类的危害,并起到对环境系统的保护作用。

图2 有毒物质在环境系统的基本过程与动态机制Fig.2 Basic processes and dynamic mechanisms of toxic substances in the environmental system

超积累/修复植物形成的污染解毒与耐性机制,可归纳为以下4个方面:(1)在细胞外或细胞壁上沉淀。植物细胞壁是有毒物质进入植物细胞的第一道关卡,细胞壁中的果胶质成分可为有毒物质提供大量交换或吸附位点。研究表明,Pb、Cd、Ni、Zn和Cu等重金属进入植物体后大量沉积在细胞壁上,以此来阻止其进入细胞原生质[20,30],如80%左右的Cd沉淀于Cd超积累植物禾秆蹄盖蕨(Athyriumyokoscense)根尖细胞壁上[41];Zn的超积累植物叶芽鼠耳芥(Arabidopsishalleri)在根表皮细胞壁上主要以磷酸盐沉淀形式来富集重金属[42]。(2)细胞内区域化分布。植物对有毒物质的吸收或提取,还可透过质膜在细胞内累积。当细胞壁结合的有毒物质(离子状态)达饱和后,进入细胞内的大部分有毒物质以离子状态被转运到液泡内储存起来,使其在植物细胞内区室化。由于植物将有毒物质与细胞内其他物质相隔离,进而增强了植物对重金属的耐性能力[28,43]。(3)螯合效应。超积累/修复植物不仅可通过螯合机制加大对有毒物质的吸收和积累,而且能与其进行螯合作用并降低其毒性。已有研究表明,在重金属污染胁迫下,超积累/修复植物根系受刺激后分泌大量有机酸或氨基酸等物质,易与金属离子形成金属螯合物。目前,在植物体内已检测出谷胱甘肽等多种氨基酸金属螯合物,还包括金属硫蛋白(MTs)、类金属硫蛋白(MTs like)和金属植物螯合肽(PCs)以及热急蛋白等[28,44]。(4) 酶系统的作用。在污染胁迫下,超积累/修复植物通过体内多种抗氧化保护酶对氧自由基的清除来达到保护细胞免受伤害的目的。研究表明,矿区内生态型五节芒植物体内超氧化物歧化酶(SOD)活性远高于非矿区内植株,说明在污染场地中植物对有毒物质产生了耐性机制,植物体内的抗氧化保护酶起到作用,从而减轻对植物体的伤害[20,45]。

4 环境修复的生态格局优化与综合强化

4.1 生态组分与生态介质优化

生态组分包括生命组分及其共存的非生命组分。其中,植物、动物和微生物个体及其种群和群落是生命组分,按其生态功能又可分为生产者、消费者和分解者[46]。对生态组分进行优化,就是要通过对生产者、消费者和分解者3大生命组分的协调,调动生产者组分(一般来说就是绿色植物)最大限度地进行光合作用。在污染生态系统中,就是要充分利用超积累/修复植物的“积极性”来消除对环境的污染。以植物、动物和微生物等单一修复主体或联合修复为例,常见的生态组分优化方式有品种选育、引种驯化、菌种筛选、基因改造以及这些方式的联合等。

非生命组分也就是前面所说的环境介质,是指生物生存的生境,包括水、空气、土壤、沉积物等介质和无机盐、有机质、光等生态因子。环境介质优化则是通过优化生态系统中单一或多种非生命组分,并与其中的生命组分进行协调,进而提升生态系统修复潜力的过程。以环境介质土壤为例,土壤中的传质和有毒物质降解过程较为复杂。特别是通过对土壤中胞外产电菌的激发,并能通过导电伞毛相互联接形成庞大的电路,为土壤中补充电子受体提供新的方法[47]。因此,在土壤中植入微生物电化学系统并进行优化[48-49],原位利用土壤中的土著微生物降解有机污染物并产电也具有技术层面的优势。

4.2 分子生态优化

分子生态优化是基于分子水平改善或增强绿色植物对有毒物质的吸收、固定、转化和降解等能力以及与动物和微生物等生态组分的协调性,以提升生态修复对宏观生态与微观环境的修复潜力。分子生态技术的发展,为环境修复领域提供了极为高效的工具和新的视角。以植物的分子生态优化为例,在植物应对铝毒机制的研究中,CHEN等[29]发现绒毛草的启动子顺式突变可以揭示其对铝毒的适应机制,而ART1调控的HlALMT途径则是铝毒胁迫的响应机制。将抗铝基因在对铝敏感的植物中超表达,即可提高植物的抗铝毒能力。

在重金属超积累植物中,也发现一些特异性的重金属转运基因。如TcHMA3是一个能将Cd特异性地转运到液泡里的基因[50];东南景天中的SaMTP1是一个重金属Zn超强跨膜运输功能基因,通过转基因手段将其转移到生物量大的植物体中,可培育新的修复植物,明显提升其修复效率[20,51]。WATANABE等[52]曾将酵母金属硫蛋白基因的结构因子CPU1导入具有较大生物量的向日葵中,转基因的向日葵因此对土壤中Cd具有较强的耐性,同时具备了较大的生物量和较强的耐性,即具备了很好的修复潜力。目前,笔者已掌握了很多从微生物、植物、动物中陆续分离出的与金属化合物形态转化有关的基因,如汞离子还原酶基因(merA)、有机汞裂解酶基因(merB)、汞转运蛋白基因(merT)、金属硫蛋白基因(MT)、植物螯合肽基因(PCs)、铁离子还原酶基因(FRO2)和锌转运蛋白基因(ZIP)等。如能结合基因工程将这些基因运用于花卉修复植物中,可得到抗不同重金属甚至是超量蓄积重金属的转基因花卉植物。

4.3 系统水平优化

系统水平优化是根据生态系统整体性原则,在生物种群和群落多维度以及在区域水平上,实现对生态组分和环境介质的系统优化。例如,以金属矿废弃地生态修复为例,可以通过基质改良(使用保水剂提高其蓄水能力,使用粉煤灰降低重金属污染,使用食用菌肥料增加有机质含量等)、植被重建(通过植物筛选得到适应废弃地生态系统及对含有毒物质环境介质具有修复能力的乡土物种)和景观再造(通过群落优化配置,构建采矿迹地生态林植被恢复模式、经济林植被恢复模式和近自然植被恢复模式)等措施,提升生态系统水土环境质量,恢复生态系统的生物多样性水平,确保生态系统的可持续发展[1,53]。

4.4 生态进化

生态进化是指生态系统朝着种群多样化、组织水平更高、生产力更大的方向发展,即其种群结构以及生物与环境介质的相互契合状态朝着更优化的方向发展。一些超积累/修复植物是在污染胁迫下长期进化的结果[22]。在区域水平上,如发生山崩，使岩石表面裸露,该表面就可能逐渐被稀疏的地衣所覆盖,随后依次出现苔藓、禾草木、灌木丛、小乔木、大乔木等进化优势种群,并同时伴随有土壤的发生发展[1,54]。

基于汉江流域水源涵养功能的生态修复研究表明,按照林地适宜性评价结果对水源涵养修复区进行植被优化配置,汉江流域水源涵养修复区内林地面积增加6.28万hm2,产水量减少7.29×107m3,水源涵养功能(蓄水保水能力)增加8.56×l07m3,说明优化后的植被类型结构趋于合理,涵养水源效益更大,为汉江流域植被优化利用和后续水土环境生态修复提供了较为科学的参考[55]。

4.5 修复功能强化

环境修复过程中由于有毒物质类别与性质、环境介质以及其他场地条件等因素的不同,不同的修复方法均存在一定的适用性与局限性。因此,有必要根据实际情况,进行修复工艺的优化与组合设计,强化修复功能[5,56]。强化修复措施主要基于生态系统功能强化原理,一般分为物理强化、化学强化、农艺强化、生物强化和联合强化等。

环境绿色修复的物理、化学强化,是其修复功能提升的主要手段。物理强化包括直接加热、蒸气加热、蒸汽浸提、红外加热、微波辐射加热、玻璃化、电极驱动和超声等方法,化学强化主要有化学淋洗、化学氧化、催化氧化、溶剂浸提、沉淀、吸附/解吸、氧化-还原、质子传递、脱氯、聚合和水解等方法。物理、化学强化手段通常互为补充,如采用超声强化淋洗修复Pb、Cd和Cu复合污染的土壤[57],采用丛枝菌根和根瘤菌强化对铀污染土壤的植物修复[40]。

环境绿色修复的农艺强化,通常是指采用农艺手段或农业措施如施肥、育种、水分管理等提升其修复效率的方法。如通过提升CO2浓度使之作为一种气肥,可使作物生物量明显增加,并且研究表明经CO2强化的向日葵和印度芥菜富集Cd的修复效果也有明显提升[58]。

环境绿色修复的生物强化是利用生物(植物、动物和微生物)之间的协同效应,尤其是重点利用微生物的降解功能,进而促进并提升植物修复效率。微生物强化植物修复技术是应用最广泛的生物强化方法之一,如向燕麦(Avenasativa)根际接种根际簇生菌和丛枝菌根真菌后,燕麦生物量有明显增加,其对石油烃的降解率也高达47.93%,明显高于未接种的对照组[59]。

环境绿色修复的联合强化是将多种修复措施进行优化组合,达到最大程度的强化目标。如在微生物强化植物修复过程中,可进一步引入物化修复方法,形成物化-微生物-植物相耦合的修复方法;将根际促生菌、降解菌、产电菌等微生物和吸附固定材料、修复植物相结合,可开发能够连续处理有机污染环境的新型“三位一体”的物理-电化学强化生物修复技术。

5 总结与展望

综上所述,“未污染区也存在超积累/修复植物”的新认识、超积累/修复植物形成的环境介质与植物交互作用机制以及环境修复的生态格局优化与综合强化,构成了环境绿色修复的理论体系。该理论体系与未污染区和污染区相互印证的超积累/修复植物筛选的新方法,不仅对今后该领域研究的深入与广泛开展起到理论与方法的指导作用,而且对今后环境保护工作特别是生态文明建设实践有着十分重要的借鉴意义。

地球化学是研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的科学,是环境绿色修复的学科基础。近年来,作为较老学科的地球化学,在面对生态文明建设等国家重大需求以及与环境科学、生态学等新学科的“碰撞”中,在元素地球化学、有机地球化学、勘查地球化学、矿床地球化学、生物地球化学等老的分支学科得到进一步发展的基础上,环境地球化学、区域地球化学和现代天体化学,特别是生态地球化学等地球化学新的分支学科逐渐成型并将发挥出更大作用。