植物修复PAHs污染土壤的强化技术研究进展

2021-01-10肖瑶王利刚姜彬慧

环境保护与循环经济 2021年4期

肖瑶王利刚姜彬慧

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819；2.中国昆仑工程有限公司吉林分公司，吉林吉林 650500）

1 引言

随着我国经济社会的迅速发展，工业化和城市化进程的进一步加快，土壤污染问题越来越受到全社会的高度关注。多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）污染已成为世界各地的突出问题。PAHs基本上是由碳和氢的稠合苯环（简单到复杂的结构配置）组成的，呈线性，有角或簇状排列［1］。它的分子结构决定了其具有强疏水性和弱水溶性的特点，当PAHs进入环境后，可在土壤和水体沉积物中滞留几年甚至几十年。PAHs污染土壤时，会造成土壤微环境失衡，土壤质量差，导致农作物难以存活生长，最终通过生物富集进入人体，对人体造成健康危害。因此，对PAHs的有效治理技术研究已经成为环境科学领域中的热点问题。目前国内外学者在该领域开展了大量研究工作，也取得了较大的进展。

2 植物修复PAHs污染土壤的效能与机制

2.1 植物对PAHs污染土壤的修复作用

一般的物理、化学修复措施成本较高而且容易造成二次污染，随着现代技术的发展以及人们对环境友好生活方式的追求，低消耗、高效和对环境安全的生物修复技术已得到广泛认可，并越来越多地用于污染场地的修复。其主要依靠微生物、动物或者植物等生物代谢、生物氧化及生物化学作用将污染物转化成无害的物质，使受污染的土壤能够恢复部分或全部的生态功能，进而达到修复目的。但是微生物在被应用到修复之前需要满足3个基本原则［2］：（1）污染物能参加生物化学过程；（2）污染物具有生物有效性；（3）微生物的生物活性较强。因此，微生物修复在应用中往往受限。植物修复是指利用耐受力强的植物通过一系列生化反应或协同根际微生物实现污染物降解转化的技术，它在一定程度上可以弥补微生物修复的不足，已广泛应用于石油烃污染土壤的修复。张松林等人通过田间试验发现紫花苜蓿对PAHs的去除效率可以达到90%以上［3］。有学者发现，玉米、黄豆、黑麦草、高羊茅等植物对石油烃具有一定的耐性，能够吸收和富集石油烃，修复污染土壤［4-5］。代元元等人研究了具有耐寒、耐旱、抗逆性强的植物火凤凰对PAHs土壤修复效果，发现火凤凰对PAHs污染土壤的去除率最高可以达到68.29%［6］。

2.2 植物直接吸收和代谢机制

植物修复有机污染土壤主要通过植物提取、降解、挥发和根降解这4个途径实现。植物提取是指某些挥发性污染物被木质化后“锁”在植物体内；它也可以通过植物代谢直接将一部分有机物降解或转化为低毒的中间代谢物（植物降解）；某些分子量低的有机污染物被植物吸收后会由根运到植物的顶部，在蒸腾过程中通过叶孔释放到大气中，完成“植物挥发”；根降解是指植物根际的常驻微生物对污染物的转化（即与根系统密切接触的微生物富集区），且根系分泌物多为糖类、醇类、酸类等，能为微生物的生长提供碳源、氮素等营养物质，有研究表明，某些低分子量有机酸对土壤结构的形成和养分的吸收有促进作用［7］，有效增强了微生物对石油烃等有机污染物的生物降解能力。

2.3 根际修复机制

根际修复机制涉及根际分泌物和根际微生物2个方面。植物根系统可以向根际传送氧，使根部进行好氧过程。植物根系进行正常生命代谢可以产生不同类型的分泌物，如释放的黄酮类化合物和其他化合物刺激PAH s降解菌的生长和活性，促使根部修复现象的自然发生［8］。红树根系分泌的低分子有机酸能够影响PAHs的生物利用度和微生物活性，促进红树林沉积物中PAHs的降解［9］。Amélia Bourceret等人在实验中发现，植物释放的根系分泌物加强了微生物的共代谢降解，提高了PAHs的降解率［10］。

3 植物修复PAHs污染土壤的强化技术研究

迄今为止，植物修复石油污染土壤依旧是最有应用前景的修复手段。但在实际应用中，植物修复时间较长、污染场地的特殊性及复杂性等因素成为植物修复的限制。因此，很多学者致力于通过生物及非生物等强化手段提高植物修复的效率。

3.1 非生物手段强化技术

3.1.1 添加营养物质

受PAHs污染的土壤肥力较弱，植物和微生物可利用资源有限，添加营养物质可以改善受污染的贫瘠环境，有利于有机污染物的去除。尿素、营养液、生物炭等肥料改良剂在某些情况下能促进植物生长，同时促进根际微生物的繁殖［11］。Li等人认为，生物炭能够影响土壤中的碳循环，和植物根系联合对PAHs降解的土壤碳代谢有调节作用，生物炭在土壤微生物群具有良好的存活能力，并有助于PAHs的生物降解［12］。王艳杰等［13］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生物炭能增加土壤孔隙度，提高土壤田间持水量，增加土壤中微生物数量。

3.1.2 添加表面活性剂

生物表面活性剂是两性化合物，兼具亲水基和疏水基，其能够在生物体的液相之间积聚，从而降低表面张力和界面张力［14］。由于PAHs的疏水性和吸附性，很容易形成微生物难以吸收的不溶状态，从而限制了PAHs转移至细胞的效率。然而，生物表面活性剂可以帮助微生物吸收并增强PAHs的生物降解［15］。一些研究表明，添加鼠李糖脂可能增加目标碳氢化合物的降解效率，在鼠李糖脂存在下，可以观察到PAHs能够被生物降解［16］。Lu等人在实验中观察到添加鼠李糖脂后菲、氟蒽和芘的生物降解效率分别提高了10.1%，12.3%和22.0%［17］。戚琳等人还发现，施用3-吲哚乙酸或鼠李糖脂均能够提高植物修复PAHs的富集系数（BCF）和转运系数（TF），显著提高PAHs的去除效率［18］。

3.1.3 添加纳米材料

纳米技术自诞生以来便受到各学科领域的广泛关注，纳米零价铁、石墨烯、氧化石墨烯等纳米材料在污染水处理中有初步应用，而关于土壤污染的应用鲜有报道，主要原因是纳米材料是否存在生物毒性尚不完全清楚。但是，由于纳米材料具有改良土壤和促进植物生长发育的特点［19］，同时，Du等人在研究氧化石墨烯和还原氧化石墨烯对土壤微生物群落的影响中发现，氧化石墨烯对土壤微生物群落结构有积极的影响［20］，这也使纳米材料在植物修复中的应用成为可能。

3.2 生物手段强化技术

基于植物根际微生物的修复机制，采用生物强化的方法，即将筛选、培养并驯化具有高效降解PAHs的菌种接种到受污染土壤中，优化微生物类型，促使PAHs有效降解的一种方式。添加方式主要有直接添加和利用固定化载体添加。纳米多孔SiO2、花生壳粉末、秸秆、天然有机材料以及活性炭等都是可回收的、性能较好的固定载体［21］。李娜等人将筛选出的分枝杆菌固定化后投加到PAHs污染土壤，以此强化火凤凰修复，不仅使生物量增加了59.40%，修复效率也提高了8%［22］。有学者在寻找驯化菌种的同时在利用基因工程技术改造方面也做了尝试。Qi等人在研究萘和菲的降解相关基因时通过构建铜绿假单胞菌的启动子文库，筛选出32个差异表达启动子的克隆，利用基因敲除技术构建菌株PA 2666和PA 4008，发现它们在萘和菲的降解中起关键作用［23］，这为研发高降解性能的专性微生物提供了技术前提，同时为生物强化植物修复PAHs提供了新的途径。