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(1)植物对有机污染物的直接吸收分解与蒸腾作用:一般来讲,植物从土壤中直接吸收有机污染物,将其代谢分解,并经过木质化作用使其成为植物的一部分,如木质素等,储藏于植物细胞的不同位点;或通过矿化作用使其彻底分解为CO2和H2O;也可以利用植物的挥发作用去除土壤中有机污染物;还有的可以通过植物叶子的蒸腾作用释放到大气中去。研究表明,污染物经根直接吸收取决于其在土壤中的浓度和植物的吸收率和蒸腾率,而蒸腾作用是决定植物修复中吸收速率的关系变量,它又与植物的种类、叶面积、养分、土壤水分和风力条件以及相对湿度有关。土壤中有机污染物的种类、浓度,植物种类、叶面积、根结构、土壤养分、水分、风力、相对湿度等均影响着土壤中有机污染物的直接吸收。
(2)植物根系分泌物(包括一些酶类)到土壤中,加速土壤的生化反应,促进有机污染物的修复:植物根系能分泌一些营养物质,如糖类、醇、蛋白质等,供土壤微生物生存;植物根系还能分泌一些特殊的化学物质,如有机酸等,可以改变土壤的pH等,从而有利于污染物的分解。研究表明,根系(根须)发达的植物能促进根际微生物对除草剂等有机污染物的吸附、降解,植物根系释放到土壤中的酶也可以直接降解有机污染物。此外,植物死亡后释放到环境中的酶也可继续发挥分解作用。已有科研工作者利用植物根系中的硝基还原酶对含硝基的有机污染物进行降解的报道,相似的研究也发现了植物根系中的脱卤素酶和漆酶,可被用来降解含氯有机污染物。虽然植物酶在各种杀虫剂等外来有机物在植物细胞内降解过程中起很重要的作用,但植物修复还是需要依靠整个植物系统来完成,植物的生长可以中和土壤pH,吸着或螯合重金属,酶被保护在植物体内或吸附在植物表面,不至于受到损伤,因而能较长时间保持降解土壤中有机污染物的活性。美国EPA 实验室从淡水沉积物中鉴定出来自植物的5 种可以分解相关有机污染物的酶:脱卤酶、硝酸还原酶、过氧化物酶、漆酶和腈水解酶。因此,在筛选新的降解植物或研究有机污染物降解机理的时候需要关注这些酶系,并且注意发现新酶系。
(3)根际-微生物的联合代谢作用:植物是一个有效的土壤污染处理系统,它同其根际微生物共同利用其生理代谢特性担负着分解、富集和稳定污染物的作用。根际是植物根系直接影响的土壤范围,是指在植物根系分泌的有机物作用下,与其pH、EH、微生物等组成的一个特殊的微生物环境,根系分泌物与根际微生物间存在着复杂的相互关系。Moser 等(1983)研究认为,植物每年释放到土壤中的物质可达植物总光合作用产物的10%~20%,它们与脱落的根冠细胞等一起为根际微生物提供重要的营养物质,促进了根际微生物的生长与繁殖。由于根系生长的穿插作用,使根际的通气状况、水分含量和温度均比根际外的土壤更利于微生物的生长;另一方面,植物将大气中的氧气经叶、茎输送到根系中,扩散到根际周围缺氧的土壤中,形成了富氧的微环境,刺激好氧微生物的活性和生长繁殖。研究表明,植物根际土壤微生物明显比非根际土壤中的微生物活性、数量和种类多,一般提高约10 倍,有的高达100 倍,其中假单孢菌属( Pseudomonas sp. )、黄杆菌属(Flavobacterium sp.)、产碱菌属(Alcaligenes sp.)和土壤杆菌属(Agrobacterium sp.)的根际效应非常明显。研究发现,植物根际是一个能降解土壤中污染物的生物活跃区,根际可以加速许多农药以及三氯乙烯的降解。研究者还针对植物宿主的正确选择、必要的植根方式和有关的微生物群落进行了综合研究,发现植物根际-微生物系统的相互促进作用将是提高污染土壤植物修复能力的一个活跃领域。植物根系分泌物在增强根际微生物活性的同时,微生物的活动也促进了根系分泌物的释放,两者相互作用共同加速了根际有机污染物的降解,植物根际微生物的降解作用被认为是植物修复土壤有机污染物的主要途径。污染土壤的植物修复与其他修复技术相比,有着许多优点,如成本低、对环境影响小、能使地表长期稳定,清除土壤污染的同时可清除污染土壤周围的大气和水体中的污染物,这样有利于改善生态环境。但由于该技术仍处于起步阶段,在理论体系、修复机理及技术上还有待进一步研究,包括对植物的生理特性、栽培特性、遗传学及分子生物学特性进行研究,以筛选能超量积累污染物的植物并改善植物吸收性能;对植物分解、富集和稳定化污染物的机制展开研究,确定污染物在植物体系中的迁移转化规律以及植物-微生物体系的作用规律等。此外,利用基因工程技术,构建高效去除污染物的植物,是目前研究的热点之一。
2.2 有机污染土壤的微生物修复技术
微生物是土壤生态系统的重要生命体,它不仅可以指示污染土壤的生态系统稳定性,而且还有巨大的潜在的环境污染修复功能。微生物能以有机污染物为唯一碳源和能源或与其他有机物进行共代谢而将其降解。在此基础上,便出现了污染土壤的微生物修复理论及技术。微生物修复是指利用天然存在的或所培养的功能微生物(主要有土著微生物、外来微生物和基因工程菌),在人为优化的适宜条件下,促进微生物代谢功能,从而达到降低有毒污染物活性或将其降解成无毒物质而达到修复受污染环境的技术。
通常一种微生物能降解多种有机污染物,如假单胞杆菌可降解DDT、艾氏剂、毒杀酚和敌敌畏等。此外,微生物可通过改变土壤的理化性质而降低有机污染物的有效性,从而间接起到修复污染土壤的目的。在我国,已构建了有机污染物高效降解菌筛选技术、微生物修复剂制备技术和有机污染物残留微生物降解田间应用技术。如:刘宪华等(2003)用假单胞菌AEBL3 降解土壤呋喃丹,结果表明,未加菌土壤呋喃丹在0~7 cm土层中质量分数已达90 mg˙kg-1,加菌土壤呋喃丹质量分数为4.8 mg˙kg-1,后者降解率达96.4%。如今,微生物修复有机污染物研究已进入基因水平,可以利用基因重组、构建基因工程菌来提高微生物降解有机污染物的能力。如:蒋建东等(2005)通过同源重组法构建多功能农药降解基因工程菌,在相同条件下,工程菌CD-mps 和CDS-2mpd 在1~24h 内便可迅速降解甲基对硫磷(MP),呋喃丹也可在30 h 内完全降解。
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