干货|土壤有机污染物生物修复技术研究进展-第2页-北极星环境修复网

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狭义的土壤污染生物修复特指微生物修复,即通过微生物将土壤有机污染物作为碳源和能源,将其分解为 CO2 和 H2O 或其他无害物质的过程(黄艺等,2009;张从和夏立江,2000)。

2.1有机污染土壤的植物修复技术

土壤污染植物修复研究进展

自 20 世纪 80 年代问世以来,植物修复技术研究迅速发展(Arthur 等,2005;Jayanthy 等,2014;Mitton 等,2012;李廷强等,2011;骆永明,1999)。

植物修复(Phytoremediation)是指通过利用植物忍耐或超量吸收积累某种或某些化学元素的特性,或利用植物及其根际微生物将污染物降解转化为无毒物质的功能,利用植物在生长过程中对环境中的某些污染物的吸收、降解、过滤和固定等特性来净化环境污染的技术。

包括利用植物积累/超积累功能的植物吸取修复(Ma 等,2001;Whicker 等,2004)、利用植物根系控制污染扩散及恢复生态功能的植物稳定修复(Mendez 和 Maier,2008)、利用植物代谢功能的植物降解修复(Newman 和 Reynolds,2004)、利用植物转化功能的植物挥发修复(骆永明,1999)、利用植物根系吸附功能的植物过滤修复(骆永明,1999)等。能利用植物修复的污染物有重金属、农药、石油和持久性有机污染物、炸药、放射性核素等(Ma 等,2001;Sun 等,2011;Whicker等,2004;Zhang 等,2012),并形成了包括络合诱导强化修复(Roy 等,2005)、不同植物套作联合修复、修复后植物处理处置的成套技术(骆永明,2008)以及纳米-植物联合修复技术(高园园和周启星,2014)等。

植物修复技术的关键在于选择具有高产及高去污能力的植物,弄清植物生长对土壤及其生态环境的适应性

(Cunningham,1997;Jayanthy等,2014;Mitton等,2012;杨红军等,2012;张弛等,2012)。

有机污染土壤植物修复原理

在有机污染物的植物修复中,有机污染物的理化性质、环境条件、植物种类等都影响着修复效果。植物对土壤有机污染物的修复原理有 3 种

(Hathaway,1989;Whicker 等,2004;桑伟莲和孔繁翔,1999)。

(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(Schnoor 等,1995);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(桑伟莲和孔繁翔,1999)。

(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(Macek等,2000), 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(Macek等,2000),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(程树培,1994)。

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(Anderson等,1993)。

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(Henner 等,1997)。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 (Anderson 和 Walton,1992)。

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(Afzal 等,2011;Glick,2010;Liu 等,2014)。

延伸阅读：

干货|一文GET土壤污染微生物修复技术

原标题：土壤有机污染物生物修复技术研究进展

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