肖瑤 王利剛 姜彬慧

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110819；2.中國(guó)昆侖工程有限公司吉林分公司，吉林吉林 650500）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，土壤污染問(wèn)題越來(lái)越受到全社會(huì)的高度關(guān)注。多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）污染已成為世界各地的突出問(wèn)題。PAHs基本上是由碳和氫的稠合苯環(huán)（簡(jiǎn)單到復(fù)雜的結(jié)構(gòu)配置）組成的，呈線性，有角或簇狀排列［1］。它的分子結(jié)構(gòu)決定了其具有強(qiáng)疏水性和弱水溶性的特點(diǎn)，當(dāng)PAHs進(jìn)入環(huán)境后，可在土壤和水體沉積物中滯留幾年甚至幾十年。PAHs污染土壤時(shí)，會(huì)造成土壤微環(huán)境失衡，土壤質(zhì)量差，導(dǎo)致農(nóng)作物難以存活生長(zhǎng)，最終通過(guò)生物富集進(jìn)入人體，對(duì)人體造成健康危害。因此，對(duì)PAHs的有效治理技術(shù)研究已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域開展了大量研究工作，也取得了較大的進(jìn)展。

2 植物修復(fù)PAHs污染土壤的效能與機(jī)制

2.1 植物對(duì)PAHs污染土壤的修復(fù)作用

一般的物理、化學(xué)修復(fù)措施成本較高而且容易造成二次污染，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)環(huán)境友好生活方式的追求，低消耗、高效和對(duì)環(huán)境安全的生物修復(fù)技術(shù)已得到廣泛認(rèn)可，并越來(lái)越多地用于污染場(chǎng)地的修復(fù)。其主要依靠微生物、動(dòng)物或者植物等生物代謝、生物氧化及生物化學(xué)作用將污染物轉(zhuǎn)化成無(wú)害的物質(zhì)，使受污染的土壤能夠恢復(fù)部分或全部的生態(tài)功能，進(jìn)而達(dá)到修復(fù)目的。但是微生物在被應(yīng)用到修復(fù)之前需要滿足3個(gè)基本原則［2］：（1）污染物能參加生物化學(xué)過(guò)程；（2）污染物具有生物有效性；（3）微生物的生物活性較強(qiáng)。因此，微生物修復(fù)在應(yīng)用中往往受限。植物修復(fù)是指利用耐受力強(qiáng)的植物通過(guò)一系列生化反應(yīng)或協(xié)同根際微生物實(shí)現(xiàn)污染物降解轉(zhuǎn)化的技術(shù)，它在一定程度上可以彌補(bǔ)微生物修復(fù)的不足，已廣泛應(yīng)用于石油烴污染土壤的修復(fù)。張松林等人通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿對(duì)PAHs的去除效率可以達(dá)到90%以上［3］。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，玉米、黃豆、黑麥草、高羊茅等植物對(duì)石油烴具有一定的耐性，能夠吸收和富集石油烴，修復(fù)污染土壤［4-5］。代元元等人研究了具有耐寒、耐旱、抗逆性強(qiáng)的植物火鳳凰對(duì)PAHs土壤修復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)火鳳凰對(duì)PAHs污染土壤的去除率最高可以達(dá)到68.29%［6］。

2.2 植物直接吸收和代謝機(jī)制

植物修復(fù)有機(jī)污染土壤主要通過(guò)植物提取、降解、揮發(fā)和根降解這4個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)。植物提取是指某些揮發(fā)性污染物被木質(zhì)化后“鎖”在植物體內(nèi)；它也可以通過(guò)植物代謝直接將一部分有機(jī)物降解或轉(zhuǎn)化為低毒的中間代謝物（植物降解）；某些分子量低的有機(jī)污染物被植物吸收后會(huì)由根運(yùn)到植物的頂部，在蒸騰過(guò)程中通過(guò)葉孔釋放到大氣中，完成“植物揮發(fā)”；根降解是指植物根際的常駐微生物對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化（即與根系統(tǒng)密切接觸的微生物富集區(qū)），且根系分泌物多為糖類、醇類、酸類等，能為微生物的生長(zhǎng)提供碳源、氮素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有研究表明，某些低分子量有機(jī)酸對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的形成和養(yǎng)分的吸收有促進(jìn)作用［7］，有效增強(qiáng)了微生物對(duì)石油烴等有機(jī)污染物的生物降解能力。

2.3 根際修復(fù)機(jī)制

根際修復(fù)機(jī)制涉及根際分泌物和根際微生物2個(gè)方面。植物根系統(tǒng)可以向根際傳送氧，使根部進(jìn)行好氧過(guò)程。植物根系進(jìn)行正常生命代謝可以產(chǎn)生不同類型的分泌物，如釋放的黃酮類化合物和其他化合物刺激PAH s降解菌的生長(zhǎng)和活性，促使根部修復(fù)現(xiàn)象的自然發(fā)生［8］。紅樹根系分泌的低分子有機(jī)酸能夠影響PAHs的生物利用度和微生物活性，促進(jìn)紅樹林沉積物中PAHs的降解［9］。Amélia Bourceret等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，植物釋放的根系分泌物加強(qiáng)了微生物的共代謝降解，提高了PAHs的降解率［10］。

3 植物修復(fù)PAHs污染土壤的強(qiáng)化技術(shù)研究

迄今為止，植物修復(fù)石油污染土壤依舊是最有應(yīng)用前景的修復(fù)手段。但在實(shí)際應(yīng)用中，植物修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)、污染場(chǎng)地的特殊性及復(fù)雜性等因素成為植物修復(fù)的限制。因此，很多學(xué)者致力于通過(guò)生物及非生物等強(qiáng)化手段提高植物修復(fù)的效率。

3.1 非生物手段強(qiáng)化技術(shù)

3.1.1 添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

受PAHs污染的土壤肥力較弱，植物和微生物可利用資源有限，添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以改善受污染的貧瘠環(huán)境，有利于有機(jī)污染物的去除。尿素、營(yíng)養(yǎng)液、生物炭等肥料改良劑在某些情況下能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，同時(shí)促進(jìn)根際微生物的繁殖［11］。Li等人認(rèn)為，生物炭能夠影響土壤中的碳循環(huán)，和植物根系聯(lián)合對(duì)PAHs降解的土壤碳代謝有調(diào)節(jié)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］。王艷杰等［13］研究表明，在石油污染土壤中添加營(yíng)養(yǎng)物與玉米秸稈碎屑或生物炭能增加土壤孔隙度，提高土壤田間持水量，增加土壤中微生物數(shù)量。

3.1.2 添加表面活性劑

生物表面活性劑是兩性化合物，兼具親水基和疏水基，其能夠在生物體的液相之間積聚，從而降低表面張力和界面張力［14］。由于PAHs的疏水性和吸附性，很容易形成微生物難以吸收的不溶狀態(tài)，從而限制了PAHs轉(zhuǎn)移至細(xì)胞的效率。然而，生物表面活性劑可以幫助微生物吸收并增強(qiáng)PAHs的生物降解［15］。一些研究表明，添加鼠李糖脂可能增加目標(biāo)碳?xì)浠衔锏慕到庑剩谑罄钐侵嬖谙?，可以觀察到PAHs能夠被生物降解［16］。Lu等人在實(shí)驗(yàn)中觀察到添加鼠李糖脂后菲、氟蒽和芘的生物降解效率分別提高了10.1%，12.3%和22.0%［17］。戚琳等人還發(fā)現(xiàn)，施用3-吲哚乙酸或鼠李糖脂均能夠提高植物修復(fù)PAHs的富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF），顯著提高PAHs的去除效率［18］。

3.1.3 添加納米材料

納米技術(shù)自誕生以來(lái)便受到各學(xué)科領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，納米零價(jià)鐵、石墨烯、氧化石墨烯等納米材料在污染水處理中有初步應(yīng)用，而關(guān)于土壤污染的應(yīng)用鮮有報(bào)道，主要原因是納米材料是否存在生物毒性尚不完全清楚。但是，由于納米材料具有改良土壤和促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育的特點(diǎn)［19］，同時(shí)，Du等人在研究氧化石墨烯和還原氧化石墨烯對(duì)土壤微生物群落的影響中發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)有積極的影響［20］，這也使納米材料在植物修復(fù)中的應(yīng)用成為可能。

3.2 生物手段強(qiáng)化技術(shù)

基于植物根際微生物的修復(fù)機(jī)制，采用生物強(qiáng)化的方法，即將篩選、培養(yǎng)并馴化具有高效降解PAHs的菌種接種到受污染土壤中，優(yōu)化微生物類型，促使PAHs有效降解的一種方式。添加方式主要有直接添加和利用固定化載體添加。納米多孔SiO2、花生殼粉末、秸稈、天然有機(jī)材料以及活性炭等都是可回收的、性能較好的固定載體［21］。李娜等人將篩選出的分枝桿菌固定化后投加到PAHs污染土壤，以此強(qiáng)化火鳳凰修復(fù)，不僅使生物量增加了59.40%，修復(fù)效率也提高了8%［22］。有學(xué)者在尋找馴化菌種的同時(shí)在利用基因工程技術(shù)改造方面也做了嘗試。Qi等人在研究萘和菲的降解相關(guān)基因時(shí)通過(guò)構(gòu)建銅綠假單胞菌的啟動(dòng)子文庫(kù)，篩選出32個(gè)差異表達(dá)啟動(dòng)子的克隆，利用基因敲除技術(shù)構(gòu)建菌株P(guān)A 2666和PA 4008，發(fā)現(xiàn)它們?cè)谳梁头频慕到庵衅痍P(guān)鍵作用［23］，這為研發(fā)高降解性能的專性微生物提供了技術(shù)前提，同時(shí)為生物強(qiáng)化植物修復(fù)PAHs提供了新的途徑。

4 問(wèn)題與展望

植物修復(fù)是低成本、高生態(tài)效益的修復(fù)技術(shù)，其強(qiáng)化措施大多停留在研制、試驗(yàn)階段，很多因素和機(jī)制目前尚不清楚，但在應(yīng)用先進(jìn)的高通量組學(xué)和元組學(xué)技術(shù)的幫助下，開展更系統(tǒng)的綜合跨學(xué)科研究，以連接實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)PAHs生物降解的研究進(jìn)程，使強(qiáng)化植物修復(fù)的實(shí)踐成為可能。