探討植物修復(fù)技術(shù)及其在環(huán)境污染中的應(yīng)用*

吳春蕾，丁朝陽，吳志鵬

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué))

探討植物修復(fù)技術(shù)及其在環(huán)境污染中的應(yīng)用*

吳春蕾，丁朝陽，吳志鵬

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué))

通過對常見植物修復(fù)技術(shù)基本原理進行分析，了解植物修復(fù)相關(guān)技術(shù)，掌握植物修復(fù)技術(shù)需注意的問題，并對植物修復(fù)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景進行匯總.結(jié)果表明螯合誘導(dǎo)技術(shù)、遺傳工程技術(shù)、微生物等均在植物修復(fù)技術(shù)中得到大力應(yīng)用，且植物修復(fù)技術(shù)適用于重金屬、無機營養(yǎng)元素N、P、有機污染物、城市污染大氣等多領(lǐng)域的修復(fù).植物修復(fù)技術(shù)，屬于一項實用性與有效性均較強的生態(tài)修復(fù)治理技術(shù).

環(huán)境污染;綠色植物;修復(fù)技術(shù)

0 引言

植物修復(fù)實質(zhì)即借助綠色植物除掉或減弱污染的生態(tài)環(huán)境治理技術(shù)，因更滿足現(xiàn)代環(huán)境保護生態(tài)、環(huán)保要求，備受世界各國政府、科技界與企業(yè)界的關(guān)注與重視［1］.但植物修復(fù)技術(shù)受到修復(fù)周期長、污染物生物有效性與毒性水平等因素的限制，為了突破瓶頸，越來越多的專家與學(xué)者致力于該方面的研究，以期能進一步完善該技術(shù).

1 常見植物修復(fù)技術(shù)基本原理

1.1 植物轉(zhuǎn)化

原理:植物轉(zhuǎn)化的過程總結(jié)起來即依靠綠色植物體內(nèi)獨特的新陳代謝作用把從環(huán)境里吸收的污染物給予分解，或依靠綠色植物的化合物分泌能力(如酶類)來分解植物外部污染物的全程［2］.植物轉(zhuǎn)化技術(shù)引其獨特的修復(fù)能力專門被使用于疏水性適中的污染物治理中.

1.2 植物輔助生物修復(fù)(植物蒸發(fā)作用)

原理:植物吸收能讓部分重金屬變成可揮發(fā)態(tài)，在空氣中慢慢揮發(fā)到土壤和綠色植物表層，完成土壤重金屬污染的綜合治理.如在含有Hg、As等元素的重金屬土壤污染的整治上效果明顯.

1.3 植物萃取

原理:部分較特殊的綠色植物能吸收存在于土壤里的重金屬，并成功將其貯存至地上部，再收獲植物地上部的條件下來除去土壤污染物.作為有較廣的研究深入，文獻資料更多的、發(fā)展前景可觀的植物修復(fù)技術(shù)，對應(yīng)用時所用植物的生長生物量等要求相對均更高，要求植物生長速度快、生物量大，具備一定的抗病蟲害能力，且能富積不同重金屬［3］.

1.4 植物固定

原理:依靠植物根際所分泌的特殊性物質(zhì)實現(xiàn)污染污染物至無毒害物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程，植物根系使受污染土壤內(nèi)的污染物質(zhì)被牢固在原地，這有效避免了受多因素影響(如雨水沖刷、風(fēng)吹塵土等)而誘發(fā)二次污染［4］.但植物固定實際上并未達到徹底清除的效果，因此不能完全有效解決重金屬污染問題，表明植物固定并不屬于最佳修復(fù)方法.

2 植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 對重金屬的植物修復(fù)

為實現(xiàn)“種植物、收金屬”的境界，很多專家、學(xué)者均開始致力于重金屬超富集植物這一領(lǐng)域內(nèi)展開深入研究.因此，該技術(shù)在重金屬植物修復(fù)上為有較強發(fā)展前景的綠色修復(fù)技術(shù).且通過一段時間的研究，不少專家與學(xué)者均紛紛嘗試著探究“超富集植物傾向”傳統(tǒng)植物［5］.

利用育種或轉(zhuǎn)基因技術(shù)將超富集性轉(zhuǎn)移至有加強環(huán)境適應(yīng)力、生長速度快的綠色植物.現(xiàn)今，育種或轉(zhuǎn)基因技術(shù)已被大力應(yīng)用于植物修復(fù)中的研究正處在起步階段，所獲得成果較少，仍不符合商業(yè)化水平要求.

2.2 對無機營養(yǎng)元素N、P的植物修復(fù)

水生植物即在水環(huán)境內(nèi)生存的植物生態(tài)群落，這類植物在水體富營養(yǎng)化問題的解決上起到了不可忽視與替代的作用.中國科學(xué)院水生生物研究所于湖北黃石成功進行了污水凈化及污水資源化兩重功效的新型定塘設(shè)計實驗，實驗過程與結(jié)果均證明了水生植物可更好清除污染水中的N、P含量.表1就是富營養(yǎng)化水體植物修復(fù)的部分植物種類及凈化效果總結(jié).

表1 植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體綜合功效分析 %

2.3 對有機污染物的植物修復(fù)

當(dāng)前環(huán)境里的有機物種類越來越多，傳統(tǒng)微生物修復(fù)效果也無法跟上環(huán)境惡化步伐，植物修復(fù)以自身獨到優(yōu)勢，其研究逐漸被提上日程.

2.3.1 對殘余農(nóng)藥的植物修復(fù)

雖有機農(nóng)藥已被不少國家禁止使用，不過水環(huán)境污染問題依然較嚴峻，水體內(nèi)被檢測到的農(nóng)藥殘留濃度依舊偏高，對人類生存環(huán)境的影響相當(dāng)大.如農(nóng)業(yè)上用到的殺蟲劑DD7與代謝物均屬于對環(huán)境影響較大的持久性污染物，無菌環(huán)境中，伊樂藻、浮萍等常見性水生植物，都可在較短時間內(nèi)(6d)富集整個水環(huán)境內(nèi)的DDT，還可把約1%～13%的DDT，降解成DDD與DDE.常見有機氯農(nóng)藥有:毒殺芬、林丹、氯丹等.

2.3.2 對多環(huán)芳烴的植物修復(fù)

多環(huán)芳烴因特有的致癌、致畸等特性而備受全球關(guān)注，也是當(dāng)前人們所生活環(huán)境里分布相對廣泛的有機污染物.除實驗室的局限性研究外，西方發(fā)達國家也從室內(nèi)轉(zhuǎn)移至室外，達到野外應(yīng)用水平.如Denys［6］等在法國北部前煉焦廠被污染的土壤范圍中大面積種植不同種類與功效的綠色植物，種植后的第36個月，進行土壤污染濃度調(diào)查，發(fā)現(xiàn)與種植前相比明顯減弱，表明草本綠色植物的混合種植很適宜被應(yīng)用進行植物修復(fù).終可得，植物修復(fù)多環(huán)芳烴屬于成本低廉的可行生態(tài)修復(fù)技術(shù).

2.3.3 對硝基芳香化合物的植物修復(fù)

硝基苯為無色或淡黃色油狀液體，可致癌、致突變.水環(huán)境下所含硝基芳香化合物污染可以說完全源自炸藥工業(yè).相關(guān)資料顯示［7］，美國國防部特定的1000多個炸藥污染區(qū)域，其中有95%的區(qū)域均存在著TNT污染，還有87%的區(qū)域地下水污染程度明顯超出了規(guī)定標準值.TNT的植物修復(fù)為耗能低、環(huán)保安全的二次污染最佳治理手段.

2.4 對城市污染大氣的植物修復(fù)

城市中的大氣污染物根據(jù)性質(zhì)主要歸納并細分為三類:生物性、物理性與化學(xué)性污染物，其中綠色植物修復(fù)城市大氣污染治理方面又展現(xiàn)出以下三點:1、城市內(nèi)培育的綠色植物能有效凈化大氣中物理性污染物;2、植物在大氣內(nèi)化學(xué)性污染方面獨特凈化作用.資料研究表明，現(xiàn)代城市森林一日內(nèi)二氧化氮吸收量約4.2t、二氧化硫吸收量約3.7t，而一日的臭氧吸收量則為10.8t.另外，因綠色植物在酸沉降方面發(fā)揮著相應(yīng)的緩沖效應(yīng)，也就決定了其對酸雨所致危害有緩解性;3、植物能阻擋氣流運動，阻礙微生物傳播，并分泌出多種揮發(fā)性分泌物凈化大氣中的生物性微生物.

3 相關(guān)技術(shù)在植物修復(fù)中的應(yīng)用

3.1 螯合誘導(dǎo)技術(shù)

螯合劑在提高土壤中重金屬等污染物的可移動性中效果極佳.可促植物對重金屬吸收與轉(zhuǎn)運.符合要求的螯合劑主要包括3個特點:專一性;更利于植物吸收與轉(zhuǎn)運重金屬，降解快;無殘留毒性.螯合劑則又分作人工合成與天然2類.因人工螯合劑能增強土壤內(nèi)鉛溶解度、使巖由根系向地上部轉(zhuǎn)運系數(shù)變大，污染物徹底清除困難度大，且不得不認真審視可能會引發(fā)的“二次污染”問題.所以，天然螯合劑研究開發(fā)成為當(dāng)前的重點研究課題.天然螯合劑則包括部分低分子量有機酸(如蘋果酸、檸檬酸等).有資料調(diào)查顯示［8］，朝鈾污染土壤里加入檸檬酸后，會提高植物對鈾的吸附能力.

3.2 遺傳工程技術(shù)

依靠遺產(chǎn)改良增強植物的污染物吸收能力，積累或講解能力從過去到現(xiàn)今，甚至是未來都是生態(tài)環(huán)境改善修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域的重點探究課題.現(xiàn)今人們已通過植物基因工程技術(shù)分離克隆相關(guān)基因，把其轉(zhuǎn)入生命力強、生物量大的植物中，使植物可大量表達相應(yīng)蛋白，促修復(fù)能力得以提升，與植物修復(fù)相關(guān)聯(lián)的蛋白或基因具體有:

(1)金屬轉(zhuǎn)運蛋白.從野生薺菜(thlasaioesingense)中克隆出鋅轉(zhuǎn)運蛋白基因(ZAT)導(dǎo)入擬南芥(arabidopsisthaliana)根部鋅吸收能力能高出2倍.

(2)金屬結(jié)合蛋白.金屬結(jié)合蛋白即指金屬硫蛋白 (metaiiothioneinMT)、(metaiiothionein-MT)、GSH環(huán)口植物螯合劑(PhYtocheiatin，PC)，其中植物螯合劑也稱之為“第三類金屬硫蛋白”.金屬硫蛋白中有機硫基團可結(jié)合鋅、汞等重金屬離子.谷膚甘膚可與污染物結(jié)合且轉(zhuǎn)運到細胞其它部位，此為植物螯合劑(PhYtocheiatin，PC)合成的不可替代的重要性原料.印度芥菜(brassicajuncea)研究得出芥菜谷膚甘膚和植物螯合劑含量升高的同時，也提升了鎘離子的耐受性，組織里鎘含量與對照的含量相比較約高出了25%～30%.

(3)金屬轉(zhuǎn)化基因.如汞離子還原酶基因(merA)、鐵離子還原酶基因(FRE2)與有機汞裂解酶基因(merB)等.當(dāng)前依靠此技術(shù)來完成汞污染的修復(fù)處理取得了較大成功.對細菌進行研究得出離子還原酶基因(merA)能實現(xiàn)毒性的金屬汞Hg+還原成無毒性的金屬汞Hg+的轉(zhuǎn)變，研究者把此類基因轉(zhuǎn)至擬南芥CarabidoPsis)中給予更深層次的研究，發(fā)現(xiàn)幼苗在汞含量為100μmol/L的污染土壤內(nèi)依舊長勢良好，與對照比較，Hg2+含量超出了2～3倍.此外，讓進入植物體內(nèi)的有機汞被merB轉(zhuǎn)化成Hg+，再在merA影響下，把毒性較強的Hg2+還原成無毒性的金屬汞Hg+，并變成氣態(tài)揮發(fā)掉.把merA與merB轉(zhuǎn)至水生植物(香蒲、蘆葦)等中，被大力應(yīng)用到以汞污染為主的水生生態(tài)環(huán)境修復(fù).

3.3 微生物

微生物在植物修復(fù)技術(shù)的研究主要基于兩點，第一、從微生物中篩查出對應(yīng)降解基因，在轉(zhuǎn)基因技術(shù)協(xié)助下成功轉(zhuǎn)入植物，提高植物修復(fù)成效;第二、通過與細菌、真菌等為維生素的聯(lián)合作用完成對環(huán)境污染物的降解［9］.重金屬修復(fù)方面，微生物從金屬生物可利用性增強這一視角著手，或依靠植物生長作用實現(xiàn)植物累積金屬量的提高.有機物污染修復(fù)治理方面，植物與共生的細菌、真菌等微生物聯(lián)合構(gòu)成了跟際圈，受微生物降解后，最終轉(zhuǎn)變成了有機污染物.實踐表明，根際圈在有機污染物上的降解效率更優(yōu)于僅實施微生物降解的效率.

4 植物修復(fù)技術(shù)中應(yīng)注意的問題

4.1 提高植物修復(fù)效率的配套技術(shù)

植物根際存有不少根際微生物.植物修復(fù)里，根際微生物與植物彼此形成聯(lián)合修復(fù)體，微生物存在可降解有機污染物或轉(zhuǎn)變污染物所存形態(tài)，增強污染物生物有效性，促植物吸收大量污染物質(zhì)，降低毒害性.因而根際微生物在增強污染物植物有效性上的作用及功能均為需深一步探究的問題.

4.2 分子生物學(xué)在植物修復(fù)中的應(yīng)用問題

分子生物學(xué)在污染環(huán)境綠色植物修復(fù)與應(yīng)用方面起到了關(guān)鍵作用.通過分子生物學(xué)手段更利于植物修復(fù)機理的研究，還可通過改良遺傳特性來增強植物對污染物的腹肌能力，或增強超富集植物的生物量.不過在轉(zhuǎn)基因超富集植物研究方面，還需對轉(zhuǎn)基因植物環(huán)境釋放的生態(tài)安全性評價問題引起高度重視.

4.3 植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用過程中植物的安全性問題

不管是哪類環(huán)境污染治理，在污染環(huán)境修復(fù)方面的植物與收割后的配套處理技術(shù)均應(yīng)得到妥善解決，關(guān)系到安全性問題.此外所選擇的綠色植物需盡量排除食用植物，以非食用的樹木花草為主.

5 植物修復(fù)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景

植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)雖在生態(tài)環(huán)境改善中取得了一定成效，但也有不少缺點，如所選擇綠色植株的生物量要求較高，污染物耐受性要高，受植物根系分布與氣候、土壤等諸多因素影響，清除污染物需要的時間相當(dāng)長，而轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用也可引發(fā)潛在環(huán)境污染等.不過伴隨各個領(lǐng)域研究的不斷深入，綠色植物修復(fù)技術(shù)必將會越來越成熟，為生態(tài)環(huán)境保護帶來新希望，前景可觀.今后還應(yīng)從如下幾方面著手展開研究:分子生物學(xué)與基因工程技術(shù)在超累積植物品種培育方面的應(yīng)用，農(nóng)事操作對植物修復(fù)技術(shù)的輔助性作用，植物——微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)于污染物轉(zhuǎn)移、吸收與降解中的作用機制和應(yīng)用、生物、物理與化學(xué)等不同修復(fù)措施的全面利用，并展開大面積多次數(shù)田間驗證試驗，力求實現(xiàn)植物修復(fù)、景觀建設(shè)、生物質(zhì)能利用與觀賞植物種苗生產(chǎn)的彼此結(jié)合.

［1］王穎，張云茹，何成明，等.植物修復(fù)技術(shù)及相關(guān)技術(shù)在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2009(11):39－42.

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Discussion Phytoremediation Technology and its Application in Environmental Pollution

Wu Chunlei，Ding Chaoyang，Wu Zhipeng

(Anhui Agricultural University)

The green ecological restoration technology is a new technology for wastewater treatment under the background of the development of the times，the less investment，good effect，convenient operation and maintenance and other characteristics play an important role in the environmental pollution control，ecological restoration and reconstruction，and the remediation technology have been emphasized and developed.In this paper，based on the basic principle of phytoremediation technology，the application of phytoremediation technology is expounded in environmental pollution，and the related technologies used in phytoremediation are summarized，clear phytoremediation problems should be paid attention to，and that the application prospect of phytoremediation technology is considerable，belongs to a practical and the effectiveness of strong ecological remediation technology.

Environmental pollution;Green plant;Remediation Technology

X51

:A

:1000－5617(2017)01－0102－04

(責(zé)任編輯:李家云)

2016－11－15

*安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重大項目(KJ2016SD21)