植物修复技术在污水生态系统中的应用研究进展

任秀娟,吴大付,张莉,李东方

（河南科技学院,河南新乡453003）

植物修复技术在污水生态系统中的应用研究进展

任秀娟,吴大付,张莉,李东方

（河南科技学院,河南新乡453003）

植物修复技术被广泛应用于污水生态系统的修复.污水植物修复技术的机理主要有植物提取、植物固定、植物挥发、根际过滤和植物转化.目前在污水前处理技术、超富集植物选育、工程实践、超富集植物的安全处理等方面都进行了广泛的研究.在今后的污水植物修复技术研究中应注意三方面的问题：植物的地域适应性,防止生物入侵,兼顾经济效益和生态效益.

植物修复；污水；生态系统

1983年美国科学家Chaney首次提出了利用超富集植物清除土壤重金属污染的思想,即植物修复（phytoremediation）[1],而人类利用这一技术却已有300多年[2].植物修复是利用绿色植物在太阳能的驱动下,转移、容纳或转化污染物使其对环境无害,它是一种以植物忍耐、分解或超量积累某些化学元素的生理功能为基础,利用植物及其共存微生物体系来吸收、降解、挥发和富集环境中污染物的治理技术[3-4].在污水处理方面比较成熟的主要有氧化塘、污水土地处理系统和人工湿地等,特别是在近几年社会主义新农村建设中利用人工湿地来处理农村生活污水等技术[5],在一定程度上来说,都是植物修复在污水处理中的应用.

1 污水植物修复技术的机理

1.1 植物提取

植物提取是通过植物的根系吸收污染物,然后在植物体内转移,从根部转移到地上部分,其体内的污染物主要通过植物地上部的收获而从污染环境中去除.植物提取作用是目前研究最多,最有发展前景的技术.植物提取主要用于修复污水中的无机物和重金属等污染物[6-7].其优点在于成本低,原位修复,还可以利用植物提取的重金属焚烧,然后灰分重新提取重金属等.

该技术利用的是一些对重金属具有较强忍耐和富集能力的特殊植物.目前用于植物提取的植物主要有杨树、柳树以及其他植物[7].利用树木来去除污水中的污染物,是因为树木具有高生物学产量、高经济价值,同时还可以绿化和美化环境.而植物提取可以在原位进行修复,但是只能处理那些含中低浓度的重金属及其他污染物的污水,而在污染物浓度较高的情况下,植物生长不良[8].同时,在第一年杨树和柳树富集重金属含量较多,以后随着生物学产量的增加,体内含的重金属被稀释,浓度有所下降,如何持续提高树木体内重金属含量,最大限度地去除水体中的重金属是面临的一个重要问题.

有研究表明,浮萍在低浓度Pb、Zn污染的环境中可以正常生长且有较高的去除效果.在15 d的周期里,可以除去80%的Pb和55%的Zn[9].

1.2 植物固定

植物固定是治理污染土壤、污水和沉积物时最常用的修复方法,主要是植物通过改变水环境的化学、生物、物理条件来抑制其中的污染物,使其发生沉淀或被束缚在腐殖质上,减少污染物的移动性或生物有效性,减少它对生物和环境的危害[10-11].

植物在植物固定中具有保护污染土壤不受侵蚀,减少土壤渗漏来防止金属污染物淋移的功能.重金属等污染物通过植物根部的积累、沉淀或根表面的吸持而被固定.

1.3 植物挥发

植物挥发是利用一些植物的生理活动,通过植物的吸收来促使重金属转变为可挥发的形态,继而从土壤和植物表面逸出,进入大气环境中达到治理污染的目的.该技术最初是用于修复环境中的Hg,利用植物使毒性大的二价汞转化为气态的零价汞.而Se、As和Hg可以通过植物吸收,然后进行甲基化挥发,大大减轻土壤的重金属污染.该法只适用于挥发性污染物,植物挥发要求被转化后的物质毒性要小于转化前的污染物质,以减轻环境危害.基于此也导致了该技术应用范围很小,且将污染物转移到大气和（或）异地土壤中对人类和生物有一定的风险,因此,它的应用受到限制.

在植物挥发技术中主要利用的植物有烟草、印度芥菜、低芥酸油菜和一些树木.最成功的例子就是修复氚污染[12].

1.4 根际过滤

借助植物羽状根系所具有的强烈吸持作用,能从污水中吸收、浓集、沉淀金属或有机污染物,因此,利用植物过滤技术可以部分处理工业废水、农业废水；植物根系能吸附大量的铅、铬等重金属,还可用于放射性污染物和疏水性有机污染物（如三硝基甲苯）的治理.

植物根滤可以进行原位和异位修复,根滤作用所需要的媒介以水为主.因此根滤是水体、浅水湖和湿地系统进行植物修复的重要方式,所选用的植物以水生植物为主.除水生植物外,像向日葵、印度芥菜、烟草、黑麦、菠菜、玉米等植物都有所研究.而印度芥菜是最有效的去除污水Pb污染的植物,Pb质量浓度在4～500mg/L[13].

1.5 植物转化

植物转化也称植物降解,指通过植物体内的新陈代谢作用将吸收的污染物进行分解,或者通过植物分泌出的化合物（如酶）的作用对植物外部的污染物进行分解.植物转化技术适用于疏水性适中的污染物,如苯系物、重金属、TNT等.对于疏水性非常强的污染物,由于其会紧密结合在根系表面和土壤中,从而无法发生运移,对于该类污染物,要与植物固定和植物挥发修复技术相结合,通过综合技术达到治理的目的.

有报道用油菜、向日葵、亚麻、芥菜和浮萍来修复核污染中的137Cs和134Cs,美国曾经做过试验,发现风滚草在开花前吸收了大量的贫铀,而风滚草吸收这些物质可能是利用其来合成色素.植物通过根部从废水中吸收、富集和沉淀这些重金属,因为很多放射性元素相对原子质量比较大,通过植物从地下吸收到上部还比较难,所以更容易聚集在根部,向日葵的根系积累放射物的浓度比自然水中的浓度还要高5000～10000倍,且向日葵的生物学产量较高,所以被认为是处理铀污染水体的首选植物.也许是这个原因,日本在福岛核泄漏事故后才会使用向日葵作为净化核污染的植物之一.曾有人利用浮萍进行植物修复,结果显示,7 d时间内核污染水中的铀物质就大量减少.植物除了自身吸收和净化放射物,还能固定放射物,防止放射物进入地下水或食物链,从而降低放射物的污染范围.植物生长的地方通常会有和植物共生的微生物（如真菌等）,也可对污染土壤进行修复治理.在切尔诺贝利核事故发生后,发现附近的唇形科、菊科、蔷薇科等科属植物中的铯积累量很大.同时,植物根外的菌丝能够吸收放射物铀并能使铀朝根系迁移[12].

2 污水植物修复技术的发展方向

2.1 污水前处理技术

由于植物容易受周围环境的影响,单纯依赖植物修复技术进行污水处理,其效果往往会有波动性.现在研究人员在植物修复前,在修复系统中加入一些物质或利用新技术对系统进行改造,使修复效果得到加强.

常用的前处理系统有很多,比如物理沉降或过滤系统用来去除固体颗粒物,降低人工湿地基质堵塞的可能性；厌氧或好氧生物反应器用来降解有机污染物,降低其对植物的毒害；还可以向污水中投加表面活性剂、共溶剂、乳化剂增加有机污染物的亲水性,投加氧化剂提供氧自由基,加快对有机物的降解,或热处理、超声波等方法将固体颗粒物破碎[14].

2.2 超富集植物的选育

由于用于植物提取的植物要求生物学产量高、生长快速[15]和抗病虫害能力强,拥有多种重金属富集能力,且富集系数和转运系数都比较高,还要有发达的根系[16],同时还便于收割.而用于植物修复的植物生物学产量偏低、生长速度慢.污水中存在着有机、无机和重金属等多种污染物,是一种复合污染,而植物对污染物耐性有较大的差异.就是对于目前已经发现的超富集植物,在实际利用中也还存在较多的缺陷,最主要的是超富集植物一般生物量较小、生长缓慢、难以机械收割；具有较强的地域性、多为野生种、且集中在为数不多的科属植物,大规模推广应用难度较大.因此,为了满足植物修复技术的需要,应培育满足修复多种污染需求的植物.

目前利用传统的植物改良育种技术培育出了大量的作物、树木、果树和花卉等植物品种,特别是用来改良作物品质和抗性方面利用较多,使得我国农产品品质和单产水平都得到较大幅度的提高.利用超富集植物对重金属的超富集能力和高生物学产量的作物或树木进行远缘杂交,来提高作物或树木对重金属的富集能力,然后应用于环境修复,这样可以加快修复速度,缩短修复时间.目前,超富集植物一般要求干物质产量不低于3 t/hm2[17],如印度芥菜对重金属的富集能力比超富集植物低,而前者生物学产量是后者的20倍,因此在植物修复利用方面,前者具有更大的潜力[11].杂交杨树在污水的修复方面也得到了推广应用.

不同植物对重金属Cd修复能力见表1[18].

表1 在田间试验条件下不同植物对Cd的修复潜力Tab.1 The concentration ofdifferentplant to cadmium in experiment field

技术在植物育种领域得到了广泛应用.利用生物技术不仅能够加速植物育种进度,而且能将自然界中超累积植物的耐重金属、超累积基因移殖到生物量大、生长速率快的植物中去,以克服重金属超积累植物的缺点,提高植物修复效率使其实用化.近些年来,在Se、Hg、Cd、Zn等重金属元素转基因植物研究方面已初获成果[19].

2.3 建立立体植物修复体系并进行工程实践

利用4类水生植物,即挺水植物、漂浮植物、浮叶植物和沉水植物的综合富集污染物的能力去除污染物.在水体的四周种上杨树、柳树等树木,可以通过微生物——植物扩大吸附面,增加富集能力,在水陆交界处,种湿生植物,加快水环境的改善.随着水环境的改善,在水面上放养一些鱼虾或养鸭或鹅,通过这些水生动物来控制浮萍等植物的生长,促进水环境的健康发展,通过水生植物+树木——鹅、鸭+鱼虾建立起复杂的水生生态系统,促进对水环境的修复.

2.4 富集植物的安全处理

目前主要是采取人工收割的方式,将凋亡植物从系统中移出；在重新利用移出的植物体方面还没有很好的方法.处理过的含有重金属物质污水的植物体,不能轻易地堆放在环境中,而从植物组织中提取重金属也是一项消耗巨大的工程,这些都是植物修复技术亟待解决的问题.寻找合适的处理技术,用木本植物替代草本植物或使用经济作物,在治理污水的同时也能达到一定的经济效益[14].

3 展望

污水植物修复技术具有适应性广、节约投资、无二次污染、可同时兼顾生态和经济效益的治理技术,在养殖业废水治理、河道污染物治理中具有广泛的应用前景.

为促进污水植物修复技术的发展,应加强污水植物修复技术的综合研究与工程实践.构建污水植物修复体系时应成分充分考虑以下3个问题：①地域适应性.植物的生长受到温度、湿度、光照、营养元素水平等因素的影响,因此在建立污水植物修复体系时,应充分考虑植物修复体系中植物的气候适应性、营养元素的耐受性等因素.②防止生物入侵.我国由于引进外来生物物种进行水体及土壤污染治理,引起一系列生物入侵问题[20].因此,在今后的物种选择中,应首先选择本土物种,对外来物种的引进要进行全面的研究,在应用中控制其对本土生物的影响.同时要慎重使用现代生物技术培育的转基因植物,如果控制不当,转基因植物进入自然或人工水体后,有可能成为入侵物种对生态系统造成破坏.③兼顾生态效益和经济效益.对以营养物质为主要污染物的水体,应建立兼顾经济效益为主的污水治理体系,实现营养元素生物转化和生物的经济化；对以有害物质为主的污染水体,则建立以生态效益为主的治理体系,将污染物质从水体中去除,对富集生物进行无害化处理.

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（责任编辑：邓天福）

Research of phytoremediation in sewage ecosystem

Ren Xiujuan,Wu Dafu,Zhang Li,Li Dongfang
（Henan InstituteofScienceand Technology,Xinxiang453003,China）

Phytoremediation technology waswidely used in sewage ecosystem restoration．Themajor phytoremediation processes or technologies arephytoextaction,phytostabilization,phytovolatilization,rhizofiltration and phytodegradation．At present some research have carried out in the sewage pretreatment technology,hyperaccumulator breeding, engineering practice,safe handling ofhyperaccumulatorsand otheraspects．In the future,thewastewater phytoremediation research should pay attention to the following three aspects：plant geographical adaptability,biological invasions,the economic and ecological benefits．

phytoremediation；wastewater；ecosystem

X53

A

1008-7516（2013）03-0066-05

10．3969/j．issn．1008-7516．2013．03．013

2013-04-10

任秀娟（1976-）,女,河南许昌人,硕士,讲师．主要从事土壤培肥与土壤修复研究．

吴大付（1967-）,男,河南确山人,博士,教授．主要从事重金属在土壤中的生态效应方面的研究．