探讨植物修复技术及其在环境污染中的应用*

吴春蕾，丁朝阳，吴志鹏

(安徽农业大学)

探讨植物修复技术及其在环境污染中的应用*

吴春蕾，丁朝阳，吴志鹏

(安徽农业大学)

通过对常见植物修复技术基本原理进行分析，了解植物修复相关技术，掌握植物修复技术需注意的问题，并对植物修复的发展趋势及应用前景进行汇总.结果表明螯合诱导技术、遗传工程技术、微生物等均在植物修复技术中得到大力应用，且植物修复技术适用于重金属、无机营养元素N、P、有机污染物、城市污染大气等多领域的修复.植物修复技术，属于一项实用性与有效性均较强的生态修复治理技术.

环境污染;绿色植物;修复技术

0 引言

植物修复实质即借助绿色植物除掉或减弱污染的生态环境治理技术，因更满足现代环境保护生态、环保要求，备受世界各国政府、科技界与企业界的关注与重视［1］.但植物修复技术受到修复周期长、污染物生物有效性与毒性水平等因素的限制，为了突破瓶颈，越来越多的专家与学者致力于该方面的研究，以期能进一步完善该技术.

1 常见植物修复技术基本原理

1.1 植物转化

原理:植物转化的过程总结起来即依靠绿色植物体内独特的新陈代谢作用把从环境里吸收的污染物给予分解，或依靠绿色植物的化合物分泌能力(如酶类)来分解植物外部污染物的全程［2］.植物转化技术引其独特的修复能力专门被使用于疏水性适中的污染物治理中.

1.2 植物辅助生物修复(植物蒸发作用)

原理:植物吸收能让部分重金属变成可挥发态，在空气中慢慢挥发到土壤和绿色植物表层，完成土壤重金属污染的综合治理.如在含有Hg、As等元素的重金属土壤污染的整治上效果明显.

1.3 植物萃取

原理:部分较特殊的绿色植物能吸收存在于土壤里的重金属，并成功将其贮存至地上部，再收获植物地上部的条件下来除去土壤污染物.作为有较广的研究深入，文献资料更多的、发展前景可观的植物修复技术，对应用时所用植物的生长生物量等要求相对均更高，要求植物生长速度快、生物量大，具备一定的抗病虫害能力，且能富积不同重金属［3］.

1.4 植物固定

原理:依靠植物根际所分泌的特殊性物质实现污染污染物至无毒害物质转化的过程，植物根系使受污染土壤内的污染物质被牢固在原地，这有效避免了受多因素影响(如雨水冲刷、风吹尘土等)而诱发二次污染［4］.但植物固定实际上并未达到彻底清除的效果，因此不能完全有效解决重金属污染问题，表明植物固定并不属于最佳修复方法.

2 植物修复技术的应用

2.1 对重金属的植物修复

为实现“种植物、收金属”的境界，很多专家、学者均开始致力于重金属超富集植物这一领域内展开深入研究.因此，该技术在重金属植物修复上为有较强发展前景的绿色修复技术.且通过一段时间的研究，不少专家与学者均纷纷尝试着探究“超富集植物倾向”传统植物［5］.

利用育种或转基因技术将超富集性转移至有加强环境适应力、生长速度快的绿色植物.现今，育种或转基因技术已被大力应用于植物修复中的研究正处在起步阶段，所获得成果较少，仍不符合商业化水平要求.

2.2 对无机营养元素N、P的植物修复

水生植物即在水环境内生存的植物生态群落，这类植物在水体富营养化问题的解决上起到了不可忽视与替代的作用.中国科学院水生生物研究所于湖北黄石成功进行了污水净化及污水资源化两重功效的新型定塘设计实验，实验过程与结果均证明了水生植物可更好清除污染水中的N、P含量.表1就是富营养化水体植物修复的部分植物种类及净化效果总结.

表1 植物修复富营养化水体综合功效分析 %

2.3 对有机污染物的植物修复

当前环境里的有机物种类越来越多，传统微生物修复效果也无法跟上环境恶化步伐，植物修复以自身独到优势，其研究逐渐被提上日程.

2.3.1 对残余农药的植物修复

虽有机农药已被不少国家禁止使用，不过水环境污染问题依然较严峻，水体内被检测到的农药残留浓度依旧偏高，对人类生存环境的影响相当大.如农业上用到的杀虫剂DD7与代谢物均属于对环境影响较大的持久性污染物，无菌环境中，伊乐藻、浮萍等常见性水生植物，都可在较短时间内(6d)富集整个水环境内的DDT，还可把约1%～13%的DDT，降解成DDD与DDE.常见有机氯农药有:毒杀芬、林丹、氯丹等.

2.3.2 对多环芳烃的植物修复

多环芳烃因特有的致癌、致畸等特性而备受全球关注，也是当前人们所生活环境里分布相对广泛的有机污染物.除实验室的局限性研究外，西方发达国家也从室内转移至室外，达到野外应用水平.如Denys［6］等在法国北部前炼焦厂被污染的土壤范围中大面积种植不同种类与功效的绿色植物，种植后的第36个月，进行土壤污染浓度调查，发现与种植前相比明显减弱，表明草本绿色植物的混合种植很适宜被应用进行植物修复.终可得，植物修复多环芳烃属于成本低廉的可行生态修复技术.

2.3.3 对硝基芳香化合物的植物修复

硝基苯为无色或淡黄色油状液体，可致癌、致突变.水环境下所含硝基芳香化合物污染可以说完全源自炸药工业.相关资料显示［7］，美国国防部特定的1000多个炸药污染区域，其中有95%的区域均存在着TNT污染，还有87%的区域地下水污染程度明显超出了规定标准值.TNT的植物修复为耗能低、环保安全的二次污染最佳治理手段.

2.4 对城市污染大气的植物修复

城市中的大气污染物根据性质主要归纳并细分为三类:生物性、物理性与化学性污染物，其中绿色植物修复城市大气污染治理方面又展现出以下三点:1、城市内培育的绿色植物能有效净化大气中物理性污染物;2、植物在大气内化学性污染方面独特净化作用.资料研究表明，现代城市森林一日内二氧化氮吸收量约4.2t、二氧化硫吸收量约3.7t，而一日的臭氧吸收量则为10.8t.另外，因绿色植物在酸沉降方面发挥着相应的缓冲效应，也就决定了其对酸雨所致危害有缓解性;3、植物能阻挡气流运动，阻碍微生物传播，并分泌出多种挥发性分泌物净化大气中的生物性微生物.

3 相关技术在植物修复中的应用

3.1 螯合诱导技术

螯合剂在提高土壤中重金属等污染物的可移动性中效果极佳.可促植物对重金属吸收与转运.符合要求的螯合剂主要包括3个特点:专一性;更利于植物吸收与转运重金属，降解快;无残留毒性.螯合剂则又分作人工合成与天然2类.因人工螯合剂能增强土壤内铅溶解度、使岩由根系向地上部转运系数变大，污染物彻底清除困难度大，且不得不认真审视可能会引发的“二次污染”问题.所以，天然螯合剂研究开发成为当前的重点研究课题.天然螯合剂则包括部分低分子量有机酸(如苹果酸、柠檬酸等).有资料调查显示［8］，朝铀污染土壤里加入柠檬酸后，会提高植物对铀的吸附能力.

3.2 遗传工程技术

依靠遗产改良增强植物的污染物吸收能力，积累或讲解能力从过去到现今，甚至是未来都是生态环境改善修复技术领域的重点探究课题.现今人们已通过植物基因工程技术分离克隆相关基因，把其转入生命力强、生物量大的植物中，使植物可大量表达相应蛋白，促修复能力得以提升，与植物修复相关联的蛋白或基因具体有:

(1)金属转运蛋白.从野生荠菜(thlasaioesingense)中克隆出锌转运蛋白基因(ZAT)导入拟南芥(arabidopsisthaliana)根部锌吸收能力能高出2倍.

(2)金属结合蛋白.金属结合蛋白即指金属硫蛋白 (metaiiothioneinMT)、(metaiiothionein-MT)、GSH环口植物螯合剂(PhYtocheiatin，PC)，其中植物螯合剂也称之为“第三类金属硫蛋白”.金属硫蛋白中有机硫基团可结合锌、汞等重金属离子.谷肤甘肤可与污染物结合且转运到细胞其它部位，此为植物螯合剂(PhYtocheiatin，PC)合成的不可替代的重要性原料.印度芥菜(brassicajuncea)研究得出芥菜谷肤甘肤和植物螯合剂含量升高的同时，也提升了镉离子的耐受性，组织里镉含量与对照的含量相比较约高出了25%～30%.

(3)金属转化基因.如汞离子还原酶基因(merA)、铁离子还原酶基因(FRE2)与有机汞裂解酶基因(merB)等.当前依靠此技术来完成汞污染的修复处理取得了较大成功.对细菌进行研究得出离子还原酶基因(merA)能实现毒性的金属汞Hg+还原成无毒性的金属汞Hg+的转变，研究者把此类基因转至拟南芥CarabidoPsis)中给予更深层次的研究，发现幼苗在汞含量为100μmol/L的污染土壤内依旧长势良好，与对照比较，Hg2+含量超出了2～3倍.此外，让进入植物体内的有机汞被merB转化成Hg+，再在merA影响下，把毒性较强的Hg2+还原成无毒性的金属汞Hg+，并变成气态挥发掉.把merA与merB转至水生植物(香蒲、芦苇)等中，被大力应用到以汞污染为主的水生生态环境修复.

3.3 微生物

微生物在植物修复技术的研究主要基于两点，第一、从微生物中筛查出对应降解基因，在转基因技术协助下成功转入植物，提高植物修复成效;第二、通过与细菌、真菌等为维生素的联合作用完成对环境污染物的降解［9］.重金属修复方面，微生物从金属生物可利用性增强这一视角着手，或依靠植物生长作用实现植物累积金属量的提高.有机物污染修复治理方面，植物与共生的细菌、真菌等微生物联合构成了跟际圈，受微生物降解后，最终转变成了有机污染物.实践表明，根际圈在有机污染物上的降解效率更优于仅实施微生物降解的效率.

4 植物修复技术中应注意的问题

4.1 提高植物修复效率的配套技术

植物根际存有不少根际微生物.植物修复里，根际微生物与植物彼此形成联合修复体，微生物存在可降解有机污染物或转变污染物所存形态，增强污染物生物有效性，促植物吸收大量污染物质，降低毒害性.因而根际微生物在增强污染物植物有效性上的作用及功能均为需深一步探究的问题.

4.2 分子生物学在植物修复中的应用问题

分子生物学在污染环境绿色植物修复与应用方面起到了关键作用.通过分子生物学手段更利于植物修复机理的研究，还可通过改良遗传特性来增强植物对污染物的腹肌能力，或增强超富集植物的生物量.不过在转基因超富集植物研究方面，还需对转基因植物环境释放的生态安全性评价问题引起高度重视.

4.3 植物修复技术应用过程中植物的安全性问题

不管是哪类环境污染治理，在污染环境修复方面的植物与收割后的配套处理技术均应得到妥善解决，关系到安全性问题.此外所选择的绿色植物需尽量排除食用植物，以非食用的树木花草为主.

5 植物修复的发展趋势及应用前景

植物生态修复技术虽在生态环境改善中取得了一定成效，但也有不少缺点，如所选择绿色植株的生物量要求较高，污染物耐受性要高，受植物根系分布与气候、土壤等诸多因素影响，清除污染物需要的时间相当长，而转基因技术的应用也可引发潜在环境污染等.不过伴随各个领域研究的不断深入，绿色植物修复技术必将会越来越成熟，为生态环境保护带来新希望，前景可观.今后还应从如下几方面着手展开研究:分子生物学与基因工程技术在超累积植物品种培育方面的应用，农事操作对植物修复技术的辅助性作用，植物——微生物联合修复技术于污染物转移、吸收与降解中的作用机制和应用、生物、物理与化学等不同修复措施的全面利用，并展开大面积多次数田间验证试验，力求实现植物修复、景观建设、生物质能利用与观赏植物种苗生产的彼此结合.

［1］王颖，张云茹，何成明，等.植物修复技术及相关技术在环境污染治理中的应用［J］.重庆工学院学报:自然科学版，2009(11):39－42.

［2］杨卓.Cd、Pb、Zn污染潮褐土的植物修复及其强化技术研究［D］.河北:河北农业大学资源与环境科学学院，2009.186－192.

［3］陈晴空.铬污染土壤化学—植物联合修复技术研究［D］.重庆:重庆大学资源及环境科学学院，2008.238－245.

［4］王庆海，却晓娥.治理环境污染的绿色植物修复技术［J］.中国生态农业学报，2013(02):261－266.

［5］董建新.植物修复——新兴的环境污染治理技术［J］.生物学教学，2007(05):6－7.

［6］DENYS S，ROT 11N C.phytoremediation of PAHs contaminated soils following a bioremediation treatment［J］.Water Air and Soil Pollution:Focus，2006(6):299－315.

［7］丁建，陈贝，袁建军.植物修复重金属污染及内生细菌效应［J］.微生物学通报，2011(06):921－927.

［8］陈婧，王博，郭昱言，等.土壤重金属污染及其修复技术研究［J］.中国环境管理干部学院学报，2010(05):66－67，72.

［9］陈凌.土壤镉污染的植物修复技术［J］.无机盐工业，2009 (02):45－47.

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

(责任编辑:李家云)

2016－11－15

*安徽省高等学校自然科学研究重大项目(KJ2016SD21)