植物修复技术在污染治理中的应用与发展

张华春 原福庆 孙健 刘文杰 张义森

（1. 辽宁排山楼黄金矿业有限责任公司，辽宁阜新 123000；2. 辽宁省环保集团有限责任公司，辽宁沈阳 110161）

1 引言

随着世界工业化进程加快，环境污染日益严重，给社会的发展和人类的生存带来了严重的影响。近年来，人们的环境保护和治理的意识逐渐加强，生态环境治理已经成为学者们研究的热点。常用的修复技术可大致分为物理修复、化学修复以及植物修复。其中，物理、化学法主要通过封固、药剂固定、搬出填埋、热分解、洗净和焚烧等手段进行修复［1］，不仅操作程序复杂，消耗成本巨大，还易产生二次污染，针对大面积低浓度污染物的修复在实际应用中受到了一定的限制。植物修复作为一种较为新兴的修复技术，具有成本低、操作简单、环境友好的优点，得到了越来越多人的认同。本文探讨了植物修复技术在环境保护中的具体应用和发展。

2 植物修复技术概述

植物修复技术是指利用植物与土壤、水体或大气等外部环境之间的相互作用，通过吸附、吸收、固定、分解等作用，实现环境中污染物的有效去除，使生态环境得到净化和修复［2］。根据植物与环境相互作用的过程和原理，植物修复主要包括4 种类型。

2.1 植物提取

植物提取也称作植物萃取，是指通过针对特定污染物有富集作用的植物，将其提取到植物根部，并通过吸收、富集、运输、转移等作用将其贮存到地上的茎叶等部位，然后对富集污染物的部分进行收割，从而实现污染物的去除。这种方式主要用于土壤中污染物的去除，其作用过程一般分为两个阶段，一是植物根部将土壤中束缚态污染物转化为非束缚态，二是污染物从植物根部向地上部分的转移［3］。该技术对浅层且污染物浓度不高的土壤具有较好的修复效果［4］，其重点在于合理筛选与运用生物量大、生长迅速、抗病虫害能力强的超富集植物［5］，是目前研究较多、发展前景较好的植物修复技术。

2.2 植物挥发

植物挥发是指通过植物对土壤或水体中污染物进行吸收、累积作用，再利用植物的蒸腾作用将污染物转化成气态释放到大气中。但该技术在使用中将受到一定限制，如挥发到大气中的重金属可能会因过高的浓度或再沉降等，对环境造成二次污染，具有一定的风险性。

2.3 植物固化

植物固化也称作植物降解，是指通过植物自身的作用将环境中的污染物质进行累积、沉淀和转化，降低其活性和毒性，实现环境质量的改善。该技术具有分解、沉淀、螯合、氧化还原等多种类型的作用［6］，可以有效避免环境中的污染物质进行扩散，对其进行固定，但并不具备永久去除污染物质的能力，对环境中的特定污染物如重金属等不能从根本上去除，因此在应用中也具有一定的局限性。

2.4 植物转化

植物转化是指通过植物自身独特的新陈代谢作用，或其分泌物（如各类酶）实现环境污染物的分解。该技术对疏水性适中的污染物处理效果较好，对疏水性较强的污染物则需要通过与其他技术结合的综合方法实现环境的净化与治理［7］。

3 植物修复技术在环境保护中的应用

3.1 在土壤污染中的应用

污染土壤的修复是目前植物修复技术应用最多的领域，其核心在于根据污染土壤类型选取适生植物，并对拟使用的修复机理进行有针对性的优化，达到因地制宜的净化目的。

各类金属矿山开采等人为因素会导致土壤中存在大量的重金属污染物。重金属在土壤中自然消化需要极长的时间，对土壤的污染具有隐蔽性、滞后性、形态多样性、消除难度大，且易随着食物链迁移富集等特点，对自然环境和人类健康产生巨大威胁。处理时需要结合污染场地重金属的种类以及浓度等特点，合理筛选具有较强耐受性、富集功能以及内部输送能力的修复植物。如风滚草、蒲公英、狼把草、玉米、棉花、月季、蒿柳、杨树等植物对镉元素有较强的吸附作用；刺玫蔷薇、桦树、小叶杨、云杉等植物对锌元素有较强的吸附作用；杨梅、凤尾蕨、宽叶香蒲、密蒙花、紫穗槐等植物对铅元素有较强的吸附作用；菜豆、百车轴草、黄白杨等植物对汞元素有较强的吸附作用［8-12］。

除了重金属外，石油烃、多氯联苯、多环芳烃（PAHs）、多氯二苯和一些难以降解的农药等会给土壤带来有机物的污染。由于受挥发性、分解、转换、消化以及吸收等因素的影响，植物在处理土壤中的有机污染物时，相比重金属元素的处理，在原理上和过程上都要复杂得多。一般通过植物与地下生物群共同影响、植物组织形成的酶与分泌物以及植物自身的吸收等方式实现有机物的去除，同时利用植物吸收作用应考虑污染物在植物体内的转化形式。研究表明，玉米、紫花苜蓿等对多环芳烃有一定的降解能力［13-14］；白杨、狼尾草等对农药有较好的降解能力［15-16］。

3.2 在水体污染中的应用

不同于污染土壤，由于在水环境中存在沉水植物、挺水植物、浮水植物等不同类型的水生植物，植物修复对水体的作用方式更加丰富，因而产生了很多实际应用，如河岸的护坡、缓冲带、人工浮床、人工湿地、稳定塘等，可以对环境产生良好的改善作用。

植物对可溶性水体污染物具有吸收与分解的作用。水生植物经过长期进化，具有比陆生植物更复杂与发达的根系，可实现对水体中可溶性的难降解污染物的吸收。植物可吸收水体中的氮磷元素并将其转化成自身生长所需的营养物质，如凤眼莲、美人蕉、香根草、蕹菜、细叶萼距花等，对去除水体中氮磷等营养元素，修复水体富营养化具有良好的效果［7］；利用水生植物的超积累效应，通过螯合和区室化等作用，对水体中的重金属元素和有机污染物等有毒有害物质进行吸收和富集，再利用人工清除作业，实现污染物的去除，如剑兰、苦草、香蒲、芦苇、浮萍、黑三棱等对有毒有害物质均有较好的修复效果［17］。

植物对悬浮污染物具有凝聚与过滤作用。很多水生植物在生长过程中，会形成大面积群体植物网络或者发育出庞大的根系，可有效过滤水体中不溶水的各类污染物，防止水环境的进一步污染。例如浮水植物和挺水植物体型庞大，形成的过滤层可对泥沙和难溶胶质物等污染物进行过滤和沉淀。

3.3 在大气污染中的应用

植物除了可以监测大气污染外，在改善大气环境方面也很早就得到了应用，利用植物修复技术不但可以净化大气污染，在城市绿化、景观设计和生态体系建设等方面也具有部分指导和应用价值。

植物对大气中的物理性颗粒物，如煤炭燃烧或垃圾焚烧后的灰尘等，具有明显的控制作用，这种现象称为滞尘。滞尘方式主要有停着、附着和黏着3种，因此在筛选植物时通常选取叶片数量较多、总叶面积大、叶面粗糙多绒毛、能分泌黏性油脂或浆汁的物种［18］，如核桃、板栗、刺槐、侧柏、华山松、桑树、鸢尾等［19-21］。

空气中含有微生物（如各类细菌）以及一些病原微生物等属于大气的生物污染。此类病原体会随着粉尘和飞沫在空气中进行传播，植物依靠滞尘作用可减少病原体的流通，对大气环境起到一定的控制和修复作用。如阔叶林、针叶林、桧柏林、圆柏林、松树林等产生可挥发性的杀菌素，对某些有害病菌具有杀伤作用［22-23］。

大气中的有毒有害的化学污染物，如二氧化硫、氮氧化物、多元芳烃等，是大气污染的主要污染源。植物一般通过固化或转化作用对空气中的有害气体进行净化。如杨树、绦柳、国槐、广玉兰等对大气中的二氧化硫［24-26］，火棘、辛荑、洒金桃叶珊瑚、南天竹等对大气中的氮氧化物，都具有较好的净化效果［27-29］。

4 植物修复技术的强化

植物修复虽然具有众多优势，但也存在一定问题，其最大的应用瓶颈就是修复效率低，难以在短时间内达到预期效果，因此学者针对如何提高植物修复的效率开展了大量研究，由此诞生了一系列强化植物修复效率的方法。

4.1 农耕技术

农耕技术是最绿色的修复强化方法之一，常用于强化污染土壤的植物修复，可以从植物与土壤两个方面达到强化植物修复的目的［30］。常用的措施包括施加肥料、水分调控和改良耕作技术等。其中，施加肥料可改良土壤营养环境、pH 和氧化还原电位，促进植物的生长，同时还可改变污染物的存在形式和活性，促进植物对污染物的吸收［31］，如土壤中加入氨态氮肥能降低植物根际pH 值，增加交换态镉的含量，促进向日葵对镉的吸收［32］；水分调控对植物生长很重要，适量灌溉有利于植物生长，干旱或洪涝都会抑制植物的修复能力；通过中耕松土、合理间种、优化种植密度等改良的耕种技术也可达到强化修复的效果，如土荆芥和蚕豆、玉米间作后，土荆芥、蚕豆、玉米生物量都较单作增加，修复植物土荆芥体内的铅、镉含量显著增加，而农作物蚕豆、玉米体内的铅、锌含量显著降低［33］。

4.2 化学改良

植物修复的化学强化是通过向环境中添加某种化学物质，提高植物的生长效果或改变环境中污染物的状态，从而提高植物对污染物的吸收作用。常用的化学试剂有螯合剂、植物激素、酸碱调和剂、表面活性剂等。螯合剂可使重金属污染物从不溶态转变成可溶态，从而更易被植物吸收，如DPTA，EDTA，EDDS，NTA 等被广泛研究和应用。研究发现，向含铅土壤中添加适量EDTA，可以提高豌豆对铅的富集能力［34］。但螯合剂的添加量需要合理控制，若浓度过高，会导致较高的生物毒性，使植物生长受到极大的抑制，甚至造成水体污染［35］；植物激素通过加速植物的生长、改善植物的代谢功能或与环境中重金属产生螯合作用，对重金属进行吸收或降低其毒性，实现植物修复小的提升，如二乙基氨基己酸乙酯（DA－6）对黑麦草在镉的去除作用方面具有良好的促进效果［36］。

4.3 微生物联合

植物根系可分泌微生物所需的营养物质，而微生物反过来分泌可促进植物生长或增强其抗逆性的植物激素、铁载体、有机酸等物质，从而形成微生物—植物共生系统，提高污染物的净化效果［37］。微生物联合主要是通过菌根或接种植物内生菌与植物根部联合的方式强化植物修复，如将木立菌微杆菌TYSI04 和短小芽孢杆菌PIRI30 接种入香蒲根部，可增强香蒲降解废水污染物质的能力［38］；在铅污染土壤中，丛枝菌根真菌可提高豆科乔木光合作用和活性氧的清除能力，减少叶片中铅浓度并缓解铅胁迫［39］。

4.4 基因工程

植物的基因工程改造是一个新兴的领域，通过导入的金属螯合剂、重金属转运蛋白、植物螯合肽（PCs）和金属硫蛋白（MTs）等特定外源基因的表达，提高植物对环境的耐受性或对污染物吸收、稳定和富集能力。如利用基因工程手段引入汞运载功能和超积累功能的表达载体，得到的转基因烟草极大地加强了其对汞的吸收和积累能力［40］。但目前利用基因工程的植物修复技术大多还停留在实验室试验阶段，转基因植物能否在环境中正常生长并对本地的物种是否有不良影响还有待进一步考察。

5 结论和展望

植物修复作为一种操作简单、环境友好、成本低廉的生态修复技术，适用于大面积中低污染环境的治理。但单一植物修复因受环境影响干扰较大、修复周期长而难以达到预期效果，由此发展出农耕技术、化学改良、微生物联合与基因工程等多种植物修复技术强化措施。今后，植物修复在以下方面仍然有研究空间：

（1）进一步筛选更加优质的超富集植物，以期适应更加复杂恶劣和多元化的污染环境。

（2）发挥基因工程技术优势，利用转基因技术培育优质品种，并进一步研究其安全问题，力争早日工程化应用。

（3）加强对超富集植物的后续无害化处理和资源化利用的研究，确保修复植物的妥善处置，避免造成二次污染。