植物修复技术

　　4.1植物修复技术的概念与基本原理

　　植物修复（Phytoremediation）是以植物忍耐和超量累积某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其共存物生物体系，清除环境中污染物的一门环境污染治理技术。植物修复最早用来进行重金属污染土壤的修复，现已发展成修复包括重金属、石油烃、POPs、农药等多种污染物污染土壤的重要生态环保型修复技术。见图4-5。

　　植物修复的原理共有6种类型：植物萃取技术、植物钝化技术、植物挥发、植物降解、植物转化和植物刺激。

　　（1）植物萃取技术（Phytoextraction）利用重金属超富集植物从土壤中吸收重金属，并将其转运到可收割的部位；然后收割植物富集部位，并经过热处理，微生物，物理或化学的处理，减少植物的体积或重量，以达到降低加工、填埋和人工操作费用的目的。生长于重金属含量较高土壤中的植物，可产生适应重金属胁迫的能力，这类植物有3种情况：①不吸收或少吸收重金属元素；②将吸收重金属元素积累在植物的地下部，使其不向地上部转移；③大量吸收重金属元素并将其转移到地上部，但植物仍能正常生长。

　　（2）植物钝化技术（Phytostabilization）利用特殊植物将污染物钝化/固定，降低其生物有效性及迁移性，使其不能为生物所利用，达到钝化/稳定、隔断、阻止其进入生物体和食物链的目的，以减少其对生物和环境的危害。植物在污染元素钝化中有2种主要功能保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗滤以防止污染物的淋溶；通过在根部累积和沉淀作用对污染物起到钝化或稳定化作用。

　　（3）植物挥发（Pyhtovolation）植物可以从土壤吸收污染物并将其转化为气态物质释放到大气中，主要用于VOCs或挥发性重金属如汞的植物修复；近年来发现某些特殊植物具有转化和挥发土壤硒的特性，可将环境中的硒转化为气态形式；许多植物可从污染土壤中吸收硒并将其转化为可挥发态的二甲基硒或二甲基二硒，从而降低硒对土壤生态系统的毒性；印度芥菜有较高的吸收和积累硒的能力，另外一些农作物（如水稻、花椰菜、卷心菜、胡萝卜、大麦和苜蓿等）也具有吸收、挥发土壤硒的能力；将细菌体内的汞还原酶基因转入拟南芥属植物后，得到的转基因植物比对照植物的耐汞能力提高了10倍，在可吸收土壤中，将其还原为零价汞后挥发到大气中；由植物挥发出的汞仍是有毒的，需要进一步的工作将其转化为无毒的形态，或使气体汞的挥发作用控制在环境许可的范围内。

图4-5 植物修复原理

　　（4）植物降解（Phytodegradation）利用植物及其根际微生物区系将有机物污染物降解，转化为无机物或无毒物质，以减少其对生物与环境的危害。

　　（5）植物转化（Phytotransformation）在植物的根部或其他部位通过新陈代谢作用将污染物转化为毒性较小的形态。

　　（6）植物刺激（Phytostimulation）植物的根系分泌物如氨基酸、糖、酶等物质能促进根系周围土壤微生物的活性和生化反应，有利于污染物的释放和降解。

　　植物修复是一项利用太阳能动力的处理系统，能够大大减少土壤清洁所需的费用，而且还具有安全、就地、土壤免遭扰动、生态协调及环境美化等特点，又被称之为绿色修复。植物修复与传统修复方法比较，具有成本低、效果好、不破坏环境等优点，已成为普遍推崇的重金属污染治理方法。蜈蚣草属凤尾蕨科孢子植物，对土壤中的砷具有很强的富集作用。郑凤英（2006）研究发现，砷同氧配位后，以三价形态为主累积于羽片中，含量高达0.5%，为普通植物的数十万倍。蜈蚣草生长快、分布广、实用性强，且价格低廉。相关植物修复技术已成功应用于土壤中砷的去除。蜈蚣草是砷的超富集，Koi（2005）研究发现，在自然条件下，蜈蚣草一般生长在含砷50～4030mg/kg的土壤中，甚至能在含砷量高达23400mg/kg的矿渣中正常生长。可见，蜈蚣草对砷的耐性极强。洪雪花（2011）研究发现，蜈蚣草能超富集砷，富集水平随生长环境中砷浓度的增加而上升，其中蜈蚣草叶片的含量最高，其次是莲和根，植物中抗氧化能力的指标（过氧化物歧化酶、过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶）与砷富集水平呈正相关。同时，幼苗的蜈蚣草比老年的蜈蚣草处理砷的效果更佳。但植物修复也存在自身的不足：植物修复受到污染物浓度的限制，特定植物仅仅针对特定污染物特定浓度范围有效果；修复的效率低；修复周期长；二次污染的避免与防范等因素使得植物修复很难大范围工程应用。

　　4.2污染土壤植物修复技术的优缺点及影响因素

　　1.植物修复技术的缺点

　　对治理污染土壤而言，植物修复技术比其他物理、化学和生物等方法更受到社会的欢迎，该技术成本低，对环境扰动少，在清理土壤重金属污染物的同时，可同时清除污染土壤周围大气或水体中污染物，有较高的美化环境价值，易为社会所接受。植物修复重金属污染物的过程，也是土壤有机物含量和土壤肥力增加的过程，被植物修复过的干净土壤适合于多种农作物的生长。植物固化技术能使地表长期稳定，有利于生态环境改善和野生生物的繁衍，且维持和实施的成本较低。

　　2.植物修复技术的局限性

　　需针对不同污染状况的土壤选用不同的生态型植物；植物对重金属的选择作用，限制了植物修复技术在多种重金属污染土壤治理方面的应用前景；对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉系统等条件有一定的要求；超累积植物通常矮小、生物量低、生长缓慢、生长周期长，因而修复效率低，不易于机械化作业；植物器官往往会通过腐烂、落叶等途径使重金属污染重返土壤，因而，必须在植物落叶前收割并处理植物器官。

　　3.植物修复技术的影响因素

　　为了提高植物修复污染土壤的效率，在设计植物修复技术方案时必须事先考虑下面因素：了解所处的地理气候条件，以便选择适合该气候条件下生长的耐重金属植物或超积累植物种类；将需治理的土壤纳入土地使用和规划管理方案中进行总设计与考虑；对土壤的酸碱度进行调查；对土壤的盐度进行调查；了解要治理土壤的含水量及水分供给状况；掌握待治理土壤的营养供给情况，以便拟定合适的施肥方案；调查土壤的重金属污染状况，了解重金属的化学形态及植物可利用性，以便从土壤化学的角度采取相应措施增加植物对重金属的吸收量。除此之外，植物遭受自然灾害的复原能力、植物病虫害、良好的灌溉与排水系统等也是需考虑的因素。

　　4.3植物修复的技术强化措施

　　1.污染土壤中难吸收态重金属的活化

　　污染物如重金属等进入土壤后，大多数与土壤中的有机物或无机物形成不溶性沉淀或吸附在土壤颗粒表面而难以被植物吸收。通过一些活化措施，可以增加土壤溶液中污染物的浓度，从而提高对重金属污染土壤的修复效率。

　　2.注重污染土壤的耕翻

　　污染土壤的耕翻一般要在修复植物一个生长剂结束之后或修复植物播种之前进行。另外，在植物生长过程中，结合施肥等作业也可以适当搅动土壤，以便改善根际圈环境，促进根系生长发育和改变土壤污染物的空间位移，促进植物与污染物的接触。

　　3.利用修复植物的水肥需求规律

　　影响植物修复效果好坏的一个重要因素是超富集植物地上部生物量的大小，要提高修复效率就必须促进植物地上部生物量的不断增加。灌水和施肥是促进植物生长的主要因素，但过量灌水和施肥既浪费资源也不利于植物生长，还可能引起土壤中污染物的扩散。

　　4.缩短修复周期

　　温度、光照、土壤水分、空气流通、热量等环境因素对植物生育期影响很大，利用植物对环境条件的反应，可以尽可能地缩短植物生育期从而缩短修复周期。此外，根据超富集植物各生育时期对污染物的积累情况也可以采取一些措施来缩短修复周期。假如某一超富集植物在开花期所提取的污染物量占全生育期总量的比重很大，而从花期到成熟期又要花去很长时间的话，就可以考虑在花期进行收获，然后再种植一茬植物，这样可以相对的缩短修复周期。

　　5.利用种子包衣技术促进超富集植物种子旱生快发

　　超富集植物几乎都是野生植物，野生植物的种子一般都很小，种子直径或最长处一般只有几毫米，有的甚至仅零点几毫米。这样小的种子既不利于播种，播种后也不容易保全苗。种子包衣是给种子包上一层物质（包衣剂），可以防治苗期病、虫、鼠害，同时在包衣剂中配有一定种类和数量的微肥，起到增加幼苗营养和提高秧苗素质的作用，而且也增大了种子的体积，尤其是小粒种子丸粒化技术，利于机械化种植。可见，包衣技术的利用是植物修复大规模商业化的不可或缺的关键技术之一。

　　6.注意病虫害的防治

　　植物能否正常生长，除了土壤及温度、光照等环境条件外，病害和虫害也是重要影响因素，因此要做好病、虫害的防治工作。从目前的技术水平看，在栽培调控措施难以奏效的情况下，施用化学农药防治植物病、虫害仍是不可或缺的手段。在使用化学农药的过程中，应选用一些残毒小、降解快的农药，以免引起对环境的二次污染。当然，能使用一些植物源等“环保”农药更好。

　　7.修复植物的搭配种植

　　污染土壤多数是几种重金属混合在一起的复合污染，而超富集植物往往只对其中一种污染物具有提取作用，只种植一种超富集植物每次仅能治理一种污染物，待这一种污染物治理完之后再种植另一种超富集植物去治理其余的污染物，如此进行下去既废功又耗时。因此，根据土壤污染情况，将几种具有不同修复功能的超富集植物搭配种植，既可以提高修复效果又可以节省修复时间。

　　4.4植物修复案例

　　2000年1月8日，湖南郴州市苏仙区邓家塘乡发生一起严重砷污染事故，导致600多亩稻田受灾。以此事件为代表，砷污染导致的生态与环境、人体健康等相关问题受到了广泛关注。

　　2001年陈同斌在郴州建立了砷污染土壤植物修复工程示范基地――邓家塘砷污染土壤修复示范工程，见图4-6。蜈蚣草叶片富集砷达0.5%，为普通植物的数十万倍；能够生长在0.15%～3%的污染土壤和矿渣土，具有极强的耐砷能力；其地上部分与根的含砷比率为5:1，显示其具有超常的从土壤中吸收富集砷的能力。蜈蚣草生物量大，富集砷能力强，每年去除土壤砷的效率为10%左右。收割的蜈蚣草通过砷固定剂安全焚烧。

图4-6 植物修复现场