植物修复石油污染土壤的研究进展

来源：核心期刊咨询网时间：2020-08-24 10:3912

摘要：摘 要：土壤作为不可再生资源，是人类不可或缺的重要自然资源，然而随着人为活动的干扰，土壤的石油污染问题已成为世界性的环境问题，严重影响食品安全和生态环境。植物修复技术具有成本低、无二次污染、自然美观等优点，应用前景广阔。综述了石油污染危害、

　　摘 要：土壤作为不可再生资源，是人类不可或缺的重要自然资源，然而随着人为活动的干扰，土壤的石油污染问题已成为世界性的环境问题，严重影响食品安全和生态环境。植物修复技术具有成本低、无二次污染、自然美观等优点，应用前景广阔。综述了石油污染危害、土壤植物修复发展现状，详细介绍了污染物的物化性质、植物的种类和部位、土壤的理化特性以及土壤添加剂等因素对植物修复技术的影响，并简要描述了其影响机理。筛选超富集的高效修复植物，解析植物修复的机理，寻找能改善植物吸收性能的新技术，同时加强植物修复在真实污染场地的应用研究，是今后的主要研究方向。

　　关 键 词：石油污染;土壤修复;植物修复

　　土壤是生态环境的重要组成部分，是人类赖以生存的主要自然资源。随着全球经济的发展，石油成为人类不可或缺的能源，中国对石油以及衍生产品的利用率更是排在世界前列[2]。目前，石油污染已成为世界性的环境问题。美国 50 多万个地下储油罐、英国 1 100 家加油站的调查结果显示约有 三分之一的储罐发生泄漏污染土壤和地下水[3]。据统计，我国石化行业每年产生落地原油约 70 万t，其中约有 10% 会进入土壤环境[4]，危害土壤环境生态系统。由于石油烃具有疏水性和缓慢的生物降解过程，当释放到环境中时，原油及其成分会持续地对生态和人类健康产生不利影响[5]。因此，对石油污染土壤的修复治理技术应当引起人们的广泛重视。

　　1 石油污染的危害

　　石油是一种包含有气态、液态和固态的以烃类为主的混合物，其包含有数百种单体化学物质，其中烃类物质占比在95%以上。烃类物质可细分为烷烃、芳烃、胶质和一些沥青质[6]。根据文献报道，石油组分中的苯系物对人体健康具有极大危害，可导致急性中毒效应，甚至会引起白血病，同时对生态环境的危害也最为严重;苯并α芘、苯并α蒽等多環芳烃(PAHs)是被公认的环境化学致癌物，同时具有致畸、致突变等毒理效应 [7]。进入土壤环境中的石油组分也会对土壤的理化特性造成难以逆转的影响，石油组分中的难挥发性有机物质会长期残留在土壤中，占据土壤孔隙，降低土壤的有效含水率，从而对土壤中的营养结构和微生态造成负面影响，导致土壤微生物的群落结构发生改变，最终会直接影响生物的生存[8]。同时，如果污染土壤中的石油污染物被农作物等植物吸收富集，并通过食物链进入到人和动物体内将会给机体健康带来极大风险。基于当下污染现状和“尊重自然、顺应自然、保护自然”的生态文明理念，治理和修复污染土壤，降低其生态危害，并使其恢复一定的生态功能，是推动生态文明建设，打赢净土保卫战的重要内容。

　　2 石油污染土壤植物修复发展现状

　　污染场地的土壤修复技术的研究起步于 20 世纪 70 年代后期。传统的修复方法主要是通过物理手段，采取客土法等工程技术转移或置换污染土壤，或者通过化学手段，采取氧化还原等化学转化的方式在短时间内将场地污染对人体的健康风险降低至可接受水平。其中，物理修复是指采用物理的手段对受污染的土壤进行转移、置换或进行原位扰动，从而达到加快治理修复的目的，目前常用的物理修复技术主要有蒸汽抽提法、热脱附技术以及土壤淋洗技术等[9-10]。土壤的化学修复法是利用化学物质与土壤中污染物发生化学反应，利用化修复药剂的氧化还原、沉淀络合或增溶解析等特性，使污染物被降解或毒性降低甚至去除，从而达到土壤修复的目的。根据污染物和土壤特征的不同，常用的化学修复技术主要包括化学淋洗法、溶剂浸提法以及化学氧化法等[11]。

　　随着生物技术的发展和人们对环境友好修复方式的探索，生物降解作用被越来越多地应用到污染场地的修复中。由于石油组分本身也是有机物质，而大多数有机物质均可作为微生物的碳源被微生物所降解。因此，生物修复就是利用微生物、动物或者植物等生物的吸收和生物降解作用将污染物转化成无害的物质，从而使受污染的土壤环境能够恢复部分的或全部的生态功能，进而达到修复目的。研究表明在土壤环境中的土著微生物中，土著石油降解菌的生物总量占 0.13% ～ 0.5%，但当石油组分进入土壤环境时，石油降解菌的数量会升高几个数量级，其比例也会迅速升至 10%以上[12]。Moorthy等[13]从俄罗斯某石油污染区的土壤中分离并选培了石油降解菌，并利用制成的生物菌剂对石油污染区的土壤进行了为期 50 多天的微生物修复，结果显示石油烃的去除率达到了 20% ～ 51%。与其他传统修复技术相比，生物修复技术无须考虑添加复杂的化学药剂引起的二次污染问题，同时无须耗费开展复杂的工程手段带来的昂贵修复成本，它具有环境友好、费用低廉、安全有效以及可实现原位低扰动修复等优点。根据起修复作用的主体种类的不同，可以将土壤生物修复技术分为微生物修复、植物修复和动物修复等。

　　植物修复由于其操作简单、费用较低、无二次污染等优点成为近年来研究的热点，大量研究证明绿色植物可通过其根系及根际微生物的协同作用降解、吸收和稳定污染物，同时还可以通过植物自身的生物转化作用将污染物降解，植物的蒸腾作用也可以起到转移去除污染物的作用。有学者研究发现，杂草类植物如黑麦草、高羊茅、狼尾草、孔雀草、苜蓿等多种植物均可作为石油烃耐受植物吸收并富集石油烃，修复污染土壤[6， 14]。植物修复过程中，植物根系和根际微生物的共生关系是植物修复体系建立的关键。糖类、醇类、酸类等植物根际分泌物可为微生物的生长提供碳源、氮源等营养元素，有效提高了微生物对石油烃等污染物的生物降解能力，同时这种降解作用又提高了污染物的生物利用度，促进了植物根系对污染物的吸收和转化，这种协同降解作用使植物修复法技术成为21世纪最环保、最具潜力的土壤修复技术[15]。

　　3 植物修复技术的影响因素

　　3.1 污染物的物化性質

　　石油污染土壤的主要污染物是原油，原油是数千种石油烃(Petroleum hydrocarbon， PHC)和非烃化合物的复杂混合物。根据分子结构，可将PHC分为4大类：直链烷烃、支链烷烃、环烷烃和芳烃[16]。目前，关于植物暴露于石油污染物后会吸收其中的哪些成分尚不明确，但研究表明PHC的物化特性是影响PHC渗透程度和渗透速率的重要因素。首先，分子直径较小的PHC分子更容易被植物吸收。这是因为植物吸收PHC时必须要穿透角质层和细胞壁。单从细胞壁而言，植物细胞壁对于PHC而言是选择性渗透，仅允许一定大小的化合物扩散。通常直径大于4 nm的颗粒很难扩散进入植物细胞壁。Baker研究发现具有较厚角质层和少量气孔的植物几乎不允许油渗透[17]。然而，并不是所有分子直径较小的PHC分子都可以被植物吸收。黏性较小的轻质油会比重质油更快更均匀地渗透入植物组织内[18]。研究表明沥青分子的分子直径在1.2 ～ 2.4 nm的范围内[19]，如果仅基于分子直径考虑，这些化合物理论上是可以通过植物细胞壁的孔进入植物体内。然而，由于沥青质的黏性极大，极易聚集形成直径3 ～ 10 nm的大分子团，因此很难直接通过细胞壁。Badre等[20]研究发现相邻植物细胞间存在直径约60 nm的开放通道(Plasmodesmata)，允许分子量高达1 000的分子扩散。因此，分子量约为750 g·mol-1的沥青质一旦进入植物细胞可以在植物细胞之间运输。另外，PHC分子的疏水性的大小也会影响植物的吸收。尽管多数研究表明植物吸收的污染物会随着污染物疏水性的升高而减少，但这一观点依然有待进一步证实。Doucette等[21]分析整理了350多篇文献并以此建立数据库，其中包含310种有机化学品和112种陆生植物的7 049条生物蓄积数据，在该数据库的分析中并未发现上述观点，这表明油的高度疏水性不一定是植物吸收的障碍。

　　3.2 植物的种类和部位

　　植物吸收PHC的数量和速率同时还取决于植物的种类和植物的不同部位(叶、茎、根和芽等)(表1)。不同植物对PHC的耐受能力和提取能力不一样，因此筛选培育对PHC耐受的超富集植物是植物修复石油污染土壤的首要目标。据文献报道，自然界中的多种植物均具有富集PHC的能力，如三叶草、孔雀草、芦苇、水葫芦、蚕豆、玉米、大米、番茄、卷心菜、红树林和杨树等[22]。有研究表明，相比于二月兰，硫华菊和孔雀草对石油污染有更好的修复潜力[23]。在众多候选植物中，杂草类植物由于其广泛的纤维根系可提供了较大的根表面积，因此被认为是最有潜力的植物[24-25]。目前，常用于修复PHC污染土壤的杂草类植物包括高羊茅、黑麦草、苜蓿、光滑草地草、马草、百慕大草和柳枝草等[26]。张松林等[27] 利用紫花苜蓿在石油开采区进行植物修复研究，研究显示种植紫花苜蓿使土壤中石油的去除率达到90%以上。

　　推荐阅读：《石油化工管理干部学院学报》(季刊)创刊于1992年，由中国石油化工集团公司主管、石油化工管理干部学院主办。

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