（环境科学专业论文）石油污染土壤的花卉植物修复研究.pdf

a b s t r a e t a b s t r a c t a l t h o u g hp e t r o l e u mi so n eo ft h ed o m i n a n te n e r g ys o u r c e st om a i n t a i nt h ee c o n o m i ca n d s o c i a ld e v e l o p m e n to fac o u n t r y , d u r i n gt h ee x p l o r a t i o n ，t r a n s l a t i o na n dp r o c e s s i n g ，p e t r o l e u mh a s c a u s e dah u g ea r e ao fc o n t a m i n a t i o na n dr e l e v a n ta d v e r s ee f f e c t s ，a n dm a n yc o u n t r i e sa n dr e g i o n s f a c es e r i o u sp r o b l e m so fs o i lc o n t a m i n a t i o na n de c o l o g i c a lr i s kb yp e t r o l e u mh y d r o c a r b o n s p e t r o l e u mh y d r o c a r b o n sa r eam i x t u r eo fc h e m i c a ls u b s t a n c e sc a u s e dd u r i n gh u m a na c t i v i t i e sb y u s i n gp e t r o l e u mp r o d u c t si ni n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n , s o m eo fw h i c ha r ec o m p o s e d o ft w oo rm o r et h a nt w ob e n z e n er i n g s t o t a lp e t r o l e u mh y d r o c a r b o n s ( t p h s ) a r eo n eo ft h em o s t c o m m o ng r o u p so fp e r s i s t e n to r g a n i cc o n t a m i n a n t si nt h ee n v i r o n m e n ta n da r ek n o w nt ob et o x i c t om a n yl i v i n go r g a n i s m s , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e t r o l e u mi n d u s t r y ，m o r ea n dm o r ep e t r o l e u m o i lc a m ei n t ot h es o i le n v i r o n m e n t , c a u s e ds e r i o u s l yp o l l u t i o n t h em a j o rc o n t a m i n a t i o nh a p p e n e d i nt h e2 0 c ms u r f a c e l a y e r , s t r o n ga d h e n s i o na n dl o w e re m u l s i f i c a t i o n , e f f e c t e dt h e s o i l p e r m e a b i l i t y t h ep r e s e n c eo fp e t r o l e u mh y d r o c a r b o n si ns o i l si sn o to n l ya na d v e r s ef a c t o rf o r h u m a nh e a l t h , b u ta l s oan e g a t i v ei m p e t u sf o rp l a n tg r o w t ha n dd e v e l o p m e n t w i t ht h ee x p a n d i n g o ft h es o i lc o n t a m i n a t e db yp e t r o l e u mh y d r o c a r b o n s ，h o wt or e m e d y ，t r e a ta n dc o n t r o lt h i s c o n t a m i n a t i o ne c o n o m i c a l l ya n de f f i c i e n t l yi sb e c o m i n gat e c h n i c a lp r o b l e mi nt h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a tp r e s e n t , t h ec o m m o nr e m e d i a t i o nm e t h o d sf o rd i s p o s i n gc o n t a m i n a t e ds o i l si n c l u d e m a i n l yp h y s i c a lr e m e d i a t i o n , c h e m i c a lr e m e d i a t i o na n db i o r e m e d i a t i o n h o w e v e r ，t r a d i t i o n a l p h y s i c a la n dc h e m i c a lr e m e d i a t i o nm e t h o d sa r ec o s t l ya n dp r o n et oas e c o n dc o n t a m i n a t i o n a n o v e lp o t e n t i a lr e m e d i a t i o nt r e a t m e n tf o rt h e s ec o n t a m i n a t e ds i t e si sp h y t o r e m e d i a t i o n , w h i c hi sa c o s t e f f e c t i v et e c h n i q u ed e f i n e d 笛t h eu s eo f “s p e c i a l p l a n t sa n dt h e i rr o o t sa s s o c i a t e db a c t e r i a t or e m o v e ，t r a n s f o r m ，o ra s s i m i l a t et o x i cc h e m i c a l sl o c a t e di ns o i l s ，s e d i m e n t s ，g r o u n dw a t e r , s u r f a c ew a t e r , a n de v e nt h ea t m o s p h e r e a tt h es a m et i m e ，p h y t o r e m e d i a t i o ni sal o wi n p u t a p p r o a c hd e p e n d i n go nn a t u r a la t t e n u a t i o nb yb i o d e g r a d a t i o na n dp h y s i o c h e m i c a lm e c h a n i s m s t h a td e c r e a s et h ec o n t a m i n a n tc o n c e n t r a t i o nw h e r es o w i n gp l a n t sm a yb et h eo n l yi n t e r v e n t i o n s o m er e s e a r c h e sa l s os h o w e dt h a ts o m en a t i v ep l a n t sc a l le f f e c t i v e l yd e g r a d eo r g a n i cp o l l u t a n t s i n c l u d i n gp e t r o l e u mh y d r o c a r b o n s , w h e na s s o c i a t e dw i t ht h er o l eo fl i v i n gm i c r o o r g a n i s m si n b i o r e m e d i a t i o n r e l a t i v e l ys p e a k i n g ，r e s e a r c ho np h y t o r e m e d i a t i o no fp e t r o l e u mc o n t a m i n a t e d i i a b s t m e t s o i li ss c a r c o i np a r t i c u l a r , t h e r ei sn od o c u m e n to no r n a m e n t a lp l a n t st h a th a v eb e e na p p l i e dt o p h y t o r e m e d i a t i o no fp e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i l s ，w h i c hc a l lr e m e d yc o n t a m i n a t e de n v i r o n m e n t a n db e a u t i f yi ta tt h es a m et i m e o r n a m e n t a lp l a n t sa l ea ni m p o r t a n tt y p eo fh i g h e rp l a n t sa p a r t f r o mt h o s ei nt h ef o o dc h a i n , a n da r eq u i t ec r u c i a li ft 1 1 e yc a l lb ea p p l i e dt op h y t o r e m e d y i n g c o n t a m i n a t e ds o i l s t h u s ，u s i n go r n a m e n t a l sf o rr e m e d i a t i o no fc o n t a m i n a t e de n v i r o n m e n th a sa s i g n i f i c a n ta n dr e a l i s t i cp u r p o s ew h i c hc a nd e f i n i t e l yo p e nu pan e ww a yt op h y t o r e m e d i a t i o n o n t h eb a s i so fi d e n t i f y i n gr e m e d i a t i o np l a n t sf r o mo r n a m e n t a l s ，t h er e m e d i a t i o nc a p a b i l i t yo f m i r a b i l i sj a l a p al ，p h a r b i t i sn i l ( l i n n ) c h o i s ya n di m p a t i e n sb a l s a m i n a t ot r e a tp e t r o l e u m c o n t a m i n a t e ds o i lf r o mt h es h e n g l io i lf i e l di nd o n g y i n gc i t y , s h a n d o n gp r o v i n c e ，c h i n aw a s f u r t h e ri n v e s t i g a t e du s i n gaf i e l dp l o te x p e r i m e n tc a r d e do u ti nag r e e n h o u s e t h er e s u l t ss h o w e d t h a ta f t e r12 7 d ，p h y t o r e m e d i a t i o nu s i n gt h es p e c i a ls p e c i e si sa ne f f e c t i v et r e a t m e n to p t i o nt o r e d u c ep e t r o l e u mh y d r o c a r b o nl e v e l si nc o n t a m i n a t e ds o i l s k e yw o r d s ：c o n t a m i n a t e ds o i l ；p e t r o l e u mh y d r o c a r b o m ；p h y t o r e m e d i a t i o n ；o r n a m e n t a l p l a n t s ；d e g r a d a t i o nr a t i i i 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号答辩日期年月日 论文类别 博士口学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所专业 联系电话 e m a i i 通信地址( 邮编) ： 备注：是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 土壤是人类赖以生存的最重要的自然资源之一，但随着人类对化学品的依 赖程度越来越高，有毒有害物质的种类和数量日益增多，越来越多的污染物进 入到环境介质中，环境的污染状况也越来越严重i l 。3 】。与重金属污染相比，有机 物的污染要严重的多，据联合国环境规划署( u 忆p ) 1 9 9 0 年的报告( i r p t c ) 指出【引，每年大约有3 4 亿t 有机污染物进入环境，其中大部分进入了土壤环境， 土壤生态系统成了有机污染物的最大受体。土壤有机污染不仅对作物产量和品 质具有不良效应，还能通过食物链对人类健康构成重大威胁，并通过物质迁移 对大气、水等其他环境要素产生不利影响【9 】。多环芳烃( p a l - i s ) 等持久性有机 污染物大多具有“三致”效应，可通过环境介质进行长距离迁移输送，参与全 球和各圈层的循环，最终在土壤环境中累积【4 j 。有鉴于此，有机污染土壤的修复 和治理已日益引起有关方面的高度重视。 第一节概述 目前，对于有机污染土壤通常采用生物修复的方法予以治理和“末端”解 决，有关研究与实践已取得了较大进展。然而，值得注意的是，生物修复则会 导致细菌等微生物对土壤及地下水的生物性污染。为了解决这一实际问题，近 年来许多学者纷纷开展了有机污染土壤的植物修复研究和实践，并取得了一定 进展。一般来说，有机污染土壤的植物修复是指利用植物在生长过程中，吸收、 降解、钝化有机污染物的一种原位处理污染土壤的方法【5 7 】。 1 1 1 污染土壤植物修复的定义 植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是一门利用植物对环境污染物质进行处理的技 术，它是利用植物及其微生物与环境之间的相互作用，对环境污染物质进行清 除、分解、吸收或吸附，使土壤环境重新得到恢复，它是- - f - j 新兴的应用技术【1 0 】。 植物修复技术利用植物修复和消除由有机毒物和无机废弃物造成的土壤环境污 染。很久以前，人们便知道植物的生活周期对其周围发生的化学的、物理的、 生物的过程都会产生深远的影响。在枝条和根的生长、水和矿物质的吸收、植 株的衰老及其完全腐解等过程中，植物都能深刻地改变周围的土壤环境。运用 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 农业技术使污染的土壤适于种植，并改善对植物生长不利的化学和物理方面的 限制条件。然后，植物会直接或间接地吸收、分离或降解污染物。研究人员对 所种植物、灌溉条件、施肥制度及耕作制度进行组合，使这种修复效果达到最 优化。通过有目的地多年种植优选的植物，以从污染地带除去污染物，或者改 变土体中污染物的物理和化学特性，使之不再威胁人类健康和生存环境，恢复 和重建自然生态环境和植被景观【l 。 植物修复既可用于对有机污染物的分解，也可用于对无机污染物的清理， 与其它环境污染处理的工程技术相比，植物修复具有应用成本低、生态风险小、 对人类和环境副作用小等特点【l2 1 。土壤中的石油类污染物是近年来继农药污染 之后的又一重大污染源，在2 0 世纪9 0 年代后期，该技术成为国际上备受关注的 科学前沿和热点研究领域，其修复技术研究已经成为当今环境保护领域新的热 点。现有的修复方式包括物理修复、化学修复和生物修复等，传统物理及化学 修复方法成本较高且易导致二次污染的发生，植物修复具有应用成本低、生态 风险小、对人类和环境副作用小等特点。根据有关调查资料i ”1 4 】显示，目前关 注的有机污染物主要有p c b s 、p a h s 、有机溶剂( t c e 等) 、总石油烃类( t p h ) 、 杀虫剂和爆炸物( t n t ) 等有机污染物( 表1 ) ，这些污染物都能被特定植物不同 程度地吸收、转运和分解。 表1 1 有机污染土壤的植物修复的基本类型与进展 2 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 1 1 2 土壤植物修复的机理 植物修复有机污染物的机理比植物修复重金属污染复杂得多，包括吸附、 吸收、转移、降解、挥发等【5 ，1 0 】。有机污染物能否被植物吸收，并在植物体内发 生转移，完全取决于有机污染物的亲水性、可溶性、极性和分子量。有机物亲 水性越强，被植物吸收就越少。植物主要通过三种方式去除环境中的有机污染 物，即植物直接吸收有机污染物；植物释放分泌物和酶，刺激根区微生物的活 性和生物转化作用；植物增强根区的矿化作用。 1 1 2 1 植物对有机污染物的直接吸收作用 植物从土壤中直接吸收有机物，然后将没有毒性的代谢中间体储存在植物 组织中，这是植物去除环境中中等亲水性有机污染物的一个重要机制。化合物 被吸收到植物体后，植物可将其分解，并通过木质化作用使其成为植物体的组 成成分，也可通过挥发、代谢或矿化作用使其转化成二氧化碳和水，或转化成 为无毒性作用的中间代谢物，如木质素，储存在植物细胞中，达到去除环境中 有机污染物的作用。环境中大多数b t e x 化合物、含氯溶剂和短链的脂肪族化合 物都是通过这一途径去除的。b u c k e n 掣”】研究发现植物可直接吸收环境中微量 除草剂阿特拉津。植物对化合物的吸收受三个因素的影响：化合物的化学特性； 环境条件；植物种类。因此为了提高植物对环境中有机污染物的去除率，应从 这三方面深入研究，提高植物对污染物的吸收。 1 1 2 2 植物释放分泌物和酶 植物酶对各种杀虫剂等外来持久性有机污染物在植物细胞中的降解起到很 重要的作用。除了分泌的有机化合物能够维持根际微生物的生长和活性外，植 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 物也能够释放一定数量的酶到土壤环境中。释放到土壤和沉积物中的酶的量现 在还未研究清楚，但是测定到的这些酶的半衰期揭示出，从植物体中分泌出来 的酶对土壤持久性有机污染物进行了有效的降解。与植物酶有关的有机物降解 非常快，致使化学污染物从土壤中的解吸和质量转移成为限速步骤。植物死亡 后释放到环境中的酶还能继续发挥作用。美国佐治亚洲a t h e n s 的e p a 实验室从淡 水的沉积物中鉴定出脱卤酶、硝酸还原酶、过氧化物酶、漆酶和腈水解酶，这 些酶均来自植物，研究植物特有酶降解过程为植物修复的潜力提供了有力的证 据，在筛选新的降解植物或植物株系时需要关注这些酶系【l 刚。野外测试发现， 植物产生的硝基还原酶和漆酶对军火废弃物，如t n t ( 2 ，4 ，6 一三硝基甲苯) 和三氨基甲苯分别具有显著的降解作用1 1 7 1 ；腈水解酶能够降解氯化氰苯；脱卤 酶可降解含氯溶剂，如t c e ( 四氯乙烯) ，生成c l 离子、h 2 0 和c 0 2 ；p c b s 的降 解速率与过氧化物酶活性成正相关【l 引。 然而，酶对环境条件的要求较高，需要在植物存在的环境下才能有效发挥降 解作用。游离的酶在低p h 值、过高污染物浓度或细胞毒素条件下将会失去活性 或被破坏。在植物修复过程中，酶在植物组织内或根区附近得到保护，释放到 土壤中后，其活性可保持几天1 1 9 j 。 1 1 2 3 根际降解作用 根际降解是指污染物在根系中进行分解，它既可以是微生物的作用，也可 以使根系自身的作用。在植物根系分布范围内土壤微生物量是最大的，根际土 壤比非根际土壤的微生物含量多可达1 0 倍以上，约5 0 o 1 0 的根系表面被土壤微 生物所占据。植物可通过促进根区微生物的转化作用，已被很多研究所证实【9 1 1 1 。 植物根区的菌根真菌与植物形成共生作用，其独特的酶途径，用以降解不能被 细菌单独转化的有机物。植物根区分泌物刺激了细菌的转化作用，在根区形成 了有机碳，根细胞的死亡也增加了土壤有机碳，这些有机碳的增加可阻止有机 化合物向地下水转移，也可增加微生物对污染物的矿化作用。另有研究发现微 生物对阿特拉津的矿化作用与土壤有机碳成分直接相关。 植物为微生物提供生存场所并可转移氧气使根区的好氧转化作用能够正常 进行，这也是植物促进根区微生物矿化作用的一个机制。 4 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 第二节国内外研究现状及进展 石油是一种粘稠易燃的、颜色从黄到黑的气体、液体和固态碳氢化合的混 合物，天然存在于地表之下，可以分离成多种成份，包括天然气、汽油、挥发 油、煤油、燃料和润滑油、石蜡和沥青，含有多种烃类( 烷、环烷烃、芳烃) 及 少量其它有机物( 硫化物、氮化物、环烷酸类等) 【2 。近年来许多研究认为，石油 进入环境，经历了各种物理、化学和生物过程，其组分结构、物理化学性烃质、 生物可利用性和环境毒性等均发生不同程度地变化，影响石油化合物在环境中 的行为和最终归趋。联合国环境规划总署( u n e p ) 将石油化合物代谢的多环芳烃 类化合物( p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ，简称p a h s ) 列为12 种优先控制的 持久性有机污染物( p e r s i s t e n t o r g a n i cp o l l u t a n t s ，p o p s ) 之一。已有研究表明，经 过环境代谢产生的加合( a d d i t i n g ) p a h s 或取代( s u b s t i t u t i n g ) p a h s 比正常p a h s 毒 性更强。在现实情况下，土壤作为环境污染重要的汇，其污染来源和污染物种 类具有多重性一1 。 石油对土壤的污染多集中于2 0 c m 左右的表层，粘着力强且乳化能力低，影 响土壤的通透性，而土壤表层常常是农作物根系最发达的区域，所以石油对土 壤的污染程度直接影响到农作物的生长【2 。石油类物质进入土壤后，改变了土 壤有机质的组成和结构，从而影响了土壤微生物的生长繁殖，引起土壤微生物 群落、微生物区系的变化，大量的石油不仅堵塞土壤孔隙，对土壤微生物有抑 制作用，对土壤酶活性也有抑制作用，而且包裹土壤结构的活性表面，阻碍了 土壤微生物的活性。石油类对土壤酶的影响随石油成分和土壤类型的不同而不 同，土壤酶的种类和活性强弱与土壤的理化性质和土壤微生物区系有关。石油 经过土壤生态系统的一系列作用后，其某些成分在作物各部分中形成积累，从 而影响粮食质量，并进入食物链，进而危及人类健康【2 2 】。土壤作为一个有机无 机结合体，对污染有着强大的缓冲与自我修复能力，当污染物总量超出这种能 力时就会发生土壤污染。导致土壤污染的原因包括，超量的可降解污染物和生 物难降解污染物，即持久性污染物的累积。后者导致了土壤污染物存在的持久 性，如果没有人为措施的干预，这种污染将持续下去。同其它环境介质与污染 物类型相比，土壤同石油污染物之间具有更强的亲和能力，增加了分离的难度 和处理费用。 尽管石油是维持各国经济发展的主要能源，但在开采、运输和加工处理过 程中，石油烃也造成了大面积的污染【i l 。在石油勘探、开采及储运过程中出现的 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 含油泥浆、岩屑和落地原油，对油井周围较大面积的土壤产生了严重的污染。 据报道，单井落地原油的污染面积平均达0 5 2 1 m 2 ，落地泥浆达2 0 m 2 ，一次井 喷事故造成的原油覆盖面积达3 0 0 0 4 0 0 0 m 2 。石油烃是石油用于人类不同活动而 产生的化学物质，其主是指2 个或2 个以上的苯环以稠环和非稠环形式相连接的 化合物，在环境中的持久性很强，危害性较大【3 ，4 1 。其中一些p a h s 不仅具有强烈 的毒性致癌、致畸变和致突变性，还有促进致癌作用，能通过食物链在动 植物体内逐级富集和放大，进而对人类健康造成严重的威胁。 我国正面临土壤污染日益严重的巨大压力，土壤污染治理的任务相当严峻， 土壤污染危害已经引起了人们广泛关注。土壤污染主要以重金属污染和有机污 染为主，大面积区域污染主要以有机污染为主，如：农药，石油及其产品、固 体废物及其渗滤液等。石油污染在我国相当严重，造成了土壤，水体的污染危 害。为了控制、治理污染的土壤，植物修复、微生物修复、化学修复和物理修 复以及这些方法相结合的联合修复等技术近年来发展很快。尤其是植物修复技 术，由于它具有投资少、不破坏场地结构、不引起地下水二次污染等优点，在 对重金属和有机污染物的处理上已显示出其明显的有效性，是可靠的、环境相 对安全的技术。通常植物修复技术与其它可采纳的方法相比，处理成本要低廉 很多。在美国，场地上种植植物一般花费( 1 - 2 5 ) 万美元英亩( 不包括设计费、 场地整理费、监测费、维护费等) ，而相比之下，其他处理技术要昂贵许多。如 在污染填土上建立植物覆盖层的花费比这多十倍。有研究【2 3 】曾估算过植物修复 技术和其他技术的处理费用的比较列于下表。 表1 2 污染土的的各种修复技术的费用比较 技术类型 处理成本( 美元) 植物修复技术 原位微生物修复技术 间接热解吸 土壤冲洗 固定固定化处理 溶剂萃取 焚烧 1 0 3 5 5 0 1 5 0 1 2 0 3 0 0 8 0 2 0 0 2 4 0 3 4 0 3 6 0 4 4 0 2 0 0 1 5 0 0 6 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 第三节石油污染土壤的植物修复 土壤中的石油类污染物是近年来继农药污染之后的又一重大污染源，其修 复技术研究已经成为当今环境保护领域新的热点。现有的修复方式包括物理修 复、化学修复和生物修复等，传统的物理及化学修复方法成本较高且易导致二 次污染的发生，植物修复具有应用成本低、生态风险小、对人类和环境副作用 小等特点。 石油烃污染土壤后，土壤中c 源大量增加， n 、p 含量和微生物活性成了影 响植物修复的重要因素。h u a i l g 等【r 刀利用凡s f “c 口a r u n d i n a c e a 和微生物的共同作 用，来促进土壤中总石油烃的降解，试验证明，经过4 个月的联合修复，土壤中 9 0 的石油烃得以去除。l i s t e 等通过对黑麦草( r y e g r a s s ) 、野碗豆( v e t c h ) 和芥 菜( m u s t a r d ) 进行温室盆栽试验发现，农作物具有促进土壤中石油烃污染物降解的 潜力。p h i l l i p s 等t 2 6 l 比较了黑麦草( l o l i u m p e r e n n el ) 、紫花苜蓿( m e d i c a g os a t i v a l ) 、牛毛草( f e s t u c ar u b r al ) 、高芽草( a g r o p y r o ne l o n g a t u m ) 、裸麦( e l y m u s a n g u s t u st r i n ) 和蓝草( p u c c i n e l l i an u t t a l l i a n a ) 对石油烃污染土壤的修复作用， 发现4 5 个月后所有的植物修复组中烃类的降解率都比空白对照组高，其中以种 植有牛毛草的土壤中石油烃降解率最高，结果表明植物修复能有效地降低土壤 中石油烃的含量。x u 等1 2 7 研究了玉米( m a i z e ) 、黑麦草( r y e g r a s s ) 和自首蓿 ( w h i t ec l o v e r ) 及其联合修复对污染土壤中菲和芘的去除效果，结果表明种植植 物能有效地去除土壤环境中的菲和芘，尤其是玉米，经过6 0 天的植物修复，菲 和芘分别从初始浓度为5 2 5 2 m g k g 和5 8 1 9 m g k g 减少到4 1 5 m g k g 和6 7 7 m g k g ， 其降解率分别达9 2 1 0 和8 8 3 6 。与单一植物修复相比，植物联合修复对p a h s 具有更好的修复效果，玉米和黑麦草联合修复的土壤中菲和芘的去除率达 9 8 2 2 和9 5 81 。m e r k l 等【2 3 j 通过分析多种种植在石油污染土壤中的植物根的形 态特征( 根长、根表面积、根体积和根平均直径) 来筛选适合修复石油污染土 壤的植物。结果表明：e l e u s i n ei n d i c a 受石油烃污染的影响较小，且石油烃的降 解率与植物根系的表面积呈正相关关系。e u l i s s 等【2 9 】通过盆栽试验发现，与别的 植物及空白对照组相比，莎草( s e d g e ) 、柳枝稷( s w i t c h g r a s s ) 、柳树( w i l l o w ) 和加马草( e a s t e r ng a m a g r a s s ) 对总石油烃污染物有显著降解作用。 环境中的多环芳烃( p a h s ) ，主要来源于石油化工产品以及化石燃料不完全 燃烧产物，已被许多国家列为优先考虑的环境持久性有机污染物，见表1 3 。如 果在污染土壤中种植植物，植物根系以及植物自身可以对p a h s 的吸附、降解起 7 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 到复杂的促进作用。l i s t e 和a l e x a n d e r t 3 0 】选用9 种不同的植物进行研究，结果表明 它们均可促进芘的降解，种植植物8 周后的土壤中芘消失了7 4 ，而未种植植物 的土壤中芘最多消失了4 0 。p a r r i s h 和w h i t e 3 l 】比较了小胡瓜( c u c u r b i t ap e p o s s p p e p o ) 、黄瓜( c u c u m i ss a t i v u s ) 和南瓜( c u c u r b i t a p e p os s p o v i f e r a ) 对p a h s 的吸收作用，以2 8 d 为一个周期，4 1 - 周期全部结束后，小胡瓜吸收p a h s 的量是 黄瓜和南瓜吸收p a h s 量之和的2 倍，从而证明小胡瓜对p a h s 有很好的修复效果。 还有研究发现，在物理挥发，光氧化、微生物和植物修复的联合作用下，牛毛 草( f e s t u c aa r u n d i n a c e a ) 能够有效地去除土壤中的杂酚污染物。经4 个月的处理 后，一共去除了1 6 种优先p a h s ，其去除效率比单独的生物修复高5 0 ，比单独 的植物修复高4 5 。 表1 3 美国环保局1 6 种多环芳烃优先污染物 更为重要的是，经过多步骤联合处理，可以有效地去除土壤中大多数高疏 水性、土结的p ：俎s 。q i u 等t 3 2 1 比较了1 2 种草对多年污染的粘土中p ! a h s 的吸附和 代谢，从草的茎、叶组织中均未检测到p ! 俎s ，而主要集中在根部，因此，植物 修复p a h s 实际污染土壤时，不必担心食草动物的健康风险以及对食物链造成的 8 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 影响。s c h w a b 等【3 3 】利用紫花苜蓿和牛毛草研究植物根系对萘的吸附降解情况， 发现通过植物挥发可去除土壤中3 2 - 4 5 的萘。也有研究指出，p a h s 的降解和 矿化与所选用植物无关，而是与微生物的作用密切相关。m u e l l e r 和s h a n n 等【3 4 】 以黑杉p ( k e v i nb l a c kw i l l o w ) 、梧桐( s y c a m o r e ) 、杂交杨树( h y b r i dp o p l a r ) 、黑槐 ( b l a c kl o c u s t ) 和美洲红桑( r e dm u l b e r r y ) 等8 种植物作为受试对象，发现只有在具 有较低的生物可利用率和较低的微生物活性条件下植物对修复的影响才能表现 出来。 随着石油工业的发展，石油污染土壤的面积正在不断扩大，植物修复作为 一种处理成本低、无二次污染、自然美观的土壤修复技术已成为各国研究的热 点，并具有很大的市场潜力。发达国家的植物修复技术已开始进入商业化初期 阶段，已有近1 0 0 家企业开始涉足植物修复技术领域。如美国已有数十项植物修 复技术方面的专利，且已经开始进行工程化应用。因此，土壤重污染的治理是 我国当前急需解决的任务。与传统的化学和物理治理技术相比，由于植物是利 用光合作用生长，因此成本极低，植物修复技术还具有简便和无二次污染等优 点。它不仅可以修复污染土壤，而且有可能通过资源化利用而取得一定经济效 益，因此是一项非常适合国情的实用技术，具有广阔的应用前景。此外，项目 研究过程中的基因专利、微生物制剂和化学制剂等技术可以进入国际市场。现 代基因工程技术的应用将为植物修复技术带来突破性的进展，而在应用的同时 需综合考虑经济效益、社会效益和环境效益的和谐统一。在我国，石油污染植 物修复技术的研究尚处于起步阶段，需要在实践中不断完善和改进，以期获得 更好的处理效果，具有更大的实用价值。 第四节植物修复石油污染土壤的技术内涵 1 4 1 目的及意义 生物修复是利用生物去除环境中污染物的技术。由于其代谢特性，微生物 一直是特别受到关注的生物类群。然而近年来的研究表明利用植物对环境进行 修复即植物修复是一个更经济更适于现场操作的去除环境污染物的技术【2 4 ，2 5 1 。 植物修复是近十几年刚兴起的，近几年逐渐成为生物修复中的一个研究热点。 很多研究表明石油的主要类型包括天然气、原油、柏油和沥青，它们最终组成 9 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 各种比例的烷烃( 如甲烷、乙烷、丙烷) 、芳香族化合物( 如苯、甲苯、乙苯、二 甲苯，统称为b t e x ) 和多环芳香族烃( p a i l s ，如萘、菲、蒽、二苯芘) 。2 0 世纪 8 0 年代以来，土壤的石油烃类污染成为世界各国普遍关注的环境问题。在我国， 当前石油年产量己超过l 1 0 s t ，每年新污染土壤l 1 0 5 t 。油田区落地石油污染是 石油污染土壤的主要形式，8 0 以上的原油被截留在5 0 c m 以上的表层土壤中。 石油烃在表层土壤中的积累导致土壤结构的破坏，影响土壤通透性，并对农作 物的生长和发育造成很大的负面影响。石油烃还可通过食物链危害人类健康。 在石油烃中占极小比例的多环芳烃，由于强烈的致癌性，对其降解的研究也是 不容忽视的。石油开采、石化产品的生产和运输中的泄漏是环境中p a h s 的一大 来源。利用适当的植物不仅可去除环境的有机污染物，还可去除环境中的重金 属和放射性核素，并且植物修复适用于大面积、低浓度的污染位点。由于植物 修复有其一系列优点，近年来有关的研究很多，有的已进行了野外试验并已达 到商业化水平。目前世界各国主要应用植物修复与研究的范围为：分解多氯 联苯( p o l y c h l o r o b e n z e n e ，p c b ) 、卤代烃和汽油碳水化合物；重金属放射线 元素的植物吸收和去除；有机无机污染物的分解；水与挥发性物质的处理； 环境与荷尔蒙的分解；空气污染物质的分解处理；利用植物将氧化氮转 化为氮气。 植物修复可用于石油化工等有机污染物的治理，主要是由于：一是植物可 直接吸收有机污染物并在其组织中积累非植物毒性的代谢物；二是植物促进了生 物化学反应中酶的能力。虽然选用的植物种类目前还处于研究阶段，而且修复 时所选用的植物还需要根据具体的场地条件来定，但表1 4 的经验资料还是具有 很好的参考价值。 表1 4 美国一些场地修复所采用的植物类型( 据e p a ，1 9 9 8 ) l o 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 早期治理石油污染土壤的方法主要是传统的物理和化学方法。这些方法所 需时间短，见效快，但存在二次污染、处理费用高等弊端。2 0 世纪8 0 年代以后， 污染土壤的微生物修复技术成为人们研究的热点。然而面对大面积、低浓度的 环境污染，微生物修复由于微生物生物量小、去污能力弱而很难达到较好的处 理效果，而大面积处理的费用也是十分可观的。植物修复以其处理成本低、吸 收污染物的生物量大、兼顾美化环境等优点已成为人们普遍能接受的去除土壤 污染物的首选技术。国内外研究资料显示，目前应用于修复石油污染土壤的植 物多为牧草和作物类等，采用花卉植物来修复石油污染土壤还鲜见报道1 6 j 。如果 能从物种繁多的花卉资源中筛选出对污染土壤修复有重要意义和作用的超积累 花卉植物，不但能够弥补修复植物种类有限的不足，还能在美化环境的同时， 产生一定的经济价值和社会效益，从而为植物修复开辟一条新的途径1 7 j 。 1 4 2 应用前景 植物修复技术之所以受到如此高的重视，主要在于它的低费用，以及利用太 阳能作为动力，是一种节能、环境安全的处理技术。到目前为止，虽然有不少 研究表明植物修复技术在环境污染处理中具有较明显的生态效益、经济效益和 景观功能，但至今仍然没有得到广泛地应用。植物修复技术仍属一个新的研究 开发领域，多数研究成果仅限于实验阶段，研究的关键仍是筛选出能够耐受并 有效降解污染物的以及能改善植物吸收性能的方法【l 。由于所用的植物类型不 同，土壤类型多样，以及被处理污染物的性质各异，植物修复技术存在改造时 间相对较长，修复结果有时还不能得到完全令人满意的效果等问题。但是通过 深入、细致地研究植物微生物污染物之间的相互作用关系，利用这一技术实现 污染治理的目标最终将成为可能。 第一章污染土壤的植物修复( 综述) 从世界范围看，植物对环境的修复技术已经越来越引起人们的重视。美国 政府在2 0 0 0 年就赞助了1 6 0 个大的植物修复研究与示范项目，其中包括1 0 2 项 有机污染物处理、3 3 项重金属污染处理。对石油和有机氯污染的植物处理技术 已经完成了预试验，对爆炸物、农药等植物修复研究已经进入到大田试验和实 际推广阶段。德国政府2 0 0 0 年赞助的环境修复项目超过4