禾本科植物修复多环芳烃污染土壤研究进展.pdf
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1、化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 7 期禾本科植物修复多环芳烃污染土壤研究进展刘柏成1,2,李法云1,3,赵琦慧1,2,吝美霞1,4(1 上海应用技术大学生态技术与工程学院,上海 201418;2 上海城市路域生态工程技术研究中心,上海 201418;3 美丽中国与生态文明研究院(上海高校智库),上海 201418;4 湖南农业大学资源环境学院,湖南 长沙 410128)摘要:多环芳烃(PAHs)是一种难生物降解的有机污染物,其污染土壤的高效植物修复技术研发一直是环境修复技术领域极富挑战性的研究课题。植物修复
2、技术具有绿色低碳、经济高效、效果稳定及修复过程安全等优点,在土壤修复行业应用潜力大。禾本科植物在PAHs污染土壤修复方面具有生长周期短、生物量大、覆盖面广、根系发达、抗逆性强等优点,其对土壤中PAHs污染物的降解研究一直方兴未艾。本文探讨了禾本科植物对PAHs污染土壤的修复机理、效果及强化修复方法,阐述了禾本科植物修复PAHs污染土壤的研究现状及发展趋势。关键词:植物修复;禾本科植物;多环芳烃;土壤修复;根际分泌物中图分类号:X53 文献标志码:A 文章编号:1000-6613(2023)07-3736-13Research progress on remediation of polycyc
3、lic aromatic hydrocarbons contaminated soil by Gramineae plantsLIU Baicheng1,2,LI Fayun1,3,ZHAO Qihui1,2,LIN Meixia1,4(1 School of Ecological Technology and Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China;2 Center for Urban Road Ecological Engineering and Technology of Shanghai Mu
4、nicipality,Shanghai 201418,China;3 Institute of Beautiful China and Ecological Civilization,University Think Tank of Shanghai Municipality,Shanghai 201418,China;4 School of Resources and Environmental Science,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,Hunan,China)Abstract:Polycyclic aromatic hydr
5、ocarbons(PAHs)is a kind of organic pollutant which is difficult to biodegrade.Research and development of efficient phytoremediation of contaminated soil has always been a challenging task.Phytoremediation technology has the advantages of green and low carbon,low cost,stable effect and safe remediat
6、ion process,so it has great potential in soil remediation.Gramineae has the advantages of short growth cycle,large biomass,wide coverage,developed root system and strong stress resistance in the remediation of PAHs contaminated soil,and its research on the degradation of PAHs pollutants in soil has
7、been in the ascendant.In this paper,the remediation mechanism,effects and enhanced remediation methods of PAHs contaminated soil by Gramineae plants were discussed,and the research status and development trend of Gramineae remediation of PAHs contaminated soil were expounded.Keywords:phytoremediatio
8、n;Gramineae;polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs);soil remediation;rhizosphere exudates综述与专论DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1571收稿日期:2022-08-24;修改稿日期:2022-10-04。基金项目:国家重点研发计划(2020YFC1808802);上海市地方能力建设计划(20090503200)。第一作者:刘柏成(1999),男,硕士研究生,研究方向为有机污染土壤修复技术。E-mail:。通信作者:李法云,教授,研究方向为环境生态修复技术。E-mail:
9、。引用本文:刘柏成,李法云,赵琦慧,等.禾本科植物修复多环芳烃污染土壤研究进展J.化工进展,2023,42(7):3736-3748.Citation:LIU Baicheng,LI Fayun,ZHAO Qihui,et al.Research progress on remediation of polycyclic aromatic hydrocarbons contaminated soil by Gramineae plantsJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(7):3736-3748.37362023年7月刘柏
10、成等:禾本科植物修复多环芳烃污染土壤研究进展在土壤环境内诸多的污染物中,由于多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)的致癌、致畸和致突变的“三致”作用及其难以去除的特性,美国环境保护署(U.S.Environmental Protection Agency,US EPA)于1979年将其列为优先控制污染物。化石燃料燃烧或工业生产的副产品均可导致大量的PAHs排放。资料表明,2014年全球因工业生产导致约4.7105t的PAHs排入环境中1,其中大部分的PAHs进入土壤环境中。目前,有关PAHs污染环境工程修复方法大多成本昂贵,且可能存在带来二次污染
11、的风险,研发有关环境友好且低成本的修复方法日益受到了国家、组织或团体的重视2。目前,针对PAHs污染土壤的修复方法一般可以分为物理修复方法、化学修复方法与生物修复方法3,如图1所示。物理修复方法包括加热法、萃取法、客土法等。物理修复方法耗时短、操作简便,但其普遍存在成本较高的问题,且不能实现污染物的彻底去除4。化学修复法可基于氧化剂的性质,将其分为芬顿氧化法、高锰酸钾氧化法、过硫酸盐氧化法和臭氧氧化法等。化学修复法适用范围广,但其可能会为土壤带来二次污染的风险。基于当前国内外相关领域的研究进展,环境友好、成本低廉、效果稳定和不易产生二次污染的生物修复法正成为研究重点5。在生物修复方法中,可以按
12、照发挥作用的主体将其分为动物修复、微生物修复与植物修复。动物修复通过土壤动物与降解菌的交互作用来影响土壤中PAHs的去除。土壤动物一般通过3个方面来影响相关降解菌的活性:土壤动物通过物理活动,可以提高土壤通气性,改善生存环境;土壤动物直接取食降解菌,可以缓解菌的生存压力;土壤动物的分泌物可以刺激相关菌的生长发育6。已有研究证明线虫、蚯蚓等土壤动物在PAHs污染土壤修复中的作用不容忽视6-7。微生物修复是通过利用土壤原生微生物、外源高效降解菌,在人工设置的条件下对PAHs实现加速降解效果的修复方法8。微生物的强化修复一直是微生物修复相关领域研究热点。微生物固定化载体技术作为一种新型生物强化手段,
13、其研究进展一直备受重视。植物修复可以通过不同的机制促进PAHs的去除,如直接吸收和积累、刺激微生物活性以及植物根际与酶的共同作用等。其广泛具有低成本、低能耗、环境友好等诸多优势。禾本科植物普遍具有发达的纤维状根系,能够最大限度吸收污染物,环境抗逆性强,在 PAHs 污染土壤修复领域具有较大潜能。本文总结了禾本科植物修复PAHs污染土壤的机理、效应和强化修复方法,并对未来禾本科植物-微生物联合修复PAHs污染土壤的研究进行了展望,以期为PAHs污染土壤修复相关领域提供新的思路。1 PAHs污染土壤修复研究发展趋势分析为系统了解国内外多环芳烃污染土壤修复方法和技术的发展趋势,对近10年(20122
14、022)国内外的相关研究文献进行总结分析。国外文献来源于Web of Science,国内的文献研究来源于中国知网CNKI,分别以“Remediation of polycyclic aromatic hydrocarbon contaminated soil”“多环芳烃污染土壤修 复”“Phytoremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons contaminated soil”和“多环芳烃污染土壤植物修复”作为关键词进行检索,并按照全记录和引用的参考文献的格式进行导出。使用VOSviewer软件,阈值设定为10,即关键词的出现次数不少于10次
15、,生成可视化共线时间图(图2、图3)。图2、图3表明,近10年国外有关PAHs污染土壤修复和植物修复的研究中,以评价性综述类文章发表量居多,内容以土壤修复的局限性和对人类图1多环芳烃污染土壤修复方法比较 化工进展,2023,42(7)健康的危害为分析重点。从污染物形态来分析,研究的对象为荧蒽(fluoranthene)、萘(naphthalene)和苯并芘(benzopyrene)。从修复方法进行分析,化学修复、植物修复、微生物修复(修复菌群主要以假单胞菌属、杆菌属、放线菌属等为代表)为研究热点,且植物修复与微生物修复呈现高度相关性。从化学修复手段进行分析,2015年后的研究主要集中于对芬顿氧
16、化剂的探索。从植物修复手段进行分析;2017年以后,植物修复成为研究重点,主要以苜蓿盆栽实验进行,研究更加集中于植物根系对PAHs的吸附作用、污染胁迫下的植物生理效应和营养状况9。20172018年,主要研究对象从图2国外PAHs修复关键词可视化共线时间图图3国外PAHs植物修复关键词可视化共线时间图 37382023年7月刘柏成等:禾本科植物修复多环芳烃污染土壤研究进展苜蓿类植物逐渐过渡为禾本科植物(其中以黑麦草为主),研究开始逐步聚焦于植物根际土壤微生物群落的丰富度、基因型、多样性、土壤酶活性(多酚氧化酶)等,污染物形态由单一的PAHs转变为多种污染物(PAHs与镉的复合污染等),并开始尝
17、试将植物修复运用到场地之中。2019年至今,植物联合根际土壤微生物共同降解PAHs的降解途径和降解产物正在上升为研究热点10。由上述资料可见,国外的PAHs污染土壤植物修复研究中,经历了由单一污染物形态转向复合型,修复手段从化学修复转向生物修复,修复植物种类从单种转向多种植物联合,宏观植物生理特性的研究转向微观根际微环境的研究,单植物修复作用转向植物与微生物、表面活性剂、土壤改良剂联合作用等几个阶段的发展。图4、图5表明,国内对PAHs污染土壤修复的图4国内多环芳烃污染土壤修复关键词可视化共线时间图图5国内植物修复PAHs污染土壤关键词可视化共线时间图 化工进展,2023,42(7)研究中,其
18、污染物研究对象以菲和芘(pyrene)为主,少数是苯并a芘(Benzoapyrene),复合污染物多以PAHs和重金属镉(cadmium)的复合状况居多。修复方法以植物修复和生物修复为主。在生物修复方法中,添加生物表面活性剂(如鼠李糖脂、Tween 80等)的强化修复是研究热点。修复场所以焦化场地和农田土壤为主。以时间线来分析,20122015年间,植物修复是PAHs污染土壤修复的研究热点,主要受试植物是禾本科植物黑麦草。20152016年,PAHs污染土壤修复以微生物修复为研究重点,研究关注于PAHs降解菌的群落丰富度、固定化微生物手段等方面11。20162017年,表面活性剂被应用于PAH
19、s污染土壤的修复之中,且植物与微生物联合作用成为研究热点。2017年至今,生物炭在PAHs污染土壤修复中的作用受到生态学者的广泛关注12-13。研究重点开始从实验室转移到污染场地实际修复14,例如PAHs与重金属复合污染修复。在植物修复方面,植物与微生物共生的根际微环境成为研究热点。在国内PAHs污染土壤修复的研究中,经历从盆栽到污染场地、从单一修复方法到复合修复方法、从宏观层次到微观层次等几个阶段的发展。综上所述,国内与国外研究现状相比,整体的发展进程是相似的,均是从单一的方法到多种手段结合、从宏观环境到微环境的研究。然而,在强化植物修复PAHs污染土壤及场地应用方面,国内研究相对落后于国外
20、,这方面的研究仍亟待加强。2 禾本科植物对PAHs污染土壤的修复机理2.1 禾本科植物的生态学特性禾本科植物(Poaceae,也称Gramineae)主要包括稻亚科、竹亚科、早熟禾亚科等12个亚科和少数不确定类群,最新的研究表明其共有668属的约10000余种,其中中国有禾本科植物200余属的约1200多种。禾本科植物的生境覆盖地表约40%的面积,包括温带的草原、热带的稀树草原、亚热带的农田等。禾本科植物在不同的生态学领域中发挥着不同的作用。禾本科植物通过对地球的碳循环产生影响,提高地球的总光合生产力。单子叶禾本科植物对重金属污染可产生去除作用。已有研究证明,高羊茅、多花黑麦草、剪股颖等禾本科
21、植物对重金属铬(Cr)、铜(Cu)、铅(Pb)的蓄积作用15-16。禾本科植物不仅可去除重金属污染物,对有机污染物也有良好的去除作用。在二氯苯(PDCB)污染土壤种植黑麦草,发现黑麦草对二氯苯(PDCB)的蓄积量显著提高17。禾本科植物在降解PAHs污染方面具有其独有的生态学优势,具有生长周期短、生物量大、覆盖面广、根系发达、抗逆性强等优点。表1以优势PAHs修复禾本科植物多年生黑麦草和豆科植物白三叶为例。禾本科植物相较于其他科的植物,具有较短的降解周期,一般在6080d即可达到要求,如禾本科植物高羊茅70d时菲、芘去除率可达到 52.82%83.28%、47.27%75.39%18。禾本科植
22、物可以覆盖污染土壤,减少PAHs向大气中的耗散,以减少二次污染。得益于禾本科植物普遍具有抗逆性,在PAHs污染土壤中,禾本科植物能够正常进行生长发育过程。根系方面,禾本科植物的根系呈现网状结构,能够较好吸附土壤中的PAHs。而且禾本科植物的次生根代谢物更可以促进原生土壤中降解菌的活性,强化生物修复过程。禾本科植物体内富含糖类、淀粉类和纤维类物质,可以把体内的糖类、淀粉类和纤维通过工业方法转化变成乙醇19,进行二次利用,降低成本,例如禾本科能源植物柳枝稷、象草、狼尾草、南荻等20,见表2。2.2 禾本科植物对PAHs污染土壤修复机理2.2.1 禾本科植物直接吸收作用植物对土壤有机污染物有着直接的
23、吸收作用22。植物通过植物根系的吸收作用来达到去除污染物的目的。根部的吸收作用,按照吸收的方式可以分为主动运输与被动运输。禾本科植物的地下部分对PAHs有着更强的富集能力。通过分别计算黑麦草根与茎叶的植物富集系数(PCF),发现黑麦草根对PAHs的富集能力高于茎叶23。Ni等24发现水稻种植150d后其根部PAHs含量显著高于地上部。PAHs进入禾本科植物体内后,在根系中以游离态的形式存在。在向上转移的过程中,游离态和表1禾本科植物多年生黑麦草与豆科植物白三叶对比指标生物量/g21地下部PAHs含量/gkg121生物富集系数BCF21总PAHs降解率21多年生黑麦草13.091.78/盆(10
24、株)733.00.08546.8%白三叶3.050.13/盆(10株)576.70.06140.6%37402023年7月刘柏成等:禾本科植物修复多环芳烃污染土壤研究进展束缚态的比例会发生变化25。如黑麦草和三叶草体内菲的形态,在茎中游离态菲与束缚态菲的比例则为64。由于PAHs是疏水性有机污染物,禾本科植物根系成分也会影响PAHs的降解率。张明26研究发现根系中的脂肪和碳水化合物对黑麦草吸附PAHs均有较高的贡献。张晓斌27在小麦根系上的研究也得到相似的结论。2.2.2 禾本科植物根际分泌物对PAHs胁迫的响应植物根系分泌物作为对抗逆境的一种手段,植物可以通过分泌不同的化合物来达到不同的效果
25、。禾本科植物根系分泌物降解PAHs主要通过3种途径:根系直接分泌相关酶降解PAHs,例如过氧化物酶与酚氧化酶;根系分泌物通过提高PAHs的生物有效性来使其降解,例如氨基酸和有机酸;根系分泌物通过影响根际微生物的活性来促进PAHs的降解,例如维生素、核苷酸、多糖类等物质28。(1)根际相关酶的作用。禾本科植物根际降解机制是根际相关酶(过氧化物酶、蛋白酶、漆酶、水解酶、脂肪酶等)的分泌。Kon等29研究发现玉米的锰过氧化物酶、木质素分解酶的活性与PAHs的降解密切相关。不同种植物根系分泌物对PAHs的降解有差异。Dubrovskaya等30研究发现高粱和紫花苜蓿根际过氧化物酶对PAHs及其衍生物的
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