林业科学  2011, Vol. 47 Issue (5): 124-130   PDF    
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韦秀文, 姚斌, 刘慧文, 白莉萍, 周玲莉
Wei Xiuwen, Yao Bin, Liu Huiwen, Bai Liping, Zhou Linli
重金属及有机物污染土壤的树木修复研究进展
Application of Dendroremediation to the Soil Contaminated Soil by Heavy Metals and Organic Pollutants
林业科学, 2011, 47(5): 124-130.
Scientia Silvae Sinicae, 2011, 47(5): 124-130.

文章历史

收稿日期:2009-11-25
修回日期:2010-10-12

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韦秀文
姚斌
刘慧文
白莉萍
周玲莉

重金属及有机物污染土壤的树木修复研究进展
韦秀文1,2, 姚斌1,3, 刘慧文3, 白莉萍3, 周玲莉4    
1. 中国林业科学研究院荒漠化研究所 北京 100091;
2. 海南有色工程勘察设计院 海口 570206;
3. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091;
4. 中国环境科学研究院 北京 100012
摘要: 综述树木修复的相关内容,重点介绍树木在重金属和有机物污染土壤植物修复中的应用现状及前景。与传统的修复技术想比,污染土壤植物修复技术具有运作费用低、易于管理与操作、不产生二次污染和易为大众接受等优点; 但随着研究的深入其不足之处亦日益凸现:植物生物量小、生长缓慢、通常只对单一污染元素积累或超积累等。随着植物修复技术的发展,树木修复技术被应用到污染土壤的修复,并取得一定的成效。将木本植物用于植物修复将是今后污染环境修复研究领域的一个重要方向,这将为污染土壤植物修复的大面积推广提供更多的选择。为更好地利用木本植物修复污染环境,今后的研究还应注意加强国内优良树木修复材料的筛选及国外优良树木修复材料和技术的引进; 加强有机物污染土壤树木修复的研究; 加强树木修复技术与其他修复技术相结合的综合研究,以提高污染环境树木修复的效率。
关键词:污染    重金属    有机物    树木修复    植物修复    
Application of Dendroremediation to the Soil Contaminated Soil by Heavy Metals and Organic Pollutants
Wei Xiuwen1,2, Yao Bin1,3 , Liu Huiwen3, Bai Liping3, Zhou Linli4    
1. Institute of Desertification Studies, CAF Beijing 100091;
2. Hainan Nonferrous Engineering Investigation and Design Institute Haikou 570206;
3. Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Beijing 100091;
4. Chinese Research Academy of Environmental Sciences Beijing 100012
Abstract: Soil contamination by heavy metals and organic pollutants has become a global problem and urgently needs to be solved. Compared with traditional remediation technology of contaminated soils, phytoremediation technology exhibits advantages such as lower cost, easier management, without creating a second pollution and easy acceptance to public, attracting much attention from scientific field. But it also has some deficiencies, for example, low biomass, low growth rate of plants and limited take-up ability of pollutants. With development of phytoremediation technology, woody plant has been applied for phytoremediation, which achieved some successes and showed an excellent application future. The detail about phytoremediation, the achievements and the applying prospects of dendroremediation in phytoremediation of heavy metals and organic matters contamination are described in this paper. Application of woody plant in remediation of contaminated soil would be an important aspect of phytoremediation. To make better use of woody plants to remediation of the contaminated environment in the near future, we should pay more attention to enhancing the basic research on selecting elite dendroremediation materials in the domestic and introducing the elite materials and technologies from other countries, on soil organic pollution and on integrating dendroremediation with other remediation technologies to improve the efficiency of dendroremediation.
Key words: pollution    heavy metals    organic pollutants    dendroremediation    phytoremediation    

土壤污染与全球变暖和臭氧层破坏一样,是目前和将来影响人类福祉的重要环境问题之一。随着影响生态安全和人体健康的土壤污染问题的凸现,污染环境的风险评估和修复成为环境科学领域一个前沿热点,已引起国内外学者的广泛关注(骆永明等,2005; Komárek et al., 2009)。20世纪80年代以后逐步发展起来的植物修复(phytoremediation)是一项主要用于清除环境中有毒污染物的绿色修复(green remediation)技术,因其经济、高效且不造成二次污染的优点得到越来越多的认可(陈同斌等,2002; Saifullah et al., 2009)。植物修复能有效地降低土壤中重金属的毒害程度及清除土壤中的有机污染物,然而传统的植物修复材料,特别是重金属超累积植物材料虽然具有超量累积特定重金属的能力,但由于生物量低、生长缓慢等特点,使其在具体实践中应用受到很大制约; 现今发现的超累积植物很少能在田间应用,很难解决大面积的污染修复(Hammer et al., 2003)。

木本植物具有生长迅速、生物量大、根系发达等理想特征,利用其对污染环境进行修复成为生物修复研究领域的一个热点(张建梅等,2003; 严俊,2007; Alkorta et al., 2001; Hammer et al., 2003)。树木修复被认为是环境保护研究领域一项应用前景广阔的新兴环境友好技术,国内外相继开展重金属及有机物污染环境的树木修复相关研究(刘维涛等,2008; Sell et al., 2005; Pulford et al., 2003; Strycharz et al., 2009),树木修复在国外已经出现产业化趋势。

1 树木修复概念及树木修复的机制

2001年,美国密歇根州立大学的学者在植物修复的基础上首创树木修复(dendroremediation)一词(Langholtz et al., 2001)。树木修复主要是利用木本植物对污染环境进行修复,树木通过固定、挥发和吸收等方式对重金属、有机物等污染起净化作用(张建梅等,2003; 严俊,2007; Corseuil et al., 2001; Macek et al., 2000)。树木修复既能够实现污染土壤的资源化,又可以产生大量的木材或生物质能源,并且产品不进入食物链,还可以利用城市污水灌溉,具有绿化美化等功能(张东为等,2008)。树木修复由于处理量大、净化效果好、受气候影响小,越来越引起人们的关注和重视(Alkorta et al., 2001; Pulford et al., 2003)。

2 重金属污染土壤的树木修复

积累作用较强的树种对重金属污染的治理、控制和修复具有特殊作用(张炜鹏等,2007; Dikonson et al., 2000),在过去10多年间,树木用于修复受重金属污染土壤的可行性引起广泛关注(蒋德明等,1992; Pulford et al., 2003)。利用树木修复土壤重金属污染被认为是低投资、可持续及生态安全的途径(Dikonson et al., 2000)。具有超同化能力的树木将有害的重金属等污染物通过根系吸收后,输送并储存在植物体根部及地上部分,经过转化、隔离或螯合作用减轻对植物体的毒害,并通过采伐、收获等手段达到清除土壤中重金属的目的(刘维涛等,2008; Sell et al., 2005; Pulford et al., 2003)。

目前,利用树木修复土壤重金属污染的研究集中在杨柳科植物(刘维涛等,2008)。杨树(Populus)和柳树(Salix)能够通过植物提取或固定的方法修复多种重金属污染,其中包括放射性元素。修复过程中有的重金属适合植物提取,有的适合植物固定; 而植物提取也存在提取效率的不同,这与重金属种类、树种或无性系、林分及树龄、生长季节、土壤特点及水文特征等多种因素有关(Wieshammer et al., 2007)。

2.1 杨属植物对重金属污染土壤的修复

研究表明杨树能有效修复镉污染土壤(黄会一,1989; 吴雁华,2005)。余国营等(1995)发现杨树对镉的积累达到34.93 mg·kg-1,超过对照植株10倍以上,植株生长未见异常,生物量无明显下降; 杨树对镉的积累量分别为水稻(Oryza sativa)、小麦(Triticum aestivum)、大豆(Glycine max)和玉米(Zea mays)的112,99,360和97倍,高晋华(1999)利用速生杨开展的试验也得出类似的结果。种植在镉含量为0.6~60.6 mg·kg-1污染土壤中的Kawa系和Argyle系杨树对镉的累积可达6~75 mg·kg-1,品种之间的累积效率无显著差异(Robinson et al., 2000)。北京杨(Populus × beijingensis)、加杨(Populus × canadensis)和健杨(Populus × canadensis ‘Robusta’)幼林可使土壤镉在1个生长期内消减0.6~1.2 μg·g-1 (文秋红,2006); 而杨树人工林可以在添加含镉制革废弃物的环境中正常生长,并将废物中总的重金属含量降至与背景值相似的程度(Giachetti et al., 2006)。吴雁华(2005)证实杨树对重金属污染具有明显的修复效率,并据此提出京南地区重金属污染杨树修复的生态模式; 王新等(2007)的研究表明,杨树地上部分对土壤重金属镉、铜、锌的吸收量大于落叶松(Larix),一旦遭受重金属污染,通过杨树修复需要大约上百年的时间,而通过落叶松修复需要大约数百年时间,杨树修复重金属污染土壤比落叶松更有利。

此外,杨树对重金属汞也有一定的消减作用。试验数据显示merA转基因北美鹅掌楸(Liriodendron tulipifera)比对照中汞含量高出10倍,植物抗汞能力也提高3~4倍(Rugh et al., 1998); 加拿大杨体内汞的耐受阈值约为95~100 mg·kg-1 (林治庆,1989),其幼苗在50 mg·kg-1汞含量土壤中的消减效率为0.9%,最高富集为233.77 mg· kg-1 (林治庆,1988)。

2.2 柳属植物对重金属污染土壤的修复

柳树也被广泛用于重金属污染的修复研究(Rockwood et al., 2006; Hammer et al., 2003; Samecka-Cymerman et al., 2004)。20世纪80年代,木本植物对镉有较强的耐性已被试验证实:旱柳(Salix matsudana)在土壤镉小于100 mg·kg-1时富集力明显高于加拿大杨; 随镉含量增加其富集力减弱,至土壤镉含量为200 mg·kg-1时,其对镉的吸收积累量与加杨趋于一致(黄会一等,1989)。柳树在2年多时间对镉和锌有较高提取效率,分别为47~57 g·hm-2和2.0~2.4 kg·hm-2 (Laureysens et al., 2005)。

在瑞典和波兰人们利用柳树作为植被过滤器净化水体和土壤污染。瑞典的研究表明柳树能大量吸收大量元素和微量元素,采用市政废水灌溉,既可以净化废水,同时能产出薪材,具有环境和经济双重效益(Perttu et al., 1997)。在波兰,杨树等植物用于构建人工湿地,用于清除富营养化元素磷、硝态氮、钙、镁、钾、铁及镍、锌、镉、铜、铝等重金属,其中杨树对铜和镍的提取最高效,提取效率分别达到49%~60%和55%~67% (Samecka-Cymerman et al., 2004)。

2.3 木本豆科植物对重金属污染土壤的修复

随着树木修复技术的发展,木本豆科(Leguminosae)植物在金属污染地改良中的作用越来越受到关注(Sudhakar et al., 1992; 张志权等,2000)。Piha等(1995)利用30多种植物对钛(Ti)矿尾矿地进行植被重建试验,木本豆科植物不仅可以与根瘤菌共生而克服废弃地的贫瘠所带来的障碍,而且其根深有利于克服废弃地常常遇到的干旱胁迫。张志权等(2001)发现木本豆科植物银合欢(Leucaena glauca)能在铅锌矿尾地上成功定居并开花结果,其所吸收的80%以上的重金属铅积累于根、茎的皮和木质部及枝条部分,只有15%左右分布在叶片中。这表明随着树木生长,有越来越多的铅被吸收和累积在更新周期较长的器官中,只有很小的比例会随着落叶而归还到环境中去。

2.4 其他木本植物对重金属污染土壤的修复

其他木本植物对重金属污染土壤也有一定的修复作用。重金属污染厂区的绿化树种中,法国冬青(Viburnum odoratissimum)、紫薇(Lagerstroemia indica)、木芙蓉(Hibiscus mutabilis)、女贞(Ligustrum lucidum)和龙柏(Sabina chinensis var.chinensis ‘Kaizuca’)等树种富集重金属能力较强,且生长状况良好,最适于作为重金属污染厂区的生态防护主要绿化的树种(杨学军,2004)。南方主要绿化树种垂枝榕(Ficus benjamina)、菩提树(Ficus religiosa)、凤凰木(Delonix regia)、南洋杉(Araucaria cunninghamii)分别对铅、镉、汞、砷的积累作用较大(张炜鹏等,2007),宜用这些树木进行重金属污染的治理和修复。有资料表明,木本植物能吸收较大量的汞,贮存于不易被动物啃食的茎、根部位,分解后有机碎屑生成的腐殖质有较强吸附汞的能力,避免汞的再次污染(林鹏,1989)。例如,红树(Rhizophora apiculata)能将大量的汞吸收贮藏在植物体内,汞含量为1 mg·kg-1时仍未受害(陈荣华等,1989); 而纸皮桦(Betula papyrifera)能富集10 μg·g-1 (干质量)的汞而不中毒(陈岩松等,2007)。柞木属(Xylosma)、叶下珠属(Phyllanthus)等多种植物对重金属也有很强的超富集能力,某些植物能通过根部吸收铅元素,这些植物收割以后,可以在原地多次种植,直到土壤中的铅含量降低到允许的水平(严俊,2007)。

3 有机物污染土壤的树木修复

随着树木修复研究领域的拓展,其在有机物污染环境修复过程中的作用逐渐受到人们的重视。树木可以通过植物吸收和挥发、植物降解及根际降解等形式实现对有机物污染的修复。国内外学者的研究表明,具有生物量大、根系深且生长迅速等特点的杨树种群具有广泛的修复意义,是很好的污染环境树木修复材料(丁晓章,2003; Schoenmuth et al., 2004; Strycharz et al., 2009)。

3.1 TEC污染土壤的树木修复

在一系列对人类和野生生物具有危害性的环境污染物中,TEC也许是土壤和地下水中分布最广泛的有机污染物,生长在TEC污染区域的植物可以提取、转移TEC,植物根系分泌物可促进降解菌的生长,加速TEC的降解(Anderson et al., 1993); 杂交杨树已经被广泛用于地下水及土壤中TCE污染的植物修复(Orchard et al., 2000; Strycharz et al., 2009)。对比试验和同位素标记试验证实在无菌条件下生长的杂交杨树能够有效提取TEC并将其降解为三氯乙烯、氯化醋酸盐以及最终产物CO2 (Gordon et al., 1998); 在无菌转基因杨树组织培养试验中,10天之内超过10%的TEC可以被降解为CO2 (Wackett et al., 1994); 研究证实转基因杂交杨树在实验室及田间试验条件下都可以吸收和代谢TCE (Newman et al., 1998)。二溴乙烷(ethylene dibromide,EDB)和TCE都是危险的环境污染物(Doty et al., 2003),热带豆科树种银合欢能够吸收和代谢EDB和TCE,生长于无菌水培溶液中的银合欢能够代谢EDB和TCE(Ebbs et al., 2003)。Newman等(1997; 1999)研究发现杂交白杨(Populus deltoides × nigra)能吸收三氯乙烯(TCE)并可将其降解为三氯乙醇、三氯乙酸和二氯乙酸等; 土壤中99%的TCE能被杂交白杨去除。

3.2 除草剂污染土壤的树木修复

阿特拉津(Atrazine)是一种高效除草剂。高含量阿特拉津抑制杨树生物量和蒸腾作用,而在低剂量下杨树长势良好,蒸腾作用稳定,杨树能够吸收阿特拉津,并水解成毒性小的烷基代谢产物(Chang et al., 2005)。毛白杨(Populus tomentosa)能降解土壤中10%~20%的阿特拉津,且毛白杨通过根系吸收阿特拉津并将其转化、分解(Schnoor et al., 1995),同时也能够将污染水体中的阿特拉津去除(Chang et al., 2005)。信欣等(2004)夏会龙等(2002)的研究也得到相同的结论,即毛白杨可通过吸收和转化分解作用将大部分阿特拉津降解,在有些土壤中甚至会降解100%。14C示踪技术研究结果显示通过杨树截干(平茬)可清除施用的大部分阿特拉津且对树木生长没有任何副作用(Burken et al., 1996)。此外,杂交杨树还能够有效修复氯乙酰苯胺类除草剂污染土壤(Komives et al., 2005)。

3.3 多环芳烃污染土壤的树木修复

多环芳烃是土壤及地下水中一类常见的有机污染物,多种木本植物对其具有良好的修复效果(Veraeke et al., 2003; Widdowson et al., 2005)。研究表明,在受多环芳烃污染的河流沉积物上种植柳树1.5年后多环芳烃(13种)总量下降23%(Veraeke et al., 2003); 而杂交白杨根际对复萘、苊和二氢苊的修复效果明显好于四环PAHs (Widdowson et al., 2005)。木本植物黑柳(Salix nigra)、杂交白杨、美国红梣(Fraxinus pennsylvanica)均能提高根际土壤中PAHs降解速率,其降解速率表现为黑柳>白杨>美国红梣(Spriggs et al., 2005)。桑树(Morus alba)、垂枝桦(Betula pendula)能修复PAHs污染的土壤(Kucerová et al., 2001)。植物对不同分子量PAHs的去除具有选择性,草海桐(Scaevola sericea)对苯[a]芘去除最为明显,而对其他15种优先控制的PAHs去除效果不明显(Campbell et al., 2002)。Rentz等(2008)发现桑橙(Maclura pomifera)、杂交杨树、桑树根系分泌物能在24 h内使15%~20%苯[a]芘被去除,分泌物中含有的碳水化合物在微生物降解PAHs时具有共代谢作用。Liste等(2000)选用田间农作物、园艺植物和树苗3类共9种不同的植物进行有机污染物芘的修复潜力研究,结果显示它们均可促进芘的降解,植物种植8周后的土壤中的芘降解74%,而未种植植物的土壤中芘最多消失40%。

3.4 硝基苯类物质污染土壤的树木修复

硝基苯环类化合物具有强毒性和致癌作用且不易被矿化。TNT以及一系列的硝基取代物如RDX及GTN应用于军事工业,它们污染生产地,储藏地和堆放场所附近的大片土地和河流(Meager et al., 2000)。多种植物都表现出降解TNT的能力,然而只有少数表现出较高的降解效率,经过植物降解,TNT的最终产物为CO2、氨或硝酸盐(Best et al., 1997)。尽管硝基苯环类化合物有多种复杂的降解途径,但降解产物中三唑磷胺占主导地位(Hughes et al., 1997)。据报道,杨树可从土壤和水溶液迅速吸收TNT,并在体内迅速代谢为高极性2 -氨基- 4,6 -二硝基甲苯及脱氨基化合物,以致在某些植物体内很难检测到TNT的母体化合物(夏会龙,2003)。周启星等(2004)的研究也得出杨树对三硝基甲苯(TNT)具有修复作用的相同结论。此外,短轮伐期柳树和针叶树种也具有修复TNT的潜力(Schoenmuth et al., 2004)。

3.5 其他有机污染土壤的树木修复

甲基醚(methyl tert-butyl ether,MTBE)为汽油添加剂,容易污染地下水,能在地下水中保持很久。杨树具有很好修复MTBE的潜力,吸收和挥发是杨树清除MTBE的重要机制。幼龄杨树短期内对MTBE的移除效果明显(Rubin et al., 2001)。水培系统中杨树苗能够在1周内降低MTBE含量,MTBE能够通过杂交杨树茎叶吸收并挥发到空气中,其效率与植物蒸腾速率相关; MTBE在蒸腾液中的含量随茎的高度呈指数级降低(Rubin et al., 2001)。另有研究表明:在12天时间内,水溶液中24.84%~53.27% MTBE可通过柳树的蒸腾作用去除; 在15~25 ℃的温度范围内,MTBE的去除率和柳树的蒸腾量之间存在着明显的线性关系(丁晓章,2003)。

水培杨树能清除99%四氯化碳(carbon tetrachloride,CT),组织中CT-Cl并没有显著富集,根区土壤微生物没有对CT矿化。由此,Wang等(2004)认为由组织吸收和脱氯化可能是杨树修复四氯化碳的机制。此外挥发性有机污染物(VOC)对供试杨树不产生毒害效应,没有观察到VOC混合物抑制根系发育的现象(Terro et al., 1999)。

4 树木在污染土壤修复中的应用前景及研究展望

树木修复技术在国内外的逐步应用为污染土壤的植物修复提供更多的选择,树木修复在污染土壤的植物修复领域具有广阔的应用前景,结合中国实际在今后的研究中还应注意以下问题:1)加强对中国特有的树木修复材料的查寻,并对其修复机制进行深入研究。以期产生更多具有独立知识产权的可用于污染土壤修复的树木品种; 2)加强对有机物污染土壤树木修复的研究,以改变国内有机物污染修复研究相对薄弱的研究现状; 3)加强对国外相关优良树木修复材料和相关修复技术的引进工作,真正做到“洋为中用”; 4)加强树木修复污染土壤生物修复技术与传统的化学、物理方法及微生物修复技术相结合的综合技术的研究; 5)加强提高树木对污染环境修复效率的综合技术的研究。综合技术的研究可以弥补单一技术的缺陷,有利于在短时间内将成熟的技术推上市场,综合技术的研究跨越多种学科,将丰富污染土壤生物修复的研究内容。

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