植物联合修复技术在多环芳烃污染土壤治理中的应用

中图分类号：X12 文献标识码：A

引言

多环芳烃是一类由两个或两个以上苯环组成的持久性有机污染物，主要来源于化石燃料的不完全燃烧和石油产品的泄漏。由于 PAHs 具有致癌、致畸和致突变性，其在土壤中的积累对生态环境和人类健康构成了严重威胁。传统的物理化学修复技术如热脱附、化学氧化等虽然效果显著，但成本高昂且可能造成二次污染。因此，开发经济高效、环境友好的修复技术成为当前研究的热点。

1、多环芳烃的特性及其对土壤环境的危害

多环芳烃(PAHs)是一类由两个或两个以上苯环以线性、角状或簇状排列组成的有机化合物，根据苯环数量的不同，可分为低分子量 PAHs(2-3 个苯环)和高分子量 PAHs(4 个及以上苯环)。这类化合物具有高度的疏水性和亲脂性，使其容易吸附在土壤有机质上，并在脂肪组织中积累，PAHs 的化学稳定性极高，在环境中难以自然降解，半衰期可达数月至数年。PAHs的来源主要包括自然过程和人为活动，自然来源有森林火灾、火山喷发等，但贡献量较小。人为来源则占主导地位，包括化石燃料的不完全燃烧(如汽车尾气、工业排放)、石油泄漏、焦化厂、煤气厂等工业活动，以及生活污水和固体废弃物的不当处理。这些活动导致大量 PAHs 进入环境，其中土壤是最主要的汇。PAHs 对土壤生态系统和人类健康的危害不容忽视，在生态方面，PAHs 会抑制土壤微生物的活性和多样性，破坏土壤生态系统的平衡，它们还会被植物吸收，影响植物生长和发育，进而威胁整个食物链。对人类健康而言，许多 PAHs 已被国际癌症研究机构(IARC)列为致癌物，尤其是苯并[a]芘等 4-6 环 PAHs，具有强致癌、致畸和致突变性。长期暴露于 PAHs 污染环境会增加肺癌、皮肤癌等疾病的风险[1]。

2、植物联合修复技术的基本原理

植物联合修复技术是一种利用植物及其根际微生物协同作用来降解、去除或稳定土壤中污染物的生物修复方法。该技术主要基于三个核心机制：植物提取、植物降解和根际降解。植物提取是指植物通过根系吸收污染物并将其转运至地上部分，随后通过收获植物组织来移除污染物。植物降解则是植物体内酶系统将污染物转化为毒性较低或无害的物质。而根际降解是最重要的机制，指植物根际区域微生物在根系分泌物刺激下对污染物的高效降解。植物与微生物的协同作用是植物联合修复技术高效性的关键，植物根系分泌大量有机物质(如糖类、氨基酸、有机酸等)，为微生物提供碳源和能源，促进特定降解菌群的生长繁殖。同时，根系活动改善了土壤通气性和水分状况，创造了有利于微生物降解的环境；另一方面，微生物通过产生表面活性剂增加PAHs 的生物可利用性，分泌降解酶直接分解PAHs，还能产生植物生长促进物质，反过来促进植物生长。植物联合修复技术中的关键参与者包括超积累植物和 PAHs 降解微生物，超积累植物如黑麦草、苜蓿、柳树等对 PAHs 有较强的耐受性和积累能力，降解微生物主要为某些细菌(如假单胞菌、分枝杆菌)和真菌(如白腐真菌)，它们能产生加氧酶、过氧化物酶等关键酶，将 PAHs 氧化为中间产物，最终矿化为 CO₂ 和水，植物与这些微生物的共生关系大大提高了 PAHs 的降解效率[2]。

3、影响植物联合修复效果的因素

植物联合修复技术的效果受多种因素影响，了解这些因素对优化修复方案至关重要。环境因素是首要考虑的条件，温度直接影响微生物活性和植物生长，大多数降解菌的最适温度为 25-35‰ 。土壤湿度同样关键，适宜的水分条件有利于微生物活动和植物生长，但水分过多会导致缺氧，抑制好氧降解过程。光照条件通过影响植物光合作用间接调控修复效率，充足的光照促进植物生长，增强其修复能力。土壤特性对修复效果的影响不容忽视，土壤 pH 值影响微生物群落结构和酶活性，中性至弱碱性条件(pH 6.5-8.0)通常最适合大多数 PAHs 降解菌。土壤质地决定其保水性和通气性，砂质土壤通气性好但保水能力差，黏土则相反。有机质含量是一把双刃剑，虽然能提供微生物生长所需的营养，但过高会强烈吸附 PAHs，降低其生物可利用性，此外，土壤中营养元素如氮、磷的供给也直接影响微生物活性和植物生长。PAHs 的环数决定其降解难度，通常 2-3 环 PAHs 较易降解，4 环以上难度显著增加。污染物浓度影响植物和微生物的生存，过高浓度会产生毒性抑制，需要选择耐受性强的植物-微生物组合。污染时间长短也会影响修复效果，长期污染的 PAHs 可能形成"老化"效应，降低其生物可利用性[3]。

4、植物联合修复技术在多环芳烃污染土壤治理应用

植物-微生物联合修复技术通过协同利用植物和微生物的各自优势，显著提高了 PAHs 的去除效率，植物为微生物提供栖息地和碳源，而微生物则增强污染物的降解和植物的耐受性，这种互惠关系在根际区域尤为明显，形成了所谓的"根际效应"。在实际应用中，植物-微生物联合修复表现出明显优势。例如，接种 PAHs 降解菌的紫花苜蓿对菲的去除率比单用植物提高 40% 以上，类似的，白腐真菌与黑麦草的联合使用可使苯并[a]芘的降解率提高 50% ，这些案例表明，合理的植物-微生物组合能产生显著的协同效应。联合修复的效果受多种因素影响，包括植物和微生物的匹配性、污染物特性、土壤条件和管理措施等。优化这些因素，如选择适应性强的本地植物物种、采用微生物固定化技术、添加生物刺激剂等，都能进一步提高修复效率。此外，分子生物学技术的发展为深入理解植物-微生物相互作用的分子机制提供了新工具。

5、未来研究方向

植物联合修复技术在 PAHs 污染土壤治理领域仍有广阔的研究空间。分子生物学技术的应用是一个重要方向，通过宏基因组学、转录组学等方法深入研究植物-微生物相互作用的分子机制，揭示关键降解途径和功能基因，为定向调控提供理论依据。基因工程改造是提高修复效率的有效途径，包括培育高效吸收 PAHs 的转基因植物和构建超级降解菌，但需要考虑生态风险评估和监管问题。新型材料在联合修复中的应用也值得关注。纳米材料如纳米零价铁、纳米氧化物等可以促进 PAHs 的转化，提高生物可利用性；生物炭不仅能吸附 PAHs，还能改善土壤性质，为微生物创造良好环境。这些材料的合理使用有望突破现有技术的效率瓶颈。此外，开发智能监测系统，实时跟踪修复过程中 PAHs 的去除和转化，将为过程优化和质量控制提供有力工具。

结束语

植物联合修复技术作为一种绿色可持续的土壤修复方法，在 PAHs 污染治理中展现出良好应用前景。未来应加强基础研究和技术优化，推动该技术从实验室走向大规模工程应用，为土壤环境保护和生态安全提供有力支撑。

参考文献：

[1]费小通.微生物-植物联合修复技术在多环芳烃污染土壤治理中的应用[J].中国资源综合利用,2024,42(12):45-47.

[2]任天琳,赵立坤,陈超琪,等.高级氧化技术修复多环芳烃污染土壤研究进展[J].环境工程技术学报,2023,13(05):1652-1662.

[3]丁浩然,王镝翔,陈成,等.典型焦化污染场地多技术联用治理工程应用案例分析[J].环境工程技术学报,2023,13(05):1732-1739.