全 文 ：有机污染环境的植物修复研究进展*
夏会龙 吴良欢* * 陶勤南
(浙江大学环境与资源科学学院, 杭州 310029)
=摘要> 分析了近年来国内外的文献资料, 对有机污染物污染环境的植物修复研究进展作了综述. 植物能
通过根系从环境中吸收和积累 PCBs、PAHs等有机污染物,并将吸收的 TNT、TCE 及有机农药降解为高极
性产物、水和 CO2 ;另一方面植物根际可促进有机污染物的根际生物吸收与代谢,使植物对有机污染环境
的修复效果更明显. 文中探讨了有机污染环境的植物修复技术的优势、问题与未来的研究.
关键词 有机污染物 植物吸收 生态毒理 植物修复
文章编号 1001- 9332(2003) 03- 0457- 04 中图分类号 X171 文献标识码 A
A review on phytor emediation of organic contaminants. XIA Huilong, WU Lianghuan, TAO Qinnan ( College
of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang Univer sity, Hangzhou 310029) . 2Chin. J . Appl . Ecol. ,
2003, 14( 3) : 457~ 460.
Plants can take up and accumulate most persistant chemicals such as PCBs and PAHs by roots. Some chemicals
such as TNT , TCE, and most organic pest icides can be phytodegraded into polar metabolites, or assimilated to
CO2 and water by some plants. On the other hand, more microorganisms in rhizosphere can enhance the degra2
dation rate of organic contaminants in environment. T he benefits and some issues on phytoremediation are also
discussed.
Key words Organic contaminants, Plant upt ake, Ecotoxicology, Phytoremediation.
* 国家自然科学基金资助项目( 39970432) .
* * 通讯联系人.
2001- 01- 02收稿, 2001- 06- 26接受.
1 引 言
以生态毒理学为基本原理的环境生物修复技术的研究
与应用已得到各国政府和科学家的高度重视,其中植物修复
技术因具有独特的优势而于近 20 年异军突起,在清除重金
属和放射性元素方面的研究与应用取得突破性进展[ 22, 29] .
有机污染环境的植物修复技术的研究尽管相对滞后, 但近年
来一些欧美国家在该领域的研究日趋活跃. 在美国, 包括
EPA 及杜邦公司在内的政府和企业都已投入人力物力对此
技术开展研究[ 8] ;加拿大[ 33]、德国[ 28]和韩国[ 15]等国也有研
究报道. 我国在重金属污染的植物修复研究方面已有所研
究,但对有机污染的植物修复研究未见实质性的报道. 我国
环境的有机污染日益严重[ 21] , 环境污染治理与修复已得到
政府的高度重视. 由于常规的物理和化学修复技术成本昂
贵,一般用于点源污染的治理. 微生物技术虽可广泛用于点
源和面源污染的治理与修复,但特定的微生物只能降解特定
类型的化合物[ 21] , 而有机污染物种类繁多, 且大多数的有机
污染物在环境中的浓度极低, 如目前长江、辽河水体中的多
氯有机物(仍以六六六和 DDT 为主)总量仅为 20 ng# L- 1左
右[ 19, 37] ,不能维持降解细菌所需的群落, 更何况微生物对多
氯苯类(PCBs)和多环芳烃类( PAHs)等化合物的降解能力很
差,其活性受环境条件的影响也特别大[ 21] . 研究表明, 植物
不仅能通过根系吸收难降解的 PCBs和 PAHs化合物[ 9, 31] ,
而且能迅速地从环境中吸收转移和降解多种有机物[ 10] , 并
且由于植物根系的代谢活动提供了适宜于土壤微生物的微
生态环境, 十分有利于根际微生物吸收利用有机污染物[ 30] .
此外,植物修复操作比较简单, 尤其是多年生木本植物可一
次投入多年受益, 投资相对较低,兼具修复、保护和美化环境
的功能[ 20] .有机污染的植物修复的最大优势在于植物能同
化大多数的化合物为 CO2 或作为细胞骨架, 即使一些环境
污染物在植物内大量积累, 也可以通过转移植物而清除. 因
而, 有机污染环境的植物修复技术已引起人们的极大兴趣.
2 植物修复有机污染环境的机理
21 1 植物对有机物的吸收积累与代谢
三硝基甲苯( TNT)是著名的环境危险物, 在环境中非常
稳定. 高等植物杨树(Populus deltoidex )、曼陀罗( Dutura in2
noxia )、茄科植物( Lycoper sicon peruvianum )、狐尾藻(Myr io2
phyllum) 和 C. roseus 均可从土壤和水溶液中迅速吸收
TNT,并在体内迅速代谢为高极性的 22氨基24, 6,2二硝基甲
苯及脱氨基化合物, 以致于在某些植物体内很难检测到
TNT 的母体化合物. 狐尾藻在 100 mg#L - 1TNT 无菌水溶液
中培养 7 d后, TNT 在水溶液中的含量下降了 33%左右, 而
对照溶液中无变化[ 18] . 即使在 TNT 浓度高达 750 mg# L- 1
的环境中, 供试植物仍然生长良好[ 23] . 杂交杨树从土壤中吸
收的 TNT 中, 75%被固定在根系,转移到叶部的量也可高达
10% [ 35] .
应 用 生 态 学 报 2003 年 3 月 第 14 卷 第 3 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Mar. 2003, 14( 3)B457~ 460
苯达松、阿特拉津等除草剂是通过植物吸收后抑制其代
谢过程而起作用,其在环境中的扩散会影响植物的生长与生
存和造成地下水的污染. 农药厂废水废料的排放、仓库的泄
露以及田间大量使用农药造成的环境危害已引起人们的高
度重视. 巴斯夫公司的 Conger[ 7]进行了黑柳 ( Salix nigr a )、
黄桦( Lir iodendron tulipif er a )、柏树( Taxodium distichum )、
岸黑桦( Betula nigr a )和栎树( Quercus f a lcate var. pagodaf o2
lia )清除苯达松的试验, 发现柳树对苯达松的吸收代谢和忍
耐能力极强. Burken 和 Schnoor[ 5]从培植于含阿特拉津土壤
和沙石中的杨树的根、茎和叶中提取到了阿特拉津母体及 6
种代谢产物,并发现培养 80 d 后, 母体化合物占标记量的比
率分别为土壤中 50%以上,杨树根系约为 38% ,而叶片中仅
为 10% ;且随着培养时间的延长 ,叶片中代谢产物的比率明
显上升, 说明杨树对阿特拉津具有很强的吸收与同化能力.
R aveton 等[ 27]的研究结果表明,玉米对阿特拉津的吸收与代
谢能力也很明显.
Newman 等[ 24]报道了杂交杨树对 14C2三氯乙烯 ( TCE)
吸收代谢的研究结果. 在 50 mg# L- 1 TCE 无菌水溶液中培
养 4 d 后,有 1% ~ 2%的 TCE 通过杂交杨树的吸收代谢后
以14CO2释放.
Hinman[ 17]研究了黑藻(Hydr illa ver ticilla ta Royle)对阿
特拉津、林丹和氯丹的吸收动态.这几种化合物在黑藻体内
达成吸收2释放平衡所需时间:阿特拉津为 1~ 2 h,林丹为 24
h, 氯丹为 144 h, 其富集系数分别为 9. 62、38. 15 和1060. 95.
证明该植物对多氯苯类化合物有较强的富集能力,而这类化
合物已证明为可通过食物链进行生物放大的危险性化合物.
植物对有机物的吸收量与化合物的理化性质有关.
Briggs等[ 3, 4]在同时研究了大麦对递灭威等 14~ 18 种甲基
氨基甲酰肟和取代苯脲衍生物的吸收与积累动态后, 认为植
物对结构和分子量相似的化合物吸收量的高低与化合物的
正辛烷/水分配系数的大小呈正相关, 并得出化合物在大麦
根和茎中的富集系数 RCF和 SFC与分配系数 Kow的关系:
logRCF = 0. 77 logKow - 1. 52 ( n = 7, r = 0. 98)
logSFC= 0. 95 logKow - 2. 05 ( n = 8, r = 0. 95)
即对分子量相似、结构相同的化合物而言,其分配系数
越大或水溶性越低,在根茎中的累积率越高, 而转移到叶中
的量越小, 表明植物对疏水性化合物的吸收主要为被动吸
收.而植物对不同类型化合物的吸收积累和污染环境修复能
力的比较研究报道甚少.
值得注意的是,植物如杂交杨树吸收与积累的某些挥发
性化合物还可通过蒸腾作用而排放到大气中继而污染大
气[ 6] ,在杂交杨树植物修复二口恶英污染的过程中, 植物吸收
的二口恶英有 80%即通过叶片而挥发至大气[ 1] .
212 植物根际对有机污染物降解的影响
植物通过向根际分泌氨基酸等低分子有机物而刺激微
生物的大量繁殖,可能间接促进了有机污染物的根际微生物
降解.根据夏会龙等[ 36]的研究,根际微生物对凤眼莲( Eich2
hornia cr assipes)清除水溶液中马拉硫磷起了约 9% 的作用.
Dzantor等[ 13]测定了 9 种草本植物对土壤中 PCB、TNT 和嘌
啉的修复能力, 植物对 PCB(aroclor 1248)修复效果的差异可
能取决于植物本身的吸收能力, 但所有供试植物对 TNT 和
嘌啉的修复效率很高, 且根际微生物降解起主要作用. 22氯
苯甲酸在种植野黑麦 ( Elymus daur icus)并接种 1B1 的假单
孢干菌 ( Pseudomonas aeruginosa R75 和 Pseudomonas savas2
tanois CB35)土壤中的含量, 56 d后由 61 mg# kg- 1下降到 29
mg# kg- 1 , 而在种植该植物的消毒土壤中的含量没有变
化[ 33] . Sicilian 和 Greer 报道[ 34] , 接种假单孢干菌 Pseu2
domonas sp. 后,草地麦雀在含有 41 g# kg- 1TNT 土壤中的生
长量比不接种处理增加了 50% ,而 TNT 的降解量也增加了
30% ,表明该菌株在增强草地麦雀对 TNT 污染适应性的同
时, 通过改变根际微生物种群结构而加速 TNT 的降解. 赤松
( P inus sylvestris)幼苗在添加烷烃 (PHC)土壤中生长 8 个月
后,植物的生长量增加,且 PHC的降解量与根际和菌根菌含
量有一定的对应关系, 并分离出 3 种降解 TNT 的微生
物[ 16] .而根结线虫也高效率地参与了有机污染物的吸收和
代谢, 如寄生性线虫 Meloidogyne javanica 和M. incognita 吸
收呋喃丹 48 h 后, 90%以上的量已代谢为高极性的无毒产
物,仅有 2%仍为母体化合物;但对苯胺磷的代谢较慢, 48 h
后只降解了 30% [ 26] .
这些研究结果表明, 植物根际生物对有机污染物的降解
也起了重要作用. 至于植物吸收、积累和降解与植物通过根
际活动而促进有机污染物降解相比, 何者更为重要, 可能对
于不同性质的化合物或同种化合物在不同生态体系中的降
解存在较大差异.
3 高效修复植物的筛选与有机污染环境植物修复技术应用
31 1 高效修复植物的筛选
由于有机污染物的种类繁多, 完全依赖反复试验的方法
来筛选高效率的修复植物是不现实的. Schnoor 等[ 30]认为应
通过鉴定植物根系分泌物中与相关有机污染物降解酶的种
类与含量来定向筛选对某类化合物有特异清除能力的植物.
Duc等[ 12]以植物体内特异性天然化合物含量来测试其对类
似结构污染物的清除能力, 如大黄属植物 ( Pheum palma2
tum )含丰富的蒽醌衍生物, 其组培细胞能高效吸收并转化
培养基中的硫代蒽醌或二硫代蒽醌. Siciliano 和 Gerinida[ 32]
在分析了植物与微生物之间的生物化学和生态学关系后认
为, 那些能忍耐或产生化感物质 ( allelopathic) 的植物 ) ) ) 微
生物体系可能是降解有机污染物的理想体系. 用分子生物学
手段对现有植物资源进行改造改造, 有可能培育出清除有机
污染物的超级植物. Bizily 等[ 2]通过将表达有机汞裂解酶的
基因Mer B转入拟南芥( Arabidopsis thaliana )后,该转基因
植物在高浓度污染的甲基氯化汞环境中生长良好 ,而常规植
株则不能在此环境下生存. Doty 等[ 11]也报道了导入细胞色
素 P450 E1基因的植物对 TCE 的代谢能力提高了 640 倍.
31 2 有机污染环境植物修复技术的应用
有关植物修复技术应用的研究报道见表1. 须指出, 植
458 应 用 生 态 学 报 14卷
表 1 污染环境的植物修复的应用
Table 1 Applicat ion of phytor emediation
植物
Plant
场所
Site
污染物
Pollutant
清除效果
Effect of cleanup
资料来源
Refference
凤眼莲等 富营养水体 无机、有机物 COD和叶绿素 a下降 50%左右 [ 19]
Eichhornia crassip es Eutrophic water Inorganic and organic opllutants COD and chlorophyll a decreased about 50%
空心菜 污水 无机、有机物 6 d后, COD 下降 50% . [ 37]
Ipomoea aquatica Sewage Inorganic and organic polltuants COD decreased 50% in 6 days
水浮莲 麻黄素厂污水 有机物 BOD和 COD 下降 80%左右 [ 14]
Pistia str atiotes L. Ephedine factory. s sewage Organic pollutants BOD and COD decreased around 80%
香蒲、芦苇 人工沼泽 无机、有机物 优于常规方法 [ 20]
Typha sp. and Phragmi tes sp. Art ificial marsh Inorganic and organic pollutants Superior to general methods
杨树 小河流 阿特拉津等 清除 20%左右 Removed around 20% [ 30]
Populus del toides Creek Atrazine, etc
杨树 垃圾埋填场 有机氯溶剂 无扩散,杨树生长良好 [ 30]
Populus del toides Landfill Chloronated solvent No leach ing, pants grew well.
杨树 人工湿地 TCE 生长季节去除 99% [ 25]
Populus del toids Art ificial wet land Removed 99% in growing season
曼陀罗、茄科植物 土壤 Soil TNT 基本清除 [ 23]
Datura sp. and Lycopersicon sp. Soil Almost clean ed up completely
松树 土壤 TCE 生物降解加快 [ 30]
Pine Soil Accelerat ing the biodegradation
冰草 土壤 五氯苯酚等 促进矿化 [ 30]
Crested wheatgrass Soil Pentachlorophenol, etc Improving mineralization
物修复理论技术尚未成熟以前,大规模的推广应用必须十分
谨慎. 因为待修复环境中的污染物通常是多元化的, 而用于
修复的植物必须具备吸收与富集多种污染物的超强能力, 因
此,已用作修复污染环境的植物及残体实际上也可能成为强
污染源, 必须集中妥善处理, 否则有可能成为更强的污染源
造成二次污染而影响生态环境质量或通过食物链转移到人
体中.
4 结 语
植物不仅本身能从环境中吸收、积累与降解有机污染
物,而且通过促进根际微生物的活动可加速有机污染物的生
物降解,因而植物修复被认为是有前途的环境修复技术之
一.由于植物修复尤其是有机污染环境的植物修复是一个崭
新的研究领域,许多问题如植物对不同类型和性质有机污染
物的修复效果及差异;如何筛选、培育和合理搭配高效率的
用于环境修复的植物品种以满足不同环境的修复需要;对植
物富集的有机污染物及代谢产物进行跟踪与危险性评价;以
及协调与植物修复重金属污染以及其他环境修复技术间的
关系等问题有待进一步研究探讨.
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作者简介 夏会龙,男, 1961 年生,博士, 副研究员,现在杭州商学院环境工程系工作.主要从事农药环境毒理和植物营养学研究,发表论文 30 多篇. Tel: 0571286039998, E2mail: tuyy2
ing @mail. hz. zj. cn
460 应 用 生 态 学 报 14卷