沉積物中多環芳烴的植物修復研究進展

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：《環境工程》2018年2期

作者

：何洋1，2，董志成1，劉林德3，左進城3，郭曉紅1，張麗娜1，高志遠1

單位

：1。魯東大學資源與環境工程學院， 2。北京工業大學環境與能源工程學院，3。魯東大學生命科學學院

摘要：表層沉積物是多環芳烴（PAHs）的重要的匯。由於與上覆水體間的物質交換作用，賦存在沉積物中的PAHs會對一些底棲生物以及水中魚、蝦、蟹、貝等構成威脅，進而透過食物鏈危害人類的健康，開展沉積物中PAHs修復研究具有重要的理論和實際意義。歸納了陸生植物、紅樹林植物、水生植物對沉積物中PAHs的修復效果，從植物直接的富集作用和根際作用兩大方面總結了植物對沉積物中PAHs的修復機理，並對存在的問題和今後的研究方向提出了建議。

0 引言

近年來，多環芳烴（PAHs）汙染問題逐漸引起人們的重視，關於表層沉積物中PAHs的汙染狀況國內外也屢見報道。劉宏豔等將105組PAHs汙染沉積物的資料進行分析，結果發現：美國環保局優先控制的16種PAHs在我國表層沉積物中均值和中位值分別為789。1，477。0ng/g，表層沉積物總體處於中度汙染水平。研究表明，發達地區PAHs汙染普遍嚴重，這與發達地區工業發展存在一定關係。表1列舉了國內外部分地區海洋、河流、湖泊表層沉積物中16種PAHs的汙染狀況。可以看出，部分地區表層沉積物中PAHs含量有逐漸增加的趨勢，對海洋、河流、湖泊環境造成了潛在的生態風險。

植物修復（Phytoremediation）技術是一種廣泛應用於環境汙染領域的治理方法，可以淨化土壤或水體中的汙染物，是一種低成本、環境友好型的綠色修復技術。植物修復主要透過兩方面來去除環境中有機汙染物：1）植物對有機汙染物直接吸收作用；2）植物根際區的根系作用。目前國內外陸續開展了陸生植物、紅樹林植物和水生植物修復沉積物中PAHs的研究，本文對其相關的研究進展進行了綜述。

1 植物對沉積物中PAHs的去除效果

1。1 陸生植物對沉積物中PAHs的去除效果

由於沉積物中水分含量較高，因此開展陸生植物修復時常對沉積物進行一定預處理以降低其水分含量，從而更有助於陸生植物的生長。吳卿等透過盆栽實驗研究了玉米對沉積物/土壤中萘的去除效果。結果表明，在沉積物與營養土配比為1：1、1：2和1：3基質中，90d後基質中萘的降解率分別為89。7％、90。3％和86。7％，顯著高於未種植物組，且沉積物與營養土配比為1：2時基質中萘去除率最高。植物對萘的吸收作用比較明顯，實驗結束時，玉米體內的萘也基本代謝完畢。李冬梅透過盆栽實驗，選取了黑麥草、高羊茅草、玉米作為修復植物，發現在不同配比的基質中，玉米對PAHs的去除效果均好於黑麥草和高羊茅草。

1。2 紅樹林植物對沉積物中PAHs的去除效果

紅樹林（Mangrove）指生長在熱帶、亞熱帶，以常綠灌木或喬木組成的潮灘溼地木本生物群落。Lu研究了紅樹植物秋茄根際區域對沉積物中10mg/kg菲和芘的降解效果，60d後，菲和芘的去除率最高達到了56。8％和47。7％。方宇等利用盆栽實驗，研究了紅樹植物秋茄對PAHs汙染沉積物的修復作用，結果表明菲對秋茄的生長具有抑制作用，且菲初始濃度越高抑制作用越明顯。經過4個月的實驗週期，秋茄組中菲的去除率為69％~82％，而未種植物對照組中菲的去除率為59％~66。9％。Jiang等研究了海欖雌（Avicennia marina）對沉積物中菲的降解作用，經過50d的實驗，菲的去除率為53。8％~97。2％。

1。3 水生植物對沉積物中PAHs的去除效果

挺水植物（Emerged plant）是指根或根莖生長在底泥之中，莖、葉挺出水面的植物。Toyama等研究了蘆葦根際區域對沉積物中芘和苯並［α］芘的降解，經過28d實驗，根際區去除率分別為50。2％~61。3％和40。7％~61。5％，而對照組中的去除率僅為2。99％~14。4％和0~14。5％。lin等用水生植物燈心草（Juncus roemerianus）修復柴油汙染的海岸溼地。經過1年的實驗，發現種植燈心草的沉積物中PAHs的總含量僅為未種植物濃度的3％。

沉水植物（submerged plant）是指整個植株都生活於水中，並只在花期將花及少部分莖葉伸出水面的水生植物心引。Huesemann等研究了鰻草對海洋沉積物中PAHs的降解。經過60d的實驗，發現有草組中的PAHs總濃度為初始時的27％，而無草組中PAHs總濃度為初始濃度的75％。Liu等研究苦草對沉積物中菲、芘的去除效果，發現54天的實驗週期內，種植苦草的沉積物中菲、芘的去除率相比無草組分別提高了15。2％~1。5％和9。1％~12。7％。He等研究了黑藻、狐尾藻、苦草和菹草對沉積物中菲、芘的降解，有草組中菲去除率為48。0％~85。3％，芘的去除率為45。7％~82。4％；無草組菲、芘的去除率分別為33。9％和38。3％。其中苦草對菲、芘的去除提升最大，菹草最小。

2 PAHs的植物修復機理

2。1 植物對PAHs的富集作用

2。1。1 根的吸附和吸收

一般脂溶性強的汙染物Kow（正辛醇一水分配係數）大，在根中含量也會較高。以菲（三環，log Kow為4。17）、芘（四環，log Kow為5。13）為例，由於根對土壤/沉積物中芘的吸收積累作用要強於菲，因此同種植物根中芘濃度、芘的根系富集係數也均明顯大於菲。潘聲旺採用盆栽實驗法，分別研究高羊茅和金髮草對土壤中菲、芘的去除效果。結果表明：PAHs生物富集係數根部大於莖、葉部，且芘要大於菲。在水生植物中，Meng等研究了沉水植物菹草對沉積物中菲、芘去除效果的影響，發現植物體內芘的含量是菲含量的2。1~19倍。

2。1。2 PAHs在植物體內的轉化

汙染物被根系吸收後，其轉化途徑包括：1）植物可將其分解，並透過木質化作用使其成為植物體的組成部分；2）在酶的作用下，也可透過礦化作用使其徹底代謝為CO2和H20，或轉化為無毒性的中間代謝物儲存在植物體內。PAHs在植物體內發生的主要轉化反應就是羥基化作用。微粒體單氧化酶可使PAHs轉化為羥基化合物，這一過程已被苯、萘和苯並［α］芘在植物體內的氧化所證實。此外，還有脫氨反應、脫硫反應、N-氧化反應、S-氧化反應等。

2。2 根際區PAHs的降解

2。2。1 透過根系分泌物影響微生物群落結構和數量

陸生植物和水生植物的根系分泌物都會明顯影響根際微生物群落結構和數量。Huesemann等透過鰻草（Zostera marina）修復海洋沉積物，實驗表明，蔓草的根系分泌物可以刺激根系微生物降解沉積物中的PAHs和多氯聯苯。同時，蔓草根際也促進了沉積物中異養菌和烴類降解菌數量的增長。Toyama等研究也表明，水生植物浮萍的根系分泌物可以促進微生物降解沉積物中的芘和苯並［α］芘，同時也發現根際區的芘降解菌數量要高於未種植物的對照。Zhao等研究了太湖流域金魚藻、菹草、苦草根系沉積物中的細菌群落結構，發現了一些菌群是沉水植物根際所特有的。He等採用分子生物學方法聚合酶鏈式反應一變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）分析了苦草、狐尾藻、黑藻和菹草根際區在菲、芘的降解過程中細菌群落結構的變化，並對個別條帶進行了克隆測序。結果表明，苦草根際區菌群結構具有最強的菲和芘降解功能。其他3種植物中，與苦草根際菌群結構越相似的植物對沉積物中的PAHs的去除率就越高。

2。2。2 透過根系釋放酶的催化降解

根系分泌物中的酶可以催化沉積物中PAHs的降解。Meng等研究了沉水植物菹草對沉積物中PAHs去除效果，結果表明沉積物中菲、芘去除的增長與根際沉積物中多氫氧化酶的濃度正相關。Toyama等採用水生植物紫萍（Spirodela polyrrhiza）研究其對沉積物中3種芳香烴的去除作用，發現紫萍根際區過氧化物酶的活性隨著芳香烴濃度的增加而增加，紫萍根際對芳香烴的降解主要歸因於過氧化物酶。

2。2。3 透過根系分泌物活化有機汙染物

植物根系分泌物還可以透過改變根際區的理化條件、改善生物有效性來增加有機汙染物的去除。孫冰清等研究了根系分泌物中幾種常見的低分子量有機酸和氨基酸對黃棕土吸附菲的影響，在供試5種低分子有機酸和氨基酸的影響下，黃棕土對菲的等溫吸附曲線呈顯著的線性關係，分配作用是黃棕土吸附菲的主導機制，低分子有機酸和氨基酸增加了黃棕土中菲的解吸作用。Kong等研究了檸檬酸和蘋果酸對於染毒菲、芘的3種土壤的活化作用，兩種低分子有機酸可以促進PAHs的解吸提高PAHs的生物有效性。例如，當加入檸檬酸為10mmol/L時，黃棕土中菲、芘的殘留量分別為56。17，24。29mg/kg；當加入檸檬酸為80mmol/L，黃棕土中菲、芘的殘留量減為21。74，11。74mg/kg。因此，植物根系分泌物會改變土壤/沉積物結構，進一步影響有機汙染物的吸附一解吸及生物有效性等。

2。2。4 根系泌氧提高微生物活性

不同於陸生植物，水生植物還具有向根區泌氧的功能。水生植物透過光合作用在體內產生氧氣，透過通氣組織將所產生的氧氣輸送鄰近組織細胞消耗或透過根尖釋放到沉積物中，為好氧微生物提供適宜的小生境。這將有利於以氧化反應開始的有機汙染物（如PAHs）的降解。PAHs的微生物降解速度與氧含量密切相關，其好氧微生物降解速率顯著高於厭氧降解速率。這是因為PAHs降解的第一步是加氧開環，這也是微生物降解反應的限速過程。

Jouanneau等證實蘆葦根系可透過增加根際區域的氧含量而提升沉積物中芘的降解，並且監測結果顯示蘆葦根系周圍的氧化還原電位為正值，而其他區域為負值。Liu等引用沉積物中的氧化還原電位數值（Eh）來表徵沉積物中的氧含量變化，證實苦草根際中的Eh值隨著植物生長而升高，與苦草的根總表面積正相關。He等也發現種植沉水植物可以顯著提高沉積物的Eh值。4種植物中，苦草組沉積物Eh值增幅最大（可達248mV），這與苦草組沉積物中PAHs的高去除率相吻合。此外，相關性分析發現沉積物的Eh值與沉積物中菲和芘總量的去除率呈顯著正相關（對於菲，r=0。762，P<0。01，n=36；對於芘，r=0。733，P<0。01，n=36）。

3 研究展望

利用植物修復技術修復沉積物中PAHs具有環境友好和費用低廉等的優點。但在今後的研究中還需要加強以下幾方面的研究：

1）篩選和培育高效修復能力水生植物種屬。隨著技術手段的提高，一些現代生物技術手段如轉基因技術已經被用於改造陸生植物修復特性，以增強其對汙染物的抗性及修復能力。因此，培育高效水生植物對於汙染沉積物的修復來講至關重要。

2）加強水生植物根際修復機理的研究。當前關於植物對有機汙染沉積物的修復機理的研究大多集中在根際分泌物、根際理化性質變化和PAHs降解菌分離、鑑定等研究中。今後還需要加強PAHs降解菌代謝機理及代謝途徑的研究。

3）加強植物修復與其他修復技術相結合。植物修復可在一定程度上有效地去除PAHs，但還存在降解速度慢，降解不徹底等問題。因而植物修復應與其他生物修復、物化修復的手段相結合，從而進一步的提高修復效率。

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