应用生态学报年月第卷第期〕，，一土壤有机污染植物修复的机理与影响因素‘林道辉朱利中“高彦征浙江大学环境科学系，杭州摘要】在综述大量国内外文献的基础上，分析了土壤有机污染植物修复的机理，重点介绍了国内外在植物吸收转运、植物根际降解和植物修复模型的研究进展同时，从污染物的物理化学性质、植物种类、土壤性质、共存有机物和气象条件个方面分析了影响土壤有机污染植物修复的主要因素，并展望了该领域的研究方向深化植物修复机理，完善植物修复模型，加强植物一微生物协同修复的机理研究和技术应用，利用表面活性剂提高植物修复效率，加强复合有机污染植物修复研究关键词植物修复土壤有机污染文章编号一一一中图分类号文献标识码几盆，，声，及典八，，，，饭，，，，，活，，乃刁故呀肠，，刀动〔〕，凸，一，卜·了勺功，及刀，，，一，，劝，，，，，几，韶，，，即，，哪，，，，一，，印万，，‘引言植物修复机理有机污染物是土壤中普通存在的主要污染物之一，可通过化肥及农药的大量施用、污水灌溉、大气沉降、有毒有害危险废物的事故性泄露等多种途径进人土壤系统，造成土壤严重污染和地表水及地下水次生污染因此，修复土壤有机污染，保障人类健康，已引起各国政府及环境学界的广泛关注土壤有机污染的修复技术主要有化学修复、生物修复、化学与生物相结合的修复等“植物修复是土壤有机污染生物修复的经济、有效途径之一，是以植物忍耐和超量积累某种化学元素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的一种环境污染治理技术仁’植物修复与物理的、化学的和微生物的处理技术相比具有独特的优点〔·”，近年得到快速发展，成为国内外环境学界研究的热点领域之一世纪年代后期，植物修复技术开始进人实践应用，但目前还主要集中于重金属污染土壤的修复风土壤有机污染的植物修复研究尚刚起步，还处于实验室研究和小试阶段‘”，‘，，〕，对其机理及影响因素的研究往往结合个案进行，没有进行过系统的研究为此，本文在分析该领域最新研究成果的基础上，系统地阐述了土壤有机污染植物修复的主要机理及影响因素，并展望了该领域的研究方向植物吸收转运土壤有机污染植物修复机理详见图自世纪年代以来，土壤中有机污染物的植物吸收一直受到学者们的关注世纪一年代，主要研究作物内有机污染物的来源及其在作物不同组织间的分配和影响，指出植物根系可以吸收土壤中的有机污染物，并将其吸收的一部分转移、积累到地上部分，但某些污染物则主要来源于大气污染阳世纪年代，在研究有机污染物对作物危害的同时，研究了其在作物不同组织间的分配，“，川世纪年代后主要研究有机污染物的超富集植物及在植物体内的归宿关注的污染物主要有、、有机溶剂等、总石油烃类、杀虫剂和爆炸物等等有机污染物这些污染物都能被特定植物不同程度地吸收、转运和分配，，，，，‘，，，，，“植物吸收有机物后在组织间分配或挥发的同时，某些植物能在体内代谢或矿化有机物，使其毒性降低〔“·“，“，，但当前研究大多只是证明植物能通过酶催化氧化降解有机污染物，对其降解产物主要是低分，国家杰出青年基金资助项目，，通讯联系人一一收稿，一一接受DOI：10．13287／j．1001－9332．2003．0397应用生态学报卷物隔园粤粤粤粤粤粤粤粤粤粤粤粤、’巴箕鳞端木质化化化吸收转运运运诬一丁丁丁习一挥挥挥挥挥挥挥挥挥挥挥发发发】】。。高环司司司司司司司司司司司司司司司司””亡匕一一川匕一」附附根际降解解解产砂砂一上上壤水中有机污染物物笼土土壤吸坟可解吸甲一甲上上士双查足找诵解吸‘一图土壤有机污染植物修复主要机理，子量物质的进一步转化过程深度氧化研究较少等“，发现，经三氯乙烯水培液培养一段时间后，植物体内检出其降解产物三氯乙醇〔，但离开水培液后，逐渐消失，说明在植物体内被进一步降解，但其降解产物尚未确定次年，他们通过悬液细胞山的矿化实验，证实了杂交杨能通过植物酶的催化氧化将并人植物组织，成为其不可挥发和不可萃取的组分’因受体内酶活性和数量的限制，植物本身对有机污染物的降解能力较弱为提高植物修复效率，可利用基因工程技术来增强植物本身的降解能力“】，如把细菌中的降解除草剂基因转移到植物中产生抗除草剂的植物或从哺乳动物的肝和抗药性强的昆虫中提取降解基因，用于植物修复等〔，，植物体内转化、降解有机物的研究尚刚刚起步，还处于发现和验证阶段，其转化过程和机理均需进一步研究植物根际降解植物每年可向土壤环境释放其年光合作用产量的一，主要是大量的根际分泌物和脱落的死亡细胞，构成了一个特异的根际系统，，」根际分泌物增加了土壤有机质含量，为根际微生物生长提供了有机碳源增加了根际微生物的数量，从而可提高根际有机污染物的生物降解效率‘因此，植物一微生物协同修复技术将是土壤有机污染植物修复领域的一个发展方向目前，植物一微生物协同修复土壤有机污染的研究方兴未艾，已出现一些成功的协同修复体系，‘，，，，‘，“，〕，但大多只是用实验证明植物能提高其根际微生物对有机污染物的降解，或接种特殊微生物来提高对特定有机污染物的降解效率，对两者协同作用机制如植物吸收效率与微生物代谢效率间的关系等研究强度不够另外，根际分泌物可改变有机污染物的吸附特性，促进其与腐殖酸的共聚作用，从而提高植物对它的吸收转运能力〔‘，如南瓜、甜瓜等植物还能分泌一种能与，，，等有机污染物结合并增加其水溶性的物质，从而提高其被植物吸收转运的能力植物体能分泌脱卤酶、硝酸还原酶、过氧化物酶、漆酶和睛水解酶等能降解特定有机污染物的酶这些酶需在植物存在的环境中才能有效发挥降解作用，游离的酶会在低值、高金属浓度和细菌毒性下被摧毁或钝化〕目前植物酶和菌根菌等对土壤有机污染物的降解过程和机理的研究还很少植物修复模型由于无法对每种植物修复每种有机污染物的行为逐一研究，建立能够预测土壤有机污染植物修复的动态或静态数学模型具有重要意义植物吸收污染物有两种主要途径根部吸收，并通过木质部向上转运分配叶面气孔或角质层吸收，并通过韧皮部向下转运分配国际上对植物叶面吸收污染物的研究较多，并建立了一些预测方程，，，，如杜鹃叶片对有机氯化合物的叶片一大气浓缩因子与污染物享利定律常数的关系式但每一模型仅对那些与所研究污染物结构类似的物质较为准确，无法对所有植物和污染物进行系统而准确地预测植物根系吸收有机污染物的模型主要从两个角度建立对具体实验数据进行总结，建立植物吸收能力与污染物性质的关系式将土壤一植物系统分为不同部分，根据质量守衡定律建立有机污染物在系统中传输的动力学方程嘛、等，通过研究大麦对两个系列疏水性有机化合物的吸收，指出大麦根系从土壤和水中吸收污染物的比例与污染物在水中的溶解度成反比与兀诚成正比，但从根系向上的迁移过程则相反，并建立了根系浓缩系数和蒸腾流浓缩系数的经验方程式一二，一，一一等‘，”〕研究了杂交白杨树对种有机污染物的水培吸收实验，得出了与等相近的方程这些模型仅是经验公式，不能体现植物吸收机理，也不能适用于所有植物与污染物等·，首先提出，将土壤一植物系统分为个部分，并根据质量守衡定律，建立了基于一级动力学过程的植物吸收一转运一积累有机污染物的多厢模型司等在全面考虑有机物在植物大气一土壤系统中的迁移转化行为的基础上，建立了土壤有机污染植物修复的根一茎一叶三厢模型随后，等将有机污染物在土壤一植物一大气系统中复杂的动力学行为用单一方程表示，建立了一厢模型最近，等「在研究黑麦草吸收氟乐灵和林丹的基础上，将植物吸收、释放和体内代谢有机污染物视为一级动力学过程，建立了植物修复有机污染的双厢模型目前，有关土壤有机污染植物修复的模型包括上述诸模型多是基于有机物在介质界面及介质中迁移、转化、降解等过程基础上的质量守衡模型，意在描述有机污染物在植物期林道辉等土壤有机污染植物修复的机理与影响因素体与外界环境间的输人、输出及转化关系，较少考虑植物类型与土壤性质对植物修复的影响但植物修复首先涉及植物根部与土壤对有机污染物的竞争吸附其次，植物吸收污染物达到平衡后，其不同部位对污染物的累积程度主要取决于其有机质和水分含量基于此，等〔‘建立了植物组成结构与其吸收土壤或水中有机污染物能力的限制分配模型一‘，二·，【几”，扬，式中为植物或其特定部位的污染物浓度，为土壤空隙水中污染物浓度卜爪加和了沁分别为植物或其特定部位有机质和水分的质量分数，二为污染物在植物有机质和水间的分配系数，，为污染物在植物体内及土壤水溶液中的准平衡系数并进一步认为，淹水条件下，土壤对有机污染物的吸附主要是土壤有机质的分配作用，因此，式中为土壤有机质中污染物含量，为污染物在土壤有机质一土壤空隙水中的分配系数该模型实质上是有机物在多介质界面分配的静态质量平衡模型，基于较多假设，其准确性有待进一步检验但该模型能较好地说明植物或其不同部位富集污染物的能力与其自身组织结构的关系，并能利用。值寻找超积累植物·影响植物修复的主要因素污染物的物理化学性质土壤有机污染植物修复的效果直接决定于有机污染物的生物可利用性，并与污染物的物理化学性质如、。、分子大小、分子结构、半衰期及离解常数等有关’“疏水性较强、蒸气压较大一的污染物主要以气态形式通过叶面气孔或角质层被植物吸收，因此，土壤中半衰期小于、的有机污染物不宜采用植物修复‘”根系内表皮含有一层浸满软木脂的不透水的硬组织带，污染物必须通过这层疏水性的硬组织带，才能进人内表皮，达到管胞和导管组织，并进一步通过木质部向上转移污染物的水溶性越强，越低，通过硬组织带进人内表皮的能力越小但进人内表皮后水溶性大的污染物更易随植物体内的蒸腾流或汁液向上迁移’等〔’指出，大多数兀，的水溶性有机物可通过根系吸收进入植物体内，馆，的脂溶性有机物因被植物根表皮或土壤颗粒吸附，不易被植物吸收转运等，”〕进一步指出，、一的有机污染物较易被植物吸收转运馆，的憎水性有机污染物被根表面强烈吸附，不易向上迁移，的亲水性有机污染物不易被根吸收或主动通过植物的细胞膜污染物的分子量和分子结构会影响植物修复效率植物根系一般容易吸收分子量小于的有机化合物分子量较大的非极性有机化合物因被根表面强烈吸附，不易被植物吸收转运，如石油污染土壤中的短链、低分子量的有机物更易被植物一微生物体系降解‘分子结构不同的污染物会因其对植物的毒害性不同而影响植物修复效率，如氯代苯酚对农作物的危害随苯环上氯原子个数增加而加大，在氯原子个数相同时，邻位取代毒性最大‘”植物种类植物种类是植物修复的关键因子如何寻找、优选用于土壤有机污染植物修复的特性植物是当前该领域研究的难点和前沿问题之一植物对有机污染物的吸收分为主动吸收与被动吸收，被动吸收可看作污染物在土壤固相一土壤水相、土壤水相一植物水相、植物水相一植物有机相之间一系列分配过程的组合〔，其动力主要来自蒸腾拉力不同植物的蒸腾作用强度不同，对污染物的吸收转运能力不同另外，由于组织成分不同，不同植物积累、代谢污染物的能力也不同脂质含量高的植物对亲脂性有机污染物的吸收能力强〔‘，如花生等作物对艾氏剂和七氯的吸收能力大小顺序为花生大豆燕麦玉米蔬菜类对农药的吸收能力顺序为根菜类叶菜类果菜类〔’“植物种类不同，其对污染物的吸收机制存在差异，即使同类作物间也会有所区别研究表明，夏南瓜对地的富集能力明显大于其同族植物南瓜、黄瓜，且它们间的吸收方式不同，夏南瓜与南瓜主要以根部吸收为主，并向地上部分迁移，而黄瓜主要通过地上部分从空气中吸收〔〕植物不同部位累积污染物的能力不同对多数植物来说，根系累积污染物的能力大于茎叶和籽实，如农药被植物通过根系吸收后在植物体内的分布顺序为根茎叶果实【“〕植物不同生长季节，由于生命代谢活动强度不同，吸收污染物的能力也不同，如水稻分孽期以后，其根、茎叶中，，一三氯苯等污染物的浓度大幅度增加吩植物根系类型对污染物的吸收具有显著的影响须根比主根具有更大的比表面积，且通常处于土壤表层，而土壤表层比下层土壤含有更多的污染物，因此须根吸收污染物的量高于主根这一区别是禾本植物比木本植物吸收和累积更多污染物的主要原因之一‘另外，根系类型不同，根面积、根分泌物、酶、菌根菌等的数量和种类都不同，导致根际对污染物降解能力存在差异目前，不同植物吸收有机物的差异机制尚不明确，可能与植物间根系分泌物的不同有关“·有关植物根系与植物吸收有机污染物间相互关系的研究甚少，有待深化土壤性质土攘理化性质对植物吸收污染物具有显著影响土壤颗粒组成直接关系到土壤颗粒比表面积的大小，影响其对有机污染物的吸附能力，从而影响污染物的生物可给性土壤酸碱性不同，其吸附有机物的能力也不同碱性条件下土壤中部分腐殖质由螺旋态转变为线形态，提供了更丰富的结合位点，降低了有机污染物的生物可给性相反，当时，土壤颗粒吸附的有机污染物可重新回到土壤水中，随植物根系吸收进人植物体〔“】土壤中矿物质和有机质的含量是影响有机污染物生物可给性的最重要的两个因素矿物质含量高的土壤对离子性有机污染物吸附能力较强，降低其生物可给性有机质含量高的土壤会吸附或固定大量的疏水性有机物，降低其生物可给性等’〕有针对性地研究了土壤类型对作物吸收狄氏剂一种杀虫剂的影响，发现土壤有机质含量高的嚷土中作物的狄氏剂含量低于砂土和粘土中作应用生态学报卷物的含量植物主要从土壤水溶液中吸收污染物，土壤水分能抑制土壤颗粒对污染物的表面吸附能力，促进其生物可给性但土壤水分过多，处于淹水状态时，会因根际氧分不足，而减弱对污染物降解能力另外土壤性质的变化，直接影响植物的生长状况，从而影响植物修复的效率共存有机物当前植物修复大多针对单一有机污染物，而复合有机污染土壤的植物修复主要研究了表面活性剂对土壤有机污染植物修复效率的影响表面活性剂本身对植物具有一定的危害作用，但若将其浓度控制在合理范围内，将会促进疏水性有机污染物的生物可给性，提高其植物修复效率一定浓度的表面活性剂一能提高土壤中的植物吸收率和生物降解率’”〕，国际上不少学者已意识到表面活性剂在土壤有机污染植物修复领域的应用前景，并开展了初步研究〔，，但当前的研究大多局限于比较表面活性剂应用前后修复效率的变化，对表面活性剂的作用过程、机理及其对生物危害机制的研究较少，植物一表面活性剂结合的修复技术将是土壤有机污染植物修复领域的一个发展方向实际环境往往是复合污染，因此研究复合污染环境的植物修复更具有实际意义已有学者对和复合污染的生物降解进行了研究，发现其降解过程是先降解，数小时后再降解，这时的降解速度明显放慢，直到被彻底降解，的降解才得以继续进行汇’，〕由此可见，复合有机污染环境的植物修复比单一有机污染环境植物修复复杂，该领域研究急待深化气象条件影响土壤有机污染植物修复的气象条件主要有风、湿度和温度等风和湿度会影响污染物的挥发及植物的蒸腾作用温度对植物修复的影响主要表现为〕影响土壤中污染物的挥发影响植物气孔开合程度，从而影响其对污染物的叶面吸收作用影响土壤和植物对污染物的吸附和分配能力，因为污染物的土壤吸附和植物角质层分配过程均属放热过程，成功的协同修复体系，但大多停留在实验室研究阶段，实践应用较少对其机理的探讨也局限于对实验现象的描述利用表面活性剂提高植物修复效率表面活性剂可提高土壤中有机污染物的生物可给性，从而提高植物修复效率，但其最佳用量及如何减少其本身对植物和环境的影响等都有待进一步研究加强复合有机污染植物修复研究当前，植物修复研究大多针对单一有机污染物，但现实环境一般为复合有机污染，因此加强复合有机污染植物修复研究具有重要的现实意义参考文献展望植物修复是一种环境友好、费用低的环境污染治理新技术，具有很大的开发潜力综上所述，植物修复研究取得了很大进展，但仍存许多有待完善之处深化植物修复机理当前对机理的研究大多还处于实验现象描述阶段，对机理的探讨带有猜测性因此，迫切需要深入研究植物修复机理，尤其需加强研究植物体内和根际降解有机污染物的过程及机制完善植物修复模型当前的植物修复模型均基于较多假设，侧重于模拟植物吸收有机污染物的过程，较少涉及植物根际和植物体内对有机污染物的降解过程，适用范围不广建立适用范围广的动态模拟整个植物修复过程包括植物根系降解、体内代谢等的模型具有重要的理论与实践意义加强植物一微生物协同修复的机理研究和技术应用植物一微生物结合可提高土壤有机污染的修复效率目前已出现一些，，叭，一沁切认几忿淤饭助，尺眨活，一，电阳及八，人，，，一，肠】，，一环乞￡曰及，一饭”肠，，，‘肠以及艺，一压〕，，记，。饭阳月似，一，，，，卯讨一洲月巧忿反，一路，，甲阳尸如￡介，一，、介。忆，仪才应之匆，一，，乃啥，一，祝川段动，，一，从伪，外，匆二“沈拄刁，，，一，，，州卯，，产甸匆。介乞云之勿，，一，，“一肠肠刀，一，，馆饭。及乞孔丫去，一，场阴司必自卜一，彻，〕，以司馆卯一毛人户八”一，【一〕，，，以卫一肠之，动，拍，一氏一董克虞，林春野，王征沁·，。，肠汉肠饭。、豁土壤与环境一，，，，，肠汤卿‘沁