污染土壤修复技术研究进展

污染土壤修复技术研究进展

阮迪申

华南农业大学资源环境学院，广东广州510642

摘要：我国土壤污染问题颇为严峻，污染土壤的修复技术已成为当今的一大研究热点。这篇文章以目前常见的修复技术为主线，较为全面地综述了物理化学修复、微生物修复和植物修复三大技术的原理、优缺点、现有的研究进展和实践，并展望了它们未来的发展方向。本文认为，植物修复技术投资小、生态效益高、兼容环境美学，具有很大的发展空间。

关键词：土壤污染；修复技术；植物修复；综述

0引言

目前中国土壤环境污染越来越严重，污染面临的形势也十分严峻。我国现有耕地1亿hm2，其中近2000万hm2耕地受到不同程度的污染[1]。土壤污染会造成粮食减产，作物中污染物含量超标，地下水污染等严重后果。因此，发展经济而又高效的土壤修复技术，对于生态环境的保护，农产品的质量安全和社会经济的可持续发展具有重要的意义。

污染土壤的修复技术有很多，按原理可大致分为物理化学修复、微生物修复和植物修复。这些修复技术主要针对的对象是重金属和有机污染物。目前，我国在植物修复和微生物强化修复领域已有一些成功案例[2]。本文旨在对近年来国内外应用较多、效果较好的几种修复技术进行总结，并提出自己的评价和研究展望。

1物理化学修复

物理化学修复是指利用物理或者化学的方法对污染土壤进行修复，主要的方法有翻土、客土、热处理、固化/稳定化、土壤性能改良、淋洗/浸提、电动修复等。下面简要介绍其中的两种方法。

电动修复电动修复是通过在污染土壤两侧施加直流电压形成电场梯度，土壤中污染物质在电场作用下通过电迁移、电渗流或电泳的方式被带到电极两端从而修复污染土壤。美国Electrokinetics公司对As和Zn污染的土壤进行电动修复，7周后,土壤中As浓度由400～500mg/kg降低到30mg/kg，土壤中Zn的浓度在8周后由2410mg/kg降低到1620mg/kg。该项技术对环境几乎没有负面影响，而且费用（20～30$/m3）较其他传统的物理化学修复技术要小。不足之处是该项技术不适用于非极性的有机物。

淋洗/浸提技术该项技术通过溶剂的浸提，去除土壤中难以降解的有机物。美国Terra-Kleen公司已利用该技术修复了大约2×104m3被PCBs和二噁英污染的土壤和沉积物，浓度高达2×104mg/kg的PCBs被减少到1mg/kg，二噁英的浓度减幅甚至达到了99.9%。

从总体上来看，物理化学修复技术具有治理效果彻底、稳定的优点，其共同的不足是工程量和投资较大。此外，这些方法都具有一定的适用范围，且未能同时考虑生态效益。

2微生物修复

微生物修复系指利用土著或外源微生物，在适宜的条件下，对土壤中的有机污染物进行降解，或是通过生物吸附、氧化还原等作用将有毒的污染物转化为无毒或低生物活性的状态。微生物修复又可分为原位修复和异位修复两大类型。

利用微生物（细菌、藻类和酵母等）来减轻或消除土壤重金属污染，国内外已有许多报道[3]。例如某些微生物可将六价铬转化为低毒的三价铬，将甲基汞降解为易挥发的单质汞。重金属污染的微生物修复还可以作为植物修复的一个辅助手段，例如一些外生菌根真菌通过改变根际微环境，提高植物对重金属的吸收、挥发或固定效率。Jones等[4]研究发现，当以1、10、100mg/kg Cd加入土壤中时，菌根化植物吸收Cd的量比非菌根化植物分别高90%、127%和131%。

利用微生物降解有机污染物是一项比较有前景的技术。土壤中的污染物会对微生物进行驯化和选择，导致产生能特异降解该种污染物的酶。添加N、P等营养物质并接种经驯化培养的高效微生物，可将残存在土壤中的农药等有机污染转化为无害物或降解为CO2和H2O。采用基因工程细菌可以使菌种具有广谱的降解能力，但同时也带来一些生物安全的担忧。

与物理化学修复技术相比，微生物修复处理方式相对简单，有时可以进行原位处理，费用也比较低。微生物修复不会破坏植物生长的环境，最小化了对环境的扰动。但微生物修复也存在一些局限性，如微生物的专一性较强，且生长条件较为严格，不能应用于污染物浓度较大的场合。

3植物修复

植物修复是利用绿色植物容纳、转移、转化土壤中的污染物。与传统环境修复技术相比，植物修复技术具有治理成本低廉、效果较好、环境美学兼容、治理过程原位等优点[5]。植物修复系统可以看作是利用太阳能为动力的生物反应器，因此可以大大减少治理过程中的费用，根据美国的实践，每年每立方米的处理费用为0.02～1.00美元。由于植物修复属于原位修复，因此对环境的扰动小，有利于保护生态环境，并且可以起到增大绿化面积的效果。此外，可以利用植物冶炼技术回收热能和金属元素，既能避免二次污染，又可增大经济效益。植物修复从原理上可分为6种类型：植物富集、植物挥发、植物固定、植物降解、植物转化和植物刺激。

3.1重金属污染的植物修复

在重金属污染生物修复领域，植物修复具有不可替代的优势。其一，植物的体型较大，吸收重金属的量也大；其二，植物容易与土壤分离，在后续处理过程中比微生物方便。重金属的植物修复主要包括植物钝化/稳定、植物挥发、植物富集等。植物钝化/稳定是指植物通过根吸收、沉淀或还原将重金属固定，降低土壤中有毒金属的移动性。可是，重金属的生物有效性随环境条件的变化而发生变化，所以受到一定的限制。植物挥发则是将污染物吸收到植物体内后并将其转化为气态物质，释放到大气，主要用于汞和硒。该方法将污染物转移到大气中，对人类和生物具有一定的风险。植物富集技术因可以彻底清除污染物，且二次污染

小，成为众多技术中的主流。下面将介绍基于超富集植物的植物富集技术。

基于超富集植物的植物富集技术超富集植物是指能超量吸收土壤重金属并将其运移到地上部的植物，是植物修复的核心和基础[6]。理论研究表明，超富集植物的重金属抗性机制有区室化作用、螯合作用、细胞修复和生物转化等。通常，超富集植物需要满足3个条件：①植物地上部富集的重金属达到一定的量；②植物地上部的重金属含量应高于其根部；③植物生长没有受到明显抑制。下表列出了几种重金属元素的超富集植物。

表3-1几种超富集植物

元素临界标准[2]

mg/kg干重

典型的超富集植物[2,8]

最高的富集量

mg/kg鲜重[8]

镍1000庭荠属，遏蓝菜属35600锌10000遏蓝菜属,东南景天，印度芥菜，T.caerulescens[8]43710镉100堇菜属，东南景天，遏蓝菜属，印度芥菜，龙葵2130铅1000T.caerulescens，印度芥菜15000砷1—蜈蚣蕨[7]（蜈蚣草），大叶井口边草22630铬1000李氏禾2978

利用超富集植物来治理土壤是具有可行性的。研究表明[3]，连续种植遏蓝菜14茬，污染土壤中Zn质量分数可从440mg/kg降低到300mg/kg，而种植萝卜需种2000茬。种植2茬镍的超富集植物Berkheyacoddii，可使中等污染土壤Ni质量分数由100μg/g降低到15μg/g。又如，粉叶蕨每年可从每公顷的土壤中清除砷40kg，这样对于砷污染较轻的土壤,只要种植1～2次粉叶蕨就可以使砷降到标准值以下。此外，又有研究表明，加入有机络合剂可增加土壤重金属的生物有效性，从而提高植物对重金属的吸收量。

3.2有机物污染的植物修复

有机污染物的植物修复主要用于石油泄漏后的治理和残留农药的治理。植物主要通过3种机理去除环境中的有机污染物：植物直接吸收有机污染物；植物和根际微生物的联合作用；植物根系释放分泌物和酶[9]。研究表明，植物对多环芳烃的富集能力较弱，但植物可以促进根际微生物的生长，从而间接地促进了污染物的降解。刘世亮等[10]利用盆栽试验，研究了紫花苜蓿在接种和不接种菌根真菌情况下对土壤中苯并[a]芘的去除情况。结果表明，植物生长90d后，尽管不接种菌根真菌的紫花苜蓿对苯并[a]芘的去除率可以达33.0%~53.3%，但接种菌根真菌后，苯并[a]芘的降解率则可高达57.0%~86.6%。在残留农药治理方面，凤眼莲受到了广泛的关注。

植物修复在国内已有很多应用案例。例如，在重庆市开县“12·23”特大井喷事故后，就采用了植物修复技术治理土壤重金属Zn、Cd污染。结果表明，利用植物提取技术修复高含硫气井井喷事故对土壤的污染是有效的；首次发现大黄对土壤中硫元素污染的修复效果特别

好，使其含量降低了77%；柳树、杂草等对Zn、Cd的修复效果较好，使其含量降低了70%，而杂草对其他元素也有较好的修复效果；预计植物修复大约需要两年才能使土壤恢复正常水平。

植物修复技术的共同缺点是缺乏广谱性，修复过程通常较长，中断了农业生产。此外，植物的生长条件较为严格。因此，我们可以在三个方面改进植物修复技术。其一，采用间套作复合体系，实现边治理边生产[11]。研究表明，普通作物和重金属的超富集植物间作，不仅可以降低重金属对普通作物的毒害，而且能提高超富集植物的富集量。其二，使用基因工程技术[12,13]。通常，天然的超富集植物生长周期长，生物量低，对环境的适应性较差，而通过分子生物学技术克隆与超富集有关的基因，并应用基因工程手段，可以培育出高效、高适应性、可富集多种重金属的植物。例如，将控制金属硫蛋白合成的基因导入植物体内，可以促进植物对重金属的吸收。美国科学家Doty等经试验证明：含有人类细胞色素P4502E1的转基因烟草对二溴乙烷有明显加强的吸收和脱溴作用，并且对三氯乙烯的分解代谢提高了640倍。其三，寻找富集能力强，抗逆性强的植物品种[14,15]。例如，一些植物（玉米、油菜等）虽然不属于超富集植物，但生物量大，重金属的迁移总量甚至超过了超富集植物；杂草的抗逆性较强且生长迅速，可以作为一种植物修复资源；有些植物可以同时富集多种污染物。此外，通过螯合剂诱导和CO2诱导技术，也可增大重金属的转运量。

4结语与展望

综上所述，土壤污染修复研究工作受到了各国科学家的普遍重视，并且在许多方面取得了长足的发展。物理化学修复技术不仅费用昂贵，难以大面积应用，而且时常导致二次污染和土壤退化的问题。微生物修复是一项比较有前景的技术，特别是应用在有机污染物的治理。微生物几乎可以降解所有的有机物，因此可以获得较高的修复效率，且最终产物对环境无害。植物修复作为一种新兴高效、绿色廉价的修复技术，已为许多人所重视，并逐渐从田间试验走向商业化。植物修复技术在修复重金属方面，已有较大的进展，而在修复有机污染物，特别是POPs方面，仍有较大的发展空间。因此，今后的发展方向可以是填补这一块的空白。下面，我对以上几种修复技术未来的发展方向作一个综合性的展望。

（1）发展综合型的土壤修复技术。单一的修复技术已不能满足当前对于土壤污染治理的需求，今后的研究方向应该是多种技术的有机结合，例如植物-微生物的联合修复，综合氧化还原法、冲淋法和反应墙技术的新型原位复合修复技术，植物修复与物理化学修复相结合等等。

（2）充分考虑生态效益。在考虑经济效益的同时应当充分考虑生态效益，因此，在今后的修复技术中，生物修复，特别是植物修复技术会成为主流。

（3）着力于改进现有的较为先进的技术。对于植物修复，可以通过寻找、筛选、驯化更多更好的重金属富集植物，或者利用基因工程技术，将超富集植物的耐性基因移植到生物量大、生长迅速的植物中，使植物修复走向产业化。对于微生物修复，可以通过基因重组，开发出抗逆性强、分解能力强的基因工程菌。

（4）重视理论研究。加大对特别是生物修复技术的机理研究，例如深入研究植物-微生

物相互作用的机理，或是弄清植物的耐受性基因和富集重金属的原理，有助于开发新的植物品种，提高植物修复系统的效率。在引入超富集植物之前，还要充分论证其是否会造成生物入侵等负面影响，不能等到已经造成严重后果才发觉。

（5）在实践中不断尝试。理论的研究终归是要投入实践。生物修复对于环境的要求，如土壤性质、温度、pH、营养条件等是比较严格的，这些需要我们在实践过程中不断调整，最终找到一个最佳的条件。对于超富集植物，在适当的时候采收，并采取合理的处理处置方式，不仅可以避免二次污染，而且可以提高经济效益。因此，正确处置、利用收割后的植物，是植物修复技术产业化的关键，可以作为今后的一个研究方向。

参考文献：

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Advances in Remediation Technologies of Contaminated Soils

RUAN Di-shen

College of Resources and Environment,SCAU,Guangzhou510642,Guangdong

Abstract:The problem of soil pollution is quite severe in our country.The remediation technology of contaminated soil has become a major research focus nowadays.With a main line of common repair technologies,this essay introduces the principles,merits and drawbacks of three main technologies:physical and chemical restoration,microbial remediation and phytoremediation comprehensively.In addition,it looks ahead their future direction of development.This essay considers phytoremediation technology to be economical,eco-efficient, and compatible with environmental aesthetics,by which it’s promising to a major development. Key Words:Soil Pollution;Remediation Technology;Phytoremediation Technology;Overview