土壤多环芳烃污染根际修复研究进展

生态环境2007,16(1):[e-mail]基金项目：中山大学985工程环境污染控制与修复技术创新平台项目作者简介：许超（1978－），男，博士，主要从事有机污染修复与控制技术研究。E-mail:[e-mail]*通讯作者：Tel:[phone],E-mail:[e-mail]收稿日期：2006-07-26土壤多环芳烃污染根际修复研究进展许超，夏北成*中山大学环境科学与工程学院，广东广州510275摘要：多环芳烃(polycyclicaromatichydrocarbons，PAHs)是环境中普遍存在的具有代表性的一类重要持久性有机污染物，具“三致性”、难降解性，在土壤环境中不断积累，严重危害着土壤的生产和生态功能、农产品质量和人类健康。修复土壤多环芳烃污染已成为研究的焦点。根际修复是利用植物-微生物和根际环境降解有机污染物的复合生物修复技术，是目前最具潜力的土壤生物修复技术之一。对国内外学者近年来在土壤多环芳烃污染根际修复的效果、根际修复机理和根际修复的影响因素方面的研究进展作了较系统的综述，并分别分析了单作体系、混作体系、多进程根际修复系统和接种植物生长促进菌根际修复系统对土壤多环芳烃的修复效果。指出根际环境对PAHs的修复主要有3种机制：根系直接吸收和代谢PAHs；植物根系释放酶和分泌物去除PAHs，增加根际微生物数量，提高其活性，强化微生物群体降解PAHs。并讨论了影响根际修复PAHs的环境因素如植物、土壤类型、PAHs理化性质、菌根真菌以及表面活性剂等。植物-表面活性剂结合的根际修复技术、PAHs胁迫下根际的动态调节过程、运用分子生物学技术并结合植物根分泌物的特异性筛选高效修复植物以及植物富集的PAHs代谢产物进行跟踪与风险评价将成为未来研究的主流。关键词：根际；多环芳烃（PAHs）；根际修复；土壤中图分类号：X53文献标识码：A文章编号：1672-2175（2007）01-0216-07多环芳烃（polycyclicaromatichydrocarbons，PAHs）是环境中普遍存在的具有代表性的一类重要持久性有机污染物（persistentorganicpollutants，POPs）。大量研究已经证明，多环芳烃具有慢性毒性和致癌、致畸、致突变的“三致”作用，是环境中一类危险而需重点研究的、也是各国优先控制的污染物。由于大气沉降、污水灌溉、固体废弃物填埋渗漏、油田开采和石油产品大量使用等，造成全球范围内地方土壤PAHs污染，在我国许多地方已出现较严重污染的情况。PAHs由于性质稳定、难于降解，在土壤环境中呈不断积累的趋势，严重危害着土壤的生产和生态功能、农产品质量和人类健康。修复土壤PAHs污染已成为国内外土壤和环境科学界共同关注的一个前沿热点科学问题之一。有机污染物的根际修复（rhizoremediation）是利用植物－微生物和根际环境降解有机污染物的新技术，是有机污染物植物修复（phytoremediation）的纵深研究，是一种复合的生物修复（bioremediation）技术。根际修复具有经济、有效、实用、美观、原位非破坏型、无二次污染、可大面积应用等独特优点而越来越受到人们的重视，是目前最具潜力的土壤生物修复技术之一。综合国内外近年来在PAHs根际修复方面的研究，阐述其进展和未来发展方向。1PAHs根际修复的效果近年来，在土壤科学和环境科学等不同领域开展了很多根际修复多环芳烃污染土壤的研究[1-14]。用筛选的牧草进行根际修复，Aprill等[1]发现59d后苯并[a]蒽、屈、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽在根际土壤中的浓度比非根际土壤要低，151d后这种差别更明显。Liste等[2]选用田间农作物、园艺农作物和树苗三类共九种不同的植物进行根际修复芘研究，结果表明根际土壤中芘的降解要比非根际土壤中快，8个星期后，根际土壤74%芘降解了，而非根际土壤芘降解率不到40%。Robinson[3]等研究了高酥油草(Festucaarundinacea)修复老化杂芬油污染土壤中多环芳烃的能力。研究表明，36个月后，高酥油草根际土壤三环PAHs（苊、芴、菲）平均浓度低于非根际土壤，根际土壤四环PAHs（荧蒽、芘、屈）平均浓度在整个试验36个月中比非根际土壤低10%~20%。Liste等[4]用盆栽试验研究夏豌豆(ViciasativaL.)和白芥菜(SinapsisalbaL.)修复长期受石油污染的土壤，结果发现，95d后，非根际土壤中16种优先控制的PAHs去除率为59%，根际土壤中去除率为71%。Bermuda草(Cynodondactyloncv.Guymon)能生长在芘污染土壤，并通过许超等：土壤多环芳烃污染根际修复研究进展217根际效应提高芘降解，63d中根际区和非根际区芘降解率每天分别为0.082和0.050，芘的降解符合一级动力学方程[5]。油菜(BrassicanapusL.)对菲非常灵敏，油菜的生物学测试可用来估计根际修复PAH污染的效率[6]。在人工配制的PAHs污染土壤中，Lepidiumsativum的萌芽率随着PAHs浓度的提高而降低，1000mgkg-1时萌芽率16%，50mgkg-1时萌芽率75%，可用Lepidiumsativum的萌芽率来监测根际修复土壤PAHs污染物的去除[7]。在浓度分别为7.45~456.5mgkg-1和8.01~488.7mgkg-1菲、芘污染土壤中，45d后苋菜(AmaranthustricolorL.)根际区菲、芘降解率为87.85%~94.03%和46.89%~76.52%，比非根际区高2.55%~13.66%和11.12%~56.55%[8]。萘和荧蒽在两种草Brachiariaserrata和Eleusinecorocane混作体系土壤中的去除率各自单作不种植物，培养10星期后，混作系统监测不到萘，单作系统萘去除率为96%、不种植物的土壤中去除率为63%，荧蒽去除结果相似[9]。玉米(ZeamaysL.)、三叶草(Trifoliumrepens)、黑麦草(LoliumperenneL.)单作栽培均能有效去除土壤菲和芘污染，其中玉米效果最好，60d后92.10%菲和88.36%芘被去除；玉米、三叶草、黑麦草的混作栽培更显著地提高了菲和芘的降解，其中玉米与黑麦草混作效果最好，60d后98.22%菲和95.81%芘被去除[10]。可见，使用耐性植物种类多种混作栽培的根际修复比单一植物根际修复大大提高了污染土壤PAHs的消除。在根际修复的基础上，如果再采取一些物理化学、微生物修复方法，其修复效果可能会进一步提高。Huang等[11]以杂芬油为目标污染物，考察了包括物理化学修复、微生物修复和根际修复在内的多进程根际修复系统对多环芳烃的去除效果。4个月后，种植高酥油草的多进程根际修复系统对16种优先控制的多环芳烃的平均去除率是只依靠通风和光照处理的物理化学修复方法的2倍，是接种降解细菌的微生物修复的1.5倍，是单独依靠根际修复的1.45倍。其中，植物高酥油草对杂芬油表现出较强的耐性，而接种的细菌进一步提供了植物对污染物的耐性，促进了植物的生长，系统的综合作用促使多环芳烃去除加速。更可贵的是，这一系统对土壤吸附力强且高度憎水的多环芳烃表现出较强的去除能力。植物生长根际促进菌（plantgrowthpromotingrhizobacteria，PGPR）提高了植物耐受污染的能力，减轻了污染物对植物的毒性效应，促进了植物在高浓度污染时快速生长，这种协同作用导致了植物生物量快速大量的累积，提供了更多的活性代谢过程，导致了更佳的根际修复效果[11-12]。高酥油草、大叶烟蓝草(Poapratensis)和野麦(ElymusCanaden-sis)接种三种植物生长根际促进菌PsedomonaputidaUW3，AzospirillumbrasilenseCd和EnterobactercloacaeCAL2修复杂芬油污染。研究发现，120d后，与三种植物未接种PGPR的根际修复相比，接种PGPR植物加速了根际土壤PAHs去除，在2gkg-1和3gkg-1污染浓度下，差异达显著水平[12]。2PAHs根际修复机理综合分析大量关于PAHs生物修复和根际修复的研究，根际环境对PAHs的修复主要表现为3种机制：植物直接吸收PAHs；植物释放分泌物和酶分解PAHs；根际强化微生物群体对PAHs的降解。2.1植物对PAHs的直接吸收和代谢植物能吸收并在体内积累PAHs，但只占土壤中总量的一少部分[8,13-18]，如高酥油草根从污染土壤中吸收的苯[a]芘只占0.12%[17]，小于0.03%蒽、芘被积累在紫花苜蓿(MedicagosativaL.)、高酥油草、苏丹草(Sorghumsudanense)、柳枝稷(PaniumvirgatumL.)生物体中[18]。植物积累的PAHs浓度与土壤中PAHs浓度有关，且表现出随土壤中PAHs浓度的提高而明显增大[15,19-23]。植物体中低分子量的PAHs（萘、菲、蒽、荧蒽和芴）占绝大部分，5环和6环PAHs含量极低[24-27]。PAHs在植物体内发生的最重要的生化反应是羟基化，微粒体单氧化酶可使单环和多环芳烃转化为羟基化合物，芳烃化合物进一步氧化生成苯醌[28]。研究表明，向日葵(HelianthusannuusL.)和豌豆根(PisumsativumL.)中，大于50%菲被转化为苯酚，而苯酚则继续被降解，植物中积累的苯酚量很少[2]。Wild等[29]在玉米和小麦(Triticumaestivum)根的伸长区和分枝区监测到蒽的降解产物蒽酮、蒽醌和羟基蒽醌。2.2植物根系释放分泌物和酶去除PAHs根系分泌物通过直接和间接两种途径去除土壤有机污染物PAHs：直接作用即酶系统对PAHs直接降解；间接作用则是改善土著微生物的生活环境、提高其活性，加速PAHs降解。根系释放到土壤中的酶可直接降解PAHs，植物死亡后酶释放到环境中还可以继续发挥分解作用。植物特有酶对PAHs的降解为根际修复的潜力提供了强有力的证据。来自植物根系分泌的多酚氧化酶、脱氢酶等可以降解PAHs。黑麦草增强土壤中多酚氧化酶的活性，可提高其对菲的降解率[30]。紫花苜蓿修复苯[a]芘时，低浓度（1mgkg-1）和中218生态环境第16卷第1期（2007年1月）浓度（10mgkg-1）下根际土壤与非根际土壤之间在多酚氧化酶和脱氢酶上没有差别，而高浓度（100mgkg-1）下根际土壤两种酶的活性显著提高[31]。丁克强等[32]在黑麦草对土壤中苯并[a]芘动态变化的影响研究中发现黑麦草根际土壤中多酚氧化酶含量提高，苯并[a]芘降解加快。根系分泌物为根际微生物提供营养，降低土壤污染物的毒性，提高根际环境的空间异质性，改善了微生物的生存环境，促进了根际微生物的生长，致使微生物的生物活性增强，最终提高了根际微生物对PAHs的降解能力[33-44]。Miya等[35]研究添加燕麦(AvenabarbataPottexLink)根系分泌物对菲污染土壤的降解，研究表明，添加燕麦根系分泌物的土壤中≥75%的菲在10d内降解，而未添加燕麦根系分泌物的土壤中≥75%的菲在15d内降解。微生物培养研究表明，燕麦根系分泌物显著的提高了菲在根际土壤中的降解，提高细菌的数量和活性，菲降解菌增加。添加桑橙(Maclurapomifera)、杂交杨树(Salixalban×matsudana)、白桑树(Morusalba)根系分泌物致使在24h内15%~20%苯[a]芘被去除，分泌物中含有的碳水化合物在微生物降解PAH时具有共代谢作用[42]。在加紫花苜蓿根系分泌物的处理中蒽的降解率比加高酥油草、大麦(HordeumvulgareL.)、果园草(Dactylisglometrata)的根