AEP  >> Vol. 9 No. 5 (October 2019)

    植物修復石油污染土壤技術展望
    Technology and Prospect of Phytoremediation for Petroleum Contaminated Soil

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作者:  

王振州,劉攀亮,鄭雅麗,李春輝,岳 斌:蘭州城市學院地理與環境工程學院,甘肅省礦區污染治理與生態修復工程研究中心,甘肅 蘭州

關鍵詞:
石油污染土壤植物修復技術耐旱植物Petroleum-Contaminated Soils Phytoremediation Techniques Drought-Tolerant Plants

摘要:

現如今石油烴污染土壤的治理已經成為一個研究熱點,其中,對污染土壤中石油烴的提取成為了現階段的一個技術難點。本文綜述了石油污染土壤的植物修復技術,植物修復石油污染土壤的機理,影響因素和研究進展,以及今后所需進一步的研究領域,并對植物修復技術的優缺點進行了討論。

Nowadays, the treatment of petroleum hydrocarbon contaminated soil has become a hot topic. The extraction of petroleum hydrocarbons from contaminated soil has become an important topic at this stage. In this paper, the phytoremediation technology of petroleum-contaminated soil, the mechanism of phytoremediation of petroleum-contaminated soil, the influencing factors and re-search progress, as well as the further research fields needed in the future, are reviewed, and the advantages and disadvantages of phytoremediation technology are discussed.

1. 引言

石油,是一種粘稠的、深褐色的液體,被稱為“工業的血液”,主要儲存于地殼的上層。石油的性質因為它的產地不同而性質不同,密度約為0.8~1.0 g·cm?3,十分粘稠,凝固點相差很大(30℃~?60℃),沸點范圍為常溫到500℃以上,不溶于水,可溶于多種有機溶劑,可與水形成乳狀液體。石油烴中主要含有烷烴,環烷烴,芳香烴,不飽和烴等多種烴類化合物。其主要元素是C、H、S、N、O,此外還含有微量的Fe、Ni、V、Cu等金屬元素。石油主要被用作燃油和汽油,是目前世界上最重要的二次能源之一。伴隨著工業技術飛速的發展,石油資源在經濟運行中的所處的地位十分重要,然而石油在滿足人類的需要的同時,也不可避免的造成大量污染。20世紀80年代,石油污染問題就得到了普遍關注。

被石油污染的土壤,能破壞土壤結構,抑制植物的根系生長,嚴重的污染土壤可抑制植物生長。石油烴能通過滲透作用進入地下井,造成地下水污染。如何處理石油污染土壤問題已經成為熱點話題。對石油污染土壤的修復方法有很多,如物理、化學和生物方法。20世紀90年代以來,植物修復石油他污染土壤逐漸走進人們的視野中,并且越來越受到重視。

2. 植物修復石油烴污染土壤

2.1. 植物修復技術的定義

植物修復被污染的土壤主要是利用植物在生長過程中,對土壤中的污染物質進行吸收、轉化和轉移,從而使土壤環境恢復到正常的生態環境功能的修復方式 [1] [2]。植物修復技術的理論研究在很早就開始了,對于植物修復,人們首先是從其對土壤中重金屬污染的修復開始研究的,在人們漸漸意識到土壤中石油類物質污染的嚴重性時,才逐漸擴大了植物修復手段的應用領域 [3] [4]。現如今,植物修復技術被廣泛應用在治理石油烴污染土壤方面,但仍需改進。

2.2. 植物修復技術的機理

植物主要通過三種途徑去除土壤中的有機污染物,即植物直接吸收土壤中有機污染物;植物受到刺激之后釋放分泌物和酶,刺激根區微生物活性和生物轉化作用;植物增強根區的礦化作用。

2.2.1. 植物吸收

植物在污染土壤中直接吸收有毒物質,然后將吸收的有毒物質運送到植物組織中。其中,植物可以分解部分有毒物質。植物吸收有毒物質經過揮發,代謝能夠轉化為二氧化碳和水。植物吸收是去除有機污染物的有效途徑之一,如凌婉婷等 [5] 研究20種植物根對土壤中多環芳烴菲,芘的吸收作用,得出不同植物根中菲,芘的含量和根系富集系數與根的脂肪含量呈顯著正相關。

2.2.2. 植物積累

植物積累是根系直接將有機污染物質吸收并轉移到其它組織的過程 [6]。研究表明,水稻根系即可大量吸收積累多環芳烴 [7]。由于石油烴中有機污染物使土壤中飽和化學鍵斷開,因此植物不能直接吸收土壤中積累的有機物質。有機污染物被吸收后,在被木質部的蒸騰流轉移到植物其他組織之前必須進入到共質體內,以克服根內皮層凱氏帶的阻礙作用 [8]。但是,植物在根系中吸收了大量的有機物,不能及時分解,導致殘留在土壤中。因此能將污染物質從根部轉運到地上部分的植物,才能真正做到將污染物質從土壤中去除 [9]。植物將有機物和有毒物質積累在植物根部,隨著時間的推移進行降解。然而,時間比較漫長,這也是植物修復的一個弊端。

2.2.3. 植物降解

植物降解是指植物自身新陳代謝作用,吸收土壤中有機物質,在一些酶的作用下,使有毒物質轉化為毒性較弱或無污染物質的過程。污染物質到達根際周圍后,親脂性的有機物或者被抑制吸收,或者通過木質化作用等轉化為植物細胞組成成分,再或者是經過一系列的揮發、代謝、礦化等過程,最終轉變為植物體易于吸收和排放的二氧化碳、水、毒性較小或基本無毒的中間代謝物 [10]。具體來講,有機物首先要經歷相I反應,而這一反應中,細胞色素P-450酶系發揮最重要作用,在它的催化下有機污染物發生羥基化、氧化脫硫等變化;谷胱甘肽轉移酶則促進了相II反應即結合反應,而結合反應對植物解毒尤為重要,它使得有機污染物毒性基團失活并生成極性大、易溶于水的有機物 [11]。

2.3. 植物修復技術的優缺點

目前,石油烴污染土壤修復技術中,最常見的是物理法修復,化學修復法,植物修復法,微生物修復法。早在20世紀80年代前,并沒有植物、微生物修復技術,廣泛應用的技術是物理修復法、化學修復法。物理法是指利用物理手段,通過改變污染物質的濃度、遷移性、水溶性等物理性質而修復污染土壤的方法,常用的有固化穩定化、熱處理、熱解吸、隔離法等,其目標污染物主要為重金屬;化學法是向土壤中添加化學修復劑或改良劑,利用修復劑或改良劑與污染物之間的氧化還原、吸附、拮抗或沉淀等化學反應,使污染物的毒性和濃度降低或去除的過程,如化學淋洗、萃取法、化學氧化等 [12]。

化學、物理修復技術成本較高,但是作用效果較快。化學、物理修復技術在修復過程中,殘留的物質有可能會對土壤造成二次污染。植物修復技術成本低,修復效果比較慢,二次污染風險小,修復過后還可以做景觀供人參觀。作為一項經濟實惠,綠色環保,無二次污染的修復手段,目前為止是具有發展空間和市場的。植物修復雖然有上述優點,但不能完全去除污染物。植物修復過后,將有機物和有毒物質殘留在植物根系,對土壤底部造成污染。因此植物修復相對于比較局限(如表1)。

Table 1. Comparison of advantages and disadvantages between phytoremediation and physical and chemical restoration

表1. 植物修復與物理、化學修復優缺點對比

3. 植物修復石油烴污染土壤的影響因素

3.1. 環境因素

土壤本身具有降解污染物的能力,土壤自身可以降解和吸附一些有機物質和有毒物質。研究發現,有機質含量高的土壤中,憎水有機物的生物可利用性降低 [13]。除此之外,土壤的水分、pH值、土壤酸堿度、土壤有機質等因素都會影響石油烴的降解。

3.2. 污染土壤濃度

石油烴污染土壤根據濃度可劃分為三個等級:輕度污染,中度污染,重度污染。石油烴的生物降解率受其濃度的影響較大,高濃度石油烴會抑制微生物的活性并對其有毒性作用,4% (質量分數)是石油烴生物降解率達到最低值得臨界濃度 [14]。石油烴濃度越高,對植物生長,發育抑制效果越明顯。在培養植物過程中,由于石油烴濃度太高,可能導致水無法滲透到底部,種子無法吸收水分。

3.3. 植物因素

植物的生長受到了諸多條件的限制,所以為了更好地修復石油污染土壤,植物的篩選已經成為了至關重要的一步。目前,用于石油烴污染土壤修復的土著植物大都是禾本科植物或草本植物 [15]。地毯草(Axonopus compressus (sw.) P. Beauv.)、紫花苜蓿、披堿草、黑麥草、高羊茅等植物被較多地應用于修復石油烴污染土壤 [16] [17] ,并具有較好的修復效果。

上述研究結果表明,如果選擇合適的植物,就可以修復被污染的土壤。現階段,微生物治理石油烴污染土壤廣泛使用,那么植物與微生物相互聯系,相互協同,就可以達到一個快速修復污染土壤的效果,二者聯合更需要注意外界環境的影響。而且未來植物—微生物聯合技術是很有發展潛力的。

3.4. 根系分布

在石油烴污染土壤的修復中,植物的根部,為土壤中有機物和有毒物最終聚集的位置。植物修復機理中,根際的降解正是植物根部分解這些有機物和有毒物質的過程。在大量研究中發現。

4. 植物修復技術展望

石油烴的特點是難降解、不溶于水、難去除。隨著工業,農業的發展,人類越來越離不開石油,這就導致了石油污染的嚴重加劇。從修復技術發展的進程來看,植物修復已經成為了修復石油烴污染土壤的主流技術。植物修復技術不僅成本低,而且無二次污染,修復過后不用再處理,直接可以做景觀供人參觀。作為一項經濟實惠,綠色環保,無二次污染的修復手段。目前,植物修復技術還沒有完全成熟,仍存在諸多值得考慮的問題:

1) 不同環境對植物修復能力的效果不同,在實驗室中不存在的因素太多,如何將這門技術應用到實際中,在實際中大范圍使用,是應該要考慮的。

2) 植物修復技術雖然沒有二次污染,成本低,但是修復時間過于漫長,且如何提高修復效率是一個技術突破口。將植物修復技術與其他修復技術連用,是一個不錯的選擇。

3) 植物種類比較多,在各類石油烴污染土壤中,適合哪種植物,植物的耐受性,生長情況等也是需要考慮的因素。我們可以根據不同植物的不同特性,來進行分類,在找到所適應該種植物的污染土壤進行改善。

基金項目

蘭州城市學院第四屆“城院好項目”創意創新創業大賽2019HXM071;蘭州城市學院博士科研啟動基金,LZCU-BS2015-07。

NOTES

*第一作者。

#通訊作者。

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文章引用:
王振州, 劉攀亮, 鄭雅麗, 李春輝, 岳斌. 植物修復石油污染土壤技術展望[J]. 環境保護前沿, 2019, 9(5): 652-656. https://doi.org/10.12677/AEP.2019.95087

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