植物修复技术发展未来展望
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植物提取(phytoextraction)是指在受重金属污染的土壤上连续的种植专性植物或超富集植物，并收割植物地上部分，以降低土壤中重金属浓度的技术[11]。目前，关于植物提取的实验室、中试及野外工程试验均已开展，取得一定成果。Baker等[12]通过种植天蓝遏蓝菜(Thlaspicaerulescens)使长期施用污泥导致重金属污染的土地得到了修复，是这一技术可行性的典型代表。白彦真等[13]研究得出红叶苋(Amaranthustricolorofredleaf)和绿叶苋(Amaranthustricolorofgreenleaf)可用于铅污染土壤的活化萃取。植物提取技术的关键有4点：（1）植物要具备对多种重金属的吸收富集能力；（2）植物的根系吸收能力强；（3）植物的抗逆性强；（4）生物量大，植物地上部储存重金属能力大于植物地下部。随着研究的深入，植物提取已逐渐演变成2个方面：（1）整治目的主要针对Pb和与放射性核素有关的Cr、As和Hg；（2）整治的目标是存在内在经济价值重金属，主要是Ni、Cu和几种其他贵金属。后者的技术领域也被称为“生物”或“植物”-采矿，仍处于起步阶段，但正在取得显著进展的是对Ni的提取技术[14]。
植物固定植物固定(phytostabilization)利用植物根系分泌物减少土壤中的有机和重金属污染物的流动性，防止污染物侵蚀、浸出或径流，减少污染物的生物可利用度，进而防止其进入地下水或食物链。其中包括了分解、沉淀、螯合、氧化还原等多种过程[15]。白彦真等[13]研究得出，藜(ChenopodiumAlbum)和新麦草(PsathyrostachysJunce)可用于铅污染土壤的植物固定和植被恢复。Dushenkov等[16]研究发现，Pb可与磷结合形成难溶的磷酸铅沉淀在植物根部，减轻铅的毒害；Salt等[17]研究得出，植物根系的几种特殊分泌物可使土壤中的Cr6+还原为毒性较轻的Cr3+。目前，该技术已经在工程领域得到一定的应用。
植物挥发植物挥发(phytovolatilization)利用植物根系分泌物使土壤中的有机碳或无机重金属如汞、硒转化化为挥发态，进而去除其污染。Meagher[18]研究发现烤烟能使二价汞转化为气态汞，一些转基因植物已经被证实，可以减少汞的更有害离子态和甲基态，使其毒性大大减小。Banuelos等[19]通过各种植物比较研究发现，洋麻可使土壤中的三价硒转化为挥发态的甲基硒以除去。目前该技术的实验室小试工作已趋成熟，并在野外工程领域占有一定的市场。
植物促进植物促进(Phytostimulation)是指植物的根释放根系分泌物或酶，刺激微生物和真菌，使它们发挥作用，进而降解土壤中的重金属和有机污染物。目前该技术还仅处于实验室研发和中试阶段。
根际过滤根际过滤(Rhizo-filtration)是利用植物根际吸收或吸附功能以过滤污染水体中重金属或有机污染物的过程。根际过滤适用于植物提取技术所不能适用的情况下，即植物不能有效的把重金属从根转移到茎和叶。目前该技术还仅处于实验室研发和中试阶段。
超富集植物
植物，特别是超富集植物，在修复技术中起着举足轻重的作用。Brook等[20]在1977年首次提出超富集植物的概念。超富集植物是能利用根部吸收高浓度的重金属，并将吸收的重金属富集在根、茎、叶里的植物[21]。尽管不同土壤中各种元素浓度差异很大，但很少有例外，几乎所有的植物存在于一个窄谱的相对集中的元素浓度范围内[22]。而超富集植物可以耐受茎的干基中Cr、Co、Ni、Cu、Pb含量在1000mg/kg以上或Zn在10000mg/kg以上[23]。经过科学家的多年探索，现已发现上千种重金属超富集植物。多数为Ni超富集植物，其次为Cu、Zn超富集植物，多金属超富集植物尤为罕见。可能是因为每种植物对不同重金属的吸收、转化、迁移效率存在差异，多种重金属在植物吸收通道中的竞争，以及不同重金属毒性的加合效应，使得能同时超富集多种重金属的植物数量非常稀少[24-25]。Blaylock等[26]1997年研究发现，印度芥菜(Brassicajuncea)和菥蓂(Thlaspirotundifolium)可以用来修复湿地重金属污染土壤，Thlaspi可以有效的吸收Zn、Pb和Cd3种重金属，Brassica可以有效的吸收Zn、Pb、Cd和Ni4种重金属。白杨(Alyssum)也可以吸收金属Ni。蒋先军等[27]、吴胜春等[28]研究也指出，印度芥菜(Brassicajuncea)可超量吸收重金属污染土中的Cu、Zn、Pb和Cd。苏德纯等[29]2002年研究表明印度芥菜(Brassicajuncea)可对土壤中难溶态镉进行吸收及活化。林治庆等[30]报道加拿大杨体内汞的耐受浓度阈值为95~100mg/kg。Huang等[31]1997年研究得出，玉米(Zeamays)和豌豆(Pisumsativum)对Pb有很好的吸收效果。Ebbs等[32]1998年发现，种燕麦(Avenasativa)可以有效的修复被Zn污染的土壤。Sawhney等[33]1994年研究发现，一种多年生花——黑心菊(Rudbeckiahirta)可大量富集Cd、Cu、Pb和Zn。Francesconi等[34]2002年发现粉叶蕨(Pityrogrammacalomelanos)对As有很好的富集效果，是一种As超富集植物。陈荣华等[35]研究指出，红树植物体内能吸收贮藏大量的Hg，Hg浓度达lmg/kg时仍未表现出受伤害症状。韦朝阳等[36-37]、陈同斌等[38]在中国对As超富集植物进行研究，在中国找到了As超富集植物蜈蚣草(PterisuittataL.)。同时韦朝阳等[39]还首次发现另一种植物大叶井口边草(P.creticaL.)也是一种As的超富集植物。龙新宪等[40]、Yang等[41]通过野外科考和室内分析证明，东南景天(Sedumalfrediihance)是可超富集Cd和Zn和富集Pb、Cu。高洁等[42]发现扁穗牛鞭草(Hemarthriacompressa)和野薄荷(Menthahaplocalyx)为Cr超富集植物。圆锥南芥(Arabispaniculata)具有同时超量富集Pb、Zn和Cd的能力[43]。沈振国等[44]研究表明，天蓝遏蓝菜(Thlaspicaerulescens)是综合型超富集植物，其吸收Zn，Cu的效果明显；Assuncao[45]等、Mijovilovich等[46]研究指出天蓝遏蓝菜(Thlaspicaerulescens)可以超富集Cd、Zn和富集Pb。叶春和[47]研究提出，紫花苜蓿(Medicagosativa)对Pb有较强的富集作用，是一种Pb超富集植物。优选的超富集植物一般具有以下重要特征[48]：（1）对重金属具有超量积累性，地上部（茎和叶）重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100倍。（2）吸收的重金属通常是地上部重金属含量大于根部该种重金属含量。（3）具有很强的抗逆性，在重金属污染的土壤上这类植物能良好地生长，一般不会发生毒害现象。（4）即使在重金属浓度较低时也有较高的积累速率。（5）生长快、生物量大，能同时积累几种重金属。
植物修复技术的特点
任何修复技术都存在优缺点之分，植物修复技术也不例外。Watanabe[21]指出，植物修复持续受到研究关注的原因在于低廉的运营费用。植物修复技术的最大优势是其运行成本大大低于传统方法。传统原位修复方法，修复1m3的重金属污染土壤需要10~100美元，传统异位修复方法，修复1m3的重金属污染土壤需要30~300美元，而植物修复1m3的重金属污染土壤仅仅需要0.05美元[49]。植物修复技术因其美观、安全、易于操作、可原位处置受污染的土壤，减小了对土壤结构性质的破坏又抑制了对周边环境的二次污染，可称得上的“绿色修复技术”[50]。在全球环境污染日趋严重的今天，植物修复技术以其存在的巨大优势得到了社会的广泛关注和期待[51]。当然，植物修复技术也存在一定的不足，主要有以下几点：（1）其修复重金属污染土壤的时间相对较长，在大多数地区存在季节限制，这是目前限制超富集植物大规模应用的最重要原因。例如Baker等[12]在英国洛桑试验站进行的植物修复工程表明，利用富锌的天蓝遏蓝菜(T.caerulescens)修复被Zn污染的土壤，土壤中Zn的浓度从444mg/kg降到330mg/kg需13.4年。（2）个别超富集植物生物量小，生长缓慢。（3）个别超富集植物只对一种重金属具有富集能力，难以全面清除土壤中的所有超标重金属。（4）不能100%的去除土壤中的重金属，且只能对表层土壤进行修复。（5）异地引种对生物多样性的威胁，也是一个不容忽视的问题[52]。
修复植物收获后的处置技术
修复植物收获后的处置技术作为植物修复技术的重要组成部分，一直受到各国学者的关注。其处理方法主要有：焚烧法、堆肥法、压缩填埋法、高温分解法、灰化法和液相萃取法[53]。
焚烧法焚烧法是被处理的植物体放入焚烧炉内通入过量空气进行燃烧反应，在高温下毒害物质被氧化、热解，是一种可同时使被焚烧的有机体变为无害，尽量避免产生新污染物，产生的热能可回收利用的“三化”高温热处理技术。AMANASU技术公司开发了等离子增值炉，有机体经增值炉处理后几乎不会排出剧毒物质和CO2[54]。焚烧法的缺点是会造成了一定的环境负荷，其处理方法中的火法冶炼和电渗析技术，耗电量极大，火法冶炼还会向大气排放大量有害气体，灰分固化过程中投加化学螯合剂等，其对环境的影响尚待进一步评价。
堆肥法堆肥法其原理是利用微生物对有机物进行代谢分解，在高温下进行无害化处理，并能产生有机肥料。堆肥法的明显的优势是有机体生物量的明显减少，这样就显著地降低运输和后续处理成本，极大地减少了工作量。但是，堆肥的腐熟需要2~3个月的时间，延缓了从植物收获到最终的产后处置，同时，因为重金属只是形态起了变化，并没有被真正的去除，很容易造成“二次污染”[55]。
压缩填埋法压力封闭装置和渗滤液收集装置构成了压缩系统，经过该法处置后的植物残体的渗滤液中含有高浓度的重金属螯合物，必须在特殊处置的场地中将植物残体和残体渗滤液一起填埋。
高温分解法高温分解法是在高温和厌氧情况下对植物剧烈热激发，使植物体瞬间分解的一种处理方法。此法的重要影响因子是植物残体的形状、粒径和含水率，它们直接影响热化学转变的效率、反应时间和升温比率的调节。处理过程在密闭中进行，无任何有毒有害气体排出，植物体通过高温分解产生挥发性的化合物生物油、裂解气和固态的焦炭渣。此法的不足之处是所处置的植物含水率必须在30%以下，因此在收获植物前需加入干燥剂或者参杂种植一些含水率较低的作物，或与城市固体废弃物一起处理，通过两者的混合降低植物体系的含水率[53]。其中的产生的生物油含有高浓度的二乙醇、丙酮醇和左旋葡聚糖，不但可作为替代性的液体燃料，还可作为一种重要的有机化学原料和一种将来普遍通用的能源资源[56-57]；裂解气也可作为燃料；重金属与焦炭渣结合在一起，焦炭渣中的重金属可以回收利用，因而，此法受到了科学界的普遍关注。
灰化法Hetland等[58]研究了实验室阶段燃烧炉装置的可行性，确定了此法中的重金属可以被回收利用。该法目前仅停留在实验室阶段，关于燃烧设备与燃烧装置的具体参数，具体的中试、更进一步的实际应用和后续灰分处置技术研究还有待进一步研发，确定该技术的实际应用价值。
液相萃取法Hetland等[58]试图用渗滤法萃取超富集植物中的重金属，从研究结果来看，液相萃取法使用螯合剂可以有效地提取植物中的重金属，如果该法可有效地将重金属与螯合剂分离，实现重金属与螯合剂的重新利用，将有广阔的市场前景。但目前的研究仅为实验室小试，且作用机理并不明了，有待科学工作者进一步研究开发出适合的技术。
展望——植物修复技术的未来
植物修复技术作为一种新兴的污染治理技术业已被证明具有极大的潜力和市场前景，但从实验室小试、中试走向产业化应用还有漫长的路要走，植物修复技术的关键是寻找或人工培育合适的超富集植物[59]。未来植物修复技术应该着力解决以下问题：（1）在自然中继续寻找、筛选高效、富集面广的超富集植物。（2）加强对超富集植物修复土壤的过程和机理研究。（3）研究超富集植物的富集机理，应用分子生物学和基因工程技术将超富集基因转移到生物量大、美观、经济价值高的植物中，培育出高产、高效、富集面广的超富集植物，以期取得更广阔的应用前景。（4）进一步加强对植物富集的重金属回收的处理技术。（5）加强植物修复技术的实践性环节。到目前为止，植物提取技术发展的采矿或修复技术，还远未形成规模，只有相对较少的植物、人力和时间的投入。由于在世界历史上，至今还没有任何植物被选择用作金属回收，因此可以看出植物在回收金属方面的潜力十分巨大。笔者可以从人们的废物流中回收重金属进而开发应用，植物修复技术发展而来的植物采矿技术的进一步研究开发，将为重金属回收治理提供一块崭新的绿色平台。
作者：张继舟王宏韬袁磊王立民单位：黑龙江省科学院自然与生态研究所/湿地与生态保育国家地方联合工程实验室
