生态修复理论与技术

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土壤作为环境系统的核心介质,是沟通大气和水体的枢纽,也是生物体和人类社会的基本载体。大气和水体的污染,最终反映并集中于土壤的污染。只要土壤污染得不到有效解决,大气和水体的污染永远也解决不了。

在我国,土壤污染已成为继水污染、大气污染、噪声污染和固体废物污染后倍受社会广泛关注的污染问题之一。近年来,土壤污染的生态修复技术研究在国内外已成为十分活跃的研究热点。在污染土壤的修复技术研究中,与传统的物理修复和化学修复相比,生态修复所具有的高效、无二次污染与操作简便等特点,使其成为最具生命力的污染土壤修复技术之一。

1污染土壤生态修复基本原理

生态修复(ecological remediation)是指在生态学原理指导下,以广义的生物修复(包括微生物修复、植物修复、动物修复和酶学修复)为基础,结合各种物理修复、化学修复以及工程技术措施,通过优化组合和技术再造,使之达到最佳效果和最低耗费的一种综合的修复污染环境的方法。也就是说,生态修复是根据生态学原理,利用特异生物(如修复植物或专性降解微生物等)对环境污染物的代谢过程,并借助物理修复与化学修复以及工程技术的某些措施加以强化或条件优化,使污染环境得以修复的综合性环境污染治理技术。

目前,尽管污染土壤的物理修复、化学修复以及工程修复技术已取得一定进展并出现了一些实用技术,但这些修复方法往往会破坏污染土壤的理化性质,甚至会造成对环境的二次污染,对于污染面积巨大且污染程度较轻的土壤基本上难以应用。重金属等无机污染的植物修复和有机污染的生物修复虽克服了这些缺点,但由于这些技术本身所固有的一些应用条件的限制,在修复实践中也难以推广,大多只是处于试验阶段甚或是基础研究阶段。在这种情况下,利用生态系统的自我修复能力,从生态学原理的高度解决污染环境特别是污染土壤的修复问题,对于实现人与自然的和谐发展具有重要意义。

与传统的物理和化学修复技术相比,污染土壤生态修复技术具有以下优点:土壤的物理、化学和生物学特性基本保持不变,一般不破坏植物生长所需要的土壤环境;在一定的条件下可以实现有机污染物的矿化;处理形式多样,可根据条件分别采用原位和异位修复方式;处理成本通常低于物理和化学方法;应用范围广泛,可处理不同类型、不同程度的污染土壤。由此可见,土壤生态修复技术在污染土壤修复技术研究中具有广阔的发展前景。

污染土壤生态修复的最基本的修复方式是以植物修复为主体的植物修复-化学强化或生物化学强化、植物修复-物理化学强化、植物修复-酶学强化或它们之间的联合修复和以微生物修复为主体的微生物修复-化学强化或生物化学强化、

微生物修复-物理化学强化、微生物修复-酶学强化或它们之间的联合修复,前者的修复对象主要是镉、砷、锌等重金属污染土壤,其修复方法最主要的方面是利用超积累植物对重金属的超量提取作用从污染土壤中去除重金属;后者的修复对象主要是石油、多环芳烃、有机染料和农药等有机污染土壤,其主要机理为特异降解微生物在利用植物根际环境进行生命活动的同时将根际圈中的有机污染物降解或转化为无毒物质。目前,这两大领域已成为国际环境科学与工程研究的热点问题。

随着输入到环境中污染物的种类和数量的增加,环境污染不仅在程度上不断“升级”,而且在“内涵”上日益复杂化,复合污染成为其最主要的和普遍的环境污染形式。有鉴于此,迫切需要发展生态修复的理论和技术,使当前复杂的复合污染得到最为有效的修复和治理。因为,只有实施生态修复,才能克服现有的各种污染环境修复技术存在的这样或那样的缺陷和问题,才能取得该技术领域及其实践上的重大突破。在技术再造的意义上,污染环境的生态修复代表了21世纪环境工程技术发展的方向。

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2重金属污染土壤的生态修复研究

重金属污染土壤的生态修复是以植物修复为核心展开的,主要内容包括修复植物筛选与合理搭配、修复机理和根际圈效应以及修复强化措施与应用。有关超积累植物的筛选,其一是更加注重实际的应用和更有针对性,从以往集中对Ni、Cu、Zn和Mn的超积累植物的筛选,强调的是科学问题的解决,近年来鉴于土壤污染的重金属主要是Cd、Pb和As的问题较大,已经转移到对这些重金属超积累植物的筛选,如Ma等首次报道了As超积累植物。与此相应,是超积累植物标准的衡量问题,在临界含量标准和转移特征标准的基础上,我们还建议了耐性特征标准和富集系数特征标准。也就是说,完整的检验超积累植物,应具有4个基本标准:(1)临界含量特征标准,即植物茎或叶中重金属含量要大于一定的临界值,目前广泛采用的参考值是,Zn、Mn为10000mg·kg-1,Pb、Cu、Ni、Co、As均为1000mg·kg-1,Cd为100mg·kg-1,Au为1mg·kg-1;(2)转移特征标准,即植物地上部(主要是指茎或叶)重金属含量大于其根部重金属含量;(3)耐性特征标准,即植物对重金属具有较强的耐性,其中对于人为控制试验条件下的植物来说,是指与对照相比,植物地上部生物量(茎、叶、籽实部分的干重之和)没有下降,至少当土壤中重金属浓度高到足以使植物地上部重金属含量达到超积累植物应达到的临界含量标准时地上部生物量没有下降,而对于在自然污染状态下生长的植物来说,是指植物的生长从长相来看没有表现出明显的毒害症状,这是因为在重金属污染区很难在相同土壤质地上找到未受污染的土壤,因而很难以地上部生物量是否下降作为评价植物对重金属耐性强弱的一个标准;(4)富集系数特征标准,即植物地上部富集系数大于1.0(茎、叶、籽实部分的平均数),至少当土壤中重金属浓度与超积累植物应达到的临界含量标准相当时植物地上部富集系数大于1.0。其二,是从注重单一污染的修复到复合污染修复的发展,包括对一些已经发现的单一重金属超积累植物,检验、发掘其是否具有对多个重金属污染的修复作用,因为土壤污染往往呈现多个污染物的共存。与此同时,为了解决土壤复合污染的问题,还研究采用多个单一污染超积累植物的合理搭配和使用的问题。

随着植物生理生态学和分子生物学以及各种微观技术的发展,植物超积累机理的研究不断深入。有关研究内容包括了植物根际重金属向植物体内运输机制、植物对重金属的解毒与贮存以及相关重金属转运蛋白等。有的研究发现,植物根系分泌的某些有机物特别是有机酸能通过螯合作用或酸化根际环境促进土壤重金属的溶解和根系的吸收,但这一机制是否是超积累植物特有根际机理还不清楚。超积累植物对重金属吸收的较强选择性机理,可能在于植物体内某些专一性运输蛋白的特殊作用。重金属进入根系后,通过共质体途径运输,而后进入液泡。超积累植物地上部重金属含量之所以能够高于其根部含量,可能的机理在于其液泡膜上存在一些区别于非超积累植物的特殊运输体,这些运输体把液泡中重金属装载到木质部导管以利于向地上部运输,从而可以在地上部积累大量的重金属。有的研究还表明,超积累植物对重金属有较强的耐性,一方面在于其叶片中存在区室化分布,将重金属主要分布在质外体和液泡中,以此来阻止重金属对细胞内溶物的伤害。另一方面可能在于某些抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)等对自由基的去除,以及某些有机化合物如组氨酸、植物络合素(PCs)等对这些重金属的螯合解毒作用,同时这些螯合作用也可能促进了植物对重金属的超量积累。超积累植物对重金属的富集可能与一些转运蛋白有关,这方面的研究如Zn转运蛋白基因ZNT1等的克隆和筛选,合成组氨酸的酶蛋白基因THG1、THB1、THD1等的克隆和筛选,与超积累及耐性相关的一些功能基因在细菌、真菌、植物和动物的发现、分离和鉴定等。此外,转基因植物在重金属污染土壤修复中的应用也有一些新的发现。Banue-los等在田间试验条件下,研究了转基因植物印度芥[Brassica juncea(L.)Czern.]对Se富集能力,结果表明,与野生型印度芥菜相比,转基因型印度芥菜的富集能力几乎提高了近1倍。其他的如转基因烟草对Hg富集、转基因卡诺拉(Brassica napus)对Ni的富集等。

重金属污染土壤生态修复的强化措施主要从提高污染土壤中重金属生物有效性、促进植物对重金属吸收以及提高植物生物量这几个方面展开的。有关研究已经广泛探讨了施加各种添加剂对修复效果及其对环境的影响,如EDTA、EDDS、有机酸等,这些研究都不同程度地表明了添加剂对修复效果确有提高,但其环境安全性也越来越受到关注。因此,开发出环境友好添加剂是今后的研究方向。为了避免发生类似的副作用,魏树和等从超积累植物对重金属的富集特点入手,提出了在花期收获修复植物然后再及时移栽下一茬修复植物的作法,从而在同一生长季

内充分提高修复效率。结果表明,这种方法的修复效率是只移栽一茬植物修复效率的1.43倍和1.75倍;同时,他们还对提高修复效率的各种可能方法进行了探讨,认为与现代农业高新技术相结合,将是生态修复成熟应用于修复实践的捷径。植物与微生物联合修复,尤其是菌根在植物修复中的应用正成为国际热点问题,这方面的报道很多,如丛枝菌根真菌促进植物对Zn、Cd、Pb或As的富集等。

尽管有一些植物不具有超积累植物的基本特征,但也可以用于重金属污染土壤的生态修复。如这种植物的根部重金属含量大于甚至远远大于地上部重金属含量,但与其他植物相比,其地上部生物量较大,其地上部对重金属的含量也比较高,因而其对重金属的绝对富集量也比较高,对污染土壤的修复潜力也很大,这一类植物近年来也受到了关注。

3有机污染土壤的生态修复研究

有机污染土壤生态修复研究主要是围绕微生物修复展开的,内容包括高效降解微生物筛选和合理搭配、生物修复的化学强化和生物化学强化、生物修复的物理强化和物理化学强化、生物修复的电化学强化、生物修复的酶学强化以及植物与微生物的联合修复等。高效降解微生物的筛选方法主要有2种,一是从有机物污染场地(如污染土壤或地下水等)分离、鉴定;二是从一些已知微生物中筛选对有机污染物降解效率较高的菌种。而植物与微生物的联合修复则基本采用了从一些常见植物中检测有机污染物降解率的方法。由此可见,有机污染土壤的生态修复还处于基础阶段。事实上,由于植物的根系对有机污染物的生态修复作用(植物吸收降解,以及利用植物根系生长使土壤产生的断裂或裂痕,可以加快有机污染物的挥发),根际圈大量微生物的生命活动如氮代谢、发酵、共代谢及脱氯作用等对有机污染物降解、转化作用,以及电化学的促进作用,使得根际圈构成了污染土壤中极为独特的“生态修复单元”。因此,以植物根际圈作为修复单元的微生物修复将成为当前有机污染土壤修复研究的重要方向。而对有机污染物降解效率较高植物与高效降解菌的联合修复作用可能是提高有机污染生态修复效率的重要途径。

3 污染土壤生态修复研究前景

综上所述,无论是重金属污染土壤生态修复研究还是有机物污染土壤的生态修复研究,虽然有较多的报道,但目前仍处于基础性研究阶段,仍有一些修复机理不完全清楚,修复的实践应用和操作方法还不够成熟。因此,污染土壤的生态修复机理研究将是污染土壤生态修复研究的一个重点。

从生态学的角度看,污染土壤生态修复研究的核心内容仍然是超积累植物和高效降解微生物的筛选及合理搭配、修复机理的探索和基于植物与微生物联合修复的根际圈效应、以广义生物修复为核心的联合修复以及修复强化措施的研究。生态修复的实际应用不可避免地要利用分子生物学方法和农业高新技术,因此环境科学与生物学、农学的交叉、融合必将成为污染土壤生态修复的一种重要研究方法。从这种意义看,生态修复将成为解决污染土壤的根本手段。如何综合运用环境科学、生物学和农学等多学科原理,研究既实用又造价低廉的污染土壤生态修复实用技术,将是污染土壤生态修复研究的另一个重点。

编辑:Ellen
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