来源:《环境工程》年2期

作者:何洋1，2，董志成1，刘林德3，左进城3，郭晓红1，张丽娜1,高志远1

单位:1.鲁东大学资源与环境工程学院，2.北京工业大学环境与能源工程学院，3.鲁东大学生命科学学院

0引言

近年来，多环芳烃(PAHs)污染问题逐渐引起人们的重视，关于表层沉积物中PAHs的污染状况国内外也屡见报道。刘宏艳等将组PAHs污染沉积物的数据进行分析，结果发现:美国环保局优先控制的16种PAHs在我国表层沉积物中均值和中位值分别为.1，.0ng/g，表层沉积物总体处于中度污染水平。研究表明，发达地区PAHs污染普遍严重，这与发达地区工业发展存在一定关系。表1列举了国内外部分地区海洋、河流、湖泊表层沉积物中16种PAHs的污染状况。可以看出，部分地区表层沉积物中PAHs含量有逐渐增加的趋势，对海洋、河流、湖泊环境造成了潜在的生态风险。

植物修复(Phytoremediation)技术是一种广泛应用于环境污染领域的治理方法，可以净化土壤或水体中的污染物，是一种低成本、环境友好型的绿色修复技术。植物修复主要通过两方面来去除环境中有机污染物:1)植物对有机污染物直接吸收作用；2)植物根际区的根系作用。目前国内外陆续开展了陆生植物、红树林植物和水生植物修复沉积物中PAHs的研究，本文对其相关的研究进展进行了综述。

1植物对沉积物中PAHs的去除效果

由于沉积物中水分含量较高，因此开展陆生植物修复时常对沉积物进行一定预处理以降低其水分含量，从而更有助于陆生植物的生长。吴卿等通过盆栽实验研究了玉米对沉积物/土壤中萘的去除效果。结果表明，在沉积物与营养土配比为1:1、1:2和1:3基质中，90d后基质中萘的降解率分别为89.7％、90.3％和86.7％，显著高于未种植物组，且沉积物与营养土配比为1:2时基质中萘去除率最高。植物对萘的吸收作用比较明显，实验结束时，玉米体内的萘也基本代谢完毕。李冬梅通过盆栽实验，选取了黑麦草、高羊茅草、玉米作为修复植物，发现在不同配比的基质中，玉米对PAHs的去除效果均好于黑麦草和高羊茅草。

红树林(Mangrove)指生长在热带、亚热带，以常绿灌木或乔木组成的潮滩湿地木本生物群落。Lu研究了红树植物秋茄根际区域对沉积物中10mg/kg菲和芘的降解效果，60d后，菲和芘的去除率最高达到了56.8％和47.7％。方宇等利用盆栽实验，研究了红树植物秋茄对PAHs污染沉积物的修复作用，结果表明菲对秋茄的生长具有抑制作用，且菲初始浓度越高抑制作用越明显。经过4个月的实验周期，秋茄组中菲的去除率为69％~82％，而未种植物对照组中菲的去除率为59％~66.9％。Jiang等研究了海榄雌(Avicenniamarina)对沉积物中菲的降解作用，经过50d的实验，菲的去除率为53.8％~97.2％。

挺水植物(Emergedplant)是指根或根茎生长在底泥之中，茎、叶挺出水面的植物。Toyama等研究了芦苇根际区域对沉积物中芘和苯并[α]芘的降解，经过28d实验，根际区去除率分别为50.2％~61.3％和40.7％~61.5％，而对照组中的去除率仅为2.99％~14.4％和0~14.5％。lin等用水生植物灯心草(Juncusroemerianus)修复柴油污染的海岸湿地。经过1年的实验，发现种植灯心草的沉积物中PAHs的总含量仅为未种植物浓度的3％。

沉水植物(submergedplant)是指整个植株都生活于水中，并只在花期将花及少部分茎叶伸出水面的水生植物心引。Huesemann等研究了鳗草对海洋沉积物中PAHs的降解。经过60d的实验，发现有草组中的PAHs总浓度为初始时的27％，而无草组中PAHs总浓度为初始浓度的75％。Liu等研究苦草对沉积物中菲、芘的去除效果，发现54天的实验周期内，种植苦草的沉积物中菲、芘的去除率相比无草组分别提高了15.2％~1.5％和9.1％~12.7％。He等研究了黑藻、狐尾藻、苦草和菹草对沉积物中菲、芘的降解，有草组中菲去除率为48.0％~85.3％，芘的去除率为45.7％~82.4％；无草组菲、芘的去除率分别为33.9％和38.3％。其中苦草对菲、芘的去除提升最大，菹草最小。

2PAHs的植物修复机理

一般脂溶性强的污染物Kow(正辛醇一水分配系数)大，在根中含量也会较高。以菲(三环，logKow为4.17)、芘(四环，logKow为5.13)为例，由于根对土壤/沉积物中芘的吸收积累作用要强于菲，因此同种植物根中芘浓度、芘的根系富集系数也均明显大于菲。潘声旺采用盆栽实验法，分别研究高羊茅和金发草对土壤中菲、芘的去除效果。结果表明:PAHs生物富集系数根部大于茎、叶部，且芘要大于菲。在水生植物中，Meng等研究了沉水植物菹草对沉积物中菲、芘去除效果的影响，发现植物体内芘的含量是菲含量的2.1~19倍。

污染物被根系吸收后，其转化途径包括:1)植物可将其分解，并通过木质化作用使其成为植物体的组成部分；2)在酶的作用下，也可通过矿化作用使其彻底代谢为CO2和H20，或转化为无毒性的中间代谢物储存在植物体内。PAHs在植物体内发生的主要转化反应就是羟基化作用。微粒体单氧化酶可使PAHs转化为羟基化合物，这一过程已被苯、萘和苯并[α]芘在植物体内的氧化所证实。此外，还有脱氨反应、脱硫反应、N-氧化反应、S-氧化反应等。

陆生植物和水生植物的根系分泌物都会明显影响根际微生物群落结构和数量。Huesemann等通过鳗草(Zosteramarina)修复海洋沉积物，实验表明，蔓草的根系分泌物可以刺激根系微生物降解沉积物中的PAHs和多氯联苯。同时，蔓草根际也促进了沉积物中异养菌和烃类降解菌数量的增长。Toyama等研究也表明，水生植物浮萍的根系分泌物可以促进微生物降解沉积物中的芘和苯并[α]芘，同时也发现根际区的芘降解菌数量要高于未种植物的对照。Zhao等研究了太湖流域金鱼藻、菹草、苦草根系沉积物中的细菌群落结构，发现了一些菌群是沉水植物根际所特有的。He等采用分子生物学方法聚合酶链式反应一变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)分析了苦草、狐尾藻、黑藻和菹草根际区在菲、芘的降解过程中细菌群落结构的变化，并对个别条带进行了克隆测序。结果表明，苦草根际区菌群结构具有最强的菲和芘降解功能。其他3种植物中，与苦草根际菌群结构越相似的植物对沉积物中的PAHs的去除率就越高。

根系分泌物中的酶可以催化沉积物中PAHs的降解。Meng等研究了沉水植物菹草对沉积物中PAHs去除效果，结果表明沉积物中菲、芘去除的增长与根际沉积物中多氢氧化酶的浓度正相关。Toyama等采用水生植物紫萍(Spirodelapolyrrhiza)研究其对沉积物中3种芳香烃的去除作用，发现紫萍根际区过氧化物酶的活性随着芳香烃浓度的增加而增加，紫萍根际对芳香烃的降解主要归因于过氧化物酶。

植物根系分泌物还可以通过改变根际区的理化条件、改善生物有效性来增加有机污染物的去除。孙冰清等研究了根系分泌物中几种常见的低分子量有机酸和氨基酸对黄棕土吸附菲的影响，在供试5种低分子有机酸和氨基酸的影响下，黄棕土对菲的等温吸附曲线呈显著的线性关系，分配作用是黄棕土吸附菲的主导机制，低分子有机酸和氨基酸增加了黄棕土中菲的解吸作用。Kong等研究了柠檬酸和苹果酸对于染毒菲、芘的3种土壤的活化作用，两种低分子有机酸可以促进PAHs的解吸提高PAHs的生物有效性。例如，当加入柠檬酸为10mmol/L时，黄棕土中菲、芘的残留量分别为56.17，24.29mg/kg；当加入柠檬酸为80mmol/L，黄棕土中菲、芘的残留量减为21.74，11.74mg/kg。因此，植物根系分泌物会改变土壤/沉积物结构，进一步影响有机污染物的吸附一解吸及生物有效性等。

不同于陆生植物，水生植物还具有向根区泌氧的功能。水生植物通过光合作用在体内产生氧气，通过通气组织将所产生的氧气输送邻近组织细胞消耗或通过根尖释放到沉积物中，为好氧微生物提供适宜的小生境。这将有利于以氧化反应开始的有机污染物(如PAHs)的降解。PAHs的微生物降解速度与氧含量密切相关，其好氧微生物降解速率显著高于厌氧降解速率。这是因为PAHs降解的第一步是加氧开环，这也是微生物降解反应的限速过程。

Jouanneau等证实芦苇根系可通过增加根际区域的氧含量而提升沉积物中芘的降解，并且监测结果显示芦苇根系周围的氧化还原电位为正值，而其他区域为负值。Liu等引用沉积物中的氧化还原电位数值(Eh)来表征沉积物中的氧含量变化，证实苦草根际中的Eh值随着植物生长而升高，与苦草的根总表面积正相关。He等也发现种植沉水植物可以显著提高沉积物的Eh值。4种植物中，苦草组沉积物Eh值增幅最大(可达mV)，这与苦草组沉积物中PAHs的高去除率相吻合。此外，相关性分析发现沉积物的Eh值与沉积物中菲和芘总量的去除率呈显著正相关(对于菲，r=0.，P0.01，n=36；对于芘，r=0.，P0.01，n=36)。

3研究展望

利用植物修复技术修复沉积物中PAHs具有环境友好和费用低廉等的优点。但在今后的研究中还需要加强以下几方面的研究:

1)筛选和培育高效修复能力水生植物种属。随着技术手段的提高，一些现代生物技术手段如转基因技术已经被用于改造陆生植物修复特性，以增强其对污染物的抗性及修复能力。因此，培育高效水生植物对于污染沉积物的修复来讲至关重要。

2)加强水生植物根际修复机理的研究。当前关于植物对有机污染沉积物的修复机理的研究大多集中在根际分泌物、根际理化性质变化和PAHs降解菌分离、鉴定等研究中。今后还需要加强PAHs降解菌代谢机理及代谢途径的研究。

3)加强植物修复与其他修复技术相结合。植物修复可在一定程度上有效地去除PAHs，但还存在降解速度慢，降解不彻底等问题。因而植物修复应与其他生物修复、物化修复的手段相结合，从而进一步的提高修复效率。

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