王 建,祁迎春,何 娜,宮詩雅,高思琪,張 騰

(延安大學 石油工程與環(huán)境工程學院，陜西 延安 716000)

石油是目前世界上主要的能源來源，它的大量開采和加工會導致環(huán)境事故和含油廢水、廢物排放的增加。由于石油烴具有疏水性和緩慢的生物降解過程，可以在環(huán)境中長期存在，其毒性對陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)都會產(chǎn)生負面影響，并能夠隨著食物鏈進入動物和人體，具有致癌作用，因此在世界各地受到高度關(guān)注[1～2]。

石油污染土壤的修復不僅需要去除污染物以保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，還需要恢復土壤的物理、化學和生物屬性，保障農(nóng)作物正常生長和土壤生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)去除土壤中石油污染物的物理和化學方法會破壞污染場地的理化性質(zhì)，甚至會造成環(huán)境的二次污染，且不適用于修復大面積輕度污染土壤[3]。基本上難以應用和奏效破壞環(huán)境、成本高和公眾接受度差的缺點。生物方法包括微生物修復和植物修復，具有生態(tài)、經(jīng)濟、美觀等優(yōu)點，已成為石油污染土壤修復的一種有前景的替代方法。

單獨應用植物修復耗時較長且修復效率較低，為了縮短土壤修復時間，提高修復效率，植物修復可以與各種強化措施相結(jié)合進行聯(lián)合修復。油污土壤的植物修復技術(shù)及各種強化措施的研究，對石油污染土壤的植物修復技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。通過合理適宜的植物與微生物組合和添加適宜的土壤改良劑，可以提高植物修復的綜合修復效率[4]。筆者簡要總結(jié)近期石油污染土壤的修復植物篩選及應用添加無機和有機土壤改良劑強化措施進行石油污染土壤植物修復的研究進展。

1 修復植物篩選

植物修復技術(shù)是通過植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定、植物轉(zhuǎn)化和根際修復等多種植物過程去除土壤中的石油烴污染物[5]。隨著土壤中烴類污染物含量的增加，植物受到的毒害會通過各種生理指標表現(xiàn)出來，直至不能生長甚至短時間內(nèi)枯死。不同濃度原油污染土壤對紫錐菊影響研究表明，1%和2%的原油污染處理沒有觀察到開花，隨著原油濃度的增加，總?cè)~綠素、蛋白質(zhì)、抗氧化能力等生理參數(shù)顯著降低，而葉花青素、電解質(zhì)滲漏、丙二醛、脯氨酸、總碳水化合物等其他參數(shù)均增加[6]。筆者課題組[7]研究了陜北黃土區(qū)土壤石油污染物對玉米種子出苗率和幼苗生長的影響結(jié)果表明，玉米的出苗率抗石油污染物抑制作用較強，株高、莖寬、生物量和葉片葉綠素濃度隨著石油濃度的增加受到一定程度的抑制作用。因此，用來修復油污土壤的植物必須對油污土壤有較強耐受性，且有較大的生物量。目前，多種植物被嘗試用來修復油污土壤，包括野生禾本科雜草[8～12]、豆科植物[8～13]、農(nóng)作物[7～14]、觀賞植物[15]、灌木[8～11]和喬木[13]等。

不同的植物去除石油烴的機制不盡相同。近期的一項研究表明，鴨跖草和蓮子草對碳氫化合物進行了根際降解和的植物提取，而狗牙根只進行了根際降解[16]。Arias-Trinidad等[12]利用李氏禾(Leersia hexandra)對受新油和風化油污染的土壤進行植物修復的研究結(jié)果表明，在熱帶內(nèi)澇環(huán)境中，李氏禾根際能夠促進固氮細菌生物量、植物生物量和污染土壤(含新鮮和風化石油)的植物修復。即使是親緣關(guān)系相近的修復植物其修復機制也存在差異。兩種苜蓿的田間比較研究[13]表明，黃花苜蓿(Medicago Falcata L.)和紫花苜蓿(Medicago Sativa L.)對土壤石油烴的抗性相似，其根際污染物濃度比周圍土壤低30%。兩種植物對土壤微生物總量的刺激作用相同，但紫花苜蓿根區(qū)的碳氫氧化微生物(包括多環(huán)芳烴降解菌)數(shù)量較大。反過來，黃花苜蓿提供了一個有利的可用氮平衡。兩種苜蓿都能同樣刺激土壤的脫氫酶和過氧化物酶活性，而黃花苜蓿增加了土壤多酚氧化酶的活性，但降低了過氧化氫酶的活性。黃花苜蓿根組織過氧化氫酶、抗壞血酸氧化酶和酪氨酸酶活性高于黃花苜蓿。兩種植物根的過氧化物酶活性相似，但紫花苜蓿和黃苜蓿根提取物的過氧化物酶譜存在一定差異。

紫松果菊對PAHs污染土壤的修復效能研究結(jié)果[17]表明，紫松果菊對PAHs污染土壤具有較強的耐性，在PAHs總濃度為183.60 mg·kg-1時，紫松果菊對土壤中4種PAHs的去除率分別為66.2%、70.3%、40.6%和65.4%。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，PAHs的去除率與地下生物量的相關(guān)性更好，說明植物地下生物量對多環(huán)芳烴去除率影響較大。

在篩選修復植物的過程中，也需要考慮植物對環(huán)境的需求，具有相當水平石油去除能力的植物中對環(huán)境條件要求低的更具優(yōu)勢。研究表明，盡管黑麥草對TPH的去除率最高為47%，但無花果對TPH的去除率最高為46%，但由于無花果對水的需求量低，生長速度快，因此在修復被碳氫化合物和/或重金屬污染的土壤方面更適合[18]。污染土壤上野生黑莓植物根系中各多環(huán)芳烴化合物的積累水平不同，最多的是苯并[a]芘[19]。

鉆屑中往往含有石油類、硫化物、金屬Cr、Zn、Cd和Mn等[20]。不同草種對鉆屑和原油在種子萌發(fā)和5葉期的耐量水平研究表明，一年生黑麥草(Lolium multiflorum lam.)和大麥(Hordeum vulgare L.)的鉆屑碳氫化合物還原率最高，而黃狐尾和一年生黑麥草的原油污染碳氫化合物還原率最高[21]。

在中試條件下，對金屬和石油烴共污染土壤的植物修復研究[22]表明，單一培養(yǎng)的苜蓿降低了污染土壤滲濾液的電導率、有機碳和銅的總濃度，而pH和溶解氧增加。與單獨種植紫花苜蓿相比，紫花苜蓿與向日葵互作修復對土壤中無機污染物的提取、中分子量和高分子量PAH(瑞典環(huán)境保護局，2009)的降解沒有影響，對C10-C40的多環(huán)芳烴和低分子量PAH的降解效率也較低。共栽降低了莖和根中鉛的濃度。5個月后土壤的剩余生態(tài)毒性表明，互作對紫花苜蓿莖的干物質(zhì)量有正向影響。

土壤中的易降解烴類污染物會先被去除，因此對于新污染土壤，植物修復的第一個生長周期往往修復效率較高。例如棉花[23]、高粱和大麥[24]等。而修復污染土壤至不危害植物生長，憑借單獨的植物修復往往需要幾年的時間。以大豆修復被植物油和礦物油污染的土壤的研究結(jié)果表明，分別連續(xù)進行至少7個和9個120 d的大豆生長周期，才可以使污染不再危害大豆的生長[25]。

2 添加營養(yǎng)物質(zhì)

通常情況，受污染土壤的肥力狀況較低，添加營養(yǎng)物質(zhì)可以使微生物和植物充分生長，有利于污染物的去除。盡管如此，但在植物修復時添加的營養(yǎng)物質(zhì)必須達到一定的量是才會顯著促進烴類污染物的去除。Palmroth等[12]研究發(fā)現(xiàn)，每千克土壤添加NPK復合肥50 mg(含16.6% N，4% P和25.3% K)或生物廢物堆肥提取液10 mL(TOC為700 mg·L-1)均不能顯著增加喬木、混合草或混合豆科植物修復土壤中柴油的去除率。Merkl等[26]推薦在營養(yǎng)不良的砂壤土中用B.Brizantha進行植物修復時最佳施肥量是每千克土壤施用600 mg N/P/K。筆者課題組[27]為研究石油烴降解過程中土壤營養(yǎng)物質(zhì)的供給平衡，設(shè)置石油濃度為20 g·kg-1的污染土壤并加入不同比例的N和P的營養(yǎng)物質(zhì)，分析陜北土壤石油烴降解過程中的養(yǎng)分變化狀況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當C ∶N ∶P=100 ∶10 ∶1并結(jié)合翻耕措施時土壤中C、N、P的含量降低的幅度最大，并且石油烴的降解率達最高。同時，施肥和翻耕可以顯著提高土壤石油烴的降解率。王艷杰等[28]研究表明，在石油污染土壤中添加營養(yǎng)物與玉米秸稈碎屑或玉米秸稈生物炭獲生物炭能提高土壤中微生物數(shù)量，其中生物炭與營養(yǎng)物聯(lián)合處理組效果最佳。添加玉米秸稈碎屑和生物炭能夠顯著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，并提高土壤田間持水量。疏松生物質(zhì)材料與營養(yǎng)物聯(lián)合施用可以顯著促進總石油烴和不同組分烴類物質(zhì)的降解。土壤孔隙度和總氮可提高微生物的數(shù)量，進而增加對石油烴類化合物的去除能力。

Cartmill等[29]描述了施用控釋肥料(CRF)通過促進光合作用、葉綠素含量和碳氫化合物污染土壤中的細菌數(shù)量來克服生長障礙。Fu等[30]研究了用苜蓿和有機肥去除老化污染土壤中選定的多環(huán)芳烴。與未施肥和未施肥處理相比，有機肥提高了11.6%的多環(huán)芳烴耗散。Basumatary等[31]研究了短葉茳芏[Cyperus brevifolius (Rottb.) Hassk]對含有8%(w/w)原油的污染土壤中總油脂(Total oil and grease，TOG)降解的影響，結(jié)果表明，短葉茳芏在含化肥的原油污染土壤和不含化肥的原油污染土壤中可分別降低TOG含量的86.2%和61.2%。在未種植的處理中，TOG含量在含化肥和不含化肥的原油污染土壤中分別降低了13.7%，和12.5%。種植短葉茳芏的處理的TOG生物降解率顯著高于未種植植物的處理。

3 堆肥

Abioye等[32]以2.5%和1%廢潤滑油為污染源，分別添加5%(w/w)的有機廢棄物(香蕉皮、啤酒廠廢谷粒和廢蘑菇堆肥)在自然條件下用植物大麻槿(Hibiscus cannabinus)進行為期90 d的修復研究。結(jié)果在污染水平2.5%和1%的土壤中廢潤滑油分別最高(啤酒廠廢谷粒堆肥+植物修復)去除了86.4%和91.8%，而未進行修復處理的土壤分別去除了52.5%和58.9%。試驗結(jié)束時，發(fā)現(xiàn)該植物未從土壤中積累碳氫化合物，但在根和莖中有明顯的鐵和鋅(來源于廢潤滑油)積累。然而，堆肥與植物修復相結(jié)合不一定會提高的單獨植物修復對TPH的降解率。Escobar-Alvarado[33]探討了植物修復與堆肥結(jié)合對廢機油和鉛污染土壤中烴類降解效率和鉛溶解度的影響。此研究先向污染土壤中加入仙人掌果(Opuntia ficus indica)和庭院修剪下的草進行堆肥處理，然后使用紫花苜蓿(Medicago sativa)進行植物修復。經(jīng)過9周的堆肥過程，僅去除了初始TPH濃度的13%，在隨后的20周的植物修復過程去除了48%的TPH。而在單獨進行植物修復時，TPH降解率最高，達到66%。推測由于堆肥的不穩(wěn)定性，不僅沒有為土壤提供養(yǎng)分和更好的環(huán)境條件，反而影響了修復植物的生長。

Asemoloye等[34]以黑油烴污染土壤為研究對象，研究了廢棄蘑菇堆肥對黑油烴污染土壤植物修復的影響及其對修復植物大黍(Megathyrsus maximus)生長的影響。盡管單獨種植(對照)降低了土壤重金屬和多環(huán)芳烴含量，但經(jīng)廢棄蘑菇堆肥處理后降解率進一步提高，同時提高了植物修復效率、植物質(zhì)量和潛在光合速率。Reddy等[35]對重金屬和多環(huán)芳烴污染的渣場的本地牧草與土壤堆肥改良劑結(jié)合的植物修復進行了三年實地調(diào)查。結(jié)果表明，在植物根系和枝條樣本中發(fā)現(xiàn)污染物濃度低于檢測限，表明植物對污染物的吸收不明顯。土壤中多環(huán)芳烴由于根際降解而濃度降低，重金屬濃度雖然沒有明顯下降，但被有效固定。Dariusz等[36]以能源作物(魔芋和油菜)為研究對象，結(jié)合肥料和堆肥，輔以添加納米二氧化硅，對植物修復技術(shù)的效率和經(jīng)濟潛力進行了評價。研究數(shù)據(jù)表明，基于能源作物利用的方法，既可以去除危險污染物，又能生產(chǎn)可移動能源，是一種值得推薦的可持續(xù)重污染土壤修復方法。種植魔芋結(jié)合堆肥和納米二氧化硅的混合施肥，獲得了同時對多環(huán)芳烴去除效率和生物產(chǎn)量的最佳效果。

Hussain等[37]用生物炭(5%v/v)、堆肥(5%v/v)和接種碳氫化合物降解細菌對加標原油污染(3.4%，w/w)土壤中碳氫化合物進行意大利黑麥草修復。結(jié)果表明，修復75 d后，混合使用堆肥、生物炭和細菌作為聯(lián)合土壤改良劑，可以通過加強植物根際效應來有效去除總石油烴，從而提高黑麥草的根際調(diào)節(jié)潛力，脫烴率最高可達到85%。Saum等[38]比較了生物炭、植物(Mesquite tree seedlings)、堆肥和這些處理的組合對污染土壤中石油的生物降解速率和石油降解細菌的種群數(shù)量的影響。除了與生物炭聯(lián)合修復，植物的存在顯著地增強了其他所有處理中的石油降解。種植植物結(jié)合堆肥改良的的土壤中，油的降解程度最大(輕烴組分的44%)。生物炭會減少石油降解群落的種群規(guī)模，在石油污染土壤中添加生物炭并不能提高土壤的生物修復率。相比之下，使用植物和添加堆肥相結(jié)合是非常有效的生物修復技術(shù)。

4 添加生物表面活性劑

生物表面活性劑是細胞外排出的兩親性化合物，含有疏水和親水部分，使它們在生物體的液相之間積累，從而降低表面和界面張力。施用生物表面活性劑是一種綠色污染土壤處理技術(shù)。Almansoory等[39]評估了生物表面活性劑在汽油污染土壤植物修復中的應用潛力，并將其與烴降解細菌、十二烷基硫酸鈉和細菌培養(yǎng)上清液等添加劑進行比較。結(jié)果表明，生物表面活性劑對TPH的去除率為93.5%，而烴降解細菌、十二烷基硫酸鈉和細菌培養(yǎng)上清液對TPH的去除率分別為85.4%、86.3%和70.3%。因此，生物表面活性劑可以提高植物修復技術(shù)在土壤處理方面的性能。

Liao等[40]在盆栽試驗中，采用兩種生物表面活性劑(鼠李糖脂和大豆卵磷脂)和一種合成表面活性劑(吐溫80)促進玉米對原油污染土壤的植物修復。結(jié)果表明，這些表面活性劑對玉米生物量沒有明顯影響，但對玉米葉片葉綠素熒光有抑制作用。鼠李糖脂和大豆卵磷脂增強了土壤微生物種群，從而增加了石油總烴的去除量，其中飽和烴是原油中石油烴含量下降的主要組分。此外，所有選擇的表面活性劑處理都能抑制玉米葉片中多環(huán)芳香烴的積累，但通過鼠李糖脂質(zhì)和吐溫80處理可以促進玉米根系中多環(huán)芳香烴的積累。

5 小結(jié)與展望

植物修復技術(shù)已成為石油污染土壤最有應用前景的修復方法。然而，修復耗時長是限制其實際應用的關(guān)鍵性缺陷。限制石油烴污染土壤植物修復效率的原因主要有兩個方面，一方面，石油污染物通過影響四大肥力因素(養(yǎng)分因素、物理因素、化學因素、生物因素)降低了土壤肥力水平，另一方面石油污染物對植物具有毒害作用。在植物修復過程中，要想有效去除石油污染物，必須有效地恢復土壤肥力。土壤肥力是土壤的物理、化學和生物特征的綜合表現(xiàn)。因此，修復石油污染土壤必須采用綜合方法，即同時影響污染土壤的養(yǎng)分因素、物理因素、化學因素和生物因素。目前對單個肥力因素與石油烴去除效率之間的關(guān)系研究較多，但同時對四個肥力因素與石油烴去除效率之間的關(guān)系研究較少。石油烴對土壤的污染，實際上是破壞了土壤的自然肥力，在自然肥力短時間無法恢復的情況下，只能通過人工肥力進行彌補。即通過耕作、施肥、灌溉、土壤改良等人為因素改善土壤肥力。未來的研究重點是在采取綜合強化措施，同時改善四大肥力因素，并建立污染土壤肥力因素測定診斷-修復措施選擇-修復效果預測之間的關(guān)系。