植物修复是什么?关于植物修复的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:53:14

植物修复(Phytoremediation)(phyto,来自古希腊语φυτό,意为“植物”,拉丁文中remedium,意为“恢复平衡”)指的是利用活的植物来清理被有害污染物污染的土壤、空气和水的技术 。 它被定义为“使用绿色植物和相关微生物,以及适当的土壤改良和农艺技术,以控制、去除或使有毒环境污染物无害”。

植物修复是一种具有成本效益的基于植物的修复方法,利用的是植物从环境中浓缩元素和化合物以及代谢其组织中各种分子的能力。植物修复是指被某些被称为超富集植物的生物在土壤、水或空气中生物积累、降解或使污染物无害的自然能力。有毒重金属和有机污染物是植物修复的主要目标。近年来,关于植物修复的生理和分子机制的知识以及旨在优化和改进植物修复的生物和工程策略开始出现。此外,一些现场试验证实了利用植物进行环境净化的可行性。

应用

植物修复可以应用在那些受到污染或正在遭受持续的慢性污染土壤或静态水环境的修复中去。植物修复已成功应用的例子包括废弃金属矿山工作区的恢复,以及修复在生产过程中倾倒多氯联苯的地点,以及减轻正在进行的煤矿排放,减少土壤、水或空气中污染物的影响。金属、杀虫剂、溶剂、爆炸物, 和原油及其衍生物等污染物在世界各地的植物修复项目中得到缓解。许多植物,如芥菜类植物、遏蓝菜、大麻和猪草,已被证明能在有毒废物场所成功地超积累污染物。

由于植物的生理差异,并非所有植物都能积累重金属或有机物污染物。 甚至同一物种中的品种也有不同的积累污染物的能力。

在过去的20年里,植物修复技术变得越来越受欢迎,并被应用在土壤被铅、铀和砷污染的地方。虽然它的优点是可以就地处理环境问题,但植物修复的一个主要缺点是需要长期的投入,因为这一过程依赖于植物在对正常植物生长不理想的环境中生长和茁壮成长的能力。

优势和局限性

  • 优势:
    • 植物修复的成本低于传统的原位和非原位方法;
    • 植物很容易被监控;
    • 有价金属回收和再利用的可能性(由专门从事“植物采矿”的公司);
    • 这可能是危害最小的方法,因为它使用自然产生的生物,并将环境保持在更自然的状态;
    • 它保存表层土,保持土壤的肥力;
    • 植物修复可增加土壤健康、产量和植物化学物质 ;
    • 植植物的使用也减少了土壤中的侵蚀和金属浸出问题。
  • 限制:
    • 植物修复仅限于根系可以到达的土壤表面积和土壤深度;
    • 植物缓慢的生长和低生物量需要长期的投入;
    • 利用基于植物的修复系统,不可能完全防止污染物渗入地下水(如果不能完全清除受污染的土地,这本身并不能解决污染问题);
    • 受污染土地的毒性和土壤的普遍状态会影响植物的生存;
    • 污染物,尤其是金属在植物中的生物积累,然后从初级消费者向上进入食物链,或者需要安全处理受到污染影响的植物材料;
    • 当吸收重金属时,有时金属会与土壤有机物结合,这使得植物无法提取土壤中的金属

个案研究

大田规模的细叶榕修复重金属的实验

通过实际规模试验,评价了细叶榕对金属的植物修复效果。 由于不同金属的空间异质性,该物种的根系生物量之间的差异在3.68至5.43克之间不等。根据这项研究,在实验地点纯化过量的镉可能需要4-93年。细叶榕不能预先吸收汞。这种植物被移到未污染的土壤中。当移植的镉和铜转移到根际土壤时。铅和汞没有释放出来。

卡尔塔格学校漏油(阿拉斯加)事件

自1991年以来,阿拉斯加环境保护部(ADEC)一直在阿拉斯加州卡尔塔格的卡尔塔格学校监测燃油泄漏。该社区一直与ADEC合作,使用阿拉斯加费尔班克斯大学科学家起草的植物修复计划。ADEC持续在其网站上向公众通报进展情况。

处理过程

植物修复的过程

植物或藻类介导的一系列过程对于处理环境问题非常有用:

植物提取

植物提取(或植物积累或植物隔离)使用植物或藻类将土壤或水中的污染物去除到可收获的植物生物量中。根吸收土壤或水中的物质,并将其集中在地上的植物生物量中 能够从土壤中吸收极高污染物的生物称为超富集生物[。 植物提取也能由可以吸收低浓度的污染物的植物(如杨树和柳树)进行,但由于它们的高生长率和生物质产量,可能会从土壤中清除大量污染物。 在过去20年左右的时间里,植物提取在全球范围内迅速普及。通常,植物提取被用于重金属或其他无机物的净化。 在处置时,污染物通常集中在比最初污染的土壤或沉积物小得多的植物组织中。收获后,土壤中残留的污染物水平较低,因此生长/收获周期通常必须通过几种作物重复进行,以实现对污染物显著的清除。经过这个过程后,干净的土壤可以支撑其他植被的生长。通过植物采矿来开采这些被提取的金属,也正作为一种回收材料的方法在进行试验。 超富集植物是在没有外界帮助的情况下能够自然吸收土壤中污染物的植物。在许多情况下,这些都是金属植物,能够耐受和吸收高含量的有毒金属。诱导或辅助植物提取是将含有螯合剂或另一种试剂的调理液添加到土壤中以增加金属溶解度或流动性从而使植物更容易吸收它们的过程。 虽然这能让植物吸收更多的金属,但也可能使土壤中的大量可用金属超出植物能够转移的范围,导致产生潜在的金属离子渗入底土或地下水的现象。

已知可积累以下污染物的植物实例:

  • 砷,使用葵花(向日葵,Helianthus annuus) 、或中国蕨(蜈蚣草,Pteris vittata);
  • 镉,利用柳树(沙柳,Salix viminalis):1999年,玛丽亚·格雷格和汤米·兰德贝里进行的一项研究实验表明,柳树作为镉(Cd)、锌(Zn)和铜(Cu)的植物提取器具有显著的潜力,因为柳树具有某些特定的特征,如重金属从根到地上部的高转运能力和巨大的生物量的产生;也可用于生物质能发电厂的生物能源生产。
  • 镉和锌,可以使用超富集植物遏蓝菜(Thlaspi caulenthys)在可能对许多植物都有毒害作用的金属含量水平下进行修复。另一方面,铜的存在似乎损害遏蓝菜的生长。
  • 铅,使用印度芥菜(Brassica juncea)、豚草(Ambrosia artemisiifolia)、大麻(Apocynum cannabinum)或杨树,它们在生物量中隔离铅。
  • 耐盐(中度盐生的)大麦和/或甜菜通常用于提取氯化钠(食盐)来开垦以前被海水淹没的田地。
  • 切尔诺贝利事故后,铯-137和锶-90被向日葵从池塘中清除。
  • 汞、硒和多氯联苯(PCBs)等有机污染物已被含有细菌酶基因的转基因植物从土壤中清除。
植物稳定化作用

植物稳定化作用降低了物质在环境中的流动性,例如,可以通过限制物质从土壤中的浸出降低物质流动性。 它侧重于污染物的长期稳定和遏制。植物通过将污染物与土壤颗粒结合来固定污染物,从而减少植物或人类对污染物的吸收。 与植物提取不同,植物稳定主要将污染物隔离在根部附近的土壤中,而不是植物组织中。污染物变成不易被生物利用的形式,导致暴露量减少。植物也能分泌一种产生化学反应的物质,将重金属污染物转化为毒性较小的形式。 稳定作用除了降低污染物的生物利用度外,还减少了侵蚀、径流和沥滤等作用。 植物稳定作用的一个应用实例是使用植被覆盖物来稳定和控制尾矿。

植物降解作用

植物降解作用(也称为植物转化作用)利用植物或微生物降解土壤或植物体内的有机污染物。有机化合物被植物根部分泌的酶分解,然后这些分子被植物吸收并通过蒸腾作用释放出来。 这种方法最适用于有机污染物,如除草剂、三氯乙烯和甲基叔丁基醚。

植物转化作为植物代谢的直接结果,对环境中的物质进行化学修饰,通常导致这些物质失活、降解(植物降解)或固定(植物稳定)。对于有机污染物,如杀虫剂、炸药、溶剂、工业化学品和其他外源化学物质,某些植物,如美人蕉,通过自身的新陈代谢作用使这些物质无毒。 在其他情况下,与植物根系共生的微生物可能会在土壤或水中代谢这些物质。这些复杂而难溶的化合物不能分解成可被植物分子利用的最基本的分子(水、二氧化碳等),因此,术语“植物转化作用”代表化学结构的变化,而化合物没有完全分解的过程。术语“绿色肝脏”用于描述植物转化作用,当植物处理这些外源化合物(外来化合物/污染物)时,其行为类似于人类肝脏的功能。 吸收外源化合物后,植物酶通过添加羟基(-OH)等官能团来增加外源化合物的极性。

这被称为第一阶段代谢,类似于人类肝脏增加药物和外源化合物极性(药物代谢)的方式。而在人类肝脏中,酶,如细胞色素P450s负责最初的反应,而在植物中,酶,如过氧化物酶、酚氧化酶、酯酶和硝基还原酶发挥相同的作用。

在植物转化作用的第二阶段,称为第二阶段代谢,植物生物分子如葡萄糖和氨基酸被添加到极化的外源化合物中,以进一步增加其极性(称为接合)。这也类似于人类肝脏中发生的过程,其中外源化合物的反应中心产生了葡萄糖醛酸化(通过UGT类酶如UGT1A1加上葡萄糖分子)和谷胱甘肽添加反应。

尽管也有许多例外,但是第一阶段和第二阶段反应是用于增加化合物的极性并降低其毒性的。极性的增加也使得异源化合物易于沿水通道运输。

在植物转化的最后阶段(第三阶段代谢),异源化合物在植物中发生隔离。异源化合物以类似木质素的方式聚合,形成一种复杂的结构,并被隔离在植物中。这确保了异源化合物的安全储存,并且不会影响植物的功能。然而,初步研究表明,这些植物可能对小动物(如蜗牛)有毒,因此,参与植物转化的植物可能需要隔离在封闭的环境中。

因此,植物降低毒性(除了例外)并在植物转化中隔离异源化合物。人们已经对三硝基甲苯植物转化进行广泛的研究,并提出了一种转化途径。

植物刺激作用

植物刺激作用(或根降解作用)是增强土壤微生物降解有机污染物的活性,通常是通过与根相关的生物来进行的。 这个过程发生在根际,根际是根周围的土壤层。 植植物释放碳水化合物和酸,刺激微生物活性,导致有机污染物的生物降解过程。 这意味着微生物能够将有毒物质消化并分解成无害的形式。 植物刺激已被证明能有效降解石油烃、多氯联苯和多环芳烃。 植物刺激还可以包括水生植物支持微生物降解者的活性种群,如角藻对阿特拉津除草剂降解的刺激。

植物挥发作用

植物挥发是从土壤或水体中去除物质并释放到大气中,有时是将有害物质进行植物转化作用变成为挥发性更强和/或污染更少的物质的结果。在这个过程中,污染物被植物吸收,并通过蒸腾作用蒸发到大气中。 这是研究最多的植物挥发形式,其中挥发发生在植物的茎和叶,然而当污染物从根区挥发时,就会发生间接的植物作用。 硒和汞经常通过植物挥发作用从土壤中去除。 由于杨树蒸腾速率高,因此它成为通过植物挥发作用去除挥发性有机化合物最成功的植物之一。

根过滤作用

根过滤作用是一种通过大量的根过滤水以去除有毒物质或过量营养物的过程。污染物仍然被根部吸收或吸附。 这一过程通常用于通过直接在受污染的地点种植植物或通过将受污染的水转移并提供给异地种植的植物来清理地下水。 然而,无论是哪种情况,典型的植物首先是在精确的条件下生长于温室中的。

生物液压控制

当一些植物,如杨树,通过土壤将水向上吸入根部并通过植物排出时,就会发生生物液压控制,这个过程减少了可溶性污染物发生向下、深入场地和地下水的移动。

植物脱盐作用

植物脱盐作用是利用盐生植物(适应盐渍土壤的植物)从土壤中提取盐来提高土壤的肥力的过程

遗传学的作用

育种计划和基因工程是增强自然植物修复能力,或向植物引入新能力的有力方法。植物修复基因可能来自微生物,也可能从一种植物转移到另一种更适合清理现场环境条件的植物中。例如,将编码细菌硝基还原酶的基因插入烟草中,可以更快地去除TNT,增强对TNT毒性作用的抗性。研究人员还在植物中发现了一种机制,即使土壤中的污染浓度对未经处理的植物来说是致命的,这种机制也能让植物生长。一些天然的、可生物降解的化合物,如外源多胺,允许植物耐受比未处理植物高500倍的污染物浓度,并吸收更多的污染物。

超富集植物和生物相互作用

如果一个植物能够将污染物浓缩到根据所涉及的污染物而变化的最小百分比(例如:镍、铜、钴、铬或铅的干重超过1000毫克/千克,或者锌或锰超过10,000毫克/千克),那么它就被称为超富集植物。 这种富集能力是由于超耐受性或者植物的高耐受性:从植物到敌对环境经过许多代的适应性进化的结果。许多相互作用可能会受到金属超积累的影响,包括保护作用、对不同物种相邻植物的干扰、共生(包括菌根、花粉和种子扩散)、共生和生物膜。

富集植物表
  • 超积累植物表–1:铝、银、砷、铍、铬、铜、锰、汞、钼、萘、铅、钯、铂、硒、锌
  • 超积累植物表–2:镍(Hyperaccumulators table – 2 : Nickel)
  • 超积累植物表–3:放射性核素(镉、铯、钴、钚、镭、锶、铀)、碳氢化合物、有机溶剂。

植物筛选

由于植物能够转移和富集特定类型的污染物,植物可以用作地下污染物的生物传感器,从而使研究者快速描绘污染物羽流。 在树干中观察到三氯乙烯等氯化溶剂的浓度与地下水浓度有关。 为了简化植物筛选的现场实施程序,研究者们已经开发了标准方法来提取树干的一部分,用于后续的实验室分析,通常使用增量钻。 植物筛选可能使现场调查过程更优化,并降低受污染场地的清理成本。