二氧化碳濃度升高對植物修復土壤污染的影響

趙義武，劉 寧

（北京軒昂環?？萍脊煞萦邢薰?，北京 100029）

土壤污染是當今全球污染最嚴重的問題之一。隨著人類對土地資源的開發利用，大量有毒有害污染物質進入土壤，超出了土壤自凈的范圍，最終導致土壤污染。導致土壤污染的原因主要有：1）工業廢料的排放，如有害氣體、化學品、農藥、化肥和殺蟲劑等；2）事故導致的污染物排放；3）固體廢物在填埋后部分有毒有害物質的泄漏等。土壤主要污染物包括有機和無機污染物。有機污染物包括多環芳烴（PAHs）、多氯聯苯（PCBs）、洗滌劑和殺蟲劑等。無機污染物包括硝酸鹽、磷酸鹽，重金屬和放射性元素等。

嚴重的土壤污染會導致：1）土壤肥力下降，從而降低土壤中作物產量；2）土壤的污染物通常具有滯留性，會對土壤造成長期污染；3）污染土壤不易生長植物，導致資源的浪費；4）污染物會造成土壤結構改變，導致許多重要生物死亡；5）土壤污染間接影響了人類的健康；6）土壤污染物可通過滲入或通過地表徑流導致水源和地下水污染；7）土壤污染也會產生揮發性污染物導致大氣污染。

土壤的修復方式包括原位修復和異位修復。土壤的有機污染修復的方法通常包括物理、化學、生物以及生物-植物聯合的修復方法。去除土壤中有機污染物最常采用的是生物修復的方法。由于微生物本身的特性，使得生物修復過程對外界的環境要求較高。相對于其他的修復方法，植物修復方法要更困難、更復雜一些，這是因為在修復過程中，有機污染物在植物體的存在形式比較復雜，且有機污染在植物體內的中間代謝產物的形態也比較復雜。但植物修復因其具有非破壞型的修復方式和運行成本較低、操作簡便且對環境不會造成二次污染的特點，因而采用植物修復污染土壤是一種綠色的修復方式，也越來越受到國內外環保工作者的重視。

1 植物修復土壤有機污染的機制

1.1 植物提取

植物提取是指污染物通過根部富集進入到植物體內，然后轉移到植物的其他部分，在轉移過程中污染物本身的形態和性質沒有發生改變。有機污染物進入植物體內后，通過木質部在植物體內進行轉移，大部分有機污染物會在植物生長代謝的過程中被轉化成植物自身所需的物質而儲存在植物體內；部分污染物會通過植物的蒸騰作用從葉片揮發到空氣中；極小部分的污染物會被植物完全降解，最終轉化成CO2和H2O。環境中大多數的單環芳香碳氫化合物及有機溶劑都是通過植物的礦化作用達到降解的目的，從而從環境中去除。

Sung等研究表明，污染物的辛醇和水分配系數比值（logKow）直接影響植物去除有機污染物的效果。中等的親水性有機污染物（logKow為0.5～3.0）可以較容易地進入植物體內，在植物體內通過木質部進行轉移然后轉化成無毒的產物，然后被植物利用，儲存在植物體內；而疏水有機化合物（logKow＞3.0）往往不易進入植物體內，通常只是被根表吸附；易溶于水的有機物（logKow＜0.5）不易吸附在植物的根表，很容易進入植物體內。

影響植物吸收有機污染物的因素很多，要達到較高的去除效率就必須從土壤自身的環境、污染物性質以及植物的種類這三方面入手，進行深入的研究。

1.2 根際酶的降解

植物可以向土壤中釋放大量的有機污染物的降解酶，但這些酶的活性具有一定的限制時間，在存活性時間內的酶可以對土壤中的有機污染物起到降解作用。同時酶對周圍的環境要求較高，金屬濃度過高、酸度不適宜以及毒素的存在都會導致酶的失活，從而失去降解污染物的作用。

有研究指出，三硝基苯酚的降解率受硝基還原酶的影響十分顯著，在硝基還原酶存在的情況下，其降解效率顯著提升；過氧化氫酶的存在顯著增加了PCBs的降解效果；在脫鹵素酶的作用下，TCE（三氯乙烯）的去除效果明顯得到了改善；去氯代酶的作用使得含氯溶劑可以轉化為氯離子。研究證實，植物根系分泌物中包含的酸性磷酸酶、真菌及細菌產生的相應的磷酸酶對有機磷的去除具有顯著效果。有研究指出，通過篩選找到分泌具有特異性酶的植物，可以修復土壤中的某類有機污染物。

植物的根部區域含有豐富的營養物質和能源，是植物根際區域微生物或力和代謝能力的源泉，這些能源和營養物質部分是通過根系產生的分泌物提供的，這些分泌物對提高微生物的活力、降解有機污染物具有有效的促進作用。Godsy等研究表明棉白楊根系分泌物可以促進氯乙烯降解。Yoshitomi等研究表明，土壤中的芘在植物根系分泌物的作用下，降解效果得到了有效改善；對微生物降解情況的研究發現，植物根系分泌物也有效增加了微生物對芘的降解率。通過競爭的方式減少有機污染物與土壤顆粒的結合點位，可以有效減少污染物在土壤中的殘留情況。植物根系釋放的分泌物有時就可以充當這種競爭的角色，有時還可以充當表面活性劑，有效緩解污染物在土壤中的溶解，從而提高污染物在土壤中的去除率。

1.3 根際微生物的降解

在植物修復土壤有機物污染的過程中，植物根部的污染物的降解效果最好，這與植物根際的微生物種類繁多且具有較高的活性有關。微生物的降解作用是有機污染物降解的主要方式，有機農藥的充分降解就是污染物本身被氧化生成二氧化碳和水的過程。有機農藥為微生物的新陳代謝和增值提供了豐富的營養物質和能源。這個過程主要是依靠微生物分泌的專一酶進行的，所以影響微生物活性的因素都會影響土壤中有機污染物的降解速率。土壤中生物降解的速度取決于4個變量，即：農藥及其代謝物的生物利用率、微生物的生理狀態、農藥降解菌在污染現場的生長和增殖及微生物的種群上限。Nichols等發現植物根際的微生物數量顯著增加，同時土壤中污染物的降解效率也顯著提高。張建等研究表明，酞酸酯類的降解主要是通過土壤中的微生物作用實現的。

在降解污染物的過程中，植物根際微生物的生物量和代謝能力都明顯優于植物的非根際，降解效果也明顯高于非根際，這主要是因為根系分泌物為根際區域的微生物提供了豐富的能量和營養物質。Reilley等研究結果表明，根際區域微生物數量的變化直接影響了多環芳烴的降解效率，數量增大，降解效率提高。

2 土壤污染植物修復的強化措施

2.1 接種AM真菌

菌根（Mycorrhiza或Mycorrhizae）是指真菌與植物根系形成的共生體。能夠侵染植物根系形成菌根的真菌叫菌根真菌（Mycorrhizal fungus）。形成菌根的植物被稱為菌根（Mycorrhizal plant）或寄主植物（Host plant），不能形成菌根的植物被稱作非菌根植物（non-mycorrhizal plant）或非寄主植物（non-host plant）。叢枝菌根真菌能夠與大部分陸生高等植物（＞80%）形成互惠共生體，是最普遍、最古老的植物促生菌之一。菌根侵染宿主植物后可以產生大量的外生菌絲，這些外生菌絲可以有效地改善植物根部周圍的土壤環境，幫助植物吸收更多的營養物質。大量的外生菌絲存在于土壤中，可以改善土壤質量，為植物生存提供更好的環境。

大量研究表明，接種AMF（叢枝菌根真菌）的植物對于外界的抵抗性都好于未接種的植物。孫鐵珩等進行了種植苜蓿（Medicago sativa）并接種真菌（Glomus caledonium）對土壤中PAHs的植物修復研究，結果表明接種真菌（Glomus caledonium）后修復效果明顯提高。劉世亮等研究表明， 苯并（a）芘B[a]P起始濃度為1mg/kg、10mg/kg和100mg/kg時，90d后在種植紫花苜蓿（Medicago sativa） 并接種菌根真菌（Glomus caledonium）土壤中B[a]P的降解率分別達86.2%、86.6%、57.0%，而不接種AMF的對照土壤中B[a]P降解率則為75.9%、77.7%、53.4%。Joner研究了叢枝菌根真菌Glomus mosseae BEG69接種的三葉草和黑麥草修復多環芳烴污染的土壤。16周后，接種后降解率為66%，高于未接菌（56%）。Joner和Leyval利用叢枝菌根修復不同濃度多環芳烴污染土壤，26周，接種菌根土壤中剩余濃度為222mg/kg，未接菌的為275mg/kg。

2.2 增施表面活性劑

有機污染物進入土壤后可與土壤的成分發生吸附或固定作用。水溶性的高低會影響植物對污染物的吸收累積和降解的作用。水溶性較低的污染物不易被植物吸收累積，達不到降解的目的，而疏水性的污染物則不易被植物和微生物利用，這就降低了污染物的降解效果。表面活性劑可以增加有機污染物的水溶性，通過向土壤中添加表面活性劑，可以提高植物和微生物對有機污染物的降解效果。不同的表面活性劑以及不同土壤類型對有機污染物的洗脫效果都會產生影響，除此之外污染物的性質也是不可忽略的因素。高士祥等研究了表面活性劑對土壤中污染物的洗脫效果影響時得出十二烷基本磺酸鈉溶液對土壤中苯酚、硝基苯的洗脫率分別達93.97%和78.74%。單一的表面活性劑增溶速率較低，而且容易受吸附和沉淀作用的影響，降低其增溶的效果，如果大量使用容易造成成本較高并會帶來污染。幾種表面活性劑的相互協同作用可以增加有機污染物的可溶性，這可有效改善單一表面活性劑的弊端。

2.3 轉基因植物

為了改善植物修復有機物污染土壤的能力，利用基因工程手段對植物進行改造，可以培育出對污染物有高效降解作用的植物。例如從細菌、真菌、動物中分離出能降解有機污染物的基因，將其轉化到目標植物中。轉基因植物因其具有更好的抗性和累積能力，能更好地修復污染土壤。利用轉基因植物修復污染土壤，已經逐漸受到各國科研人員的注意。

目前已有很多研究將基因轉接到植物中，2006年Rylott等在植物中導入降解環三甲基三硝胺（RDX）的基因，增強了植物對RDX的抗性，導入基因后植物的生長明顯優于野生植物。Kawahigashi等將三種基因（CYP1A1、CYP2B6、CYP2C19）同時導入水稻中，研究發現轉基因水稻對除草劑的降解效果明顯提升。Doty等證明：將攜帶細胞色素P4502E1的基因導入煙草中，這種轉基因煙草對二溴乙烷有顯著的去除效果，而且降解三氯乙烯的效率增加了640倍。Limura等人通過向植物中導入錳過氧化氫酶達到修復五氯苯酚的目的，取得了較好的效果。通過向植物轉入具有降解效果的功能性基因，可達到有效降解有機污染物的效果，這種將基因工程與植物修復相結合的手段，將是未來的發展方向，具有十分廣闊的發展前景。

3 增施二氧化碳強化植物修復的可行性分析

隨著世界經濟的迅猛發展，能源消耗量持續增長，二氧化碳的排放量逐年增加，如何降低這些二氧化碳的排放已經成為國內外研究關注的重點。二氧化碳作為植物光合作用的必須因子，植物的生長必然會對其濃度的升高產生積極響應，從而影響植物的地上地下生理過程，為強化土壤污染的植物修復提供可能，具體表現在以下幾個方面。

3.1 二氧化碳濃度升高對植物生物量的影響

植物的形態會隨著二氧化碳濃度的升高而發生一定的變化。汪杏芬等研究發現，植物根系的表面積對二氧化碳濃度的升高會作出積極的響應，但由于不同植物的結構不同，導致結果會存在一定的差異。一些植物如大豆等根莖比成倍增加，其結構發生變化主要是對二氧化碳濃度升高的響應，有利于植物在外界的脅迫下吸收更多的營養物質。不同類型的植物對二氧化碳濃度升高的表現存在差異，C3植物對二氧化碳濃度的響應比C4植物顯著。這是因為植物的種類存在差別，從而對二氧化碳濃度升高也會產生不同的響應：C3植物葉片厚度增加的效果明顯強于C4植物。王春乙等發現二氧化碳濃度升高對玉米等C4作物的株高影響并不顯著，而有研究表明在高濃度二氧化碳水平下，大豆等C3植物株高在不同生育時期都有較大增長。

此外，花的發育對二氧化碳的濃度變化也會產生一定響應。有研究發現，在二氧化碳濃度倍增至更高的情況下，大多數植物的開花數量、花的干重都有所增加。在高濃度二氧化碳下，植物細根的生長時序和空間分布會發生顯著的變化。Thomas等對輻射松（Pinus radiata）進行2年的CO2濃度升高處理后的研究發現，與正常情況相比，高濃度二氧化碳使得植物細根更早出現。同樣，在對黃松（Pinus ponderosa）近2年的研究中也發現，高濃度二氧化碳處理下，0.3m深處植物根的生長較早，而常態下的植物根生長明顯晚于處理過的。可見，高濃度二氧化碳會促進植物的根較早生長。

3.2 二氧化碳濃度升高對植物光合作用的影響

二氧化碳做為植物光合作用過程最重要的物質，其濃度升高將直接影響光合作用的變化。二氧化碳濃度升高使得C3植物的光合速率和凈光合生產力提高；C4植物則對CO2濃度升高未表現出十分顯著的變化。這是由于C4植物在正常大氣CO2濃度下所需的二氧化碳已經滿足了光合作用所需，所以C4植物對二氧化碳濃度升高的響應沒有C3植物明顯。CO2濃度升高可能增加了CO2占有Rubisco酶結合位點，抑制植物的呼吸作用，從而提高了植物的凈光合效率。王春乙等研究表明，CO2濃度增加使得C3作物比C4作物的光合速率增長得快，且C3植物的光合時間也比C4植物長，光補償點C3植物下降的也較為明顯。

Acock等指出，在較短時間內對暴露在高濃度CO2下的葉子的光合速率有提高作用，而時間過長就會對植物光合作用產生一定的抑制作用。Gunderson等也發現，長時間暴露在高濃度CO2下會抑制植物光合作用，并稱這種現象為對CO2的光合適應現象。植物光合作用因其的種類、生長環境及生長階段的不同，對高濃度CO2的響應也存在區別，除此之外，其他的環境因素也會產生相應的影響。

3.3 二氧化碳濃度升高對植物抗逆性的影響

植物的抗逆性可以使植物抵抗外界環境的不利因素，如抗寒性、抗旱性、抗鹽性等。抗氧化系統也是植物對逆境脅迫的一種防御機制，抗氧化能力受植物本身性質及周圍環境因素的影響。高濃度二氧化碳下云杉、火炬松和橡樹的超氧化物歧化酶（SOD）活性下降，而煙草和小麥未受影響，云杉和煙草的過氧化氫酶（CAT）活性下降，但桔樹、橡樹、松樹的CAT活性并未受到影響。Pritchard等的研究表明，增施CO2條件下兩種不同基因的植物的抗氧化酶、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽過氧化物酶活性都有所下降。

二氧化碳濃度升高能提高植物抗鹽的脅迫能力。NaCl會抑制冬小麥生長，而高濃度二氧化碳促進其生長；NaCl會降低植物葉片中葉綠素的含量，而二氧化碳濃度升高可促進其含量增加，這表明二氧化碳濃度升高可以增強植物的抗鹽性。

3.4 二氧化碳濃度升高對根際微生物的影響

土壤微生物對生態系統的影響受到碳源的限制，二氧化碳濃度升高將給植物根際微生物帶來豐富的營養物質，從而提高土壤中微生物的活性。大氣二氧化碳濃度的升高直接影響植物的光合作用和分泌物，從而影響土壤微生物可利用的物質達到影響土壤中微生物的效果。大氣二氧化碳濃度的升高對土壤微生物的生物量和微生物活性都產生或多或少的影響。

（1）大氣二氧化碳濃度升高對土壤微生物生物量的影響

土壤中的微生物生物量是分解動植物殘體和土壤中有機污染物的主要參與者，對土壤性質和植物的生長有著重大的影響，作為重要的生產者參與到整個生態系統的循環當中。Marilley等研究了高濃度CO2下土壤微生物生物量碳、氮以及微生物活性等發現，微生物活性明顯增高，生物量也增加。但也有一些研究表明二氧化碳濃度的升高不會對微生物生物量產生影響，甚至有的還得出了相反的結論，Barnard等研究認為CO2濃度升高并未對土壤中微生物的生物量氮產生一定的影響。這有可能與微生物的N源，生活環境等有關，這需要更進一步的研究。

土壤微生物中細菌占大部分，是土壤分解有機物的主要成員，并隨著二氧化碳濃度的升高細菌數量不斷增加，而真菌數量隨二氧化碳濃度的增加變化不明顯，可見二氧化碳對土壤中微生物的影響與種類有關。二氧化碳濃度的增加使有些微生物數量增加，有些不變，有些降低，這可能與微生物的呼吸方式、土壤的性質及微生物對營養物質的需求不同有關，更深層次的原因還需大量的實驗來探索。但總的來說，一般情況下的土壤微生物生物量隨著二氧化碳濃度的升高而增加。

（2）大氣二氧化碳濃度升高對土壤微生物活性的影響

大氣中的二氧化碳濃度升高，增加了植物可利用碳的量，大約一半的光合產物會通過植物轉移至地下，通過根系分泌物運送到土壤中，為根際微生物提供了更多可利用的物質，從而增加了微生物的活性。郭嘉等研究二氧化碳濃度對稻田中微生物的影響表明，二氧化碳濃度升高增加了土壤上層水體中碳源的量，為微生物提供了更多可利用的能源，增加了微生物的生物量和活性。在CO2濃度升高后，白櫟的細根數量和菌根有所增加，同時微生物活性也表現出增加的趨勢。但有些研究也表明微生物活性不變或下降，Schortemeyer等的研究表明，在大氣CO2濃度升高的條件下，胭脂櫟植物群落根際微生物活性（ FDA水解） 下降。這可能與不同的植物種類及生存環境的差異及研究的環境、微生物的種類等有關。

土壤的微生物活性很大程度上受植物輸入到土壤中的有機底物量的影響，不同的植物也會對土壤中的微生物活性產生不同的影響。

3.5 二氧化碳濃度升高對根系分泌物和酶的影響

植物根系在生長過程中會向土壤中分泌一些物質，這些物質通常具有某種特定的功能。Moorhead等人對阿拉斯加北部在高濃度CO2（680μmol·mol-1） 條件下生長3年的植物原生態系統做了研究，研究表明高濃度的二氧化碳增加了白毛羊胡子草（Eriophorum vaginatum）根的表面和樺木（Betulanana）的菌絲中磷酸酶的活性；并且菌根的外延菌絲中纖維素酶活性也表現出增加的趨勢，這些都能增加植物攝取所需物質的能力。相反，Cardon則沒有發現CO2濃度升高對裂稃燕麥（Avena barbata）和大麥狀雀麥（Bromus hordeaceus）兩種植物根系磷酸酶活性產生顯著的影響。土壤酶活性是土壤微生物活性的一個重要組成部分，其對環境的變化反應比較敏感。二氧化碳濃度的升高對土壤酶的數量和活性都有影響，不過研究結果并不一致，這可能與研究的環境和酶的種類有關系，但大氣二氧化碳濃度的升高使大多數酶數量增加、活性增強。Runion等通過分析土壤磷酸酶發現高濃度CO2條件下根際微生物的整體活性增加了16%。

綜上，大量實驗表明二氧化碳濃度的升高對多數根系分泌物和酶都有積極的作用，從而增強了土壤的活性和自我修復的能力。

4 展望

相對于其他污染土壤的修復技術，植物修復技術操作簡單、無二次污染，并且工程造價較低，但是到目前為止，大規模的實地應用還十分有限。通過上文的分析可以看出，CO2濃度升高影響了土壤有機污染修復的基礎和有機污染物降解的途徑，這為利用高濃度CO2強化土壤有機污染修復奠定了基礎。因此，綜上所述，雖然每種處理技術都具有優勢，但不可避免地具有局限性。如果將CO2捕集起來并利用其來強化植物修復，不僅可為碳減排提供一種新的思路，而且也可為強化植物修復探索一個新的方向。

目前，國內的植物修復技術的研究與應用尚處在起步階段，然而我國的土壤污染問題已十分嚴峻，一些地區的農業污染已經影響到農產品的質量安全，希望今后開展大量的研究使植物修復技術得到廣泛的應用。相信隨著研究的不斷拓展和深入，植物修復技術能夠在我國未來的土壤修復過程中發揮重要的作用。

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