土壤污染的植物修復及其強化技術專利文獻分析

于海躍，陳 成，郭一珂，張丹鳳，米 捷

（自然資源部信息中心，北京 100812）

土壤污染具有隱蔽性﹑滯后性﹑累積性﹑不均勻性和難可逆性等特點[1]，可造成土壤性質惡化﹑作物產量質量降低﹑危害人類和動物健康等問題，是目前我國亟須解決的生態環境問題之一。對于污染土壤的治理，目前常用的方法包括物理修復法（電動力學﹑浸出﹑電熱修復﹑玻璃化和凍土技術）﹑化學修復法（改良劑﹑螯合劑﹑抑制劑﹑沉淀劑），以及植物修復法等。與理化方法相比，植物修復因其經濟﹑安全﹑環境擾動小等特點而備受關注[2]。

專利信息能反映最新的科技發明﹑創造和設計情況，是重要的科技情報信息來源，通過深入分析專利文獻，可以對特定領域的技術發展做出趨勢預測[3]。為系統了解土壤污染的植物修復技術領域發展態勢，本文基于CNKI 專利數據庫對2003—2022年土壤污染植物修復技術專利文獻進行了統計分析，探討了植物修復技術的研究現狀﹑研究熱點和發展趨勢，為土壤污染植物修復技術的創新提供參考與借鑒。

1 植物修復技術

植物修復技術是通過在污染土壤中種植特定植物，利用植物的吸收﹑轉移﹑富集或降解作用降低污染物濃度的修復技術[4]，具有成本低﹑操作簡單﹑適應性強﹑綠色環保﹑不破壞土壤理化性質等特點，適合大面積污染土壤的修復。

已公開的植物修復技術專利中，約70%是對重金屬污染土壤的修復，主要是利用植物的提取作用，通過植物根系大量吸收土壤中的重金屬并將其輸送轉運至莖和葉等地上器官，最終收割地上部分以達到去除重金屬的目的；約20%是對有機物污染土壤的修復，主要是利用植物吸收﹑植物分泌物和酶的降解作用[5]以降解有機污染物，即植物釋放到根系土壤中的分泌物和酶可以直接降解特定的化合物，如環境中大多數苯系物（BTEX）化合物﹑有機氯化劑和短鏈脂肪族化合物均可通過植物直接吸收途徑去除[6]；其余10%是針對復合污染土壤進行修復。從發展情況看，植物修復技術專利大致經歷了從篩選修復植物品種到多物種綜合利用的過程。

1.1 修復植物品種的篩選

利用植物修復土壤污染，選擇合適的植物物種十分重要。修復植物本身需要對土壤中各種有害污染物具有較強的耐受性和抵抗性，同時需要具有較強的污染物吸收﹑降解和轉化能力。因此，初期的植物修復技術專利聚焦于篩選出富集系數和轉運系數符合標準的植物品種。針對點位超標率最高的無機污染物鎘，魏樹和等先后篩選出龍葵[7]﹑球果蔊菜[8]﹑孔雀草[9]﹑纓絨花[10]﹑全葉馬蘭[11]﹑蒲公英[12]﹑小白酒草[13]﹑狼把草[14]等多種對鎘有富集作用的植物品種。針對土壤有機污染物，張志能﹑程立娟等先后篩選出多種野生觀賞植物用于修復受石油污染的土壤，如牽牛花[15]﹑紫茉莉[16]﹑大濱菊[17]﹑馬藺[18]﹑野鳶尾[19]﹑婆婆納[20]和萱草[21]等。野生花卉具有管理粗放﹑見效快﹑不進入食物鏈﹑治理污染的同時美化環境等特點，易于推廣應用。此外，有研究發現東南景天[22]﹑水麻柳[23]﹑短萼灰葉[24]﹑蓖麻[25]和華中蹄蓋蕨[26]等植物品種對鉛有良好的富集作用。另外，還有專利公開了銅的超富集植物海州香薷[27]﹑鉻的超富集植物雙穗雀稗[28]﹑鈾的超富集植物美洲商陸[29]﹑多環芳烴的修復植物火鳳凰[30]和燈心草[31]﹑石油的修復植物韃靼濱藜[32]和鹽地堿蓬[33]等。這些專利篩選出了品種豐富的修復植物，為植物修復技術進一步發展奠定了基礎。

1.2 多物種間作與套種修復

在修復過程中，單一品種植物往往存在修復污染物種類受限﹑修復周期長﹑經濟價值低難以激發農民種植積極性，品種單一化易導致病蟲害等缺陷[34]，隨著植物修復技術的發展，通過間作﹑套種不同植物物種進行污染土壤修復的專利逐漸增多。

一類是通過不同種類超富集植物的組合，同時對多種污染物進行治理，從而擴大治理范圍﹑增加治理效果。如在污染土壤間作東南景天和海州香薷，通過東南景天根系對鎘﹑鋅﹑鉛的富集和海州香薷對銅的富集，修復鎘﹑鋅﹑鉛﹑銅復合重金屬污染[35]；通過套種鉆形紫菀與白苞蒿，對砷﹑鉛﹑鎘復合污染土壤進行治理和修復[36]。

另一類是將超富集植物與低累積型經濟作物進行間作，利用超富集植物將污染物富集到植物地上部分，同時種植對污染物具有低吸收能力的經濟作物，收獲符合標準的農產品，實現對污染土壤的邊修復邊生產，具有良好的環境效益﹑經濟效益和社會效益。例如，通過玉米套種紫花苜蓿或黑麥草[37]修復多環芳烴污染土壤，同時進行農業生產；通過魚腥草間作玉米[38]﹑空心菜間作草本植物[39]﹑鎘富集型八寶景天間作鎘低累積型經濟作物柑橘[40]﹑蔬菜間作蜈蚣草[41]﹑龍葵間作玉米[42]修復重金屬污染土壤，同時進行農業生產。在前人研究基礎上，遲光宇等構建了重金屬污染土壤低積累作物和超富集植物間作競爭產量模型與修復效率模型[43]，明確了間作植物的競爭關系，有助于間套作修復技術的示范和推廣。

1.3 功能植物群落立體修復

近年來，構建功能植物群落進行污染土壤修復的研究逐漸增多。通過種植對土壤污染物具有富集作用的喬木﹑灌木﹑藤類和草本植物，建成穩定的功能植物群落，使多種植物在空間和營養生態位上互補互利，增強植物對光﹑氣﹑熱﹑水﹑肥等資源的有效利用和對土壤污染物的吸收降解。例如，胡亞虎等通過種植喬木﹑灌木和草本植物，構建了喬灌草立體修復模式，修復受重金屬銅﹑鉛污染的鈣質土壤[44]。丁德馨等通過構建功能植物群落修復重金屬污染，選用對土壤中的鈾具有富集作用的喬木構樹﹑灌木枸骨和草本植物蘆葦﹑鳳尾蕨﹑異型莎草，構建成具有原位修復鈾污染土壤功能的穩定植物群落[45]；選用對土壤中的226Ra 具有富集作用的喬木鹽膚木﹑灌木大青和草本植物圓果雀稗﹑蕨﹑棒頭草，構建成具有原位修復226Ra 污染土壤功能的穩定植物群落[46]，修復效率顯著提高。王艷嬌等選擇喬木﹑灌木﹑藤類﹑草本植物在鉛鋅礦區污染土壤進行種植，形成喬木﹑灌木﹑藤類﹑草本一體的立體修復結構，修復污染土壤的深度可達數十米[47]。此外，還有研究選用對鈾具有富集作用的喬木竹柳﹑草本植物寬葉雀稗和博落回，按照復合三角排列構建植物群落小區，用以修復鈾污染土壤[48]。與采用單一植物物種修復土壤污染相比，功能植物群落修復法解決了植物種類結構單調﹑穩定性差﹑易退化﹑生態功能低等問題。

2 植物修復強化技術

盡管植物修復技術具有成本低﹑操作簡單﹑適應性強﹑綠色環保﹑不破壞土壤理化性質等優點，但在實際修復過程中也存在無法忽視的缺陷，即修復能力受植物生長情況影響大，生存率﹑生長速率﹑生長周期和生物量等均會影響對土壤污染物的吸收與降解效率。為突破這些限制，研究人員不斷改進植物修復方法，通過聯合使用其他修復技術，增加植物耐受性與生物量，或改變污染物生物有效性，從而強化植物修復的效果。

2.1 微生物強化修復技術

微生物強化修復技術是通過植物和微生物兩者之間的相互協作，增加植物耐受性與生物量，提高吸收﹑固定或分解污染物效率，以達到降低污染物濃度﹑減少其毒害的目的，具有操作簡單﹑處理量大﹑易于管理與操作等特點。目前已公開的植物修復技術專利中約有26%采用了微生物強化修復技術，選取的微生物主要有根際促生菌﹑菌根真菌和降解菌等。

2.1.1 根際促生菌

采用根際促生菌進行強化修復時，需先將植物的種子在微生物抗性細菌菌液中浸泡﹑包衣，再將種子種植于污染土壤中。植物根際促生細菌能夠溶磷﹑固氮﹑分泌植物生長激素，對植物的生長具有促進作用，同時對外部不利環境具有一定抗性，因此可增強植物對污染土壤的修復能力。目前，應用較廣的有根瘤菌屬﹑芽孢桿菌屬和假單胞菌屬等。例如，利用根瘤菌聯合紫花苜蓿修復焦化廢水污染土壤[49]﹑利用芽孢桿菌CP-3 聯合蘇丹草修復鉻污染土壤[50]﹑利用泡囊假單胞菌聯合煙草和香雪球修復土壤鎳污染[51]。微生物菌群的使用也非常廣泛，可集合多種菌優勢，提高植物修復效率，如利用乙酸鈣不動桿菌﹑熒光假單胞菌﹑巨大芽孢桿菌﹑嗜麥芽窄食單胞菌﹑短小芽孢桿菌和惡臭假單胞菌組成的復合菌劑聯合東南景天修復重金屬污染[52]。

2.1.2 菌根真菌

采用菌根真菌進行強化修復時，需將菌根真菌接種到植物根部，形成菌根真菌與植物的互惠共生關系。例如，利用叢枝菌根真菌聯合蜈蚣草修復砷污染土壤[53]，聯合蘇丹草﹑苜蓿草﹑玉米﹑高粱等速生植物修復有機磷農藥污染土壤[54]。叢枝菌根真菌作為異養微生物，為寄主植物提供無機營養以交換有機營養，提高植物生長速度和增大植物生物量，進而提高了植物對污染物的富集效果。所使用的叢枝菌根真菌主要包括蘇格蘭球囊霉﹑蜜色無梗囊霉﹑摩西球囊霉﹑根內球囊霉和地表球囊霉等。

2.1.3 降解菌

采用降解菌進行強化修復時，需先在污染土壤中接種降解菌，再種植修復植物，植物的生長對降解菌起到激活和強化作用，降解菌得到的有機質可以作為植物肥料，促進植物生長。已公開專利中，降解菌多用來強化修復土壤有機污染，例如，利用PCP 降解菌聯合堿蓬修復五氯酚污染土壤[55]，利用石油烴降解菌聯合紫花苜蓿和羊草[56]﹑三葉草和玉米[57]﹑堿茅[58]﹑鳳仙花[59]修復石油污染土壤，利用降解菌聯合孔雀草或紫茉莉修復鎘及土霉素復合污染土壤[60]。加入微生物菌劑使得污染物降解速度和降解率都得到了提高，尤其是對石油烴類污染物具有較好的修復效果。

2.2 化學強化修復技術

植物修復土壤污染物的效果與污染物的生物可利用性密切相關，通過化學強化方法可有效提高土壤污染物的生物可利用性，從而提高植物修復效率。在已公開的植物修復專利中，使用較多的有螯合劑和表面活性劑。

2.2.1 螯合劑

施加螯合劑可提高植物修復土壤重金屬污染能力。已公開專利多使用人工合成螯合劑乙二胺四乙酸（EDTA）進行強化修復，例如，聯合球果蔊菜[61]和紫花茉莉[62]修復鎘污染土壤，聯合商陸修復重金屬Mn﹑Pb﹑Cr﹑Zn 污染土壤[63]，聯合剛竹修復銅污染土壤[64]。此外，還有使用天然螯合劑乙二胺二琥珀酸（EDDS）聯合翠菊修復鉛污染土壤[65]，聯合使用低分子有機酸類綠色螯合劑強化喬木修復旱區堿性鉛污染土壤[66]和強化黑麥草修復鎘污染土壤[67]。從修復效果看，螯合劑的活化誘導作用確實提高了重金屬的生物有效性，能夠促進植物進行吸收富集，從而加速了重金屬污染土壤植物修復速率。其中，人工合成氨基多羧酸類螯合劑強化植物修復效果好，但存在造成二次污染的風險；天然氨基多羧酸類螯合劑和低分子有機酸基本不會產生環境風險，但對植物修復強化效果較低。

2.2.2 表面活性劑

為避免外源化學試劑對土壤的二次污染，在聯合修復有機污染時多采用易降解的表面活性劑為增效試劑。例如，用非離子表面活性劑聚氧乙烯（20）失水山梨醇單油酸酯或月桂醇聚氧乙烯（23）醚溶液聯合植物修復多環芳烴污染土壤[68]，用表面活性劑曲拉通X-100（Triton X-100）聯合植物修復滴滴涕污染土壤[69]和菲污染土壤[70]，用陰-非混合表面活性劑強化黑麥草修復多環芳烴污染農田土壤[71]，均可促進土壤中吸附態有機污染物釋放，提高其生物活性，從而提高植物修復效率。

隨著修復技術的發展，更為綠色環保的生物表面活性劑開始得到使用和推廣，可進一步避免化學強化劑易殘留﹑難降解﹑生物毒性等弊端。例如，用生物表面活性劑鼠李糖脂聯合紫花苜蓿和羊草修復鹽堿地石油污染土壤[72]﹑聯合植物修復多環芳烴污染土壤[73]﹑聯合植物修復礦區重金屬污染土壤[74]。生物表面活性劑具有增溶﹑增流效果，提高了土壤中有效態的石油烴﹑多環芳烴和重金屬含量，生物可利用率和降解速率得到有效增強，對植物修復有明顯強化效果。

2.3 生物炭強化修復技術

生物炭是在無氧或限氧條件下通過生物質熱解獲得的碳化產物，具有較大的孔隙度和比表面積，并含有豐富的羧基﹑酚羥基﹑酸酐等官能團[75]，在強化植物修復中使用非常廣泛，已公開專利中約有16%采用了生物炭。選取的生產原料主要有小麥秸稈[76]﹑稻草[77]﹑木屑[78]等農林業廢物，禽畜糞便[79]等家畜廢物，以及污泥[80]﹑餐廚垃圾等[81]市政廢物。在強化植物修復土壤污染時，生物炭可有效吸附土壤中的重金屬和有機污染物，降低重金屬在土壤中的遷移性和生物有效性，減少有機污染物的揮發；同時，改善土壤有機質含量﹑持水量和土壤結構，有助于修復植物的生長。

近年來，制備改性生物炭強化植物修復的專利不斷增多。例如，通過紫外輻射[82]進行物理改性，通過添加硫酸和鹽酸[83]﹑含鐵鹽[84]﹑鼠李糖脂[85]等進行化學改性，有效增強了生物炭的吸附作用，提高了土壤污染修復效率。

2.4 基因工程強化修復技術

隨著基因工程技術的發展，從分子水平上利用關鍵基因提高植物修復能力正在成為新的探索領域[86]。張媛媛等將可增強植物有機污染修復效率的外源基因和可提高植物金屬耐受力與積累量的外源基因引入植物，構建出對重金屬－有機物復合污染有較好修復作用的轉基因植物[87]。曹樹青等利用T-DNA 插入突變技術增強植物中的特定基因，使植物對鎘的耐受性和鎘轉運效率得到提高[88]。盧宏瑋等通過構建植物轉化載體﹑植物遺傳轉化等步驟獲得了對鉛﹑鎘等不同重金屬有超積累特性和抗性的轉基因植物[89]。盡管基因工程技術在植物修復中的應用潛力很大，但其面臨的科研難度和生態安全風險也不容忽視。

2.5 動物強化修復技術

除了上述聯合強化技術外，還有專利利用蚯蚓[90]﹑田鼠[91]﹑原尾蟲[92]﹑紅線蟲和泥鰍[93]等動物來強化植物修復效果。主要是通過食物鏈的逐級傳遞作用來吸收﹑降解或轉移污染物，從而達到降低土壤污染物濃度的目的。其中，蚯蚓是使用率最高的修復動物，不僅可以通過物理活動提高土壤通氣性﹑改變土壤養分的可利用性﹑改善植物生長和營養狀況，還可以通過自身分泌物質提高植物抗性，從而提升修復效率。目前，動物強化修復方法在實際使用過程中受限制較多，一旦污染濃度超出耐受范圍就會引起修復動物逃逸甚至死亡[94]，達不到預期修復效果。此外，修復動物的有效回收也是待解決的問題。

3 總結

通過對我國植物修復土壤污染相關專利的分析可以得出以下結論。

（1）植物修復對象以重金屬污染物為主，其次為有機污染物。重金屬污染物中，修復鎘污染的頻次最高，其次是鉛污染，重金屬復合污染也是修復重點。有機污染物中，修復石油烴和多環芳烴污染占大多數，還有少量修復多氯聯苯類污染物。

（2）植物修復技術不斷發展完善。初期，研究聚焦于篩選出富集系數和轉運系數符合標準的植物品種。之后，從單一物種修復發展為多物種間作或套種修復，一類是通過不同種類超富集植物的組合，同時對多種污染物進行富集，從而擴大治理范圍，增加治理效果；另一類是將超富集植物與低累積型經濟作物進行間作，實現對污染土壤的邊修復邊生產，在提高修復效率同時增加了經濟效益。近年來，學者開始研究通過種植對土壤污染物具有富集作用的喬木﹑灌木﹑藤類和草本植物，構建功能植物群落對污染土壤進行立體修復，從而增強植物對資源的有效利用和對土壤污染物的吸收降解。

（3）植物修復方法從單一向聯合強化發展。為克服植物修復的固有缺陷，研究人員不斷改進植物修復方法，通過聯合使用其他修復技術增加植物耐受性與生物量，或改變污染物生物有效性，從而強化植物修復的效果。主要包括:利用根際促生菌﹑菌根真菌和降解菌等微生物改善根際微環境，促進植物生長﹑增強植物抗性；利用表面活性劑和螯合劑等化合物提高土壤污染物的生物可利用性；利用生物炭有效吸附土壤中的重金屬和有機污染物，降低污染物濃度；利用基因工程技術從分子水平上通過關鍵基因提高植物修復能力；利用蚯蚓﹑紅線蟲等動物的食物鏈傳遞作用來吸收﹑降解或轉移污染物等。

4 展望

基于植物修復土壤污染專利技術的發展現狀，在后續研究中需要注意以下問題。

（1）多數植物修復專利處于試驗研究階段，是在實驗條件下進行的模擬修復，面對受污染土壤類型多樣﹑污染程度差異大﹑區域氣候環境條件異質性強﹑單一污染與復合污染并存的現狀[95]，應進一步推進大規模野外應用的檢驗，將已有技術成果應用到實際修復工程中。

（2）目前大多數專利對植物修復效果評價手段較為單一，主要是通過檢測污染元素濃度的變化和形態的改變界定植物修復效果[96]，后續需要加強研究表征土壤整體質量特征的修復效果評價指標。

（3）現有植物修復專利多是將植物的地上部分收割后進行回收，但對修復植物后續處理工藝尚不夠成熟，通常將其一燒了之，可能使污染元素再次暴露于環境中。因此，需要研制更為環保安全的處置技術，降低植物修復二次污染隱患，同時，最大程度實現修復植物的資源化利用。