多环芳烃（PAHs）植物修复领域的最新进展与研究趋势：综述

《Applied Soil Ecology》：Recent advances and research trends in phytoremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs): A critical review

本文通过Web of Science数据库对1083篇关于PAHs植物修复的文献进行计量学分析，揭示研究热点为植物-微生物互作、复合污染物协同管理及生物可利用性提升。发现中国、美国、印度是主要贡献国，合作网络显示中美印为核心枢纽。研究趋势显示微生物辅助修复和根际动态是重点方向，与SDGs 3、13、15深度关联。植物家族以Poaceae和Fabaceae为主，新型技术如生物炭、纳米材料、CRISPR/Cas9及AI/ML显著提升降解效率。最后提出整合生物质回收与可再生能源的循环经济模式，为PAHs污染治理提供可持续方案。

　　在当今工业化不断发展的背景下，环境污染物已经成为全球性的重要问题，严重威胁着空气、水体和土壤的质量。其中，多环芳烃（PAHs）作为一种常见的有机污染物，因其对生态和人类健康的危害性而备受关注。PAHs的毒性、致突变性和致癌性使其成为环境治理中亟需解决的问题。由于其疏水性，PAHs可以通过消化道吸收并蓄积在哺乳动物的脂肪组织中，进而对健康造成潜在影响。面对这一挑战，研究者们积极探索各种治理技术，而植物修复技术（Phytoremediation）因其安全性、可持续性和成本效益，逐渐成为一种备受推崇的解决方案。

植物修复技术依赖于植物与土壤原生微生物之间的协同作用，以促进PAHs在污染土壤和水体中的自然降解。该技术涵盖了多种策略，如植物提取（Phytoextraction）、植物稳定化（Phytostabilization）、植物降解（Phytodegradation）和根际降解（Rhizodegradation）。近年来，随着技术的不断进步，研究者们开始关注植物修复与其他新兴技术的结合，例如生物炭（Biochar）改良、纳米材料辅助、水培系统、转基因植物以及组学技术（Omics）等，这些技术显著提高了PAHs的降解效率和修复效果。此外，人工智能（AI）、遥感技术和生物质资源化（Biomass Valorization）等现代技术也正在被引入植物修复领域，以实现更精确的监测和更高效的资源利用。

### 研究趋势与文献计量分析

通过对Web of Science（WoS）数据库中1083篇相关文献的全面分析，可以发现植物修复PAHs的研究呈现出明显的增长趋势。特别是在2019年，研究输出达到了高峰，共有76篇文章发表。这一趋势表明，学术界对植物修复技术的关注度正在不断提升。从研究主题来看，植物修复技术的广泛应用和微生物辅助修复（Microbe-assisted Phytoremediation）构成了当前研究的核心领域。此外，植物与微生物协同作用的潜力也得到了越来越多的关注，这为提高污染治理效率提供了新的思路。

文献计量分析揭示了植物修复技术在全球范围内的研究分布。中国、美国和印度是这一领域的主要贡献者，分别占据了总论文的35.4%、8.6%和5.4%。这一现象反映了这些国家在环境治理方面的高度重视和持续投入。在国际合作方面，中国与美国、巴基斯坦和澳大利亚之间建立了较强的科研联系，而美国则与英国、德国和加拿大等国家展开了广泛的合作。印度在与丹麦、德国、韩国和马来西亚的科研合作中表现出显著的参与度。这些国际合作不仅促进了知识的共享，还推动了植物修复技术的全球化发展。

从关键词的发展趋势来看，植物修复技术的研究方向正在发生深刻变化。随着对植物-微生物-污染物相互作用的深入理解，研究者们越来越关注如何通过增强植物的修复能力来实现更高效的污染治理。例如，植物吸收和转化污染物的机制、微生物在植物修复中的作用以及如何通过基因工程提高植物的修复性能，都是当前研究的热点。同时，植物修复技术的推广也与联合国可持续发展目标（SDGs）密切相关，特别是SDGs 3（良好健康与福祉）、SDGs 13（气候行动）和SDGs 15（陆地生态系统的可持续利用）。

### 植物修复技术的机制

植物修复技术的核心在于植物如何吸收、转化和稳定污染物。PAHs可以通过两种主要的途径进入植物体内：细胞壁途径（Apoplast）和共质体途径（Symplast）。这些污染物最终会通过木质部（Xylem）分布到植物的各个部位。在植物体内，PAHs会经历三个主要的生物化学过程：转化、共轭和区隔化。转化阶段涉及通过氧化、还原或水解反应引入极性官能团，如羟基、羧基和氨基，从而增加污染物的亲水性，便于进一步的降解。共轭阶段则是通过与内源性化合物（如氨基酸、糖类和谷胱甘肽）形成共价键，将污染物转化为更易储存的形态。区隔化阶段则通过将共轭产物从细胞质运输到液泡，实现污染物的长期储存或进一步降解。

植物修复技术的效率受到多种因素的影响，包括植物种类、土壤特性、污染物的理化性质以及微生物活动等。研究发现，某些植物家族，如禾本科（Poaceae）和豆科（Fabaceae），在PAHs修复中表现出较高的效率。禾本科植物通常具有快速生长、纤维状根系、高生物量和对贫瘠或污染土壤的耐受性，使其成为修复污染环境的理想选择。豆科植物则因其固氮能力、促进有益微生物群落的形成以及深根系的特性，在修复深层污染区域方面具有显著优势。此外，一些研究还表明，某些植物，如紫花苜蓿（*Medicago sativa*）和玉米（*Zea mays*），在与微生物协同作用的情况下，能够实现高达98%的苯并[a]芘（BAP）降解效率。

### 近年来的技术进步

近年来，植物修复技术在多个方面取得了显著进展。其中，生物炭的应用受到了广泛关注。生物炭因其高比表面积和多孔结构，能够有效吸附PAHs，从而降低其生物可利用性和迁移性。此外，生物炭还能改善土壤健康，提高植物的生长能力和微生物活性，从而增强植物修复的效率。一些研究还表明，生物炭的加入能够显著提高污染物的降解效率，例如在含有生物炭的植物-微生物系统中，苯并[a]芘的降解率可达到91.67%。

水培系统作为一种新兴的植物修复方法，也展现出了巨大的潜力。与传统土壤修复相比，水培系统能够提供更均匀的水溶液，使植物根系直接接触污染物，从而提高污染物的吸收效率。此外，水培系统还能促进植物的快速生长，为污染物的去除提供更高效的方法。然而，水培系统的应用也面临一些挑战，如成本较高、技术要求复杂以及某些高分子量PAHs在水中的溶解性较差等。

纳米材料的引入为植物修复技术带来了新的突破。纳米材料能够增强植物的耐受性和降解能力，通过提高抗氧化酶的活性，如超氧化物歧化酶（SOD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX），来保护植物免受污染物的毒性影响。此外，纳米材料还能促进植物对关键营养元素（如铁和锌）的吸收，提高植物的生长速度和修复效率。然而，纳米材料的使用也伴随着一定的风险，如可能对环境造成二次污染、引发微生物群落的结构变化以及在土壤中的持久性问题。因此，纳米材料的应用需要谨慎评估，并结合严格的监管措施。

基因工程技术的进步也为植物修复提供了新的可能性。通过基因编辑技术，如CRISPR-Cas9，可以对植物进行改造，使其能够更有效地吸收和降解PAHs。一些研究已经成功将降解PAHs的基因导入植物基因组，如通过过表达OsNRT2.3b基因提高水稻对苯并芘的吸收能力。这些转基因植物不仅能够提高污染物的去除效率，还能通过生物质回收产生额外的经济收益。然而，基因编辑植物的推广仍面临一定的挑战，包括公众接受度、法规限制以及技术复杂性等问题。

### 植物修复与可持续发展目标的契合

植物修复技术不仅在环境治理中发挥了重要作用，还与多个联合国可持续发展目标（SDGs）密切相关。特别是SDGs 3（良好健康与福祉）、SDGs 13（气候行动）和SDGs 15（陆地生态系统的可持续利用）等，植物修复技术在这些目标的实现中具有重要意义。通过植物修复技术，可以有效减少PAHs对人类健康的危害，同时减少土壤污染对生态系统的影响。此外，植物修复技术还能通过生物质回收促进可再生能源的生产，如生物燃料和生物柴油，从而支持SDGs 7（经济适用的清洁能源）和SDGs 9（产业创新和基础设施）。

在某些研究中，植物修复技术还被用于提高土壤的理化性质，如通过生物炭和纳米材料的使用，改善土壤的肥力和水分保持能力。这不仅有助于植物的生长，还能提高土壤微生物的活性，从而增强污染物的降解能力。同时，植物修复技术还能通过根系分泌物（Root Exudates）促进微生物群落的形成，进一步提高污染物的去除效率。

### 未来发展方向

植物修复技术的未来发展将依赖于多学科的交叉融合。首先，需要加强对植物-微生物-污染物相互作用的深入研究，以优化修复策略。其次，应进一步探索生物炭、纳米材料、基因工程和水培系统等新兴技术在植物修复中的应用，提高修复效率。此外，植物修复技术还需要与遥感、人工智能（AI）和机器学习（ML）等现代技术相结合，实现对污染区域的精准监测和高效治理。最后，通过生物质资源化，如将植物修复过程中积累的污染物转化为可再生能源，可以实现环境修复与经济发展的双赢。

植物修复技术的推广和应用需要克服多个挑战，包括技术成本、社会接受度和法规限制等。然而，随着技术的不断进步和政策的逐步完善，植物修复有望成为一种更加高效、可持续和经济的污染治理手段。通过整合植物修复技术与生物质资源化策略，不仅可以提高污染治理的效率，还能为可持续发展提供新的思路和解决方案。