植物萃取：环境去污新方法
Claude Grison
法国BioInspir化学与生态创新公司实验室主管
采矿和冶金带来了严重的土壤退化，污染水域等生态系统。如何才能限制污染的扩散?研究人员在探索新的土壤修复方案时发现，“植物萃取”可以起到净化土壤的作用。那么，什么是“植物萃取”？哪些植物具有这种能力？植物萃取有哪些优势和短板？
采矿和冶金活动导致土壤严重退化和侵蚀，导致周遭环境寸草不生。
植物萃取法有助于生态系统的恢复：某些植物可以从土壤中吸收金属元素，并储存在叶片中。
法国环保企业BioInspir开发的植物萃取除污技术价格低廉，有利于促进循环经济，通过生态修复的方式恢复土壤健康。
然而，植物萃取技术在所需时间以及植物本身的净化能力上存在一定的局限性。
在水资源的净化上，BioInspir也开发了类似的做法，即使用水生植物进行根茎过滤。
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您主要从事“去污染”的相关研究，能否简要介绍一下这方面的工作？
我们正在利用能够吸收金属元素的植物来恢复陆地和水生生态系统。采矿和冶金带来了严重的土壤退化，导致周遭环境寸土不生。这些裸露的土壤遭遇严重侵蚀，满载金属元素的灰尘四处飘扬，污染水域等生态系统。生态系统的恢复不仅需要净化环境，更要不断引入合适的植物，才能限制污染的扩散。
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您说的植物有哪些？
我们研究了几种能够耐受和超量累积金属元素的陆生植物，其中包括臭草（Noccaea caerulescens）、疗伤绒毛花（Anthyllis vulneraria），以及新喀里多尼亚的Geissois pruinosa和梅氏网纹铁线莲（Grevillea meisneri）等树木。它们的生长机制蕴含了天然的植物萃取过程：首先，它们会通过根部从土壤中提取金属元素，经过树液的运输后，以非常高的浓度存储于叶片之中。在法国加尔，常见的豚草可以储存超过17,000 ppm的锌。我们估算显示，如果植物覆盖率达到70%，则每次收割豚草时，或可从每公顷土地中提取27公斤的锌[1]。在新喀里多尼亚，收割一棵Grevillea meisneri树可以带来2.5公斤的生物质，其中的锰含量超过10,000 ppm[2]。
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这些大量的金属存储能为植物带来怎样的生态效益？
我们仍在寻找这一问题的答案。就臭草而言，在正常的生态环境中，它的竞争力并没有那么强，因此很快就会被周围的植物夺走生存空间。但在被污染的环境中，它是唯一能够存活的植物。此外，它通常会以释放硫代葡萄糖苷（简称硫苷）这一有毒化合物的方式来抵御食草动物。当它富含锌元素时，会自动减少硫苷的生产，从而间接保护自己免受食草动物的侵害[3]。
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我们为什么要探索新的土壤修复方案？
因为现有解决方案仍旧差强人意。有些土壤修复方案使用特殊材料覆盖土壤来限制污染物的扩散。然而，含有污染物的水仍然会向下渗透，污染地下水。此外，还有一种解决方案成本十分高昂：挖掘被污染的土壤，并将其送往工厂进行化学处理，但用于提取金属的去污剂也是污染物...
图片来源：PI France
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为什么这种基于植物的土壤净化方式更加令人满意？
植物萃取法成效显著，且价格低廉，它能以一种生态修复的方式恢复土壤健康，适用于大自然的长期发展。最重要的是，它创造了一个零废弃物的循环经济。以新喀里多尼亚为例，那些从树木中回收的锰或镍会被转化为矿物质，进而被用作 “生态催化剂”。它们取代了传统意义上用于合成药物的催化剂，而很多合成药物都在面临欧盟REACH法规的合规问题[4]。我们研究的初衷，是以一种负责任的方式来利用这些植物，这也是确保可持续生态修复的唯一方法。
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基于植物萃取法的土壤净化是否存在局限性？
如果我们是以土壤净化为目标，那这一过程可能需要很长时间。法国环境与能源管理署（ADEME）的预估显示，加尔地区倾析盆地的污染物如果靠植物萃取，至少需要50年。此外，我们无法开发出适用所有地区的植物萃取净化方案：植物的选择必须因地制宜。比如，来自新喀里多尼亚的高积累性植物在法国大陆就不适用。在美国俄勒冈州，曾有源自欧洲的植物变成了入侵物种，带来了灾难性后果。最后，植物本身的金属吸收能力也存在一定的局限性。许多物种能够积累镍、锌或锰，但对砷、钴或铜等金属的吸收能力有限，甚至无法吸收。
这些限制促使我们开发了一种全新的水资源去污过程。水资源对人类至关重要，却因人类活动而遭遇诸多污染。
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您能否为我们详细介绍一下净水新技术？
我们的净水新技术基于植物的根茎过滤和生物吸附技术，挑选了能够在其根部封存金属元素的水生植物。它们的分子触角能够有效捕获稀释在水中的营养物质......也可以捕获金属污染物。
我们所取得的一项瞩目成就，是使用已经死亡的植物进行净水处理。这些死去的植物仍有去污染的能力，因此可以规模化应用。比如，植物根部可以碾成粉末，放置于用于水循环的容器中。在此过程中，金属会被植物粉末封存起来。事实证明，这些植物过滤器在处理法国的采矿污水方面具备良好性能，能够过滤掉水中的锌、铁和砷等污染元素。该过程也可被用于化工行业，以处理反应器排出的污水。当前，我们正在试验十氯酮等有机物的处理，结果证明，这一方法切实可行[5]。
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水净化是否会成为循环经济的一个环节？
当然！这些累积了金属元素的植物过滤器可以用于生产生态催化剂。而且，水生植物能够捕获某些稀土元素或有价值的元素，如钯。当前，俄罗斯是钯元素最大的生产国。而钯作为一种战略资源，被广泛应用于电子、汽车、制药等多个行业中，其回收已成为各国的优先发展事项。在这一点上，植物过滤器可以扮演重要角色[6]。BioInspir生产的芳香剂和溶剂都基于100%的生物基分子，被广泛用于化妆品、香水和精细化学品中。而它们所使用的生态催化剂也都不含任何人工化学成分。生态催化能让我们以一个全新的视角去重新审视化学工业，将其对环境的影响最小化[7]。
我们甚至将这种良性循环进一步延伸到了其他领域......外来入侵物种是威胁生物多样性的一大主要因素，而我们也广泛研究了这些外来入侵物种，如日本虎杖、水龙、大薸等。我们在奥克西坦尼亚的湿地中收割了大量的上述植物，并将其用于植物过滤器中。这一做法能辅助有关部门对外来物种的管理，并遏制这些危险物种的扩散。
作者
Isabelle Dumé
编辑
Meister Xia
1．The leguminous species Anthyllis vulneraria as a Zn-hyperaccumulator and eco-Zn catalyst resources, Environ. Sci. Pollut. Res. 2015, 22, 5667–5676, C. M. Grison, M.Mazel, A. Sellini, V. Escande, J. Biton, C. Grison
2．Leaf-age effect: a key factor to report trace-elements hyperaccumulation by plants and design applications, Environ. Sci. Pollut. Res. 2015, 22, 5620–5632, G. Losfeld, B. Fogliani, L. L’Huillier, C. Grison
3．Identification of glucosinolates in seeds of three Brassicaceae species known to hyperaccumulate heavy metals, Chemistry and Biodiversity, 2017, Volume 14, Issue 3, e1600311, S. Montaut, B. S. Guido, C. Grison, P. Rollin
4．Eco-CaMnOx: A Greener Generation of Ecocatalysts for Eco-friendly Oxidation Processes, ACS Sustainable Chem. Eng., 2019, 8, 10, 4044–4057, doi: org/10.1021/acssuschemeng.9b05444, C. Bihanic, S. Diliberto, F. Pelissier, E. Petit, C. Boulanger, C. Grison
5．Efficient removal of persistent and emerging organic pollutants by biosorption using abundant biomass wastes, Chemosphere, 2023, 213, 137307, P.-A. Deyris, F., Pelissier„ C. M.Grison, P. Hesemann, E. Petit, C. Grison
6．Ecologically responsible and efficient recycling of Pd from aqueous effluents using biosorption on biomass feedstock, J. Clean. Prod., 2021, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126895, A. Garcia, P.-Al. Deyris, P. Adler, F. Pelissier, T. Dumas, Y.-M. Legrand, C. Grison
7．Ecocatalysis, a new vision of Green and Sustainable Chemistry, Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, 2021, 29, 100461. C. Grison, Y. Lock Toy Ki.
