重金屬污染土壤植物修復技術研究進展

白彥真，謝英荷，張小紅

（山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷030801）

生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是人類及一切陸生動植物賴以生存發(fā)展的物質(zhì)基礎之一。土壤系統(tǒng)自身具有污染的自凈能力，然而，這種自凈能力是有一定限度的。一旦進入系統(tǒng)的污染物總量超過了系統(tǒng)本身的耐受度，會導致土壤污染。而土壤污染具有隱蔽性、潛伏性、不可逆性、長期性以及后果嚴重性等特點[1-2]。

我國擁有占世界1/5 的人口，卻只有占世界7%的耕地。隨著城市化和工業(yè)化的加速，我國的耕地面積迅速銳減，同時，土地資源的生態(tài)環(huán)境還面臨著不斷惡化的威脅。據(jù)估計，目前，我國受污染的耕地面積已達2 000 萬hm2，每年產(chǎn)出受重金屬污染的糧食約1 200 萬t，造成的經(jīng)濟損失超過25 億美元。如不及時采取科學有效的防治措施，我國的受污染耕地面積將會進一步擴大，生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性將處于極其危險的境地[3-5]。

為緩解土壤重金屬污染問題，國內(nèi)外專家曾采用非毒性改良劑法、深耕法、排土法和客土法以及化學沖洗等方法，但由于這些方法自身的局限性，都未能達到理想的治理效果。近年來，重金屬污染土壤的植物修復技術正在興起。植物修復技術是利用特定的植物將重金屬吸收、轉(zhuǎn)化、降解、富集、轉(zhuǎn)移，進而恢復土壤系統(tǒng)正常生態(tài)功能的過程，是實現(xiàn)環(huán)境凈化、生態(tài)效應恢復的有效措施，是重金屬污染土壤的環(huán)境友好型治理技術[6]。與傳統(tǒng)的物理和化學方法相比，植物修復技術具有成本低、來源廣、無二次污染的特點，尤其適用于土壤中低濃度重金屬的去除。其中，應用較為廣泛、治理效果顯著的是植物修復、植物和微生物聯(lián)合修復[7]。

1 植物修復

植物對土壤重金屬污染的修復包括植物提取、植物揮發(fā)、根系鈍化以及植物固定。其內(nèi)在機理可能包括回避、吸收排出、細胞壁防御、重金屬胞內(nèi)區(qū)域化、重金屬與各種有機酸絡合、酶適應、滲透調(diào)節(jié)等機制[8]。

1.1 植物提取

植物提取即利用重金屬超積累植物從土壤中吸取一種或幾種重金屬，并將其轉(zhuǎn)移貯存到地上部分，隨后收割地上部分并集中處理。連續(xù)種植這類植物，可使土壤中重金屬含量降低到可接受水平。研究發(fā)現(xiàn)，有700 多種超積累重金屬植物，一般對Cr，Co，Ni，Cu，Pb 的積累量在1 000 mg/kg以上，Mn，Zn 可達10 000 mg/kg 以上。遏藍菜屬是一種已被鑒定的Zn 和Cd 超積累植物。Baker 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，土壤Zn 含量達444 mg/kg 時，遏藍菜地上部的Zn 含量可達到土壤的16 倍；蜈蚣草能夠?qū)⑼寥乐械腁s 吸收并轉(zhuǎn)運到地上組織中，地上部分的As 含量達到植物干質(zhì)量的2.3%[10]；粉葉蕨、大葉井口邊草、長葉甘草蕨以及狹眼鳳尾蕨和琉球鳳尾蕨等對土壤As 也有較強的富集作用。魚腥草、大花月見草、西芹、黑麥草、早熟禾、黃心烏、曼陀羅、羽衣甘藍等對土壤Cd 有較強的富集作用[11]。有研究表明[12]，李氏禾能夠?qū)⒂倌嗪退w中的Ni 轉(zhuǎn)運到葉和莖，葉中Ni 最高含量達到1 349 mg/kg，葉中Ni 含量分別是水體和淤泥中Ni 含量的4 152 倍和1 882 倍。目前，國內(nèi)外報道的Pb，Zn 超富集植物和富集植物不多，只有雙穗雀稗、土荊芥和東南景天等，且絕大部分是在采礦區(qū)和冶煉廠附近發(fā)現(xiàn)[13]。也有學者發(fā)現(xiàn)，紅葉莧、綠葉莧對土壤Pb 有較強的富集作用[14]。

1.2 植物揮發(fā)

植物氣化是利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)使土壤中的重金屬轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)態(tài)，或者植物將土壤中的重金屬吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中，從而凈化土壤。目前，對該方法研究較多的是Hg 和Se。自然界Se 的單質(zhì)態(tài)占75%，揮發(fā)態(tài)占20%～25%，濕地上的某些植物通過ATP 硫化酶的作用，將土壤中的揮發(fā)態(tài)Se 還原為CH3SeCH3，由此達到消除土壤揮發(fā)Se 的目的。有研究表明，把細菌中的Hg 還原酶基因?qū)虢孀涌浦参?，獲得耐Hg 轉(zhuǎn)基因植物[15]。植物氣化技術應用于修復重金屬污染土壤，能有效去除土壤中的重金屬，但同時使重金屬揮發(fā)到環(huán)境中，可能會造成二次污染。因此，在采用植物氣化技術時應持謹慎態(tài)度[16]。

1.3 植物根系鈍化以及植物固定

植物根系鈍化是指植物根系分泌有機酸、氨基酸、多肽等與重金屬離子結合，降低重金屬的移動性和生物可利用性，減小重金屬被淋溶到地下水或通過空氣擴散進一步污染環(huán)境的風險，并減輕對植物的毒害作用。有報道表明，藜、新麥草可以固定土壤中的Pb，可能是由于這類植物根系分泌物能夠改變土壤根際環(huán)境，改變重金屬的形態(tài)，影響其毒性效應，或者植物的根毛可以直接從土壤交換吸附重金屬，以增加根表面固定[17]。這類植物體內(nèi)存在一種金屬硫蛋白，其富含半胱氨酸，半胱氨酸上的巰基易與重金屬結合，形成低毒或無毒的絡合物[18]。此過程僅改變重金屬離子的形態(tài)，并未減少土壤中重金屬的含量。

我國野生植物資源豐富，天然生長在污染環(huán)境中的野生超富集植物和耐重金屬植物不計其數(shù)，因此，開發(fā)與利用這些野生植物資源對植物修復的意義十分重大。據(jù)有關資料，大量水生植物對重金屬Zn，Cr，Pb，Cd，Co，Ni，Cu 等有很強的吸收積累能力。仙丹花、鵝掌藤、馬齒莧、變?nèi)~木、美人蕉、孔雀草以及向日葵等植物吸收重金屬的能力以及在污染場所的生長狀態(tài)都不錯。陸生植物具有發(fā)達的根系，將陸生植物幼苗用于水體中重金屬的去除，效果較好[3]。木本植物生物量大，修復效果好于草本植物，如池杉富集Pb 和Cd 能力優(yōu)于蘆葦。

目前，大多數(shù)學者都試圖通過基因工程的方法來獲得重金屬超富集植物（如蕓苔屬植物）。如導入金屬硫蛋白基因或引入汞離子還原酶的半合成基因，以及其他與重金屬耐性有關的基因，以此來增加轉(zhuǎn)基因植物對重金屬的耐受性，最后規(guī)模種植這些超富集植物來回收土壤中的重金屬元素[19]。

2 植物綜合修復技術

現(xiàn)實中土壤復合污染普遍，污染程度與厚度差異大，同時地球表層的土壤類型多，其組成、性質(zhì)的區(qū)域差異明顯，而且修復后土壤再利用的空間規(guī)劃要求不同。因此，單項修復技術往往很難達到修復目標，而開發(fā)復合修復模式就成為土壤污染修復的主要研究方向[20]。現(xiàn)在，開始投入應用的復合修復技術主要有植物-微生物聯(lián)合修復、動物-植物聯(lián)合修復等[21]。

植物-微生物聯(lián)合修復的機理是高等植物與土壤微生物在生長過程中往往存在協(xié)同作用[22]，植物可以提供土壤微生物生長所需的碳源，同時又經(jīng)莖葉向根部輸送氧氣，形成有利于氧化的微環(huán)境，促進好氧微生物對污染物的分解作用。植物-微生物聯(lián)合修復是土壤生物修復技術研究的新興方向[23]。篩選有較強降解能力的菌根真菌和適宜的共生植物是菌根生物修復的關鍵。利用能促進植物生長的根際細菌或真菌，發(fā)展植物-降解菌群協(xié)同修復及其根際強化技術，促進重金屬的吸收、轉(zhuǎn)化，將是今后研究的熱點之一。

3 小結

植物修復技術的修復過程一般無二次污染，某些重金屬元素還可回收利用，其發(fā)展?jié)摿薮?。通過植物生理學、土壤學、遺傳學、環(huán)境科學和生物工程等多個學科交叉研究，植物修復必將成為整治重金屬污染土壤最具潛力和應用價值的綠色環(huán)保技術。

在今后的研究中，應注意幾點：（1）大部分重金屬超富集植物植株矮小，生物量低，生長緩慢，因而，修復效率受到很大影響，且不易機械化作業(yè)；（2）超富集植物多為野生植物，對氣候條件的要求也比較嚴格，區(qū)域性分布較強，使成功引種受到嚴重限制；（3）超富集植物專一性強，從而限制了其在多種重金屬污染土壤治理方面的應用前景；（4）植物器官往往會通過腐爛、落葉等途徑使重金屬重返土壤。

我國重金屬污染土壤的面積在逐漸擴大，程度在不斷加深，迫切需要成熟高效的植物修復技術。目前，植物修復在實際應用方面還存在一定的缺陷，但相信隨著研究工作的不斷深入，重金屬植物修復技術必將得到迅速發(fā)展和推廣，為環(huán)境保護治理工作帶來新的希望。

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