重金屬污染土壤植物修復技術及其強化措施

鄭黎明， 袁 靜

（安徽師范大學生命科學學院， 安徽 蕪湖 241000）

0 引言

《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤重金屬污染中Cd污染最為嚴重，點位超標率(指土壤超標點位的數量占調查點位總數量的比例)達到7.0%，Hg，As，Cu，Pb，Cr，Zn，Ni 7 種無機污染物點位超標率分別為 1.6%，2.7%，2.1%，1.5%，1.1%，0.9%，4.8%[1]，全國每年出產受重金屬污染的糧食多達1 200萬t[2]。日本曾出現的“水俁病”和“骨痛病”正是因為Hg和Cd污染引起?？梢?，有效修復受重金屬污染的土壤意義重大。

目前，用于治理重金屬污染土壤有傳統(tǒng)的理化法如玻璃化、熱解吸、電動力以及土壤沖洗等，以及近些年興起的生物法如植物修復法[3]。普遍認為植物修復法具有環(huán)保、廉價、美觀等傳統(tǒng)方法難以比擬的優(yōu)勢，是一項很有應用潛力的技術，但也存在著一些不足，因其修復效率不高，阻礙了大規(guī)模實際應用的推進，尋找強化措施以提高修復效率成為當前研究的重點和熱點。

1 植物修復技術概述

1.1 植物修復和超富集植物的基本概念

植物修復技術是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學元素的理論為基礎，利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中污染物的一項環(huán)境治理技術。重金屬污染的植物修復主要包括植物過濾、植物揮發(fā)、植物鈍化及植物提取等4種類型，而通常所說的植物修復技術是指利用超富集植物的提取作用清除污染土壤中的重金屬，植物提取被認為是解決土壤重金屬污染問題理想方法之一，但修復效率不高一直是擺在環(huán)境科學界面前的難題。

目前，關于超富集植物的鑒定標準主要包括2個：①臨界值特征，即植物地上部（干質量）中ω（Au）為 1 mg/kg，ω（Cd）為 100 mg/kg，Pb，Cu，Ni和 Co 的質量分數分別為1 000 mg/kg，Zn和Mn的質量分數分別為10 000 mg/kg；②轉移特征，即植物體地上部（主要指莖和葉）某種重金屬含量大于其根部同種重金屬含量?？梢酝ㄟ^在重金屬濃度較高的地區(qū)如尾礦廢棄地、礦山周圍等地發(fā)現一些植物并加以試驗，確定是否為超富集植物。

1.2 植物修復的局限性

植物修復與物理的、化學的和微生物的治理方法相比，有其獨有的優(yōu)點，主要包括：治理成本低、治理過程原位（對環(huán)境擾動小）、治理效果永久、可大面積開展以及可凈化與美化環(huán)境等。但在實際應用中，也存在一些局限性[4]。

（1）有些情況下無法利用超富集植物有效修復污染土壤；包括：①環(huán)境條件（如氣候類型、土壤類型等）不適于特定超富集植物生長的地區(qū)（當然也可以選用本土植物，但修復效率可能不高）；②重金屬濃度過高的污染場地。植物對重金屬有一定的耐受范圍，超過耐受極限，植物生長受到抑制甚至會死亡，超富集植物亦是如此；③深層污染場地。超富集植物根系一般較淺（30 cm以內），通常只對淺層污染土壤（90 cm以內）有修復效果。

（2）即使可采用植物修復法，仍存在其他一些缺點；包括：①大多數超富集植物都有重金屬選擇性，往往只能積累某種特定重金屬，但污染土壤通常是重金屬復合性的；②已知的超富集植物多為野生型，個體矮小、生物量低、生長緩慢，因此植物修復比傳統(tǒng)理化法耗時久，治理周期長；③超富集植物提取的重金屬會因為植物器官凋謝等原因重返土壤，降低了修復效率。植物病蟲害及修復植物的后期處理等問題也需要加以考慮。

修復效率高低是植物修復技術能否得以推廣應用的關鍵。主要可從3個方面來提高修復效率：①提高修復植物的生物量；②提高土壤中植物有效性重金屬含量；③提高植物對重金屬的吸收、轉運能力。

2 植物修復技術的強化措施

2.1 改良修復植物性能-基因工程技術

基因工程技術提高植物修復能力主要體現在以下3個方面：①通過增加修復植物生物量來促進其對重金屬的積累。研究報道，將小麥TaPCSI基因轉入煙草體內，表達后發(fā)現其莖比野生品種增加了1.6倍，轉基因植物生長在Pb質量濃度為1 572 mg/L條件下，其重金屬積累量是野生品種的2倍[5]；②通過導入與重金屬轉化相關的基因，降低重金屬對植物的毒性，提高耐性。如某些細菌中存在由merB基因編碼的有機汞裂解酶，它可將高毒的甲基汞轉化為毒性稍低的Hg2+和CH4，由merA基因編碼的汞離子還原酶，可以將Hg2+進一步還原為汞原子，因此可以利用轉基因技術通過植物表達merA及merB基因，達到凈化汞污染土壤的目的[6]。研究表明，轉merA基因的金盞菊具有良好的抗汞污染能力，普通植株在HgCl2質量分數為30 mg/kg條件下逐漸死亡，而轉基因植株在HgCl2質量分數為50 mg/kg條件下依然能生存，顯示其具有較強的抗性[7]；③通過轉入與重金屬螯合相關的基因，減輕毒害，提高耐性。如金屬硫蛋白的巰基可以螯合Cd，Cu和Zn等多種重金屬。研究報道，采用水培實驗，比較了轉棗樹金屬硫蛋白基因擬南芥與對照組擬南芥對Cd的吸收情況。實驗表明:經0.1 mol/L Cd分別處理24和48 h，轉棗樹MT基因擬南芥根部對Cd的吸收量分別為227和323 mg/L，地上部分為513和667 mg/L，明顯超過對照組 (根部93和107 mg/L；地上部分323和437 mg/L)[8]。

2.2 調節(jié)修復植物根際環(huán)境

（1）施加螯合劑、表面活性劑

螯合劑可以與土壤溶液中重金屬結合，形成水溶性的重金屬-螯合劑螯合物，提高了土壤中植物有效性重金屬含量，同時也增加了修復植物對重金屬的提取量。常用的螯合劑大致可分為2類：①人工合成螯合劑， 如 EDTA，EGTA，HEDTA，DTPA，CDTA等；②天然的螯合劑，主要是一些低分子量的有機酸，如檸檬酸、草酸、蘋果酸等。研究報道，在玉米盆栽試驗中，添加EDTA后玉米體內Pb含量分別是相應 對 照 的 4.3，6.5，6.0，5.4 倍 (地 上 部 ) 和2.5，3.9，3.6，3.6 倍(根部)[9]。EVANGELOU 等[10]研究表明，小分子酸尤其是檸檬酸，對活化土壤中Cu的能力最強，使用62.5 mmol/kg的檸檬酸，煙草地上部Cu濃度比對照提高了2倍。使用螯合劑能有效提高修復效率，但同時也存在一定的環(huán)境風險，主要表現在土壤中自由重金屬含量增加，植物未必能充分吸收，這就有可能導致地下水受到污染。SATROUT-DINOV 等[11]研究表明，EDTA 與 Cu，Fe，Pb 和 Zn 等形成的金屬螯合物很難降解，一些水溶性較高的EDTA－金屬螯合物會遷移污染地下水。為此，可采用“少量多次”加入方式，也可以采用低毒易降解但價格較高的螯合劑如EDDS等。

表面活性劑是一種親水親脂性化合物，它的兩親性使之能與膜中成分的親水和親脂基團相互作用，從而改變膜的通透性，促進植物對重金屬的吸收。在含 Cd，Cu，Zn 質量分數分別為 25，30，700 mg/kg土壤中種植萵苣與黑麥草，添加表面活性劑一段時間后，3種重金屬地上部含量比對照增加了4～24倍[12]。表面活性劑與螯合劑聯(lián)合使用，既能增加土壤中活性重金屬的含量，又能強化植物的提取能力，能顯著提高修復效率。但表面活性劑有一定的毒性，使用它可能會抑制植物生長或是帶來一定的環(huán)境風險。為此，可以采用易降解、無毒或低毒的生物表面活性劑。如在Pb污染土壤中種植油菜并接種能夠產生生物表面活性物質的菌株J119，結果表明油菜地上部Pb質量分數增加了31.0%[13]。

（2）調節(jié)土壤 pH 值、Eh值

通常情況下，降低土壤pH值會提高土壤溶液中重金屬的含量。這是因為H+濃度增加能促使部分難吸收態(tài)及交換態(tài)重金屬溶解，成為植物可吸收態(tài)重金屬[14]。當然，并不是說土壤pH值越低越好，應當存在一個最佳pH值，在這個酸度下植物生長發(fā)育不受影響而且土壤中活性重金屬含量比較高。試驗表明，在pH值為5.84時，遏藍菜對Zn與Cd的吸收達到最大，隨著pH值升高或降低，二者在遏藍菜中積累量均下降[15]。降低pH值可采用直接加酸法和施肥法，還可以考慮加入有機酸如檸檬酸、蘋果酸等，有機酸不僅可以降低pH值還可以起到螯合作用且自身易降解，提高pH值可以采用施加生石灰等堿性物質的辦法。

通常情況下，當土壤氧化還原電位提高時，土壤溶液中重金屬濃度都會有不同程度的增加，這是由于Eh值提高改變了重金屬的化學價態(tài)，使重金屬的生物有效性發(fā)生了變化。比如Cr6+水溶性比Cr3+強，Eh值升高可將Cr3+氧化成Cr6+。但也有一些重金屬在Eh值降低時才會被活化，比如As（As3+比As5+易溶）。調節(jié)土壤Eh值大小的方法一般是通過灌水和晾田進行，此外，增加土壤有機質可以降低Eh值。

（3）接種微生物

微生物可以通過與重金屬相互作用或者與根分泌物協(xié)同作用，影響土壤重金屬的生物有效性。菌根是土壤真菌與植物營養(yǎng)根結合形成的一種互利的共生體，菌根表面的菌絲體向四周延伸，增加了植物根系的表面積，增強了植物的吸收能力，菌根分泌物（有機酸、蛋白質、氨基酸等）可以調節(jié)根際環(huán)境，活化重金屬，提高土壤溶液重金屬含量。趙根成等[16]通過室內盆栽試驗研究表明,施放線菌PSQ，shf2，和細菌Ts37，C13處理能明顯促進植物修復砷污染土壤，15，30，45 d 4組微生物處理砷修復效率均高于同期對照組，其中45 d施shf2的修復效率為11.3%，是同期對照的2.36倍。但也有一些研究得出接種微生物并沒有強化作用的結論。接種AM真菌導致Zn－Cd－Pb超富集植物T.praecox地上部生物量下降了17%，地上部重金屬積累量最大下降幅度分別為13%，25%和31%[17]。這可能是因為接種的微生物與修復植物不匹配，因此篩選出具有“強化”作用的微生物是應用此法的關鍵。

2.3 田間管理及農藝措施

通過對修復植物進行田間管理并采取適當農藝措施可以達到提高其生物量及縮短生長周期等目的。主要從以下6點加以考慮：①污染土壤的翻耕和整平。翻耕可將深層污染物質翻到土壤表層，利于修復植物吸收，翻耕的深淺程度要根據土壤污染情況而定。整平是將結塊土壤打碎，能起到保墑作用，也有利于后期田間管理；②育苗問題。不同育苗方式對修復植物的育苗速度、發(fā)芽率等都有影響，恰當的育苗方法對縮短修復周期有很大幫助；③搭配種植。大多數重金屬污染土壤都是復合性的，而修復植物往往只對某些重金屬有較強提取作用，因此可以考慮間作或套作多種超富集植物以縮短修復時間[18]；④植株密度。研究表明在10 cm×10 cm，20 cm×20 cm，10 cm×40 cm與40 cm×40 cm 4個種植密度下，利用蜈蚣草對砷污染土壤進行了2 a的田間實際修復，綜合考慮修復過程中的收獲方式、經濟成本與可操作性，在4個密度處理中密度20 cm×20 cm為蜈蚣草的最佳栽培密度[19]；⑤水肥需求。超富集植物地上部生物量的大小是影響植物效率的一個重要因素，水分和肥料是促進植物生長的重要條件，但過度施加不僅會導致資源浪費甚至還會抑制植物生長，因此掌握修復植物水肥需求規(guī)律非常重要。試驗表明，當施磷量為320 kg/hm2時，蜈蚣草對As提取量最大，是對照組的2.4倍，當施磷量增加到600 kg/hm2時，提取量減少至對照組的1.2倍[20]；⑥植物生長素。植物生長素是植物自身產生的調節(jié)物質，極低濃度時就能促進種子萌發(fā)和植株快速生長，因此外施植物生長素對于縮短修復周期有幫助。研究報道，向生長在0.2 mmol Pb培養(yǎng)液中的Medicago sativa施加100μm IAA和0.2 mmol EDTA，葉片中Pb的累積量是未加任何物質的28倍，是只加0.2 mmol EDTA的6倍[21]。有研究表明植物生長素能與重金屬螯合，從而起到緩解重金屬毒害的作用[22]。

3 結論

植物修復思想提出至今已有30多年時間，期間不乏成功的田間試驗案例，但鮮有大規(guī)模商業(yè)化應用報道，這主要是因為植物修復技術修復效率偏低，但我們也要看到其原位、經濟、綠色等優(yōu)點。未來該領域研究需要在以下3方面尋求突破：①篩選超富集植物。到受重金屬污染的地方尋找超富集植物是一條捷徑。此外，要運用基因工程、育種工程等技術手段培育出生物量大、富集能力強、提取多種重金屬的超富集植物。建立超富集植物特性記錄庫及種子資源庫，為培育出性能更好的超富集植物作準備；②開發(fā)修復劑。大量研究表明修復劑如螯合劑、表面活性劑等能顯著提高修復效率，但其毒性較高、不易降解、價格較貴。因此很有必要開發(fā)出安全、高效、經濟的修復劑；③掌握修復植物生長特性。合理的田間管理和農藝措施是比較容易操作的技術手段，可以達到提高修復植物地上部生物量、縮短生長周期的效果。掌握修復植物的生長習性是實施該措施的前提，因而很有必要對超富集植物生長特性進行系統(tǒng)研究，進而采取恰當的田間管理措施。