土壤重金屬污染的植物修復(fù)

張 蕾，楊 航，魯 雪，錢 寧

（松遼流域水資源保護(hù)局，吉林 長(zhǎng)春 130021）

隨著城市化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)化的進(jìn)程加快，城市垃圾[1]產(chǎn)量、汽車尾氣排放、礦山開采中大量酸性礦井水的排放和尾砂礦的堆砌[2]，以及農(nóng)業(yè)的集約化經(jīng)營(yíng)，使重金屬污染環(huán)境的問題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。特別是重金屬引起的土壤污染也日益成為環(huán)境、土壤科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)問題。因?yàn)橹亟饘僭谕寥乐械淖匀粌艋^程十分漫長(zhǎng)，一般需要上千年時(shí)間，因此其污染具有隱蔽性、不可逆性和長(zhǎng)期性等特點(diǎn)，而土壤被重金屬污染后，不僅直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還可通過食物鏈影響人體健康和安全。據(jù)估計(jì)，過去50年中全球排放到環(huán)境中的 Cd 達(dá)到 2.20×104t、Cu 約 9.39×105t、Pb為 7.83×105t、Zn 為 1.35×106t[3]。因此重金屬污染土壤的治理已成為當(dāng)前急需解決的重大課題。

早在1983年，Chancy便提出了利用超富集植物清除土壤中重金屬污染的思想，即植物修復(fù)[4]。它實(shí)際上是指將某種特定的植物種植在重金屬污染的土壤上，而該種植物對(duì)土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，將植物收割，焚燒后回收重金屬即可將該種重金屬移出土壤，達(dá)到污染治理與生態(tài)恢復(fù)的目的。

重金屬分為必需元素和非必需元素，某些重金屬如Cu、Zn是植物生長(zhǎng)的必需元素，但是無(wú)論是必需元素還是非必需元素，當(dāng)含量超過某一數(shù)值時(shí)，都會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，輕則植物體的代謝過程發(fā)生紊亂，生長(zhǎng)發(fā)育受阻，重則導(dǎo)致植物死亡。然而，仍有一些植物能生長(zhǎng)在富含重金屬的土壤中，這些植物本身能從代謝、遺傳、形態(tài)特征等方面形成一系列特定的耐性機(jī)制，以適應(yīng)變化了的環(huán)境。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，到目前為止，世界上已發(fā)現(xiàn)的超積累植物有500多種，多為十字花科植物，主要有遏藍(lán)菜屬、九節(jié)木屬、藍(lán)云英屬植物。

1 植物修復(fù)機(jī)理

重金屬的植物修復(fù)有兩種途徑：一是通過植物作用改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)，使重金屬固定，降低其在土壤中的移動(dòng)性和生物可利用性；二是通過植物吸收、揮發(fā)，達(dá)到對(duì)重金屬的削減、凈化和去除的目的。根據(jù)植物修復(fù)重金屬污染土壤的作用過程和機(jī)理，可分為宏觀研究和微觀機(jī)理：

1.1 植物修復(fù)的方式

1）植物穩(wěn)定。植物穩(wěn)定技術(shù)指利用植物根際的一些特殊物質(zhì)，使土壤中的污染物轉(zhuǎn)化為相對(duì)無(wú)害物質(zhì)的一種方法。

適用于固化污染土壤的理想植物應(yīng)是一種能忍耐高含量污染物、根系發(fā)達(dá)的多年生常綠植物。這些植物通過根系分解、沉淀、螯合、氧化還原等多種過程，可使污染物惰性化。實(shí)際上，此種方法與植物揮發(fā)技術(shù)類似，區(qū)別在于植物揮發(fā)技術(shù)將污染物遷出土壤，而植物穩(wěn)定技術(shù)只是將其轉(zhuǎn)化為相對(duì)環(huán)境友好的形態(tài)。如植物通過分泌磷酸鹽與鉛結(jié)合成難溶的磷酸鉛，使鉛固化而降低鉛的毒性。Cr6+具有較高的毒性，而Cr3+非常難溶，基本沒有毒性。植物能使Cr6+轉(zhuǎn)變?yōu)镃r3+，使其固化。目前，主要用于礦區(qū)污染土壤的修復(fù)。

2）植物揮發(fā)。植物揮發(fā)技術(shù)是指利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)或微生物使土壤中的某些重金屬轉(zhuǎn)化為揮發(fā)形態(tài)，或者植物將污染物吸收到體內(nèi)后，將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中，以去除其污染的一種方法。如煙草能使毒性大的2價(jià)汞轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的單質(zhì)汞；一些轉(zhuǎn)基因植物也能將有機(jī)汞和無(wú)機(jī)汞鹽轉(zhuǎn)化為氣態(tài)單質(zhì)汞；洋麻可使土壤中的3價(jià)硒轉(zhuǎn)化為甲基硒揮發(fā)去除；海藻能吸收并揮發(fā)砷。

3）植物提取。重金屬富集能力較高的植物（重金屬超累積植物）通過吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的過程，將重金屬富集在可收割的部位，然后將植物富集部位進(jìn)行收割并經(jīng)過熱、微生物、物理或化學(xué)的處理，使土壤中重金屬含量降低到可接受水平的一種方法。目前認(rèn)為植物提取是最有效而技術(shù)上最難實(shí)施的植物修復(fù)技術(shù)。

4）植物促進(jìn)。植物本身不能吸收重金屬，但植物的根系分泌物如氨基酸、糖、酶等物質(zhì)能促進(jìn)根系周圍土壤的微生物的活性和生化反應(yīng)，有利于重金屬的釋放和微生物的吸收。也有研究顯示，在植物修復(fù)過程中施加螯合劑，可以增加植物對(duì)金屬的積累濃度。如EDTA和EDDS（乙二胺二琥珀酸）等，螯合劑能夠顯著增加Cu、Pb、Zn和Cd等重金屬在土壤溶液中的溶解度。

1.2 修復(fù)機(jī)理

1）離子區(qū)隔化作用。植物能夠?qū)⑦M(jìn)入其細(xì)胞內(nèi)的重金屬離子屏蔽進(jìn)入液泡內(nèi)。在這一過程中液泡膜上的重金屬離子與氫離子反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和依賴于ATP的質(zhì)子泵起著主要的作用。

2）螯合作用。螯合作用是指植物體內(nèi)的重金屬離子配體(蛋白)對(duì)其具有高度特異性的親和作用以形成復(fù)合體，從而減少自由重金屬離子在植物體內(nèi)的濃度和降低其毒性。

3）生物轉(zhuǎn)化作用。進(jìn)入植物體內(nèi)的重金屬離子由于被還原或被整合到有機(jī)物質(zhì)中去了，從而大大的降低其毒性。

4）細(xì)胞修復(fù)機(jī)制。即植物細(xì)胞能夠修復(fù)其被重金屬離子破壞的細(xì)胞膜而恢復(fù)正常的生物學(xué)功能。

2 植物修復(fù)的優(yōu)勢(shì)與局限性

2.1 植物修復(fù)的優(yōu)勢(shì)

植物修復(fù)是生物治污工程中一個(gè)非常有效、獨(dú)特的治理技術(shù)，與物理的、化學(xué)的和微生物的處理技術(shù)比較，有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。

1）植物修復(fù)可在對(duì)污染的土壤進(jìn)行修復(fù)的同時(shí)，也凈化了空氣和水體，改善周圍的環(huán)境，是土壤無(wú)擾動(dòng)的原位處理技術(shù)。

2）植物固化使地表長(zhǎng)期穩(wěn)定，可控制風(fēng)蝕、水蝕、減少水土流失，有利于生態(tài)環(huán)境的改善和野生生物的繁衍。

3）植物修復(fù)費(fèi)用比物理化學(xué)處理費(fèi)用低很多。

2.2 植物修復(fù)的局限性

1）受到根系伸展深度的限制，植物修復(fù)只適用于表土或淺層地下水的污染的治理。

2）受到污染物生物有效性和污染物向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)效率的限制，耗時(shí)一般較長(zhǎng)，因而植物修復(fù)更適合于受輕度污染的土壤。

3）一種植物通常只忍耐或吸收一、兩種重金屬元素，對(duì)其他濃度較高的重金屬可能表現(xiàn)出某些中毒癥狀，從而限制了在多種重金屬?gòu)?fù)合污染土壤治理方面的應(yīng)用。

4）因重金屬超富集體是在重金屬脅迫環(huán)境下，長(zhǎng)期誘導(dǎo)和馴化下形成的適應(yīng)性突變體，往往生長(zhǎng)緩慢，植株矮小，生物量低。所以植物修復(fù)過程比物理化學(xué)過程緩慢，相應(yīng)的治理的周期長(zhǎng)、效率不高。

5）對(duì)土壤肥力、氣候、水分、鹽度、酸堿度、排水與灌溉系統(tǒng)等自然條件和人工條件有一定的要求，區(qū)域性分布較強(qiáng)，引種受到限制。另外，植物受病蟲害襲擊時(shí)會(huì)影響其修復(fù)能力。

6）用于凈化重金屬的植物往往會(huì)通過腐爛、落葉等途徑，使重金屬元素重返土壤，需要在植物落葉前收割植株，并將其及時(shí)無(wú)害化處理。

7）用于修復(fù)污染土壤的植物應(yīng)盡量避免選取可食用植物，并防止植物吸收有害元素，以防止昆蟲、草食性動(dòng)物如牛、羊等牲畜在這些地方覓食后可能會(huì)對(duì)食物鏈帶來(lái)的污染。

8）植物穩(wěn)定只是暫時(shí)將土壤中的重金屬固定，使其對(duì)生物不產(chǎn)生毒害作用，并不能徹底解決環(huán)境中的重金屬污染問題。

9）植物揮發(fā)修復(fù)技術(shù)只限于揮發(fā)性重金屬的修復(fù)，應(yīng)用范圍較小，而且將Hg，Se等揮發(fā)性重金屬，轉(zhuǎn)移到大氣中有沒有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)仍有待于進(jìn)一步研究。

3 植物修復(fù)技術(shù)的展望

鑒于植物修復(fù)技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，盡管存在著多種局限性，它仍是一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ男迯?fù)技術(shù)。為了使植物修復(fù)技術(shù)更加完善，為今后的科研工作指明了方向。

1）加快超積累植物的篩選評(píng)價(jià)，建立超積累植物的配套修復(fù)技術(shù)。多種重金屬超積累植物的尋找是一項(xiàng)有意義的基礎(chǔ)性工作。對(duì)于已發(fā)現(xiàn)的超積累植物建立“超積累植物數(shù)據(jù)庫(kù)”，做進(jìn)一步的研究，掌握其生長(zhǎng)習(xí)性，采取一切措施提高修復(fù)效率，進(jìn)一步探索超積累植物對(duì)重金屬的活化、吸收、轉(zhuǎn)移、積累等機(jī)理，以利于超積累植物的性能改進(jìn)。同時(shí)，與超積累植物相反的體外抗性為主導(dǎo)機(jī)制的重金屬排異植物也應(yīng)得到重視，對(duì)這種植物深入研究可以確保糧食生產(chǎn)安全。

2）利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)超累積植物往往植株矮小，生長(zhǎng)速度慢，再加上受氣候、土壤環(huán)境的限制，很多超累積植物很難具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。而生長(zhǎng)速度快、生物量大的植物往往對(duì)重金屬忍耐性低，積累量不高。為了解決這個(gè)矛盾，使得普通植物具有超累積植物的優(yōu)良性能，國(guó)外己有將基因技術(shù)應(yīng)用于植物修復(fù)的研究，并成為今后該領(lǐng)域研究的一個(gè)重要方向。目前的研究認(rèn)為植物對(duì)重金屬的吸收、積累和忍耐是由多個(gè)基因控制的過程，并運(yùn)用基因工程手段從微生物、植物、動(dòng)物中陸續(xù)分離出與金屬化合物形態(tài)轉(zhuǎn)化有關(guān)的基因，這些基因的發(fā)現(xiàn)和克隆有利于更清晰地了解金屬離子代謝的生物化學(xué)機(jī)制?；蚣夹g(shù)的研究將是植物修復(fù)研究中的一個(gè)重要并很有價(jià)值的方向，包括有價(jià)值基因的篩選、基因技術(shù)、基因工程立法等研究。

3）植物修復(fù)與傳統(tǒng)的微生物學(xué)、物理方法相結(jié)合的綜合技術(shù)的研究。除發(fā)展上述幾種植物修復(fù)技術(shù)外，還有一些組合技術(shù)，例如：植物一微生物修復(fù)、表面活性劑一植物修復(fù)等。這些技術(shù)都是將土壤淋洗法、生物學(xué)、基因技術(shù)和環(huán)境化學(xué)等和植物提取綜合應(yīng)用的結(jié)果。

4）重金屬污染物的回收利用。一些重金屬污染物是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的原料，研究植物體內(nèi)重金屬元素的回收工藝，不但可以使修復(fù)植物的生物量得到妥善處理，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，而且還可將重金屬重新回收利用，避免重金屬的二次污染。

5）菌根能影響菌根植物對(duì)重金屬的積累和分配，使菌根植物體內(nèi)重金屬積累量增加，提高植物提取的效果。所以菌根與金屬配位體的聯(lián)系及如何使菌根一植物一微生物修復(fù)體系達(dá)到最佳還有待研究。

近20年來(lái)，土壤重金屬污染的修復(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用，已取得一定的進(jìn)展，但仍處于發(fā)展階段，需要突破的理論和技術(shù)問題仍很多，而現(xiàn)階段土壤的重金屬污染已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，相應(yīng)修復(fù)技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)不能適應(yīng)日益加劇的土壤污染，因此在開展修復(fù)技術(shù)研究的同時(shí)，必須重視土壤質(zhì)量的管理和保護(hù)工作，從污染源頭抓起，控制污染源，有效地防止土壤污染。

[1]侯曉龍，馬祥慶.城市垃圾重金屬污染及其治理研究進(jìn)展[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2006（4）.

[2]李文一，徐衛(wèi)紅，李仰銳，劉吉振，王宏信.土壤重金屬污染的植物修復(fù)研究進(jìn)展[D].中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所，材料物理與化學(xué)（專業(yè)）博士論文.2000.

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