強(qiáng)化植物修復(fù)效率措施的研究

強(qiáng)化植物修復(fù)效率措施的研究

郭夢(mèng)露

(菏澤學(xué)院生命科學(xué)系，山東菏澤274015)

[摘要]日趨嚴(yán)重的土壤重金屬污染已成為社會(huì)備受關(guān)注的重大生態(tài)問(wèn)題，修復(fù)被污染的土壤已刻不容緩.常規(guī)的污染土壤修復(fù)方法有：換土法、深耕法、化學(xué)沖洗法等，但由于其技術(shù)要求高或經(jīng)濟(jì)成本昂貴等原因，不適合大規(guī)模推廣.目前通過(guò)利用植物的物理、化學(xué)等作用去除環(huán)境污染物，著重介紹了提高植物修復(fù)效率技術(shù)的幾種方法，相關(guān)作用機(jī)理、影響因子以及優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)提高植物修復(fù)效率的應(yīng)用做出了一些未來(lái)展望.

[關(guān)鍵詞]植物修復(fù);重金屬;修復(fù)效率[收稿日期]2015-07-05

[作者簡(jiǎn)介]郭夢(mèng)露(1987-)女，內(nèi)蒙古科爾沁人.菏澤學(xué)院生命科學(xué)系助教，碩士，主要從事低放核素的植物修復(fù)研究.

[中圖分類(lèi)號(hào)]X591，Q948.116 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

0引言

隨著人們生活水平的提高和社會(huì)的發(fā)展，我們生存的環(huán)境壓力日益加重，當(dāng)各類(lèi)金屬污染物悄無(wú)聲息地潛入我們生活的時(shí)候，土壤便成為了它們主要的“寄主”.人們的生存環(huán)境受到嚴(yán)重威脅，在土地污染嚴(yán)重的地區(qū)各類(lèi)潛伏的疾病便相繼出現(xiàn)，危害著人們的生命安全.其中土壤重金屬污染尤為突出，因此如何高效率的修復(fù)污染土壤，保證健康生活已是迫在眉睫.植物修復(fù)技術(shù)是利用超富集植物去除土壤中重金屬的技術(shù).這種技術(shù)與傳統(tǒng)的土壤修復(fù)技術(shù)相比，具有治理成本低，過(guò)程簡(jiǎn)便、且無(wú)二次污染、因此具有雙重經(jīng)濟(jì)效益.但植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中依舊存在很多缺點(diǎn)，需要更深入的研究和改進(jìn).

1植物修復(fù)技術(shù)

1.1植物修復(fù)技術(shù)的原理

植物修復(fù)技術(shù)的原理是指利用種植在重金屬污染的土壤或水體里的超富集植物生長(zhǎng)特點(diǎn)，通過(guò)植物自身提取、穩(wěn)定、揮發(fā)和根際過(guò)濾來(lái)處理掉土壤或水體中的重金屬污染物，達(dá)到治理的目的[1].

2常用的植物修復(fù)技術(shù)分類(lèi)

超富集植物處理重金屬污染土壤的方法有很多種，根據(jù)超富集植物修復(fù)技術(shù)的原理，主要將植物修復(fù)技術(shù)分為以下4種[2].

2.1植物提取

植物提取是利用植物大量吸取土壤環(huán)境中的重金屬，并將其富集到植物體內(nèi)，通過(guò)連續(xù)種植和收割，然后進(jìn)行集中處理，從而達(dá)到去除土壤中的重金屬的目的.植物提取修復(fù)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得了良好的改良效果.

2.2植物穩(wěn)定

超富集植物可固化土壤中的重金屬離子，并減輕其危害.但是植物穩(wěn)定修復(fù)技術(shù)有很大局限性，并不能徹底從土壤中清除重金屬.當(dāng)環(huán)境改變時(shí)重金屬會(huì)重新恢復(fù)活性，所以在處理重金屬污染土壤的過(guò)程中效果并不十分明顯.

2.3植物揮發(fā)

植物揮發(fā)是利用植物氣化砷、汞等揮發(fā)性元素，然后經(jīng)過(guò)植物蒸騰作用釋放到大氣中, 達(dá)到降低土壤中的重金屬含量目的.

2.4根際過(guò)濾

根際過(guò)濾修復(fù)技術(shù)是利用植物根系的吸附作用，固定流動(dòng)介質(zhì)中的重金屬離子.這種修復(fù)技術(shù)主要用來(lái)處理工業(yè)廢水.

3提高植物修復(fù)效率的技術(shù)方法

3.1改善施肥技術(shù)

3.1.1利用水肥進(jìn)行強(qiáng)化修復(fù)的原理

植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中需要大量營(yíng)養(yǎng)和水分，通過(guò)調(diào)節(jié)土壤中營(yíng)養(yǎng)和水分的含量可以有效的提高植物的重金屬的富集總量.需要注意的是，施肥的含量和時(shí)間需要適當(dāng)，否則會(huì)影響植物的修復(fù)效率.例如磷酸二氫鉀和尿素按比例混勻在水中，噴灑在植物葉面上 ,可以提供植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所必需的氮、磷、鉀等元素，同時(shí)使植物光合作用增強(qiáng)[3].

3.1.2水肥修復(fù)的研究成果

孫琴等研究表明，適當(dāng)增加磷含量可以有效地提高東南景天的干物質(zhì)產(chǎn)量，同時(shí)也增加了東南景天對(duì)鋅的吸收和大量富集.從植物修復(fù)角度來(lái)看，掌握植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)和水分的需求規(guī)律，及時(shí)地進(jìn)行水肥供應(yīng)，不僅可以增加修復(fù)植物的生物量，而且也大大提高了植物對(duì)污染土壤的修復(fù)效果.

另有研究表明，磷肥施用量對(duì)蜈蚣草富集砷有顯著影響，施用磷肥的蜈蚣草積累砷量是不施磷肥的2.4倍.需要注意的是當(dāng)施肥不當(dāng)時(shí)會(huì)使某些元素與該重金屬離子產(chǎn)生沉淀，從而影響植物對(duì)該重金屬離子的吸收.

3.2優(yōu)化栽培技術(shù)

3.2.1二氧化碳誘導(dǎo)植物超積累技術(shù)的原理

植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中受光照、溫度、水分、空氣等環(huán)境因素的影響很大 ,因此改變超富集植物的生長(zhǎng)環(huán)境條件可以有效地縮短其生長(zhǎng)周期，進(jìn)而提高修復(fù)效率.光合作用是植物維持生命活動(dòng)中不可缺少的，二氧化碳是植物進(jìn)行光和作用的原料，因此二氧化碳在植物光合作用起著非常重要的作用.通過(guò)合理增加二氧化碳含量和光照強(qiáng)度，可以有效的提高植物光合作用的時(shí)間，進(jìn)而增加光和效率，促進(jìn)植物快速生長(zhǎng).

3.2.2二氧化碳的研究成果

彭長(zhǎng)連等在研究二氧化碳對(duì)植物修復(fù)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，CO2濃度的升高可以有效地提高正常環(huán)境中植物的產(chǎn)量和生物量，產(chǎn)量和生物量的增加會(huì)縮短修復(fù)時(shí)間，以及提高植物修復(fù)的效率.CO2濃度的升高對(duì)根系分泌物總量有明顯影響，例如汪杏芬等對(duì)玉米、小麥、大豆的研究表明隨著CO2濃度的升高，植物根系表面積有所增加，并且提高了菌根真菌的侵染活力[4].

3.3添加螯合劑輔助提取

3.3.1鰲合誘導(dǎo)技術(shù)的基本原理

鰲合誘導(dǎo)技術(shù)的基本原理：通過(guò)鰲合劑的使用使土壤中的重金屬離子化，增加土壤中重金屬的溶解度，提高了重金屬在土壤液相中的分布.大量螯合態(tài)的存在，更利于植物吸收固定[5].

3.3.2鰲合誘導(dǎo)技術(shù)的研究成果

目前常用的鰲合劑主要分為人工合成的鰲合劑和天然的螯合劑.我們?cè)谔幚砦廴镜耐寥罆r(shí)應(yīng)選用合適的鰲合劑，如乙二胺四乙酸(EDTA)對(duì)鉛(Pb)、檸檬酸對(duì)鈾(U)有較好的選擇性.通常，鰲合劑活性越強(qiáng)對(duì)重金屬的活化能力就越強(qiáng).2008年祖艷群等在研究超富集植物栽培措施進(jìn)展中發(fā)現(xiàn)，在受重金屬鉛污染的土壤里，植物吸收鉛的量很低.添加鰲合劑后，土壤中鉛的溶解度提高，從而增加了鉛從根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)量，因此植物對(duì)鉛的吸收效率顯著增強(qiáng).在酸性土壤中添加螯合劑可以使印度薺菜對(duì)鉛的吸收能力顯著增強(qiáng).

3.4添加植物激素

3.4.1植物激素修復(fù)污染土壤的原理

常見(jiàn)的一些植物激素如：生長(zhǎng)素(IAA)、赤霉素(GA )、細(xì)胞分裂素(CTK )、脫落酸(ABA)和乙烯(ETH )，植物自身就能產(chǎn)生.在調(diào)節(jié)植物的生理代謝的同時(shí)，從而加快形成重金屬鰲合物，進(jìn)而降低重金屬含量.對(duì)于生長(zhǎng)緩慢的植物可以利用相關(guān)的植物激素來(lái)促進(jìn)生長(zhǎng)，增加產(chǎn)量.

3.4.2植物激素的研究成果

吲哚乙酸(IAA)是植物體內(nèi)合成的微量高效的生理活性物質(zhì)，在植物生長(zhǎng)發(fā)育有重要的調(diào)控作用.在進(jìn)行鰲合誘導(dǎo)植物提取的同時(shí)，使用吲哚乙酸(IAA)可以有效地緩解重金屬的毒性，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，提高植物修復(fù)效率.

周建民等在研究植物激素強(qiáng)化提取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：EDTA&IAA處理玉米，地上部分生物量比用乙二胺四乙酸(EDTA)單獨(dú)處理增加了40.0%，地上部分Cu、 Zn、 Cd和Pb累積量分別增加27.0%、26.8%、27.5%和32.8%.因此可知，吲哚乙酸(IAA)協(xié)同鰲合劑有效地降低重金屬毒性，顯著提高植物修復(fù)效率.

3.5利用根際微生物

3.5.1根際微生物的使用原理

在植物修復(fù)過(guò)程中，一方面利用內(nèi)生菌可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，加速污染物降解，通過(guò)自身的抗性來(lái)降低重金屬的毒性.另一方面，可以通過(guò)接種菌根來(lái)提高修復(fù)效率.菌根是土壤真菌與植物營(yíng)養(yǎng)根共生形成的一種結(jié)合體.大量的研究發(fā)現(xiàn)，菌根能分泌大量的黏液(有機(jī)酸、氨基酸和酶等)能與重金屬結(jié)合，提高土壤環(huán)境中重金屬的生物有效性，通過(guò)固定吸收降低重金屬的含量[6].

3.5.2根際微生物的研究成果

Puschenreiter等在研究?jī)?nèi)生細(xì)菌提高修復(fù)效率的實(shí)驗(yàn)中表明，通過(guò)比較抗鎳植物內(nèi)生細(xì)菌與根際細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)從某種鎳超富集植物體內(nèi)分離的內(nèi)生菌比植物根際細(xì)菌抗性強(qiáng)，可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植物對(duì)重金屬鎳的吸取.Leyval等在研究接種菌根對(duì)鎘(Cd)的吸收效率時(shí)表明，當(dāng)Cd加入土壤中時(shí)，菌根化植物吸收Cd的量比沒(méi)有接種菌根的超富集植物顯著增高.另外，將叢枝菌根真菌與植物共同培養(yǎng)，可以有效的減輕重金屬在土壤中的含量，減小毒性危害，從而提高植物對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)化效率.

3.6培育超富集植物

3.6.1超富集植物的特點(diǎn)及富集原理

與普通植物相比，一般認(rèn)為吸收金屬能力是普通植物的100倍以上，通常這些植物生長(zhǎng)速度較快，有較強(qiáng)的抗病性，具有發(fā)達(dá)的根系就能富集含量較多的重金屬，并且能將重金屬轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，通過(guò)收獲植物體，達(dá)到降低或清除重金屬的目的.

對(duì)于重金屬元素而言，很難在土壤中溶解，因此，只有把它溶解到溶液中才能被植物吸收.超富集植物根系可以分泌質(zhì)子，且分泌能力比一般植物強(qiáng)，可以使土壤中pH值降低，促進(jìn)植物對(duì)重金屬污染物的富集[7].

3.6.2搭配種植超富集植物的研究成果

一般受重金屬污染的土壤大多數(shù)是復(fù)合型的污染 ,而超富集植物具有專(zhuān)一性,只能吸收一種重金屬污染物，當(dāng)這種重金屬污染物治理完之后再種植另一種植物,所需時(shí)間較長(zhǎng).因此,將幾種不同的超富集植物搭配種植在一起,顯著提高了修復(fù)效果.此外 ,在種植過(guò)程中，還可以根據(jù)超富集植物在各個(gè)生長(zhǎng)階段對(duì)重金屬的積累情況，分階段進(jìn)行收獲處理，從而縮短修復(fù)周期[8].

3.7基因工程的應(yīng)用

3.7.1基因工程技術(shù)的原理

基因工程是通過(guò)對(duì)目的基因的獲取和目標(biāo)植物的選擇，讓目的基因在目標(biāo)植物中有效表達(dá)，從而來(lái)提高修復(fù)效果.目前的研究中是將金屬硫蛋白、植物鰲合肽和重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因等轉(zhuǎn)入超積累植物中進(jìn)行表達(dá)，能有效的增加植物對(duì)金屬的提取量，提高植物修復(fù)效率.

3.7.2基因工程技術(shù)的研究成果

基因工程技術(shù)的投入使用，顯著的增強(qiáng)了超富集植物的吸收效率.例如，金屬硫蛋白廣泛存在于動(dòng)植物和原核生物中，它能有效地促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收.目前，許多植物中的植物絡(luò)合素合成酶基因可在目標(biāo)植物中有效表達(dá)，可以提高植物對(duì)鎘(Cd)的耐性和富集.

4展望

植物修復(fù)技術(shù)是一項(xiàng)廉價(jià)環(huán)保舉措，且能顯著改善生態(tài)環(huán)境，可廣泛地應(yīng)用于改良重金屬污染的土壤.但目前植物修復(fù)技術(shù)在實(shí)踐中仍存在許多問(wèn)題，例如，土壤重金屬污染大部分是復(fù)合污染，一種超富集植物只能吸收一種重金屬元素，從而影響植物的修復(fù)效率.因此，需要篩選培育出抗性強(qiáng)、吸收量大、吸收種類(lèi)多的植物去強(qiáng)化提高修復(fù)效率.其次，鰲合劑在土壤中的存留時(shí)間階段較長(zhǎng)且不易降解，容易引起突然過(guò)的再污染，而且螯合劑的市場(chǎng)價(jià)格較高，因此在螯合劑使用過(guò)程中需要開(kāi)發(fā)出更為安全、易處理的、價(jià)格實(shí)惠的人工鰲合劑.目前來(lái)看，強(qiáng)化植物修復(fù)效率的技術(shù)亟需更深入、更廣泛的研究.

參考文獻(xiàn)

[1]張繼舟,袁磊,王立民,等.重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2013,29(14)：134-138.

[2]蒲晨新,余淵,孫大江.土壤重金屬污染現(xiàn)狀與植物修復(fù)研究[J].四川環(huán)境,2014,33(5)：141-143.

[3]郭卓杰,李濤,王效舉,等.不同施肥條件下不同作物對(duì)重金屬土壤銅的修復(fù)效果及作用[J].2013,41(11)：1209-1211.

[4]趙義武,劉寧.二氧化碳濃度升高對(duì)植物修復(fù)土壤污染的影響[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè),2013,52(6)：53-56.

[5]魏思祥翔.螯合劑與聯(lián)合物質(zhì)在植物修復(fù)重金屬污染土壤的應(yīng)用研究進(jìn)展[J],廣東化工,2013,40(19)：84-90.

[6]馬瑩,滕應(yīng),劉秀華,等.內(nèi)生細(xì)菌強(qiáng)化重金屬污染土壤植物修復(fù)研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報(bào)，2013,50(1)：196-200.

[7]廉梅花,孫麗娜,湯家喜,等.土壤pH對(duì)東南景天修復(fù)鎘和鋅污染土壤的影響[J].2014,33(11)：86-89.

[8]秦軍,蔣文強(qiáng).重金屬鉻對(duì)幾種蔬菜生長(zhǎng)的影響研究[J].棗莊學(xué)院學(xué)報(bào),2011,28(5)：138-141.

[責(zé)任編輯：閆昕]

To Strengthen the Research Progress of Phytoremediation Efficiency Measures

GUO Meng-Lu

(Department of Life Sciences ,Heze University ,Heze 274015,China )

Abstract：The heavy metal pollution in city soil, has become one of the major ecological problems affectingthe global healthof residents, thus accelerating the remediation of contaminated soil has become more and more important..The conventional meathod of remediation of contaminated soil and soil replacement deep plowing meathod,chemical cleaning meathod because of its high technical requirements or economic cost and other reasona,not suitable for large-scale promotion.This essay mainly talks about the removal of environmental pollutants by plants.physical and chemical reaction, emphatically introduces several methods to improve the efficiency of phytoremediation technology related with mechanism,influence factors and advantages and disadvantages, and the application of phytoremediation technology has made some prospects for the future.

Key words：phytoremediation; heavymetal; remediation efficiency