植物修復(fù)土壤重金屬污染的研究進(jìn)展

趙巖 黃運(yùn)新 秦云

摘要：植物修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為是治理重金屬污染最為綠色的方法，因?yàn)榇思夹g(shù)成本低、實(shí)施方便、無污染。超富集植物的研究是重金屬污染植物修復(fù)的重點(diǎn)，然而一種植物由具有富集重金屬特性到應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的重金屬污染修復(fù)并非易事。研究表明，在現(xiàn)實(shí)條件下，植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于治理土壤重金屬污染中存在一些約束。本文系統(tǒng)地總結(jié)了目前超富集植物的研究方法和研究現(xiàn)狀，通過分析超富集植物在現(xiàn)實(shí)條件下修復(fù)土壤重金屬污染的不足，提出土壤重金屬污染植物修復(fù)的方向。

關(guān)鍵詞：重金屬；植物修復(fù)；土壤

中圖分類號：X53文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004-3020（2016）01-0040-05

Abstract： Phytoremediation is considered to be the most green way to control heavymetal pollution， because the technology is low cost， easy to implement， and nonpolluting. Hyperaccumulator applied in phytoremediation is the focus of remediation of heavymetal pollution， but applyinging the heavymetal enrichment plant in the reality is not easy. A lot of research found that， under realistic conditions， there are some constraints on phytoremediation of soils polluted by heavy.We summarizes the studying methods and current status in hyperaccumulator. By analyzing the shortcomings on remediation on soils polluted by heavy metal by under realistic conditions， we provided the studying direction on phytoremediation of soils contaminated by heavy metal.

Key words：heavy metals；phytoremediation；soil

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，尤其是工業(yè)的不合理發(fā)展，給環(huán)境造成了巨大的壓力，重金屬污染變得嚴(yán)重。如果農(nóng)作物生長在被污染的土壤中，會通過食物鏈直接影響人類的健康。因此，面對比任何一個國家都嚴(yán)峻的污染現(xiàn)狀，需要找到治理污染方法和解決污染的思路。

1土壤重金屬污染的嚴(yán)重性及常用治理方法

土壤重金屬污染途徑包括自然方式和人類活動。自然方式主要是巖石的分化，人類活動主要是礦山開發(fā)、金屬冶煉、農(nóng)藥等使用。

目前，重金屬造成的環(huán)境污染已成為世界范圍內(nèi)的嚴(yán)重問題。工業(yè)化的發(fā)展， 干擾了自然平衡的生物地球化學(xué)循環(huán)，使得這一問題愈發(fā)的嚴(yán)重。對于生物來說，超過閾值的重金屬濃度會產(chǎn)生不利影響，并干擾正常運(yùn)轉(zhuǎn)的生物系統(tǒng)。植物在重金屬脅迫下，其根系生長受到影響，細(xì)胞膜透性增大，植物抗氧化酶系統(tǒng)和光合系統(tǒng)遭到破壞，并對基因產(chǎn)生毒害。與有機(jī)物質(zhì)不同，土壤重金屬基本上不可降解，會在環(huán)境中不斷累積，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，農(nóng)作物減產(chǎn)和農(nóng)作物品質(zhì)下降。另外，由于生物的富集作用，土壤重金屬最終還可能通過食物鏈進(jìn)入人體，其潛在危害極大。因此，重金屬污染具有隱蔽性，毒性大，長期性和不可逆性的特點(diǎn)。僅在中國就有2.88×106 hm2土地由于礦山開采而遭到污染破壞，并以平均每年46 700 hm2的速度在不斷增加，最終導(dǎo)致水土流失、異地污染等環(huán)境問題，這些遭到污染破壞的土地幾乎完全沒有植被的覆蓋[1]。

為了減少重金屬污染對生態(tài)系統(tǒng)的影響，必須對已經(jīng)污染的土壤進(jìn)行治理。治理方法要綜合考慮成本以及技術(shù)，因此非常具有挑戰(zhàn)性。目前不同的物理、化學(xué)和生物方法已被用于此。傳統(tǒng)的治理方法包括土壤焚燒、挖掘和填埋、土壤清洗、土壤沖洗、凝固和電固定[2-3]。由于物理和化學(xué)方法受到成本高、勞動力大、土壤改變的不可逆性、本地菌群等因素的制約，以及可能產(chǎn)生的二次污染，因此有必要研究成本低、效益高、環(huán)境友好的治理土壤重金屬污染的方法。植物修復(fù)被認(rèn)為是一個可供選擇的治理重金屬污染問題的新型的綠色方法。

2土壤重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)

2.1土壤重金屬植物修復(fù)的概念

植物修復(fù)是指利用植物和相關(guān)的土壤微生物來減少土壤中污染物濃度或毒性的方法，它是一種新型、高效、低成本的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)，具有就地適用的特點(diǎn)，是一種以太陽能驅(qū)動來整治的策略。植物修復(fù)不會影響表土，因此可以提高土壤肥力。

綠色植物必須具有攝取環(huán)境污染物和通過各種機(jī)制實(shí)現(xiàn)其解毒的巨大能力。相對于其它修復(fù)措施，植物修復(fù)具有較低的實(shí)施和維護(hù)成本。植物修復(fù)的成本比其它治理方法少5%[4]。同時，植被修復(fù)作用于土壤污染的方法，也有助于防止金屬進(jìn)一步侵蝕和浸出。

2.2土壤重金屬植物修復(fù)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

植物修復(fù)的核心技術(shù)在于超富集植物的選取，主要要用野外調(diào)查采樣和溫室栽培的方法，并對植物進(jìn)行測量和分析。野外調(diào)查采樣主要目的是選擇植物和采集備用土壤。通過配置不同梯度的重金屬土壤濃度，進(jìn)行栽培，測量植物的生長情況，測定是否為超富集物種。

技術(shù)指標(biāo)包括以下幾個方面的內(nèi)容：①萌發(fā)率和存活率：在植物生長初期重金屬對植物的影響作用。②生理指標(biāo)的測定：株高、莖粗和葉綠素含量，酶活性、丙二醛、脯氨酸等生理指標(biāo)，可以了解重金屬對植物生理活動的影響。③重金屬耐性范圍：超富集植物對重金屬濃度的耐性不是無限的，而是在超過一定限度后，如同其他植物一樣會表現(xiàn)出重金屬的毒性。確定重金屬的耐性范圍，有利于植物更好地應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的污染土壤中。④植物體中的金屬含量：包括植物根莖葉中的重金屬含量，確定了富集重金屬的有效植物組織，便于進(jìn)一步優(yōu)化選擇超富集植物。⑤生物重金屬富集系數(shù)：反映植物對重金屬富集程度的高低或富集能力的強(qiáng)弱。BCF=Cp/Cs，其中，Cp為植物地上部分重金屬含量，Cs為沉積物中重金屬含量。重金屬富集系數(shù)是指植物某一部位的元素含量與土壤中相應(yīng)元素含量之比，它在一定程度上反映著沉積物與植物系統(tǒng)中元素遷移的難易程度，說明重金屬在植物體內(nèi)的富集情況。

2.3土壤重金屬植物修復(fù)的選取原則

在重金屬污染土壤中，植物提取重金屬是主要和最有用的植物修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)的效率取決于許多因素，如土壤性質(zhì)、重金屬的形態(tài)和植物物種等。適合植物提取植物最好應(yīng)具備以下特點(diǎn)：①較高的生長速度；②具有良好的地上生物量；③廣泛分布和高度支化的根系統(tǒng)；④對土壤中的多種目標(biāo)重金屬積累；⑤累計(jì)重金屬向地上的易位；⑥對目標(biāo)重金屬毒害作用的抗性；⑦良好適應(yīng)環(huán)境適應(yīng)能力；⑧抗病原體和害蟲；⑨易栽培和收獲方便；⑩排斥食草動物，以避免食物鏈的污染。

一種植物的修復(fù)潛力，主要受兩個關(guān)鍵因素決定，富集的金屬濃度和產(chǎn)生的生物量。兩種不同的方法已經(jīng)測試植物修復(fù)重金屬：①使用超富集的，即產(chǎn)生相對較少的地上生物量但積累目標(biāo)重金屬到更大的程度。②其它植物，其積聚重金屬程度低，但產(chǎn)生更多的生物量，整體的重金屬積累量與超富集植物的累積量相當(dāng)。Chaney等人研究發(fā)現(xiàn)，在植物修復(fù)中超積累和超抗性比高生物量更重要[5]。因?yàn)槔贸患参飼a(chǎn)生豐富的金屬和低體積的生物量，在金屬回收和無害化處理時，是經(jīng)濟(jì)的和易于處理的，相反，使用非富集植物將產(chǎn)生一個低濃度金屬富集體，比較大的生物量在回收處理時不經(jīng)濟(jì)。如果植物提供了一個增長期多次收獲，如三葉草屬，可能在植物修復(fù)重金屬方面具有巨大潛力[6]。與灌木和喬木相比，草具有較高的生長率，較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，較高的生物生長量等[7]。一些研究人員利用作物（如玉米，大麥）進(jìn)行植物修復(fù)重金屬[8-9]，當(dāng)然重金屬污染程度都需要降低到污染可接受的水平，作物修復(fù)的缺點(diǎn)是可能使食物鏈?zhǔn)艿接绊?。目前，探索新的超富集植物依然是熱點(diǎn)。

3超富集植物的研究

3.1超富集植物的概念

超富集植物成為植物修復(fù)技術(shù)比較重要的研究內(nèi)容，指可以在重金屬土壤上生長并在組織器官中積累大量重金屬，其富集水平遠(yuǎn)超過大多數(shù)物種的平均水平，并且沒有表現(xiàn)出重金屬毒害癥狀的植物。超富集植物的三個基本特征：對重金屬吸收能力強(qiáng)，吸收速率快和更大的葉中重金屬解毒和隔離能力[10]。超富集植物一般對重金屬元素的吸收具有專一性，但也有少數(shù)超富集植物可同時超富集兩種或多種元素[11]。

1583年意大利植物學(xué)家Cesalpino第一次發(fā)現(xiàn)黑色巖石上生長的特殊植物，這是對超富集植物最早的認(rèn)識和報(bào)道，此后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些具有富集重金屬特性的植物[12]。1977年Brooks首次提出超富集植物的概念[13]，1983年Chaney提出利用超富集植物消除土壤重金屬的思想[14]。隨后超富集植物研究增多，約450種被子植物已經(jīng)確定為超富集重金屬的植物（砷，鎘，鈷，銅，錳，鎳，鉛，銻，硒，鉈，鋅），占所有已知物種的比例小于02%[15]。不過，隨著研究的進(jìn)展，已有越來越多的超富集植物被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。因此可以推測，許多尚未確定的超富集植物可能依然存在于自然界。

3.2超富集植物試驗(yàn)成功的案例

超富集植物試驗(yàn)成功的例子比較多，本文著重對砷元素富集的植物進(jìn)行研究總結(jié)。較早發(fā)現(xiàn)可以富集As的植物是陳同斌，1999年他發(fā)現(xiàn)超富集植物蜈蚣草的葉片含有高達(dá)5 000 mg·kg-1[16]。研究發(fā)現(xiàn)，蜈蚣草的羽片中最高可含有5 070 mg·kg-1。實(shí)驗(yàn)說明，蜈蚣草對As有很高的富集能力。Ma等人也有類似的研究發(fā)現(xiàn)，歐洲蕨對As具有很強(qiáng)的超富集能力。韋朝陽等發(fā)現(xiàn)了另一種可以富集As的植物大葉井口邊草，其地上部分平均含As量為418 mg·kg-1 ，量高可含有694 mg·kg-1，其生物富集系數(shù)為13～48[17]。對于As富集的機(jī)制，Singh等研究蜈蚣草發(fā)現(xiàn)，As被吸收后主要富集在羽葉中，莖部在此過程中起著重要流通作用，當(dāng)As濃度低時， As主要轉(zhuǎn)移到幼葉中，當(dāng)As濃度較高時，會將As轉(zhuǎn)移到老葉中，這樣就有效的降低As對植物本身的毒害程度[18]。因此，可以把As的這種重金屬防御機(jī)制，叫做物理區(qū)域化防御機(jī)制，是一種很有效的解毒途徑。富集As植物名錄見表1。

3.3土壤重金屬植物修復(fù)的不足

雖然超富集植物可以用于重金屬污染的修復(fù)，但超富集植物的發(fā)現(xiàn)到真正的植物修復(fù)還有很長的路要走，因?yàn)橹亟饘傥廴镜闹参镄迯?fù)存在一些固有的局限：①超富集植物更多時候只能在一種重金屬污染中成長，兩種重金屬以上的復(fù)合污染無法生長；②大多數(shù)金屬超富集植物生長緩慢，周期長，生物量小；③土壤中的金屬離子難于和植物結(jié)合，限制了植物吸收重金屬的效率；④修復(fù)的重金屬濃度在低到中等水平，污染植物生長無法在重度污染的土壤；⑤本地超富集植物的選擇會使食物鏈污染，存在潛在危險，而最初提出的植物修復(fù)必須使用本地物種；⑥超富集植物吸收重金屬后，收獲后無法及時處理；⑦超富集植物本身需要的光照、水分、土壤等，在現(xiàn)實(shí)條件中受到約束后甚至無法生長。

植物修復(fù)的研究和應(yīng)用是一個相對較新領(lǐng)域，大多數(shù)的研究是在實(shí)驗(yàn)室和溫室，僅有少數(shù)植物修復(fù)的效率研究測試在實(shí)際的條件下，實(shí)際條件下的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室或溫室條件是不同的。因?yàn)楝F(xiàn)場條件是一個真實(shí)的世界，不同的因素同時發(fā)揮自己的作用，可能影響植物修復(fù)效率包括溫度、營養(yǎng)、和水分，植物病原體，分布不均的污染物，土壤類型，土壤pH值，和土壤結(jié)構(gòu)等。

4展望

針對已經(jīng)做得實(shí)驗(yàn)，我們要注意重金屬的植物修復(fù)效率，必須在現(xiàn)場條件下。實(shí)驗(yàn)研究要識別的所富集區(qū)域的性狀，通過常規(guī)育種技術(shù)或通過使用雜交的新方法來增加富集重金屬的含量。把不同富集植物的理想特性組合成一個單一的植物品種，最終實(shí)現(xiàn)植物修復(fù)的目的，或許可以通過基因工程，但是外源基因的表達(dá)前提必須是避免傷害生物圈。

盡管有許多挑戰(zhàn)，植物修復(fù)仍然被認(rèn)為是一個綠色的修復(fù)技術(shù)，并具有的巨大潛力。未來植物修復(fù)的方向?yàn)橐韵聨讉€方面：①植物修復(fù)研究本質(zhì)上是跨學(xué)科的，因此需要研究人員來自不同的背景，擁有土壤化學(xué)，植物生物學(xué)，生態(tài)學(xué)和土壤微生物學(xué)背景知識，以及環(huán)境工程的相關(guān)知識[37]；②植物的多樣性，要求我們繼續(xù)尋找新的有效的超富集植物；③轉(zhuǎn)基因植物應(yīng)用于植物修復(fù)中，需要同時建立轉(zhuǎn)基因風(fēng)險評估防止體系；④更多植物修復(fù)研究應(yīng)選擇在現(xiàn)實(shí)條件下。⑤更多的研究應(yīng)該深入理解重金屬、土壤、微生物和植物根系之間的相互作用；⑥重點(diǎn)分析植物組織中金屬離子的積累和耐受性。

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（責(zé)任編輯：鄭京津）