土壤的重金屬污染及植物修復技術

魏治鋼

(新疆環(huán)境保護科學研究院 新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風險預警重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830011)

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土壤的重金屬污染及植物修復技術

魏治鋼

(新疆環(huán)境保護科學研究院 新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風險預警重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830011)

指出了土壤是人類賴以生存的最基本的物質(zhì)之一，也是各種污染物質(zhì)的最終歸宿，采取措施對重金屬污染土壤進行修復是必要的。植物修復作為重金屬污染土壤修復技術之一，越來越多地被用于土壤重金屬超標的修復治理之中，闡述了植物修復技術相關機理，并通過實例探究了植物修復技術的應用效果及面臨的問題。

重金屬;土壤;植物修復技術;應用

1　引言

植物修復技術通過利用植物根系吸收水分和養(yǎng)分的過程來吸收、轉(zhuǎn)化污染土壤中的超標重金屬，這樣的過程可以達到清除污染和修復土壤的效果。植物修復技術在1980年提出，此后很快得到了推廣[1,2,6]。研究中將闡述土壤重金屬植物修復的主要機理、常規(guī)修復方法以及典型應用案例等方面內(nèi)容，并就當前存在的問題進行分析及提出改善措施。

2　植物修復技術的抗性機理和富集機理

2.1植物對重金屬的抗性機理

植物對土壤中重金屬抵抗性具體為：如果土壤中的重金屬濃度相當高時，土壤中的重金屬必須通過植物根部細胞膜表面的通道蛋白與H+偶聯(lián)蛋白運輸而進入根部細胞進行細胞跨膜運輸，此時有些植物的生存不會受到傷害或者威脅程度很低，植物可以吸收、運輸營養(yǎng)物質(zhì)。土壤重金屬濃度過高時，植物根部細胞的細胞膜構成了外界環(huán)境與植物內(nèi)環(huán)境之間的一個屏障，不同植物的細胞膜組成差異以及應對變化的能力決定了植物對重金屬抗性的大小[2]，植物細胞可以分泌有機酸等有機物用以改變根部細胞內(nèi)環(huán)境的pH值、Eh值，形成螯合物，用以減小植物所在土壤中活態(tài)重金屬離子含量，重金屬的跨膜運輸即受到抑制。

部分植物在根部吸收了重金屬后，通過內(nèi)部機制可以將重金屬排出體外，達到自身解毒目的，常見的排泄方式是通過植物組織脫落方式。Nies等人對植物吸收和代謝重金屬的過程進行了研究，他認為植物的原生質(zhì)膜可以自動地將吸收的重金屬排出[2]。因此當重金屬進入植物細胞時，能與細胞質(zhì)中的多種物質(zhì)產(chǎn)生反應，進而形成具有復雜結構的整體螯合物，而且在植物組織器官中區(qū)域化分布，可以和細胞內(nèi)部的其他物質(zhì)隔離開來，因而可以降低重金屬的毒性威脅。

2.2植物對重金屬的富集機理

植物對重金屬的耐性是植物在土壤污染區(qū)域生存的必要條件，超富集植物具有耐土壤重金屬的機理，同時也可以超量地吸收以及在體內(nèi)累積重金屬，不過由于研究不夠深入，富集機理至今仍沒有完全研究清楚[4,6]，當前的研究工作主要集中在植物修復的吸收作用、運輸以及重金屬累計方面。

超富集植物吸收重金屬的途徑是活化根際來實現(xiàn)的，所采用的途徑是通過根系分泌的有機酸，用來調(diào)節(jié)根部的酸堿環(huán)境；這些有機酸同樣有助于促進重金屬物質(zhì)的溶解，以及形成螯合物，土壤中的鐵、錳、銅等元素通過根系細胞的高鐵載體促進自身溶解；根部細胞細胞膜表面的還原酶也能將高價態(tài)的重金屬離子還原成低價態(tài)低毒性的離子，繼而增加了重金屬離子在植物細胞內(nèi)環(huán)境中的溶解程度。重金屬在植物中的運輸分為通過根系進入植物木質(zhì)部分，在植物木質(zhì)部分運輸，以及木質(zhì)向葉子及果實等部位的運輸。3個運輸過程速度受到根系壓力和地表植物的蒸騰作用的影響。當土壤中的重金屬進入植物的組織細胞中，呈區(qū)域化分布特點。宏觀上來看，大多數(shù)位于植物皮下組織以及外表皮組織；從微觀的尺度來看，吸收的重金屬物質(zhì)集中在液泡等非植物生理關鍵區(qū)。

3　重金屬植物修復的方法

3.1植物提取技術

(1)持續(xù)植物提取技術。一些重金屬超富集植物(如蜈蚣草、遏藍菜、印度芥菜、東南景天、寶山堇菜等)是土壤重金屬的持續(xù)植物提取技術的關鍵，這些植物可以在其整個生命周期吸取、運輸、累積以及耐受土壤中高濃度的重金屬。植物提取技術的重點在于超累積植物富集土壤重金屬的能力。國外學者進行了相關的研究，Baker等在大田試驗，發(fā)現(xiàn)了遏藍菜(Thlaspicaerulescens)這種超積累植物在土壤含鋅濃度為440 mg/kg時，地面以上部分鋅含量超過了土壤全鋅的大約16倍，如果把土壤含鋅量降低到300 mg/kg的歐盟允許標準，只需種植遏藍菜14次[3,4,6]。

(2)螯合劑是土壤重金屬的誘導植物提取技術的關鍵組成因素，通過對植物施加鰲合劑使土壤固相結合的金屬釋放，加大土壤中重金屬的濃度，可以較大幅度地增強植物對重金屬的吸收和富集能力。此項技術可以用于一些在土壤中極難轉(zhuǎn)移的重金屬元素。相關資料顯示，在玉米、豌豆上施加鰲合劑可使地面以上部的Pb濃度從小于500 mg/kg，增大為大于10000 mg/kg[5，6]。印度的芥菜、玉米、向日葵以及蠶豆等均是良好的重金屬誘導植物。

3.2植物固定技術

自然界存在的一些植物，對土壤中的重金屬擁有很強的富集和耐性，并且植物本身在吸收重金屬的過程中也可以分泌一些物質(zhì)用以轉(zhuǎn)化重金屬的存在形式，降解重金屬的毒性，這個途徑只是利用一些植物來促進重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榈投拘孕螒B(tài)的過程。在這一過程會涉及一些化學變化，如螯合、分解作用、沉淀、氧化還原等，整個過程中土壤重金屬濃度并不會明顯減少，只是在形態(tài)上產(chǎn)生了變化。Kumar等人的實驗表明：當在鉛含量625 mg/kg的土壤盆栽中種植印度芥菜，三周后可以使土壤淋溶液中的鉛濃度從740μg/mL下降為不到22μg/ mL[5～10]。

3.3植物揮發(fā)技術

植物揮發(fā)技術的機理是利用植物根系吸收金屬，將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)揮發(fā)到大氣中，以降低土壤污染。這種技術具有一定的局限性，要求重金屬物質(zhì)在某些狀態(tài)下要具有揮發(fā)性，目前研究來看，Hg和Se這兩種重金屬元素具有揮發(fā)特性，應用也相對較多。例如洋麻、紫云英、印度芥菜等植物中的ATP硫化酶可將Se3+轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的CH3SeCH3+CH3Se2CH3，植物揮發(fā)技術為環(huán)境中具有生物毒性元素的去除提供了一種潛在的可能性。植物揮發(fā)時將環(huán)境中的重金屬轉(zhuǎn)移至大氣，若從區(qū)域整體環(huán)境質(zhì)量考慮，利用植物揮發(fā)修復土壤重金屬污染，應以不損害大氣質(zhì)量為前提[11～12]。

3.4根系過濾技術

利用植物根部過濾，沉淀土壤，富集污染物。目前用于根系過濾的植物有向日葵、印度芥菜、寬葉、香蒲及煙草等。根系過濾主要用于重金屬污染的土壤，也可以是放射性核素如U、Cs或Sr污染的水體。水科植物浮萍和水葫蘆可有效吸收清除水體中的Cd、Cu和As等重金屬。

4　結語

目前植物修復技術既修復了重金屬超標土壤的污染問題，同時也在綠化環(huán)境方面優(yōu)于其他修復手段。超富集植物多為野生植物，對氣候條件的要求也比較嚴格，對土壤肥力、氣候、水分、鹽度、酸堿度、排水與灌溉系統(tǒng)等自然和人為條件有一定的要求，區(qū)域性分布較強，使成功引種受到嚴重限制[13～16]。因此有必要通過運用農(nóng)學、工程學、植物營養(yǎng)學、物理、化學、生物學等手段，為修復植物提供有利的生長發(fā)育和吸收重金屬的環(huán)境，增加土壤中植物可利用態(tài)重金屬的數(shù)量或提升修復植物累積重金屬的能力，以達到提高植物修復效率的目的。

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2016-06-26

魏治鋼(1978—)，男，助理工程師，主要從事環(huán)境保護工作。

S156

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1674-9944(2016)16-0161-02