李氏禾修復(fù)土壤重金屬鉻污染的研究進(jìn)展

熊 超，李建軍，馬曉文，張洪偉

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610065)

鉻是人和動(dòng)物新陳代謝過程中所必須的微量元素，少量的鉻可促進(jìn)動(dòng)植物的生長，但過量的鉻對(duì)動(dòng)植物均有很強(qiáng)的毒害作用，并且具有一定的致癌性[1]。在鉻的各種形態(tài)中，主要以鉻酸根和重鉻酸根形式存在的Cr(Ⅵ)毒性最強(qiáng)。土壤中鉻最初主要來源于巖石風(fēng)化，在自然因素作用下轉(zhuǎn)移到成土母質(zhì)和土壤中。隨著工業(yè)化的不斷推進(jìn)，電鍍、制革及制藥等涉及鉻排放的工業(yè)逐漸發(fā)展，部分鉻污染源所產(chǎn)生的含鉻粉塵、鉻渣及被鉻污染的地下水可通過多種途徑進(jìn)入土壤，進(jìn)而對(duì)土壤環(huán)境造成破壞[2]。鉻易在土壤中積累，通過食物鏈進(jìn)入人體，從而對(duì)人體健康造成危害。同時(shí)，這種不可降解性和累積性使鉻污染土壤的治理變得十分困難[3]。

植物修復(fù)技術(shù)是治理土壤重金屬污染的有效手段之一[4]。土壤植物修復(fù)指直接利用植物把受污染土地的重金屬、有機(jī)物等轉(zhuǎn)移或分解[5]。超富集植物對(duì)特定重金屬元素有超強(qiáng)的吸收能力，與普通植物相比，其對(duì)某種重金屬的富集能力高于一般植物的100倍以上。由于超富集植物在重金屬污染植物修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值和在植物逆境生理研究中的學(xué)術(shù)價(jià)值，逐漸成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。

李氏禾起初作為田間雜草備受關(guān)注，其侵入可導(dǎo)致水稻的減產(chǎn)，甚至絕收[7]。2006年，張學(xué)洪等[3]在某電鍍廠周圍進(jìn)行野外調(diào)查時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了濕生鉻超富集植物—李氏禾，該植物中葉片內(nèi)平均鉻含量高達(dá)1 787 mg/kg。由于其對(duì)重金屬鉻的超富集特性，以及其抗旱、耐淹、耐貧瘠等特性，逐漸引起了重金屬污染防治領(lǐng)域研究者的關(guān)注[8]。目前，關(guān)于李氏禾在土壤重金屬鉻污染植物修復(fù)上的研究主要包括：第一，不同生長條件下，李氏禾對(duì)鉻的超富集性能研究；第二，李氏禾對(duì)多種重金屬的共富集特性研究；第三，李氏禾對(duì)鉻富集的耐性機(jī)制研究；第四，李氏禾生物炭研究及末端處理技術(shù)研究。本研究對(duì)李氏禾的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)其今后發(fā)展進(jìn)行了展望，以期為該植物的推廣應(yīng)用提供參考。

1 不同生長條件下李氏禾的超富集特性

李氏禾在不同生長條件下對(duì)鉻的富集能力有所區(qū)別，研究最適宜李氏禾生長的環(huán)境條件，不僅可以增加李氏禾單株生物量，也可以進(jìn)一步提高其對(duì)土壤中鉻的吸收能力，從而有效降低土壤中鉻的含量。

關(guān)于李氏禾生長的環(huán)境條件的研究，主要包括水分、光照強(qiáng)度、溫度、肥料及外源物質(zhì)等方面。郝文佳等[9]進(jìn)行了不同水分梯度的盆栽實(shí)驗(yàn)，以研究水分對(duì)李氏禾生長的影響。結(jié)果表明，李氏禾在80%和50%水分梯度下生長狀況最好，積累的生物量最多，最大根系長度最長，而在50%和30%水分條件下生長速度最快。因此確定了50%的水分梯度為李氏禾最佳灌溉量；蔡湘文等[10]研究了光照強(qiáng)度和溫度對(duì)李氏禾生長的影響，結(jié)果表明，光照強(qiáng)度達(dá)到3 000 Lx以上時(shí)，李氏禾生長表現(xiàn)最好，生長速度最快，且李氏禾最適宜的生長溫度為25℃。

蔡湘文等[11]指出，在中光照強(qiáng)度和適當(dāng)追肥的共同作用下，李氏禾生長速度變快，且施肥可以增加李氏禾的分蘗數(shù)和最大根系長度[11]。張學(xué)洪等[12]進(jìn)一步研究了不同形態(tài)的氮肥(硫酸銨、硝酸銨和硝酸鈣)對(duì)李氏禾富集鉻的影響，結(jié)果表明，硫酸銨處理后李氏禾的根、莖、葉中的鉻濃度最大，而硝酸銨處理的李氏禾生物量相對(duì)其他處理較高；LIU等[13]研究了李氏禾從土壤中富集鉻的潛力以及肥料、乙二胺四乙酸(EDTA)對(duì)李氏禾攝取鉻的影響，結(jié)果表明，李氏禾對(duì)土壤中鉻富集能力較強(qiáng)，其芽中鉻濃度最高高達(dá)1 844 mg/kg，施加肥料及EDTA等可以增強(qiáng)李氏禾對(duì)鉻的攝取。WU等[14]發(fā)現(xiàn)磷能夠增強(qiáng)李氏禾對(duì)鉻的吸收，而且李氏禾吸收鉻和磷是協(xié)同作用，而非抑制作用。

閆研等[15]研究表明，施加EDTA和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)可促進(jìn) Cr(Ⅵ)從根部向地上部分運(yùn)輸及積累，使總體鉻含量大幅度提高。而水楊酸對(duì)Cr(Ⅵ)的吸收和運(yùn)輸無顯著影響；程志剛等[16]認(rèn)為亞硫酸鈉和腐植酸能明顯提高李氏禾對(duì)鉻的吸收和富集能力，促進(jìn)鉻從李氏禾根向地上部分轉(zhuǎn)移。王文萍等[17]研究認(rèn)為，添加乙醛酸可以促進(jìn)李氏禾體內(nèi)草酸的合成，使鉻更易與草酸結(jié)合生成不溶性的草酸鉻絡(luò)合物，進(jìn)而提高植物對(duì)鉻的耐性和富集能力。

2 李氏禾對(duì)多種重金屬的共富集特性

李氏禾除對(duì)Cr有很強(qiáng)的富集特性外，對(duì)其他重金屬(如Cu、Ni)也表現(xiàn)出較好的富集能力[18～21]，研究李氏禾的對(duì)多種重金屬的共富集特性有利于重金屬的協(xié)同控制。張學(xué)洪[22]研究表明，李氏禾對(duì)土壤中的銅也有較強(qiáng)的富集能力，當(dāng)土壤銅含量達(dá)2 000 mg/kg時(shí)，根、莖、葉中銅含量分別為500.33 mg/kg、335.81 mg/kg和307.89 mg/kg。此外，張學(xué)洪指出[23]，李氏禾可將淤泥和水體中的銅運(yùn)輸?shù)降厣喜?，葉中銅平均含量高達(dá)1 717.85 mg/kg，根和莖中銅平均含量為 533.42 mg/kg，葉中銅含量與水和淤泥中銅含量之比分別為291.88和14.01，進(jìn)而證明李氏禾是一種優(yōu)良的修復(fù)銅、鉻等重金屬污染的植物。張學(xué)洪等[24]進(jìn)一步研究了李氏禾對(duì)鎳的富集能力，發(fā)現(xiàn)李氏禾對(duì)鎳也有很強(qiáng)的富集能力，營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下葉中鎳的含量最高達(dá)到2 926 mg/kg，葉的生物富集系數(shù)最高達(dá)到156.5。

陶笈汛等[25]研究了李氏禾對(duì)土壤中Cr、Cu、Ni復(fù)合污染的耐受和富集能力。結(jié)果表明，100%電鍍污泥中，李氏禾體內(nèi)Cr、Cu、Ni含量分別達(dá)到588.21mg/kg、345.49mg/kg、355.06mg/kg。因此，李氏禾對(duì)較高濃度重金屬復(fù)合污染土壤中的Cr、Cu、Ni有較強(qiáng)的耐性和積累能力，在重金屬復(fù)合污染土壤的植物修復(fù)方面具有一定的潛力。朱昱豪等[19]研究了腐殖酸對(duì)李氏禾生物量、銅和鎳?yán)鄯e量及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響。表明高濃度腐殖酸將抑制李氏禾對(duì)銅、鎳的吸收，低濃度腐殖酸可促進(jìn)李氏禾對(duì)銅、鎳的吸收并提高其對(duì)銅、鎳的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。且在銅、鎳共同培養(yǎng)的環(huán)境下，李氏禾以吸收銅為主。

3 李氏禾對(duì)鉻富集的耐性機(jī)制

關(guān)于李氏禾對(duì)Cr的耐性機(jī)制研究相對(duì)較少，其研究主要包括Cr脅迫下李氏禾體內(nèi)結(jié)構(gòu)變化、李氏禾吸收Cr的動(dòng)力學(xué)特征及Cr的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理等方面。

羅亞平等[4]研究了李氏禾在Cr脅迫下的顯微結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明，受鉻污染的李氏禾根和葉的組織結(jié)構(gòu)與對(duì)照組無明顯差異，但莖的維管束明顯縮小。王文萍等[26]研究表明，在一定 Cr(Ⅲ)濃度脅迫下，添加 Ca2+能有效緩解鉻對(duì)李氏禾的毒害，并且可提高植物體內(nèi)不溶性草酸的含量，進(jìn)而促進(jìn)植物富集并增強(qiáng)對(duì)鉻的耐性。韓文等[2]從李氏禾根部分離出一株具有較強(qiáng) Cr(VI)抗性的內(nèi)生細(xì)菌 G04，研究表明G04 菌株具有較好的應(yīng)用潛力，既有可能直接用于土壤和水環(huán)境中鉻污染的修復(fù)，也有可能作為修復(fù)鉻污染的后備菌株，此外可為深入研究李氏禾的鉻積累機(jī)制提供參考依據(jù)。

LIU[27]研究表明，李氏禾攝取Cr(Ⅲ)滿足米-門方程，米氏常數(shù)為129.9 mol/L。鐵(Ⅲ)對(duì)Cr(Ⅲ)攝取有拮抗作用，且李氏禾對(duì)Cr(Ⅲ)的攝取可能通過植物中的鐵(Ⅲ)離子通道進(jìn)行。盧媛媛等[28]通過盆栽試驗(yàn)，研究了李氏禾根系對(duì) Cr(Ⅵ)的吸收特征。結(jié)果表明，偶聯(lián)劑2,4-二硝基苯酚、ATP 酶抑制劑(Na3VO4)和低溫處理(5℃)均能顯著抑制李氏禾根對(duì) Cr的吸收，并指出李氏禾根部對(duì) Cr的吸收可能與硫酸根吸收體系有關(guān)。

4 李氏禾生物炭研究及末端處理技術(shù)

由于李氏禾對(duì)Cr具有超富集特性，部分研究者嘗試?yán)美钍虾痰娜~片和莖制備生物炭(BLLH)以研究其對(duì)鉻的吸附效果。LI等[29]研究了BLLH吸收Cr(Ⅲ)和Cr(VI)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)及部分機(jī)理，結(jié)果表明，李氏禾對(duì)Cr的吸附過程非常迅速，且吸附過程滿足Langmuir和Freundlich吸附等溫方程。LI等[30]利用X射線電子能譜(XPS)研究了BLLH將Cr(VI)轉(zhuǎn)化成Cr(Ⅲ)過程中電子轉(zhuǎn)移機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，含氧基團(tuán)的質(zhì)子化作用產(chǎn)生對(duì)Cr(VI)的靜電吸附能力，含氮基團(tuán)在“還原-吸附過程”中充當(dāng)電子供體。ZHANG等[31]研究表明，采用BLLH吸附溶液中的Cr(Ⅵ)，紅外光譜結(jié)果顯示OH、-CH2、C=C和C-O官能團(tuán)對(duì)鉻的去除起主要作用，該吸附劑在適宜條件下對(duì)Cr(Ⅵ)的去除效率可達(dá)99.65%，其飽和吸附量為24.91 mg/g，因此證明了BLLH是一種有效的低成本生物吸附劑。吳熾珊等[32]以BLLH為修復(fù)材料，研究發(fā)現(xiàn)BLLH對(duì)尾礦砂中的Pb 和Zn具有良好的鈍化效果，可促進(jìn) Pb、Zn的弱酸提取態(tài)向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，降低其在尾礦砂中的遷移性和生物有效性，并且BLLH添加量為分別為0.2%和0.4% 時(shí)的處理鈍化效果最佳。

關(guān)于李氏禾富集重金屬后的末端處理報(bào)道相對(duì)較少。文先彬[33]通過對(duì)比焚燒法和熱解法評(píng)價(jià)李氏禾的產(chǎn)后處置方式，發(fā)現(xiàn)在減量化和底灰鉻回收率兩個(gè)方面，焚燒法比熱解法更具優(yōu)勢(shì)，且焚燒法最高可以減重90.6%，添加沸石可使焚燒法中底灰中Cr的回收率最高達(dá)到93.3%。

5 展 望

李氏禾對(duì)Cr、Cu、Ni等重金屬都具有較強(qiáng)的富集能力，若將其應(yīng)用在土壤重金屬治理領(lǐng)域，從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上是可行的[34]。目前關(guān)于李氏禾的工程應(yīng)用案列較少，采用李氏禾對(duì)濕地系統(tǒng)的鉻污染進(jìn)行修復(fù)已有部分小試研究，且具有較好的修復(fù)效果[35-36]。李氏禾在工程上的應(yīng)用也有一定的局限性，主要表現(xiàn)在：

第一，李氏禾雖然具有生長快速，整體上生物量較大等優(yōu)勢(shì)，但單株李氏禾生物量較小，因此單株植物對(duì)重金屬的富集量不高。若從基因工程方面入手，改善其生長特性，提高單株生物量，可進(jìn)一步提高其富集重金屬的能力。第二，李氏禾多適宜生長于熱帶及亞熱帶地區(qū)，在北方較寒冷地區(qū)難以正常生長，這一性質(zhì)給李氏禾推廣應(yīng)用造成了局限，可從提升李氏禾耐寒性能方面開展適當(dāng)研究。第三，目前關(guān)于超富集植物的研究，多集中于植物對(duì)重金屬的富集的環(huán)境條件、富集量、耐性及積累機(jī)理等方面，但對(duì)于修復(fù)植物的后期處理問題關(guān)注不多，且技術(shù)尚未成熟。第四，雖然李氏禾中Cr(Ⅲ)的攝取機(jī)制已有部分研究，但對(duì)毒性較強(qiáng)的Cr(Ⅵ)的攝取機(jī)制仍不清楚，有待研究。若從以上方面開展針對(duì)性研究，將有利于促進(jìn)李氏禾的推廣和應(yīng)用。