重金屬污染土壤植物修復(fù)研究現(xiàn)狀與展望

任海彥 胡健 胡毅飛

摘要：近年來，重金屬污染土壤的情況日益嚴(yán)重，植物修復(fù)技術(shù)以其低廉、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)成為研究熱點(diǎn)。已知的大多數(shù)超富集植物由于生物量、根莖類型等生物學(xué)特性和生理特征不同而具有一定修復(fù)重金屬污染土壤的能力。根據(jù)植物的重金屬富集指數(shù)（BCF），即植物體內(nèi)重金屬含量與土壤中重金屬含量的比值，將植物修復(fù)能力分為較強(qiáng)（BCF>1）、中等（0.1 關(guān)鍵詞：土壤污染;重金屬;植物種;植物修復(fù)

中圖分類號(hào)： X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2019）01-0005-07

土壤環(huán)境質(zhì)量的改善與修復(fù)一直以來是國內(nèi)外普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。歐洲及美、日、澳等國家近年來都逐步制定了土壤修復(fù)計(jì)劃，重點(diǎn)研發(fā)土壤修復(fù)技術(shù)，使這項(xiàng)技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。我國對(duì)土壤修復(fù)的研究則相對(duì)落后，但已日趨成為國家關(guān)注的重點(diǎn)。2016年5月28日國務(wù)院發(fā)布的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》顯示，計(jì)劃到2020年，我國受污染耕地的有效利用率可以達(dá)到90%左右，污染地塊的有效利用率達(dá)到90%以上。鹽堿地和重金屬等污染土壤的修復(fù)手段和方法已經(jīng)成為當(dāng)前我國的研究重點(diǎn)。已知傳統(tǒng)的物理、化學(xué)、工程措施等修復(fù)方法因成本高、效率低、破壞土壤生態(tài)平衡等劣勢(shì)不宜被采納[1-3]，而運(yùn)用植物修復(fù)污染土壤則以修復(fù)潛力大、低成本、原位修復(fù)、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[4-7]。作為綠色生物技術(shù)，植物修復(fù)技術(shù)利用植物及其根系微生物群落吸附土壤中的污染物，通過植物降解（phytodegradation）、植物促進(jìn)（phytostimulation）、植物穩(wěn)定（phytostabilization）、植物提?。╬hytoextraction）、植物過濾（rhizofiltration）5個(gè)途徑達(dá)到修復(fù)土壤的效果[8-13]。究竟如何將具備修復(fù)污染土壤能力的植物種分類以及對(duì)其修復(fù)能力進(jìn)行定量分析還知之甚少。本文根據(jù)植物耐性、抗性和富集不同重金屬的能力，概括總結(jié)了目前常見的具有重金屬污染土壤修復(fù)功能的植物，以期為進(jìn)一步有效合理地利用植物修復(fù)污染土壤提供參考和依據(jù)。

1 我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀

我國當(dāng)前土壤環(huán)境質(zhì)量惡化，土壤污染形勢(shì)嚴(yán)峻。當(dāng)土壤中的有害物質(zhì)量超過其自凈能力，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)、功能以及微生物組成和多樣性等改變，影響到地上部分種植的作物，進(jìn)而被人體間接吸收，危害到人體健康時(shí)，即為土壤污染。最新統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，全國土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，重金屬污染耕地占總耕地面積的20%左右，部分地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留超標(biāo)率近20%[14]。土壤污染類型多樣，原因復(fù)雜，根據(jù)污染物種類分為四大類：重金屬污染（鎘、鉛、砷、鎳等）、放射性污染（銫、鍶等）、無機(jī)污染（酸、堿、氯等）和有機(jī)污染（有機(jī)農(nóng)藥、酚類、苯并芘等）[15-17]。其中，重金屬污染和有機(jī)污染因其污染程度高、面積大而倍受關(guān)注，其土壤中污染物的含量和背景值如表1所示。其中，重金屬鎘和多環(huán)芳烴的點(diǎn)位超標(biāo)率分別達(dá)到了7.0%和1.4%。土壤污染的主要來源為大氣干濕沉降、工業(yè)三廢（廢渣、廢水、廢氣）的排放、化肥與農(nóng)藥的過量使用等[2，13]。

2 重金屬污染土壤植物修復(fù)現(xiàn)狀

植物修復(fù)技術(shù)通過選用重金屬元素耐性和抗性較高的超富集植物種植于土壤污染地以實(shí)現(xiàn)改良土壤的效果[19-20]。理想的可選植物通常具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：生長速度較快，周期較短;生物量較大;抗蟲抗病能力強(qiáng);對(duì)高濃度的污染物忍耐性強(qiáng)，一般不會(huì)發(fā)生植物毒害現(xiàn)象[21]。影響植物吸收重金屬的因素主要有土壤溫度和水分、化學(xué)元素、有機(jī)酸、土壤酸堿度等[22-24]。植物修復(fù)有2種途徑，一種是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;另一種是通過植物根部吸收、地上部揮發(fā)達(dá)到對(duì)重金屬的消減、凈化、去除的效果。植物修復(fù)的方式有植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)、植物提取、植物促進(jìn)。植物穩(wěn)定即通過植物根部特殊物質(zhì)使得污染物轉(zhuǎn)化為相對(duì)無害物的方法;植物揮發(fā)指通過植物根部或根部微生物使其形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)揮發(fā)，或植物將重金屬吸收到體內(nèi)后轉(zhuǎn)變成氣態(tài)物質(zhì)釋放到空氣中;植物提取指通過超富集植物積累重金屬后對(duì)富集部位進(jìn)行刈割等處理使土壤中重金屬減少[25-26];植物促進(jìn)則是植物本身不能吸收利用重金屬，但其根部分泌物可以促進(jìn)根部微生物吸收或釋放土壤中的重金屬[19-20，27-28]。

植物修復(fù)技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，相比于其他物理、化學(xué)、微生物的修復(fù)技術(shù)而言，此項(xiàng)技術(shù)可以在修復(fù)土壤的同時(shí)凈化空氣與水體，改善環(huán)境，而且有利于生態(tài)環(huán)境，它的成本比物理化學(xué)修復(fù)方法要低很多。當(dāng)然植物修復(fù)也存在不少問題，如修復(fù)周期長、修復(fù)植物對(duì)污染源的強(qiáng)選擇性、可選植物有限等。

我國在植物修復(fù)篩選方面的研究工作雖晚于國外，但也取得了不少成果，本文統(tǒng)計(jì)出了當(dāng)前國內(nèi)外研究較多的重金屬污染土壤的超富集植物（表2），總結(jié)了近年來發(fā)現(xiàn)的常見土壤修復(fù)植物及其基本修復(fù)特征（表3）。不同植物種類對(duì)土壤的修復(fù)效果不同，其修復(fù)能力可根據(jù)富集系數(shù)（BCF）來判斷，富集系數(shù)的高低對(duì)應(yīng)植物種修復(fù)能力的高低[29-32]。以重金屬富集植物為例，重金屬富集系數(shù)等于植物體內(nèi)重金屬含量與土壤（或沉積物）中重金屬含量的比值，小于0.1的為較低修復(fù)能力，大于1的為較強(qiáng)修復(fù)能力，大于0.1且小于1的為中等修復(fù)能力[33]。圖1比較了不同物種對(duì)同種土壤中重金屬鉛和鎘含量的富集能力，對(duì)于鉛污染土壤而言，物種富集能力排序?yàn)楦呱狡峁貌荩℉erba saginae Japonicae）>柳葉箬（Isachne globosa）>香根草（Vetiveria zizanioides）>小鱗苔草（Carex gentilis），對(duì)于鎘污染土壤而言，物種吸附能力排序?yàn)槿~芽阿拉伯芥（Arabidopsis halleri）>天藍(lán)遏藍(lán)菜（Thlaspi caerulescens）>寶山堇菜（Viola baoshanensis）>印度芥菜（Brassica juncea）。由表2可知，重金屬（鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、鋅）超富集植物多分布在禾本科、十字花科、豆科、菊科等。其中，比較有代表性的植物有東南景天（Sedum alfredii）、小鱗苔草、苧麻（Boehmeria nivea）、酸模（Rumex acetosa）、乳漿大戟（Euphorbia esula）、天藍(lán)遏藍(lán)菜、紫花苜蓿（Medicago sativa）等。其他可改良土壤的植物如具有水土保持功能的鴨茅（Dactylis glomerata），耐土壤鹽堿化的毛苕子（Vicia villosa）、翅堿蓬（Suaeda australis）、芨芨草（Achnatherum splendens）等均能夠從不同角度改良土壤。修復(fù)植物中的牧草，如紫花苜蓿、紅三葉草（Trifolium pratense）、菊苣（Cichorium intybus）、披堿草（Elymus dahuricus）、香根草等因?qū)ν寥镭汃ぁ⒏珊?、鹽漬化等惡劣環(huán)境具有更高的抗性而倍受青睞。尤其在生態(tài)修復(fù)方面，禾本科牧草和豆科植物經(jīng)常被用于退耕坡地的水土保持、小流域治理、沙漠化防治以及干旱地鹽漬化改善等[34-36]。具有多種修復(fù)功能（修復(fù)多種重金屬元素或有機(jī)、無機(jī)污染源等）的植物種通常都是具有較強(qiáng)修復(fù)能力的重點(diǎn)研究對(duì)象。此外，植物修復(fù)技術(shù)還擴(kuò)展了多個(gè)研究方向，包括絡(luò)合誘導(dǎo)強(qiáng)化修復(fù)、不同植物套作聯(lián)合修復(fù)、修復(fù)后植物處理處置的集成技術(shù)等[27，37-40]。

植物本身的功能群類型、多樣性、植物基因組成和根系的發(fā)展對(duì)土壤及土壤微生物有著重要的影響。例如有研究結(jié)果證實(shí)了重金屬鋅超富集性狀的調(diào)控基因受管家（housekeeping）基因控制[27，41-43];土壤修復(fù)植物通常根系發(fā)達(dá)，根毛稠密，根系分泌物中都含有大分子有機(jī)酸，如檸檬酸、蘋果酸，與重金屬結(jié)合會(huì)降低重金屬對(duì)植物體毒性，促進(jìn)植物吸收重金屬等方式來吸收土壤中的污染物質(zhì)[15，44-46]。在大量理論研究的基礎(chǔ)上，如何提高植物修復(fù)效率、減少修復(fù)成本、擴(kuò)展修復(fù)植物種群等問題是目前植物修復(fù)技術(shù)需要解決的難點(diǎn)和重點(diǎn)。其中，運(yùn)用微生物與其共生植物的互作關(guān)系強(qiáng)化植物修復(fù)功能是新興的一項(xiàng)行之有效的技術(shù)創(chuàng)新。微生物菌分泌的抗生素、生長調(diào)節(jié)劑等多種物質(zhì)能夠大大增強(qiáng)植物的抗性[43，47-48]。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是篩選降解能力強(qiáng)的菌根真菌和共生植物。在植物篩選過程中，能同時(shí)兼?zhèn)?種以上修復(fù)能力的物種（如同時(shí)修復(fù)2種或2種以上重金屬）對(duì)修復(fù)土壤起到至關(guān)重要的作用。開發(fā)和培養(yǎng)具有多方面抗性的普適種進(jìn)而挖掘復(fù)合型污染土壤的治理方法，并深入探索其土壤修復(fù)機(jī)制成為國內(nèi)外科研工作者面臨的挑戰(zhàn)。

對(duì)于修復(fù)污染土壤的植物，可以將其作為飼料飼喂畜禽，如修復(fù)銅鋅污染土壤的植物可以用作飼料飼喂動(dòng)物來補(bǔ)充動(dòng)物生長所需微量元素銅鋅含量[33，49-50];還有研究顯示，為了恢復(fù)污染土壤種植一些無直接使用價(jià)值的植物會(huì)引起農(nóng)民抵觸，而種植油葵、油菜等產(chǎn)油、高產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)作物，既可以在一定程度上恢復(fù)土壤，又可以帶來一定經(jīng)濟(jì)收入，還不會(huì)對(duì)人體健康造成影響[51-52]。

3 研究方向展望

根據(jù)目前國內(nèi)外植物修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀，其應(yīng)用和發(fā)展具有很大的前景。本文認(rèn)為以下幾個(gè)方面的研究應(yīng)予以加強(qiáng)和深入：（1）深入植物修復(fù)土壤的機(jī)制研究，加強(qiáng)復(fù)合型修復(fù)植物的篩選工作。植物物種抵御性強(qiáng)，對(duì)土壤污染源具有較強(qiáng)的選擇性，很難在多種污染地上應(yīng)用，但土壤環(huán)境多為多種污染源復(fù)合污染，因此具有復(fù)合功能的植物篩選研究有待進(jìn)一步開發(fā)。（2）加強(qiáng)現(xiàn)有土壤修復(fù)植物的育種和馴化，提高其生物量和生長速率，加快其修復(fù)效率。（3）結(jié)合分子生物學(xué)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將修復(fù)植物的耐受基因和超富集性狀的調(diào)控基因轉(zhuǎn)入普通植物體內(nèi)[44]，改善植物生長特性，最終雜交得到修復(fù)型基因工程植物。（4）開展多種植物聯(lián)合修復(fù)，喬木灌木草本優(yōu)化搭配，修復(fù)植物和農(nóng)作物通過農(nóng)業(yè)措施合理配置，構(gòu)建高效的生態(tài)修復(fù)群落。（5）開展對(duì)修復(fù)植物的回收利用、安全填埋和資源化利用方面的研究，使其最大程度地發(fā)揮功效，避免二次污染。（6）研究微生物聯(lián)合植物修復(fù)，探索植物根圈、根際微生物對(duì)植物修復(fù)的作用。關(guān)鍵環(huán)節(jié)是篩選降解能力強(qiáng)的菌根真菌和共生植物。有效運(yùn)用能促進(jìn)植物生長的根際細(xì)菌或真菌與植物的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)根際強(qiáng)化技術(shù)和微生物-植物協(xié)同修復(fù)技術(shù)的創(chuàng)新。（7）植物型土壤修復(fù)劑的開發(fā)與應(yīng)用。植物根系分泌物的有機(jī)酸、螯合劑等能夠合成添加劑以修復(fù)土壤。城市污泥、橄欖油廢渣等也是很好的植物修復(fù)材料[27，39-40]。充分利用植物特性，開發(fā)可生物降解的螯合劑具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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