植物修復重金屬污染土壤的研究進展

王靜 劉如

摘 要：土壤重金屬污染直接影響植物生長和農(nóng)作物的品質，并通過食物鏈對人類的生命健康造成威脅。植物修復是一種環(huán)境友好型修復技術，具有廣闊的前景，主要包括植物固定、植物提取、植物揮發(fā)。但通常高富集和超積累植物因其生長緩慢、生物量小等缺點，難以高效地應用于實際土壤修復治理。該文介紹了植物修復的概念和原理，綜述了強化植物修復土壤重金屬的進展。

關鍵字：植物修復;重金屬;土壤污染

中圖分類號 X53文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）16-0110-03

Abstract：Soil heavy metal pollution directly affects plant growth and crop quality，and poses a threat to human life and health through the food chain. Phytoremediation is an environmentally friendly remediation technology with broad prospects，including phytostabilization，phytoextraction andphytovolatilization. However，due to their disadvantages such as slow growth and small biomass，it is difficult to apply high enrichment and super accumulative plants to practical soil remediation and management. In this paper，the concept and principle of phytoremediation were analyzed，and the progress of heavy metal strengthening measures in phytoremediation soil was reviewed.

Key words：Phytoremediation;Heavy metals;Soil contamination

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展，土壤重金屬（Cr、Pb、Ni、Cd、Hg、As等）污染問題越來越嚴重[1]。由于重金屬的隱蔽性、不可降解、難以去除等特點[2]，直接危害植物生長影響農(nóng)產(chǎn)品安全，進而通過食物鏈、食物網(wǎng)進入人體，對人類的健康造成極大的風險[3]。因此，找到一種高效可持續(xù)的土壤重金屬修復方式至關重要。

傳統(tǒng)的土壤修復方式，例如工程治理法（換土、客土、翻土等）成本高昂、工程量大、而且會破壞土體自身結構，物理化學治理技術（電動修復、熱解修復、土壤淋洗等）工藝復雜難以實施、成本費用也相對較高[4]。植物修復也稱為農(nóng)業(yè)修復或綠色修復，是一種綠色可持續(xù)的原位修復方式，是利用植物對重金屬配位體的螯合作用、細胞壁沉淀作用、區(qū)隔化作用等解毒機制[5]將土壤重金屬吸收富集到植物地上部，并收割地上部達到移除重金屬的目的，具有成本低、無二次污染、對周邊環(huán)境干擾小等優(yōu)點[6]。但是由于植物生物量小、生長周期長等缺點，很難在短期內(nèi)達到預期效果，因此需要一些措施強化植物修復，以期提高修復效率。

1 植物修復類型

植物修復重金屬污染土壤可根據(jù)治理的過程和機理分為：植物穩(wěn)定、植物提取、植物揮發(fā)3種不同類型。植物穩(wěn)定是利用植物根系作用將土壤中的重金屬固定在其根系中，從而降低重金屬的活性和生物有效性，或促進其轉化為低毒形態(tài)，降低其危害性[7]。印度芥菜的根能使有毒的、生物有效性高的將Cr6+還原為低毒的、生物有效性低的Cr3+[8]。但是重金屬仍然存在于土壤中，一旦土壤環(huán)境發(fā)生變化，可能會造成二次污染，因此不是一種持久的方法[9]。

植物提取是利用植物將土壤中的重金屬元素吸收富集到植物地上部分，再通過收割地上部分進行處理，在一定程度上能減少或除去土壤中的重金屬污染物[10]。植物提取是目前最常用的植物修復技術，用于修復的植物須具有發(fā)達的地下根系統(tǒng)、快速生長能力以及對重金屬具有較強的耐受性，這類植物通常稱為超積累植物[11]。龍葵和印度芥菜用于治理Cd污染土壤[12]，蜈蚣草用于富集As[13]。

植物揮發(fā)是指利用植物根系分泌物與土壤重金屬發(fā)生反應或通過植物根系的吸收將重金屬元素（主要是Hg、As和Se）轉化成氣態(tài)形式揮發(fā)到大氣中，但是當重金屬揮發(fā)到大氣中會對大氣造成二次污染[14]。

2 植物強化技術

由于單一的植物生物量小、生長周期長和重金屬毒害等是制約因素使其修復很難達到預期效果，因此需要其他技術強化植物修復，目前常用的強化技術主要包括農(nóng)藝強化、化學強化、基因工程強化、接種根際微生物強化等措施。

2.1 農(nóng)藝強化 農(nóng)藝措施強化是現(xiàn)階段植物修復強化中最綠色的措施之一，具體包括施肥、水分管理、育種等技術。其中施肥是最常用的傳統(tǒng)農(nóng)藝措施之一，施肥不僅能促進植物生長，還可以改變土壤pH，進而影響重金屬的活性促進植物吸收，常用的肥料有氮、磷、鉀肥等[15]。聶俊華采用溫室土培方法研究表明，適量的N和K可促進超富集植物羽葉鬼針草、綠葉莧菜和紫穗槐生物量的增加并提高植物對Pb的吸收，但過量N和K會抑制植物對Pb的吸收，而P則極顯著降低植物對Pb的吸收[16]。陳同斌通過田間試驗研究表明，適量磷肥不僅促進蜈蚣草的生長還顯著提高植物對As的修復效率[17]。水分是植物生存的必要因素之一，適量灌溉有助于植物生長，而干旱或洪澇則會導致植物爛根或枯萎抑制植物生長。雖然某些超積累植物（例如蜈蚣草）可以在較為干旱的地方正常生長，但是有研究表明過度缺水會削弱其修復能力[18]。

2.2 化學強化

2.2.1 螯合誘導強化植物修復技術 由于重金屬在土壤中大多數(shù)以不溶態(tài)的形式存在，因此可通過向污染的土壤中添加螯合物提高重金屬的可溶性和生物有效性，促進重金屬進入植物體，提高植物對重金屬的吸收。

螯合劑分為人工螯合劑和天然螯合劑。常見的人工合成的螯合劑有乙二胺四乙酸（EDTA）、乙基三胺五乙酸（DTPA）、氨基三乙酸（NTA）、乙二胺二琥珀酸（EDDS）、谷氨酸N，N-二乙酸（GLDA）等，天然螯合劑有檸檬酸、草酸、酒石酸等[19]。李劍敏采用盆栽實驗研究3mmol·kg-1EDTA能夠促進Pb向芥菜地上部轉移，使地上部的Pb富集總量是不加EDTA的13.1～80倍[20]。曹鐵華研究EDDS和真菌聯(lián)合黑麥草修復Pb污染土壤，結果表明黑麥草的地上部和地下部的Pb富集量分別比對照增加了7.7倍和10.7倍[21]。雖然EDTA強化植物修復效率比較高，但是由于應用到土壤環(huán)境中很難降解存在環(huán)境風險。因此，可生物降解的螯合劑對土壤環(huán)境影響更小[22]。張磊添加4種螯合劑（CA、EDTA、EGTA和EDDS））顯著促進棉花對Cd的吸收[23]。衛(wèi)澤斌采用盆栽實驗結果表明GLDA強化東南景天比EDTA和檸檬酸的修復效率都高，其中施2.5mmol·kg-1GLDA東南景天對Cd和Zn的提取量最高，分別是對照的2.5倍和2.6倍[24]。

2.2.2 植物激素強化植物修復技術 植物激素不僅具有促進種子萌發(fā)和調(diào)節(jié)植物生長以及改善植物抵抗病害能力，還可以加速植物對土壤中重金屬吸收和螯合，進而提高植物修復土壤重金屬污染的效率[25]。已知的植物激素主要有生長素、赤霉素、細胞分裂素、脫落酸和乙烯5類，而油菜素甾醇也逐漸被公認為第六大類植物激素[26]。He采用盆栽試驗研究了1mol/L葉面噴霧促生長激素二乙基氨基己酸乙酯（DA-6）對黑麥草中Cd的提取和解毒作用最有效[27]。

2.3 基因工程強化 基因工程強化修復技術是指把在重金屬修復方面的異源目的基因導入到植物基因中，通過在超積累積植物中表達異源目的基因提高植物對重金屬的絡合、吸收、轉移和揮發(fā)等修復能力，從而強化植物修復對土壤重金屬污染的修復效率[28][28][28]。目前，主要的異源目的基因有植物螯合肽（PCs）、金屬硫蛋白（MTs）和重金屬轉運蛋白等。MTs和PCs與植物對重金屬的解毒機制密切相關[29]。金屬硫蛋白（MTs）和植物絡合素（PCs）含有巰基（-SH）基團，參與重金屬的絡合和解毒，螯合植物細胞質中的重金屬，之后這些復合物通過ATP酶被隔離到液泡中，緩解重金屬對植物的危害[30]。

2.4 根際微生物強化 土壤微生物幾乎參與土壤環(huán)境的一切生理生化活動，在微生物-植物共生系統(tǒng)中，植物根系分泌物為微生物提供充分的營養(yǎng)，這些微生物則分泌植物激素、產(chǎn)鐵載體、有機酸等促進植物生長或增強植物抗逆性[31]。根際微生物通?？梢苑譃楦鼍仓婢?、溶磷微生物和內(nèi)生細菌等[32]。Huang研究蘆葦接種叢枝菌根真菌（AMF）后，不僅緩解了重金屬毒性，還提高蘆葦對Cd的吸收和分布[33]。田曄添加里氏木霉（FS10-C）制菌劑不僅促進海州香薷的生長提高生物量，還有效改善土壤銅的有效態(tài)，提高香薷對銅的吸收[34]。M.Govarthanan將具備產(chǎn)生IAA、ACC脫氨酶、鐵素體和磷酸鹽增溶能力的木霉（Trichoderma sp.MG）添加到向日葵中，可以有效地治理As污染和Pb污染土壤[35]。

3 結論

相對于傳統(tǒng)的物理化學修復措施，植物修復因具備成本低廉、無二次污染、保護土壤結構和符合生態(tài)發(fā)展等優(yōu)點而被廣泛應用[36]。但是單一的植物修復因其受環(huán)境干擾大、修復周期長在實際應用中難以達到預期效果。因此，針對這一弊端，諸多國內(nèi)外學者研究強化植物修復的技術，目前應用比較廣泛的有農(nóng)藝強化措施、化學強化措施、基因工程強化技術、接種根際微生物強化措施等。但是從長遠來看，這些植物修復強化技術還有巨大的改進空間：

（1）高富集和超積累植物通常生長緩慢，生物量低且修復重金屬種類相對單一，因此需進一步篩選和培育生物量更大、生長周期更短的高富集和超積累植物，并且能夠同時富集多種重金屬[37]。

（2）發(fā)揮基因工程技術的作用，將生物量大、具有重金屬抗性和其他逆境抗性的優(yōu)秀基因導入高富集和超積累植物基因中，進一步研究轉基因的生態(tài)安全性問題，轉基因植物遺傳性能等[38]。

（3）科學合理地調(diào)整種植模式、控制土壤水分、合理施用農(nóng)藥、化肥等措施以改善土壤pH、提高土壤微生物的活力，進而改良土壤環(huán)境，提高植物修復效率[39]。

（4）加強對高富集和超積累植物的后續(xù)處理和資源化回收利用研究，使修復植物得到妥善管理，避免造成二次污染。

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（責編：王慧晴）