植物對重金屬污染土壤修復(fù)的研究進(jìn)展

聶司宇

摘 要：重金屬污染土壤是環(huán)境污染中備受關(guān)注的問題之一，威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品安全，并可通過食物鏈富集到人體當(dāng)中，給人類和環(huán)境造成嚴(yán)重危害。植物修復(fù)重金屬污染土壤，具有無二次污染、美化環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。該文闡述了重金屬污染土壤的修復(fù)方法、修復(fù)重金屬污染土壤植物的種類及修復(fù)機(jī)理、植物修復(fù)重金屬污染土壤的強(qiáng)化措施，總結(jié)歸納了目前存在的問題，并對植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：重金屬污染;土壤;植物修復(fù)

中圖分類號 X53文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2020）05-0101-02

Research Progress on Remediation of Heavy Metal Contaminated Soil by Plants

Nie Siyu

（Henan University Miami College， Kaifeng? 475004， China）

Abstract： Heavy metal contaminated soil is one of the most concerned issues in environmental pollution. It threatens agricultural production， food safety， and can be enriched in the human body through the food chain， causing serious harm to humans and the environment. Phytoremediation of heavy metal contaminated soils has the advantages of no secondary pollution and beautification of the environment. This article expounds the remediation methods of heavy metal contaminated soil， the types and mechanisms of remediation of heavy metal contaminated soil plants， and strengthening measures for phytoremediation of heavy metal contaminated soil， summarizes the existing problems， and prospects for phytoremediation of heavy metal contaminated soil.

Key words： Heavy metal pollution; Soil ; Phytoremediation

1 引言

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量含重金屬的廢水廢料被排放到環(huán)境當(dāng)中，其中以汞、鉻、鉛、鎘的含量最多[1]。據(jù)統(tǒng)計，超過2000萬hm2的土地遭到重金屬污染，每年約有1000萬噸糧食減產(chǎn)，直接經(jīng)濟(jì)損失更是數(shù)不勝數(shù)[2]。修復(fù)重金屬污染土壤有多種途徑，包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)以及聯(lián)合修復(fù)，其中生物修復(fù)中的植物修復(fù)因其環(huán)境友好的特點(diǎn)被廣泛研究。在中國知網(wǎng)中查到相關(guān)文獻(xiàn)1303篇。重金屬可以與硫醇或者蛋白質(zhì)結(jié)合，摧毀人體內(nèi)的各種酶結(jié)構(gòu)，紊亂人體代謝活動，也可引發(fā)多種疾病[3]。重金屬在土壤當(dāng)中累積，通過食物鏈最終到達(dá)人體中，給自然環(huán)境和人類健康帶來重大威脅。因此，重金屬污染土壤的修復(fù)迫在眉睫。

2 重金屬污染土壤的修復(fù)方法

重金屬污染土壤的修復(fù)方法大致可分為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)以及聯(lián)合修復(fù)。物理修復(fù)方法指的是在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的前提下將土壤中的重金屬元素進(jìn)行去除，包括客土、換土、深耕翻土法、熱解析法和電動修復(fù)法?；瘜W(xué)修復(fù)方法包括萃取法、氧化還原法、鈍化法等等。這2種方法因成本高、容易造成二次污染而沒有得到廣泛應(yīng)用。

生物修復(fù)方法指的是利用動物，植物，微生物來凈化土壤。其中植物包括蕨類草本植物，經(jīng)濟(jì)類草本及農(nóng)作物和木本植物。聯(lián)合修復(fù)技術(shù)包括植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)、植物-動物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)、植物-化學(xué)淋洗法、植物-化學(xué)固化法、植物-化學(xué)淋洗法-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。生物修復(fù)和聯(lián)合修復(fù)成本低、不會對環(huán)境造成二次污染，且聯(lián)合修復(fù)因結(jié)合多種修復(fù)方式效率大大提高。Huang[4]將蘆葦接種叢枝菌根真菌，研究發(fā)現(xiàn)此方式可降低重金屬毒性，增強(qiáng)蘆葦叢對鎘元素的吸收。Udovic[5]檢測到赤子愛勝蚓存在的土壤pH比沒有其存在的土壤高，蚯蚓的代謝可以改變重金屬的存在形態(tài)，加強(qiáng)鉛元素的生物可利用性。石媛[6]對北京11種樹種累積有毒有害的重金屬的能力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)柳樹對Cu元素的累積量最高。Mishra等[7]對Fe3+污染的土壤進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)叢生菌根真菌可以修復(fù)這樣的土壤。Gove等[8]發(fā)現(xiàn)遏藍(lán)菜與大麥間作可以減少大麥對重金屬Zn的富集，表明遏藍(lán)菜對土壤中Zn具有吸收作用。

3 修復(fù)重金屬污染土壤的植物種類及修復(fù)機(jī)理

3.1 植物種類 常見金屬所對應(yīng)修復(fù)植物如表1。從表中可以看出，一種重金屬元素可被多種植物富集去除，一種植物也可去除多種重金屬元素。

3.2 修復(fù)機(jī)理

3.2.1 植物固定 植物固定是利用植物根系中發(fā)生的一系列反應(yīng)例如氧化還原、重金屬鰲合等，將有毒有害的重金屬固定在植物根部，達(dá)到降低重金屬在土壤中遷移性的目的。Salt等[9]研究發(fā)現(xiàn)某些植物根系的分泌物可使Cr6+轉(zhuǎn)化為Cr3+，降低Cr在土壤中的毒性。

3.2.2 植物提取 植物提取是目前使用最廣泛的一種方法。利用超富集植物的根系富集土壤中的重金屬物質(zhì)并將其轉(zhuǎn)移到地上部分，再對地上部分進(jìn)行收割和后續(xù)處理，達(dá)到減少或者去除土壤中重金屬的目的。

3.2.3 植物揮發(fā) 植物揮發(fā)是利用植物根系分泌物將土壤中的重金屬吸收進(jìn)植物體內(nèi)，再將重金屬以氣態(tài)的形式揮發(fā)到大氣中，達(dá)到減少土壤中重金屬含量的目的。此方法會對空氣造成二次污染，對修復(fù)植物有限制，且空氣中的金屬氣態(tài)物質(zhì)可能會再回到土壤當(dāng)中。因此該方法的應(yīng)用具有一定的局限性和風(fēng)險性，效率不高。

4 植物修復(fù)重金屬污染土壤的強(qiáng)化措施

用單一的植物修復(fù)土壤會有生物量小、生長周期長、受重金屬毒害嚴(yán)重等制約因素，使其修復(fù)的效果并不理想，因此需要強(qiáng)化技術(shù)提高修復(fù)效率。

4.1 農(nóng)藝措施 農(nóng)藝強(qiáng)化技術(shù)是強(qiáng)化技術(shù)中最環(huán)保綠色的技術(shù)。增加水分提高植物光合作用、多施加磷肥、適當(dāng)施加氮肥能夠提高植物修復(fù)效率。聶俊華[10]用溫室土培方法對超富集植物進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明適量的氮肥和鉀肥的施加可提高羽葉鬼針草、綠葉莧菜和紫穗槐的生物量，對重金屬Pb的吸收也隨之提高。

4.2 化學(xué)措施 植物修復(fù)對某些土質(zhì)的土壤處理效果不佳，若在土壤中加入化學(xué)試劑便可加快植物根系對重金屬的吸收速度。化學(xué)強(qiáng)化分為表面螯合劑強(qiáng)化和植物激素強(qiáng)化。使用較多的螯合劑有EDTA、NTA、DTPA、EDDS、GLDA、HEDTA、EGTA、檸檬酸等。植物激素包括脫落酸、生長素、赤霉素、細(xì)胞分裂素和乙烯。曹鐵華[11]對Pb污染土壤進(jìn)行研究，運(yùn)用化學(xué)試劑-微生物-植物聯(lián)合修復(fù)的方法，在污染土壤中加入EDDS、真菌和黑麥草，發(fā)現(xiàn)明黑麥草的地上部分和地下部分Pb富集量分別比對照增加了7.7倍和10.7倍。

4.3 基因工程 基因工程強(qiáng)化技術(shù)是指在植物體內(nèi)導(dǎo)入速生植物的遺傳基因從而增強(qiáng)超富集植物對重金屬的耐受性和富集。Nagata等[12]利用基因工程強(qiáng)化技術(shù)構(gòu)建富集汞元素的優(yōu)質(zhì)載體，得到轉(zhuǎn)基因煙草，提高了煙草對汞的吸收效率。

5 問題和展望

利用植物修復(fù)重金屬污染土壤具有成本低、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些問題：重金屬超累積植物生長周期長、生物量小、易被土壤中重金屬毒害、富集效率低等;一般一種超累積植物只能對一種重金屬元素進(jìn)行富集，當(dāng)多種元素存在土壤當(dāng)中時還有可能對植物產(chǎn)生毒害作用;植物修復(fù)技術(shù)目前只存在于實(shí)驗(yàn)室和大田實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)并不廣泛;超累積植物受土壤中水分、pH、濕度等因素影響大等。

從長遠(yuǎn)來看，有以下幾方面改進(jìn)空間：結(jié)合基因工程，將優(yōu)良品種的基因?qū)胧荏w植物，培養(yǎng)出生長周期短、生物量大、富集效率高、可以同時富集多種重金屬元素的超累積植物;對植物聯(lián)合修復(fù)進(jìn)行深入研究，微生物、化學(xué)物質(zhì)等的加入可以提高植物富集金屬的效率;合理調(diào)整種植模式、控制土壤中水分含量、pH值、增強(qiáng)土壤中微生物活力，提高植物富集重金屬的效率;對修剪下來的植物進(jìn)行資源回收利用，避免二次污染。

參考文獻(xiàn)

[1]韓慧珊.植物—微生物聯(lián)合修復(fù)重金屬污染土壤研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2019（8）：12.

[2]龔繼明.重金屬污染的緩與急[J].植物生理學(xué)報，2014，50（5）：567-568.

[3]羅玉虎.植物修復(fù)土壤重金屬污染的研究進(jìn)展[J].環(huán)境工程，2019（37）：865-872.

[4]Huang X， Wang L， Zhu S， et al. Unraveling the effects of arbuscular mycorrhizal fungus on uptake， translocation，and distribution of cadmium in Phragmites australis（Cav.） Trin. ex Steud[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety， 2018， 149： 43-50.

[5]Udovic Metka， Lestan Domen. The effect of earthworms on the fractionation and bioavailability of heavy metals before and after soil remediation[J]. Environmental Pollution， 2006， 148（2）.

[6]石媛.北京市常見綠化樹種對重金屬和PM2.5的吸滯能力研究[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[7]Mishra Vartika， Gupta Antriksh， Kaur Parvinder， Singh Simranjeet， Singh Nasib， Gehlot Praveen， Singh Joginder. Synergistic effects of Arbuscular mycorrhizal fungi and plant growth promoting rhizobacteria in bioremediation of iron contaminated soils[J]. International Journal of Phytoremediation， 2016， 18（7）.

[8]BJ， JHJ， DYS. Uptake of metals by plants sharing a rhizosphere with the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens[J]. International Journal of Phytoremediation， 2002， 4 （4）： 267-281.

[9]Salt D E， Blaylock M， Kumar N P， et al. Phytoremediation： a novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants[J]. Biotechnology， 1995， 13（5）： 468-474.

[10]聶俊華，劉秀梅，王慶仁.營養(yǎng)元素N、P、K對Pb超富集植物吸能力的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004（05）：262-265.

[11]曹鐵華，牟忠生，王淑萍，等.抗鉛微生物的篩選及EDDS螯合誘導(dǎo)黑麥草修復(fù)鉛污染土壤的效應(yīng)初[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，37（06）：32-34.

[12]Nagata T， Nakamuraa A， Akizawa T， et al. Genetic engineering of transgenic tobacco for enhanced uptake and bioaccumulation of mercury[J]. Biological and Pharmaceutical Bulletin， 2009， 32（9）： 1491-1495. （責(zé)編：張 麗）