農(nóng)用地重金屬污染植物提取修復(fù)技術(shù)研究進展*

劉 星 劉曉文 吳穎欣 李 杰 任 杰, 梁普興 張會曦 李穎儀

(1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州 510655；3.佛山市農(nóng)業(yè)科學研究所,佛山市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，廣東 佛山528500)

重金屬在土壤環(huán)境中的積累不僅會導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，還會通過徑流和淋溶作用污染地表水和地下水。重金屬可通過食物鏈在生物體內(nèi)富集，甚至轉(zhuǎn)化為毒性更強的化學形態(tài)，從而威脅人類及其他生物的安全[1-2]。根據(jù)2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》，中國耕地土壤超標率為19.4%，主要以重金屬污染為主，尤以Cd、As危害最大，其中輕微、輕度、中度、重度污染的點位分別占13.7%、2.8%、1.8%、1.1%。從污染的空間分布來看，經(jīng)濟發(fā)達的珠三角洲地區(qū)土壤重金屬Cd、Ni、Cu、As、Hg、Pb污染較為突出。土壤污染已經(jīng)成為影響人們生活環(huán)境、健康和社會安定的重要因素，亟需解決[3]。

農(nóng)用地是指直接用于農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的土地，包括耕地、園地、林地牧草地及其他農(nóng)用地，是十分重要的土地類型。農(nóng)用地重金屬污染具有污染范圍廣、風險篩選值和風險管制值相對較低等特點。傳統(tǒng)的土壤重金屬污染修復(fù)方法有客土法、翻耕法、化學淋洗法、固化穩(wěn)定化法、投加工程菌等。其中，客土法工程量巨大，經(jīng)濟成本高，難以大范圍實施；翻耕法即將表層土壤與較深層土壤混合以降低耕作層重金屬含量，但是土壤中重金屬并沒有被去除，混合后再次達到風險閾值的可能性較高；化學淋洗法分為原位淋洗和異位淋洗，其中異位淋洗工程實施難度大，原位淋洗法雖可有效降低農(nóng)作物生長區(qū)的重金屬含量，但因存在污染地下水的風險不適用于農(nóng)用地修復(fù)；固化穩(wěn)定化過程中施加鈍化劑可以減少土壤中植物重金屬有效態(tài)含量，但仍存在一些弊端[4]，如鈍化劑的環(huán)境風險、修復(fù)的長期穩(wěn)定性等問題。

植物修復(fù)技術(shù)是一種修復(fù)重金屬污染土壤的有效措施，該技術(shù)將植物、土壤微生物和農(nóng)藝措施相結(jié)合，其形式主要包括植物固定、植物提取、植物揮發(fā)和植物過濾，其中植物提取在國內(nèi)農(nóng)用地土壤修復(fù)領(lǐng)域研究較多、應(yīng)用較廣[5]。與傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)相比，植物提取技術(shù)具有成本低、去除重金屬徹底、沒有二次污染等優(yōu)勢。農(nóng)用地又具備獨特的生產(chǎn)條件，如土地平整適于大面積種植富集植物，容易實現(xiàn)規(guī)?；哂型茝V應(yīng)用的可行性。在農(nóng)用地污染區(qū)域，種植合適的富集植物，不僅可以實現(xiàn)“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”,獲得經(jīng)濟效益，還具有美化環(huán)境的生態(tài)效益。

1 植物提取技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 富集植物

富集植物可以有效吸收土壤中的可溶性重金屬化合物。超富集植物是植物提取修復(fù)土壤的重要工具。超富集植物的評判標準主要有3個：(1)臨界量特征。將植物體內(nèi)某重金屬濃度與臨界量相比較，超富集植物體內(nèi)重金屬含量需超過臨界量[6]；(2)富集系數(shù)。富集系數(shù)即某重金屬在植物體內(nèi)含量與土壤中含量的比值，超富集植物對重金屬的富集系數(shù)須大于1；(3)轉(zhuǎn)移系數(shù)。轉(zhuǎn)移系數(shù)即某重金屬在植物地上部分(莖、葉)的含量與地下部分(根)含量的比值，超富集植物對重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)須大于1[7]。常見富集植物及其對重金屬的富集能力見表1。

國外對重金屬富集植物的研究最早可追溯到16世紀晚期[15]，而國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究從20世紀80、90年代開始，相比之下較為滯后。目前國際上發(fā)現(xiàn)的重金屬富集植物達450多種，其中Ni的富集植物最多，達到277種，包括十字花科的香芥菜屬和遏藍菜屬，大戟科的中國葉下珠屬，菊科的千里光屬等；Cu、Co的富集植物代表有唇形科和玄參科。相對而言，國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的富集植物種類較少，且主要為As、Zn、Cd、Mn重金屬富集植物，針對不同重金屬的富集植物分類如表2所示。

1.2 植物提取重金屬的機制

植物正常生命活動需要從環(huán)境中吸收營養(yǎng)物質(zhì)，其中植物生長所必需的金屬元素有Fe、Zn、Cu、Mn等，可以通過膜表面的轉(zhuǎn)運蛋白運輸進入植物細胞；而非必需元素如Cd、Pb、Hg、As等可能通過與植物體內(nèi)的羧基糖醛酸結(jié)合從而進入植物體內(nèi)[16]。植物提取重金屬包括兩種主要機制，分別為抗性解毒機制和區(qū)隔化作用機制。

表1 常見富集植物及其對重金屬的富集能力

表2 富集植物種類

抗性解毒機制是指重金屬在植物體內(nèi)與某種分泌物結(jié)合形成毒性較小的螯合態(tài)，從而降低重金屬對植物的脅迫。谷胱甘肽(GSH)對植物體內(nèi)重金屬的毒性降低發(fā)揮重要作用，GSH是植物螯合肽(PCs)的前體[17]，GSH自身或轉(zhuǎn)化成PCs與重金屬的結(jié)合，降低細胞內(nèi)游離重金屬離子含量，減輕重金屬尤其Cd對植物的毒害[18]。

區(qū)隔化作用機制指植物把吸收的重金屬隔離在其體內(nèi)特定部位以降低重金屬的毒害。液泡在這一過程中發(fā)揮著重要作用，重金屬一旦進入植物細胞中，就被液泡吸收減輕重金屬對植物的直接毒害。已有學者成功利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)來證明這一機制的作用，如秈稻中OsHMA3為液泡膜Cd轉(zhuǎn)運蛋白的基因編碼，其主要功能是將Cd運輸入液泡中加以隔離，從而阻止Cd向水稻地上部和稻米的轉(zhuǎn)運。LU等[19]采用基因工程手段使水稻本身擁有的OsHMA3基因在秈稻中過量表達，將其種植在Cd含量超標的土壤中，稻米Cd含量低于國家食品安全標準5～10倍，與對照相比，稻米中Cd濃度降低了94%～98%，且這一過程對水稻產(chǎn)量和必需元素含量無顯著影響。

植物根際分泌的低分子有機酸有效降低了根際環(huán)境的pH，提高重金屬的溶解性，增加植物的提取效率。研究表明，植物缺乏Fe時會向土壤中分泌檸檬酸和蘋果酸，有效絡(luò)合Fe同時誘導(dǎo)不溶Fe轉(zhuǎn)化為Fe3+以增加植物對Fe的吸收，在此過程中，pH的降低同時促進了其他重金屬的溶解，重金屬的提取量也會有一定程度的提高[20]。

2 植物提取技術(shù)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用情況及存在問題

與工業(yè)土壤重金屬污染不同，農(nóng)用地重金屬的污染源主要來自3個方面，分別為污水灌溉、大氣沉降和農(nóng)用物資的不合理施用[21]。以污水灌溉為例，我國從20世紀40年代起，北京等地開始利用污水灌溉，污水中含有一定重金屬元素，長期采用污水灌溉使重金屬在水土系統(tǒng)中得以富集。淋濾實驗表明，As、Cd、Cu、Pb等主要累積在表層0～10 cm土壤中，隨淋濾時間延長會向下遷移[22]，而此區(qū)域不僅是農(nóng)作物根部生長區(qū)，同時也是富集植物根部生長區(qū)，因此利用富集植物對農(nóng)田土壤進行修復(fù)存在可行性。

龍玉堂等[23]在Hg污染稻田種植苧麻，發(fā)現(xiàn)土壤Hg質(zhì)量濃度低于130 mg/kg的條件下，苧麻的產(chǎn)量、品質(zhì)未受明顯影響，土壤Hg凈化率達41%，土壤凈化年限比種植水稻縮短8.5倍。張云霞等[24]利用藿香薊對受Cd污染的農(nóng)田進行修復(fù)，研究發(fā)現(xiàn)污染區(qū)藿香薊地上部Cd質(zhì)量濃度均值為21.13 mg/kg，富集系數(shù)6.9，藿香薊種植3茬后Cd去除率為13.2%～15.6%，具有較好的工程應(yīng)用前景。

利用植物提取修復(fù)農(nóng)田重金屬污染有一定效果，但在應(yīng)用中仍然存在一些問題，如修復(fù)時間一般較長，部分富集植物生物量較小、種苗價格高、生長條件要求苛刻以及與農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)套作、輪作、間作存在一定困難等。以Cd污染土壤為例，總Cd大于10 mg/kg的高污染土壤修復(fù)需要幾十到幾百年[25]；總Cd在2～4 mg/kg的中等程度污染土壤修復(fù)一般需要10～20年時間[26]；即使對于總Cd為1 mg/kg左右的輕度污染土壤，若要使總Cd降至0.3 mg/kg，修復(fù)時間也預(yù)計要6年左右?？梢?，修復(fù)時間長是限制該技術(shù)實際應(yīng)用的重要原因之一。

2.2 提取效果的影響因素

由于植物修復(fù)是依賴植物體對重金屬的耐性，并在其生命代謝活動中從土壤吸收重金屬以達到凈化的目的，這一過程可能受到土壤pH、土壤有機質(zhì)含量、重金屬有效態(tài)含量、微生物活性等因素的影響。

2.2.1 土壤pH

土壤pH不僅會影響重金屬在土壤中的存在形態(tài)，還會影響植物根系吸附位點的數(shù)量。周雪飛等[27]利用酸雨的淋溶過程來體現(xiàn)土壤pH對重金屬穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，隨著淋溶液pH的增加，土壤中Zn、Ni、Cd的遷移速度明顯減小。大多數(shù)重金屬在堿性條件下易形成沉淀，從而增加重金屬離子的穩(wěn)定性，這是因為pH增加提高了土壤表面的可變負電荷，促進土壤膠體對重金屬離子的吸附，并降低吸附態(tài)重金屬的解吸量；其次是由于溶液中H+濃度降低，H+的吸附競爭作用減弱，可以使土壤中碳酸鹽、磷酸鹽、有機質(zhì)和鐵錳氧化物等與重金屬結(jié)合得更加牢固，從而降低重金屬有效性[28]，這在某種程度上阻礙了植物對重金屬的提取。

2.2.2 土壤有機質(zhì)

土壤中有機質(zhì)的含量可以影響植株的生命活性及生物量，進而影響植物對重金屬的提取效果。重金屬污染土壤多表現(xiàn)為板結(jié)、含水率下降等，這種土壤條件不利于植株的生長，富集植物也不例外。土壤有機質(zhì)含量直接影響土壤的保水保肥能力以及農(nóng)作物的產(chǎn)量[29]，因此通過提高土壤有機質(zhì)含量可以有效優(yōu)化土壤的理化性質(zhì)。有機質(zhì)含有羰基、羧基、醇羥基和酚羥基等多種活性官能團，同時具有巨大的比表面積，能夠與重金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物，從而降低重金屬活性，影響富集植物對重金屬的提取效果[30-31]。

2.2.3 重金屬賦存形態(tài)

重金屬賦存形態(tài)對植物提取重金屬的效果有重要影響，目前能被植物所利用的有效態(tài)重金屬多指水溶態(tài)和離子交換態(tài)。有研究表明，重金屬只有溶解到土壤水溶液中才能被植物所吸收，而土壤中重金屬有效態(tài)含量對于植物提取效果的影響針對不同植物種類差異較大。以Cu為例，吳卿等[10]研究發(fā)現(xiàn)，高濃度Cu破壞高羊茅體內(nèi)脫氫酶活性，造成植物細胞膜透性增大，致使細胞內(nèi)酶及原代謝作用區(qū)域受到破壞，加速組織和細胞衰老，抑制高羊茅對Cu的提??；而汪楠楠[32]633在研究發(fā)現(xiàn)，檸檬酸可以通過活化土壤Cu有效態(tài)含量，進而提高吊蘭對Cu的吸收。

2.2.4 微生物活性

根際土壤中存在大量微生物種群，據(jù)統(tǒng)計，每克土壤中存在4 000～10 000種原核微生物，總數(shù)約2×109個[33]。喬旭等[34]的研究表明，根際微生物可以通過分泌生物表面活性劑、有機酸、氨基酸和酶等提高根際環(huán)境中重金屬的生物有效性，從而影響植物對重金屬的吸收富集?？梢姡H微生物對植物的富集能力起著至關(guān)重要的作用。滕光清[35]研究表明，植物根系給微生物提供了生存空間，根系分泌物不僅能為微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)還能改變重金屬的生物有效性。

2.2.5 土壤物理性質(zhì)

土壤物理性質(zhì)可以影響植物生長狀況進而影響其對重金屬的提取效果。王麗麗[36]考察了不同土質(zhì)下，伴礦景天對Cd、Zn污染土壤的修復(fù)效果。結(jié)果表明，與砂質(zhì)壤土相比，黏土中伴礦景天對Cd、Zn的提取效果明顯降低，因此采用伴礦景天對田間土壤進行修復(fù)時必須考慮土壤物理性質(zhì)，必要時可采取機械措施疏松土壤提高植物對重金屬的提取效果。

3 農(nóng)用地植物提取修復(fù)的強化措施

重金屬污染土壤的植物提取修復(fù)因可供選擇的富集植物較少、修復(fù)時間長、影響因素多，從而限制該技術(shù)的運用，如采取相關(guān)措施對植物提取效果進行強化，則有助于提高該技術(shù)工程應(yīng)用的可行性。

3.1 提高富集植物的生物量

提高富集植物的生物量是強化重金屬植物修復(fù)效果較常用的強化方法。孟桂元等[37]通過在土壤中投加石灰和有機肥提高土壤pH，使Cd、Pt與碳酸鹽、磷酸鹽、氫氧化物等形成難溶的化合物，減小重金屬對苧麻的脅迫，此處理使苧麻的生物量增加近40%，且使Cd、Pt的提取效果分別提高了9.42%、10.03%。廖曉勇等[14]通過在As污染土壤添加各種磷肥來提高蜈蚣草的生物量，其中以磷酸二氫鈣效果最好，施加磷酸二氫鈣后蜈蚣草的生物量為對照組的1.27倍，對As的提取量比對照組提高了2倍以上。

潘麗萍等[38]向受重金屬復(fù)合污染的土壤中分別施加泥炭、檸檬酸和海泡石來提高劍麻提取重金屬的效率。結(jié)果表明，3種改良劑均有效提高了劍麻的生物量，以海泡石效果最佳，使單株劍麻的重金屬提取量達到116.52 mg。通過提高植物生物量來增加富集植物對重金屬的提取效果，優(yōu)勢在于所施加的改良劑一般可作為肥料，不會對土壤造成二次污染。但此方法也存在弊端，如該方法通過提高土壤pH來減小重金屬對植株的脅迫，此過程會限制后期重金屬濃度較小時植物提取的效果。

3.2 提高重金屬生物可利用性

添加活化劑可增加土壤污染物的解吸率和移動性以提高有效態(tài)重金屬的含量，此過程目前多通過如下3種手段實現(xiàn)：

(1) 添加螯合劑。螯合劑可與土壤中的重金屬形成水溶性金屬-螯合劑絡(luò)合物，從而達到活化重金屬的目的，為植物的吸收創(chuàng)造有利條件。

(2) 添加有機酸。檸檬酸、蘋果酸、草酸等有機酸可與重金屬形成可溶性絡(luò)合物，從而增強重金屬離子的活性和移動性[39]。

(3) 添加表面活性劑。表面活性劑一般附著在土壤顆粒表層，通過降低土壤對重金屬離子的吸附作用，加速重金屬從土壤中解離至土壤溶液[40-43]。

不同活化劑與主要適用的重金屬污染類別及其特性總結(jié)見表3。

土壤中重金屬的有效態(tài)占比將直接影響到植物提取的效果。李俊霖等[44]研究發(fā)現(xiàn)，植物根系在重金屬脅迫下分泌某些低分子量有機酸和氨基酸等物質(zhì)，能酸化根際土壤，耦合重金屬，改變重金屬在土壤中的形態(tài)，影響各形態(tài)重金屬的數(shù)量比例，并直接影響重金屬的遷移、轉(zhuǎn)化以及對植物的毒性。汪楠楠等[32]634研究表明，檸檬酸對土壤Cu有較強的活化作用，能夠有效提高吊蘭對Cu的吸收，且當摩爾濃度為5 mmol/L時促進效果最為明顯。在土壤受到Zn、Cd復(fù)合污染條件下，黃化剛[45]通過施用磷肥改變重金屬形態(tài)，增加土壤中Zn的生物有效性來提高超富集植物東南景天對Zn的吸收。

表3 植物提取中常用的活化劑

3.3 利用微生物-植物聯(lián)合修復(fù)

微生物對植物提取的強化作用可以從兩個方面實現(xiàn)：一是植物根際促生菌的作用；二是植物內(nèi)生菌的作用。根際促生菌通過分泌大量低分子有機酸(如甲酸、乙酸、丙酸等)以降低植物根際的pH，增加重金屬有效態(tài)含量，真菌還可產(chǎn)生檸檬酸、蘋果酸等進一步促進重金屬的溶解。目前研究較多的是利用叢枝菌根真菌來加強植物對重金屬的提取，LEUGN等[46]研究發(fā)現(xiàn)，接種叢枝菌根真菌后，蜈蚣草體內(nèi)的As可達2 054 mg/kg，生物量增加17.8 g/盆，可能原因為叢枝菌根真菌分泌的植物生長調(diào)節(jié)劑、螯合劑、抗生素等增強植物的環(huán)境適應(yīng)能力，并且能夠有效緩解土壤中重金屬的毒性和供給植物營養(yǎng)物質(zhì)，從而提高了植物修復(fù)效率。BENJAPHORN等[47]在種植向日葵的土壤中接種耐Cd植物根際促生菌MU1和BAM1，根際土壤中水溶態(tài)的Cd分別增加了2.65、2.68倍，有效提高了Cd的吸收，進而強化植物提取效率。

植物內(nèi)生菌不僅自身重金屬抗性強，且可以提高植物對重金屬的抗逆性，強化對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)移能力[48-49]。ZHANG等[50]將內(nèi)生菌SaZR4接種進入植物后，其對Zn的吸收量大約增加了兩倍。MADHAIYAN等[51]利用內(nèi)生細菌(稻甲基桿菌和伯克氏菌)促進了Ni、Cd向植物莖葉轉(zhuǎn)移，使植物莖和葉的重金屬含量大幅增加。

4 結(jié)論與展望

植物提取是土壤修復(fù)方法中可行性強、污染小、效率高同時具有經(jīng)濟效益的方法，對修復(fù)重金屬污染農(nóng)用地具有重要的意義。目前，有關(guān)植物提取技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一些成果，但要解決實際問題還遠遠不夠，加之國內(nèi)針對該領(lǐng)域的研究起步較晚，發(fā)現(xiàn)的富集植物種類十分有限，且每種富集植物對于重金屬都有一個耐受閾值，難以解決較高濃度重金屬污染下的土壤修復(fù)問題。此外，富集植物在對土壤進行修復(fù)后必須對植株進行正確處理，以避免重金屬再次進入環(huán)境，金魚藻、黑藻、小眼子菜對As、Zn、Cu、Cd、Pb具有較強的吸收和富集能力，但同時又是魚類的天然餌料，如處置不當甚至可能使重金屬直接進入食物鏈。

針對上述問題，未來有關(guān)植物提取修復(fù)技術(shù)的研究應(yīng)將重點放在以下5個方面：(1)拓寬超富集植物篩選。目前國際上對超富集植物評判依據(jù)較為苛刻，有些生命周期短且具有一定富集能力的植物雖未滿足評判要求，但在相同的種植年限內(nèi)修復(fù)效果更加優(yōu)異，應(yīng)對此類植物進行深入研究。(2)基因工程強化。對控制植物體內(nèi)重金屬轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵基因進一步識別分離，可嘗試將其復(fù)制到生物量大、適應(yīng)能力強的植株上，通過研究富集植物的提取機理識別關(guān)鍵基因，改變重金屬在細胞內(nèi)的存儲區(qū)域以減小對植株的毒害作用。(3)植物提取強化技術(shù)。通過改良土壤的性質(zhì)改善富集植物的生長條件或提高土壤中重金屬的有效性提高富集植物對重金屬的提取效果。(4)富集植物的處理。富集植物殘體處理不當可能引起重金屬再次進入環(huán)境甚至食物鏈中，應(yīng)加強對修復(fù)后植物殘體的資源化利用或合理的無害化處理。(5)植物提取與農(nóng)藝相結(jié)合。使用套種、間作或輪作的方法在不影響正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)前提下對土壤進行修復(fù)，實現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)。