土壤重金屬污染及植物修復(fù)技術(shù)

姜婧

（河北省保定生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北 保定 071000）

近年來，環(huán)境污染和生態(tài)破壞形勢日趨嚴峻，嚴重影響到人類的健康和生存，其中重金屬元素對環(huán)境的污染和破壞作用尤為嚴重，重金屬是一類毒性很大，具有潛在危害的無機及污染物，可在土壤和生物體內(nèi)富集，造成土壤和農(nóng)作物污染，對作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)均有較大危害，特別是它們還能被作物富集吸收進入食物鏈，具有損害人和動物健康的潛在危險。這種污染的特殊性在于它不能被土壤微生物降解而從環(huán)境中徹底消除，當其在土壤中積累到一定程度就會對土壤-植物系統(tǒng)產(chǎn)生毒害和破壞作用，更為嚴重的是這種污染具有隱蔽性、長期性和不可逆的特點，且難降解、易積累、毒性大，是影響生態(tài)系統(tǒng)安全的一類重要污染物質(zhì)，如世界著名的日本水俁病、骨痛病就是典型的例證。因此說土壤重金屬污染已成為全球面臨的一個嚴重的環(huán)境問題[1]。

由于重金屬不能被微生物降解，進入土壤后很難消除，且多為過渡元素，有可變的價態(tài)，在不同條件下其存在的形態(tài)和價態(tài)不一樣，其活性和毒性也不同。重金屬在土壤中容易生成氟化物、氫氧化物、硫化物、碳酸鹽、磷酸鹽等形式的沉淀物，在土壤中累積，他們不易遷移也不易被生物吸收。但它們易作為中心離子與水、羥基、氨、有機酸等配位體生成配合物，也可能與土壤有機質(zhì)中的某些分子形成螯合物，這些配合物和螯合物在水中的溶解度較大，易于在土壤中遷移和被植物或微生物吸收利用，在通過食物鏈進入人體。重金屬進入人體后，不易排泄，逐漸積累，當超過人體的生理負荷時，就會引起生理功能改變，導致急慢性疾病或產(chǎn)生遠期危害：(1)慢性中毒(2)致癌作用(3)致畸作用(4)變態(tài)反應(yīng)(5)對免疫功能會產(chǎn)生影響。

本文對土壤中的重金屬的重金屬形態(tài)、生物有效性、污染評價方法以及土壤修復(fù)方法進行了總結(jié)和評述。

1 土壤中重金屬的形態(tài)及影響植物從土壤吸收重金屬的因素

1.1 土壤中重金屬的形態(tài)

土壤中重金屬離子形態(tài)的劃分方法有很多，但目前比較通用的劃分方法為Tessier的五分法，即將土壤中的重金屬分為離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機硫化物結(jié)合態(tài)、殘留態(tài)等5種形態(tài)：（1）離子交換態(tài)。離子交換態(tài)的重金屬在土壤環(huán)境中活性大，毒性強，易被植物吸收，也易被植物吸附、淋失或發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)為其他形態(tài)。（2）碳酸鹽結(jié)合態(tài)。碳酸鹽結(jié)合態(tài)受土壤條件影響，對敏感值升高會使游離態(tài)重金屬形成碳酸鹽共沉淀，當值下降時易重新釋放出來進入環(huán)境。(3)鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)。土壤中的鐵錳氧化物占有效態(tài)比例較大，正常情況下可利用性不高[2]。(4)有機硫化物結(jié)合態(tài)。有機硫化物結(jié)合態(tài)以重金屬離子為中心離子，以有機質(zhì)活性基團為配位體的結(jié)合或是硫離子與重金屬生成難溶于水的物質(zhì)，在氧化條件下，部分有機物分子會發(fā)生降解作用，導致部分金屬元素溶出，對環(huán)境可能會造成一定的影響。(5)殘留態(tài)。殘留態(tài)的重金屬與土壤結(jié)合最牢固。它的活性最小，毒性最小，幾乎不能被植物吸收，一般存在于硅酸鹽、原生和次生礦物等土壤晶格中。

1.2 影響植物從土壤吸收重金屬的因素

土壤-植物系統(tǒng)中影響重金屬生物有效性的因素很多，主要有土壤性質(zhì)、重金屬的復(fù)合污染、有機質(zhì)和根際環(huán)境等。

1.2.1 土壤性質(zhì)

土壤的pH值主要是通過影響金屬化合物在土壤中的溶解度來影響重金屬行為。當土壤上升時，大部分微量元素通常會發(fā)生吸附作用或形成絡(luò)合物，土壤對重金屬的吸附量增加，重金屬的生物活性下降。此外，土壤的pH值會影響土壤膠體的荷電。通常，在酸性條件下土壤膠體帶正電，在堿性條件下帶負電，在等電點時膠體不帶電，pH值的改變會影響土壤膠體的電荷密度，導致其對金屬離子的吸附能力的變化[3]。

1.2.2 復(fù)合污染

復(fù)合污染是指兩種或兩種以上不同種類、不同性質(zhì)的污染物，或同種污染物的不同來源，或兩種及兩種以上不同類型污染在同一環(huán)境中同時存在所形成的環(huán)境污染現(xiàn)象。土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重金屬，在它們對生命組分發(fā)生危害后，其相互之間還要發(fā)生交互作用，導致其對生態(tài)系統(tǒng)的毒性發(fā)生改變。多種重金屬之間可能存在著加和拮抗或協(xié)同作用。

1.2.3 有機質(zhì)的活化作用

有機質(zhì)可改變?nèi)芤褐亟饘俚拇嬖跔顟B(tài)，或改變吸附體的表面性質(zhì)而影響重金屬的吸附，能增加或抑制重金屬的吸附，或?qū)ξ讲划a(chǎn)生明顯作用。有機質(zhì)中的腐殖酸、富里酸等具有空間球狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空隙中可大量吸附重金屬離子。有機質(zhì)具有很強的鰲合能力，具有與金屬離子牢固鰲合的配位體[3]。

1.2.4 根際環(huán)境

根際是土壤或沉積物中受植物根系及其生長環(huán)境影響的微域環(huán)境。根際環(huán)境由于根分泌物作用的存在，致使其養(yǎng)分狀況、微生物等有異于土體，因而重金屬在根際環(huán)境中有其特殊的化學行為，重金屬在根際和非根際中的含量和分布也出現(xiàn)差異。一般認為，根際活動能活化根際中的重金屬，促進其生物有效性[4]。由于土壤-植物生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，重金屬生物有效性的影響因素也很復(fù)雜。除了以上幾種因素外，由于重金屬的種類、濃度、元素組合、相對濃度比例等多種環(huán)境因素的影響，重金屬與養(yǎng)分元素交互作用，植物種類和生長特性，同種植物的不同部位吸收重金屬的能力，不同形態(tài)重金屬的生物有效性與植物吸收途徑等都有關(guān)系[5]。

2 植物修復(fù)方式和超積累植物的特性

2.1 植物修復(fù)方法

目前利用植物改良土壤環(huán)境的方法主要有根部過濾技術(shù)、植物萃取技術(shù)、植物揮發(fā)技術(shù)和植物穩(wěn)定技術(shù)等4種。

2.1.1 根部過濾技術(shù)

通過耐性植物根系吸收重金屬并保持在根部。此法多用于水體污染修復(fù)。

2.1.2 植物萃取技術(shù)

又稱植物提取技術(shù)。重金屬經(jīng)植物根系吸收后，繼而被轉(zhuǎn)移、貯存到植物莖葉，然后收割莖葉，從而達到去除土壤重金屬元素的目的[6]。植物萃取技術(shù)利用的是一些對重金屬具有較強富集能力的特殊超積累植物。

2.1.3 植物揮發(fā)技術(shù)

利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)或微生物使土壤中的污染物被植物吸收和轉(zhuǎn)化，以揮發(fā)狀態(tài)排出植物體外，從而去除土壤污染。植物揮發(fā)要求污染物被轉(zhuǎn)化后的毒性要小于轉(zhuǎn)化前的污染物質(zhì)，以減輕環(huán)境危害。

2.1.4 植物穩(wěn)定技術(shù)

植物穩(wěn)定是利用耐重金屬植物降低土壤中有毒金屬的移動性，從而減少金屬被淋濾到地下水或通過空氣擴散，進一步污染環(huán)境的可能性[7]。植物在植物穩(wěn)定中主要有兩種功能：一是保護污染土壤不受侵蝕，減少土壤滲漏來防止重金屬污染物的淋移。二是

通過金屬在根部積累和沉淀或根表吸附來加強土壤中污染物的固定。

2.2 超積累植物的特性

Vergnano首次測定植物葉片中含Ni量達7900g/kg；Brooks等在1977年首先提出重金屬超積累植物的概念。

超積累植物一般應(yīng)具有以下特征：（1）即使在污染物濃度較低時也有較高的積累速率，尤其在接近土壤正常重金屬含量水平即非污染情況下，植株仍有較高的吸收速率，且須有較高的運輸能力（2）能在體內(nèi)積累高濃度的污染物，對某種重金屬的累積量較普通作物多10～500倍以上（3）能同時積累幾種金屬（4）生長快，生物量大（5）具有抗蟲抗病能力。根據(jù)野外采集樣本的分析，全球大約發(fā)現(xiàn)了400種超積累植物，而最重要的超積累植物主要集中在十字花科。目前國外研究的最多的植物主要為蕓苔屬（Brassica）、庭芥屬(Alyssuns)及遏藍菜屬(Thlaspi)[8]。我國在這方面研究起步較晚，但也取得了一定的成果。

3 植物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢

植物修復(fù)是一項處于迅速發(fā)展之中，具有廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù)“植物修復(fù)以太陽能為驅(qū)動能源，適用于中、低強度污染的治理，成本較低，具有良好的社會、生態(tài)、綜合效益。易被公眾所接受，特別適合在發(fā)展中國家使用。該技術(shù)的發(fā)展趨勢大致有以下幾方面：

（1）尋找、篩選和培育超積累植物，進行全國超富集植物資源調(diào)查，了解其分布并建立超富集植物的數(shù)據(jù)庫。（2）加強植物修復(fù)的實踐性環(huán)節(jié)，創(chuàng)建植物修復(fù)重金屬的示范基地，繼續(xù)對超富集植物的機理和作用進行研究。（3）基因工程的應(yīng)用。目前，基因技術(shù)應(yīng)用于植物修復(fù)才剛剛起步，但已有的成果表明基因技術(shù)將成為該領(lǐng)域研究的重要方向，有可能導致植物修復(fù)的革命性突破。其研究包括有價值基因的篩選、轉(zhuǎn)基因植物對環(huán)境的影響、轉(zhuǎn)基因植物遺傳性能等。(4)超富集植物體內(nèi)重金屬的回收再利用。對于收獲物的處理上，研究的人較少，目前僅對灰分中重金屬含量為10%-40%的植物采用冶煉回收。對于不能回收利用的收獲物如何避免二次污染還需要進一步研究。（5）植物修復(fù)與傳統(tǒng)的物理、化學方法相結(jié)合的綜合技術(shù)的研究。電化學、土壤淋洗和植物提取法各有優(yōu)缺點和適用范圍，若能將這些方法綜合應(yīng)用于重金屬污染土壤的修復(fù)中，可能會獲得更好的處理效果[9]。

植物修復(fù)技術(shù)雖然還有很多方面需要深入研究，但其低耗費優(yōu)點多的特點將使其在未來得到迅速發(fā)展并開拓出更為廣闊的應(yīng)用前景。