鎘污染土壤植物修復(fù)技術(shù)研究進展

熊梓燁，廉晶晶,2,皮 文，張宗磊，何征飛，馮佳冉

(1.長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434000)

1 引言

土壤中污染物來源主要包括自然成因和人類活動[1]。目前我國土壤污染主要可分為土壤病原微生物污染、土壤有機物污染、土壤重金屬污染和土壤放射性污染四類[2]。

2014年公布的首次全國土壤污染狀況調(diào)查情況中，重金屬污染的總超標(biāo)率達到了16.1%[2]，多分布在工業(yè)區(qū)、重污染企業(yè)用地、采礦區(qū)等。據(jù)估計，我國約有1/5的耕地土壤受到重金屬污染，近2000萬hm2。土壤重金屬污染主要來自農(nóng)藥與化肥的使用、城市生活垃圾的排放、“三廢”(工業(yè)生產(chǎn)中廢氣、廢渣、廢水的排放)、礦山的開采冶煉等[3]。對于土壤而言，重金屬污染具有停滯性、積蓄性、隱蔽性和不可逆性，且能夠通過食物鏈富集，危害人體健康，因此世界各國均高度重視土壤污染問題并積極展開防治[4，5]。

土壤重金屬污染的主要元素包括Hg、Cd、As、Co、Cr、Zn、Cu、Mn、Ni、Pb等，通常情況下為幾種重金屬的復(fù)合污染。其中，鎘污染最為嚴(yán)重[6，7]

1.1 土壤中鎘污染現(xiàn)狀

首次全國土壤污染狀況調(diào)查表明,全國土壤環(huán)境總體情況不佳,鎘的點位超標(biāo)率最高，超過11個省、25個區(qū)的土壤都存在鎘富集的問題，40%以上的重金屬復(fù)合污染的土壤被鎘污染，且北方地區(qū)鎘濃度低于南方地區(qū)[8，9]。從數(shù)據(jù)分析來看，我國土壤中的鎘污染情況已經(jīng)十分緊迫，嚴(yán)重影響了我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性。

1.2 不同形態(tài)鎘的毒性

鎘元素作為典型的重金屬污染元素之一，毒性的強弱與總量和賦存形態(tài)密切相關(guān)[10]。隨著土壤環(huán)境條件的變化，鎘通過溶解、沉淀、絡(luò)合、凝聚、吸附等一系列化學(xué)反應(yīng)，在不同形態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化，在一定條件下處于相對平衡[11]。根據(jù)Tessier分類法，鎘的形態(tài)可分為碳酸鹽結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)、有機結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)和鐵錳氧化態(tài)5種形態(tài)。在土壤中可交換態(tài)鎘的生物利用度高，易于被生物吸收利用且移動性強，具有較強的毒性[12]。

碳酸鹽與重金屬發(fā)生沉淀反應(yīng)后形成碳酸鹽結(jié)合態(tài)。在大部分石灰性土壤中，碳酸鹽結(jié)合態(tài)的鎘占主導(dǎo)地位。由于其對pH值變化敏感，遇酸釋放后，對生物產(chǎn)生毒害作用[13]。

當(dāng)重金屬以離子鍵的方式結(jié)合在土壤中或包裹于沉積物的外表面時形成鐵錳氧化態(tài)。該形態(tài)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被釋放到土壤中[14]。

重金屬與礦物成分結(jié)合后形成殘渣態(tài)。該形態(tài)不易遷移和轉(zhuǎn)化，同時難以被植物利用,是5種形態(tài)中最穩(wěn)定的形態(tài)。因此殘渣態(tài)的鎘是不具有生物有效性的鎘[15]。

1.3 鎘對環(huán)境的危害

鎘雖然是常見的重金屬，但并不是植物生長過程中必需的元素。當(dāng)鎘達到一定濃度時，會對植物的生長發(fā)育與生理活動產(chǎn)生影響。研究表明:土壤中過量的鎘會使植物葉綠素含量降低，減弱光合作用，進而影響根系的發(fā)育，造成植物的生理功能障礙。與此同時，重金屬離子能夠通過食物鏈富集進入人體內(nèi)，損害人的正常生理功能，最終致畸致癌[16，17]。

研究表明:鎘的臨界濃度隨著土壤類型和植物類型的變化而變化。當(dāng)鎘濃度超過一定范圍，出現(xiàn)種子萌發(fā)和幼苗的生長受到抑制、根系活力降低、葉片縮卷發(fā)黃等現(xiàn)象[18]。同時，植物的光合作用和蒸騰作用等生理活動會受到不同程度的抑制，細胞膜通透性也會受到影響。由于鎘離子會減少植物體中葉綠體的含量，損傷植物體內(nèi)的光合系統(tǒng)，使得幼苗生長量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和氣孔限制值(Ls)均受到一定程度的抑制，且這種抑制會隨著鎘離子濃度的升高而加強[17]。隨鎘濃度的增加，過氧化物酶、丙二醛、超氧化物歧化酶的含量以及細胞膜的通透性也會相應(yīng)提高[19]。

重金屬鎘通過空氣和食物鏈的富集進入人體并在人體內(nèi)積累。當(dāng)體內(nèi)的鎘積累到一定水平后，多個器官會受到不同程度的損害。腎臟、骨骼都是鎘毒害的主要靶器官。鎘中毒后會損傷腎小球、腎小管的正常功能，影響骨骼的正常代謝。代表性病例表現(xiàn)為日本的“痛痛病”。同時，鎘也影響人類的生長發(fā)育和生殖。研究表明:當(dāng)嬰兒暴露在鎘環(huán)境時，嬰兒的身長、頭圍、體重與比正常胎兒更低，視覺聽覺、動作、語言均受到影響[20，21]。

2 鎘污染土壤的修復(fù)技術(shù)

重金屬污染的3種治理方法包括化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)、物理修復(fù)。目前主要利用兩種方法進行土壤的重金屬修復(fù)：一種是利用超累積植物的富集作用將土壤中重金屬元素轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，然后將所富集的重金屬重新利用，達到降低土壤中重金屬濃度的目的。另一種方法是將土壤中活躍形態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定形態(tài)的重金屬，達到降低其生物利用度，減弱毒性的目的[16]。

2.1 物理修復(fù)

常見的物理修復(fù)方法有換土法、土壤蒸汽浸提修復(fù)、電動修復(fù)、客土法等。缺點是成本高，耗費人力[22]。

2.2 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)主要包括光催化降解技術(shù)、土壤固定技術(shù)、氧化—還原技術(shù)、淋洗技術(shù)等[23]。雖然該方法修復(fù)效率高，但修復(fù)過程中容易造成二次污染，一直是較難解決的問題。

2.3 生物修復(fù)

生物修復(fù)具有成本低，對環(huán)境影響小的優(yōu)點。其包括植物修復(fù)技術(shù)、動物修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)等。但修復(fù)周期比較長，適用于增強自然衰減過程[24]。

3 鎘的植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)是指利用超累積植物的富集作用將土壤中的重金屬污染物進行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化、容納到植物體內(nèi)，使污染物減量化、穩(wěn)定化，降低毒物質(zhì)濃度，進而達到修復(fù)污染土壤的目的[25]。

相較而言，植物修復(fù)利用植物根系和莖葉固定、吸收、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化并降解大氣、土壤、水中的污染物[26，27]，修復(fù)方法更簡單，成本更低。在有效減少二次污染的同時，還能美化環(huán)境，帶來一定經(jīng)濟效益[28，29]。

3.1 超累積植物

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的能修復(fù)鎘污染土壤的植物有龍葵[30]、遏藍菜[31]、青葙[32]、印度芥菜[33]等(表1)。

表1 常見鎘的超累積植物

3.2 植物修復(fù)輔助技術(shù)

由于重金屬形態(tài)復(fù)雜多變，植物難以吸收等方面的制約，植物修復(fù)的效率略顯低下，因此，利用聯(lián)合修復(fù)來提高植物修復(fù)的效率是目前植物修復(fù)的重點，常見處理方法如下。

(1)通過改良農(nóng)藝科學(xué)技術(shù)提升植物的生物量和富集能力。

(2)植物微生物聯(lián)合修復(fù)：近年來，內(nèi)生菌聯(lián)合植物修復(fù)案例曾被多次報道[38～40]。在植物修復(fù)時，通過接種耐受性強的微生物菌株，能很大幅度地降低重金屬鎘的毒性[41]。Repetto等研究表明叢枝菌根可以增加豌豆對鎘的耐受性和富集量[42]。

(3)基因工程強化修復(fù)技術(shù)。主要是將可強化修復(fù)的基因片段導(dǎo)入植物DNA內(nèi)，進而強化該表達的修復(fù)技術(shù)。如Gisbert[43]等通過在煙草植株體內(nèi)導(dǎo)入小麥 TaPCSI 基因來提升其生物量。

(4)化學(xué)改良劑聯(lián)合植物修復(fù)。利用螯合劑可以與土壤重金屬發(fā)生鍵合/螯合作用的原理，使重金屬從不溶態(tài)轉(zhuǎn)變成可溶態(tài)，形成水溶性的金屬-螯合劑絡(luò)合物，進而提高植物修復(fù)重金屬的效率[37]。

4 討論與展望

雖然植物修復(fù)技術(shù)有著諸多優(yōu)點，但依然面臨著許多難題，如大部分植物修復(fù)還存在于實驗階段、植物對金屬的耐受性單一、修復(fù)周期較長、可用于修復(fù)植物種類有限、超積累植物生物量低、植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)成熟度不夠等。除此之外，對于復(fù)合型重金屬污染土壤，植物修復(fù)有可能會活化其它重金屬元素，提升土壤的潛在風(fēng)險[44,45]。

從長遠來看，植物修復(fù)技術(shù)有著很好的前景，對環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展及土壤功能的正常發(fā)揮起著重要作用。未來展望主要包括以下幾個方面[40]：①加強對新超富集植物的發(fā)現(xiàn)與篩選力度；②利用現(xiàn)代生物學(xué)手段和基因工程技術(shù)提升超富集植物對重金屬的耐性和富集能力；③與其它修復(fù)技術(shù)聯(lián)用；④深入研究植物富集重金屬的分子機制；⑤合理利用富集重金屬后的植物材料[44,46]。

植物修復(fù)技術(shù)在我國仍處于發(fā)展階段，合理應(yīng)用植物修復(fù)來推動經(jīng)濟發(fā)展是一條雙贏的道路。修復(fù)環(huán)境的同時，如何兼顧經(jīng)濟的發(fā)展是值得我們思考的問題。