重金屬污染土壤的園林植物修復(fù)技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展*

冼麗鏵 梁登裕 馮嘉儀 吳道銘 陳紅躍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642）

隨著人口的快速增長及城市化、工業(yè)化、農(nóng)村集約化進(jìn)程的加速，礦山開采與冶煉、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥農(nóng)藥的大量施用，城市建設(shè)發(fā)展用地、城市生活污水和工業(yè)污水大量排放[1]等情況加劇，重金屬元素大量進(jìn)入土壤系統(tǒng)，致使土壤的重金屬污染日漸嚴(yán)重。2014 年，國土資源部與環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[2]，其中指出我國土壤重金屬超標(biāo)率達(dá)16%以上，土壤環(huán)境形勢嚴(yán)峻。重金屬元素是一類難以降解的積累性元素，常見重金屬元素包括錳（Mn）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、汞（Hg）、砷（As）、銀（Ag）、錫（Sn）等。在環(huán)境污染方面，Cd、Hg、Pb、Cr、As 等重金屬的生物毒性較強(qiáng)，Cu、Zn、Ni、Sn、鈷（Co）、釩（V）等重金屬也具有毒性。土壤中的重金屬經(jīng)過植物富集后沿食物鏈在營養(yǎng)級之間傳遞，從而進(jìn)入人體，危害人類生命健康。如人體暴露于高水平的Pb 會導(dǎo)致嚴(yán)重的健康隱患，可導(dǎo)致缺乏協(xié)調(diào)性或神經(jīng)系統(tǒng)癱瘓，尤其對幼兒智力發(fā)育有著嚴(yán)重的不良影響[3]，在華南沿海地區(qū)具有代表性的森林土壤，Pb 含量較高，均超過土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的風(fēng)險篩選值70 mg·kg-1[4]。Cd 在人體內(nèi)含量超標(biāo)會導(dǎo)致泌尿系統(tǒng)功能紊亂，甚至影響骨骼發(fā)育；As 是成人和兒童急性重金屬中毒的最常見原因，會導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病，如肺功能降低甚至肺癌[5-6]；Hg是一種神經(jīng)毒素，會損害人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，包括語言中樞和聽覺中樞，還會導(dǎo)致肌無力[7]。同時，重金屬污染還對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了隱性威脅，也對城市的生存發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前世界各國環(huán)境工作者都在共同關(guān)注土壤重金屬污染問題，治理修復(fù)土壤重金屬污染已成為一項研究熱點(diǎn)。

將園林植物用于修復(fù)遭受重金屬污染的土壤，不但能夠減輕土壤的污染程度，而且還能凈化空氣、美化環(huán)境，避免重金屬從食物鏈進(jìn)入人體，帶來環(huán)境與社會效益[8]。我國遼闊的國土和復(fù)雜多樣的地形地勢造就了豐富的植物資源，有可能蘊(yùn)藏大量的超富集植物。豐富的植物資源為開展園林植物修復(fù)技術(shù)方面的研究提供了良好的條件，本文旨在對近年植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究作一綜合論述，以期為園林植物在土壤重金屬修復(fù)上的應(yīng)用提供參考。

1 園林植物修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)

園林植物指應(yīng)用于園林綠化的植物，可分為庭蔭植物、行道樹、花灌木、綠籬植物、垂直綠化植物、地被植物、室內(nèi)裝飾植物等[9]。園林植物不僅可用作組景、觀賞、裝飾、分隔空間、防護(hù)、庇蔭等，更是城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的重要組成元素，在空氣凈化、土壤修復(fù)、氣候調(diào)節(jié)、生態(tài)環(huán)境的改善等方面起著不可或缺的作用。植物修復(fù)技術(shù)指利用天然生長植物，或通過基因工程手段培育的新植物，對土壤重金屬污染進(jìn)行修復(fù)的一類技術(shù)的總稱，這一技術(shù)可利用植物系統(tǒng)本身或其根際微生物群落來揮發(fā)、固定或移除土壤中的重金屬，去除或減緩由重金屬污染物及其它有機(jī)或無機(jī)毒物造成的土壤污染[10]。植物修復(fù)土壤重金屬污染的技術(shù)主要包括植物提取作用、植物揮發(fā)作用和植物固定作用。植物修復(fù)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)治理過程的原位性，成本低廉且效果永久，更具有后期處理簡易和環(huán)境美學(xué)兼容等優(yōu)點(diǎn)[11-12]，是治理重金屬污染土壤的優(yōu)良選擇。

1.1 植物提取

植物提取基于植物的過度積累機(jī)制[13]，指利用超富集植物根系大量吸收土壤中的重金屬并轉(zhuǎn)運(yùn)到地上的可收割部分，通過定期收獲植物或植株死亡來去除土壤中的重金屬，以達(dá)成修復(fù)重金屬污染土壤的目標(biāo)[14]，適用于重金屬污染較嚴(yán)重且已知污染重金屬元素的土壤。超富集植物分為兩類：包括超積累植物和誘導(dǎo)積累植物。超積累植物能夠較強(qiáng)地吸收富集重金屬，誘導(dǎo)積累植物雖無超積累特性，但經(jīng)過改造同樣能夠被誘導(dǎo)出超積累能力。植物提取目前是最廣為使用的，其發(fā)展前景也十分廣闊。

1.2 植物揮發(fā)

植物揮發(fā)是利用一些植物根系分泌的特殊物質(zhì)，或由于植物代謝潛能與根際微生物的共同作用，使土壤中的重金屬轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)形式釋放到環(huán)境中的方法[15]，對于消除土壤中的重金屬效果顯著，但目前可應(yīng)用范圍僅限于極少數(shù)的揮發(fā)性重金屬如Hg 和硒（Se）[14]。植物揮發(fā)雖然能夠使土壤中重金屬的含量暫時降低，但同時又會污染周圍的環(huán)境，因而采用植物揮發(fā)技術(shù)必須滿足轉(zhuǎn)化產(chǎn)物毒性小于未轉(zhuǎn)化前的條件，以避免對環(huán)境造成危害。

1.3 植物固定

植物固定是利用植物根部積累、沉淀、轉(zhuǎn)化重金屬，降低污染基質(zhì)中重金屬的流動性，減少其被生物利用；或通過根表皮細(xì)胞吸附重金屬元素，使其固定于植物體內(nèi)或體表，進(jìn)而減輕土壤重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)[14]。該技術(shù)適用于輕度重金屬污染土壤。用于植物固定的植物應(yīng)具有較發(fā)達(dá)的根系，根系分泌物能夠沉淀、吸附或還原重金屬，并且金屬從根到芽的遷移率較低[16-17]。然而，植物固定只能短暫地固定重金屬，無法將其從土壤中去除，一旦周圍環(huán)境改變，就可能使重金屬重新活化繼而恢復(fù)毒性，因此目前植物固定修復(fù)技術(shù)仍需改進(jìn)。

2 重金屬富集園林植物的篩選

應(yīng)用植物修復(fù)重金屬污染土壤的重點(diǎn)在于選擇適宜的超富集植物。大部分重金屬在植物的生長周期內(nèi)屬于非必需元素，其在植物體內(nèi)積累達(dá)到一定含量時會影響植物細(xì)胞的生理活性，導(dǎo)致植物的生理指標(biāo)降低、生理活動受到抑制[18-19]。實(shí)驗證明，植物細(xì)胞分裂受到重金屬含量升高的負(fù)面影響[20-21]。重金屬毒性會抑制植物細(xì)胞中的細(xì)胞質(zhì)酶活性，并由于氧化應(yīng)激而導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)受損[22-23]。隨著重金屬在土壤中含量的升高以及時間的延長，重金屬對植物造成的毒害作用也會相應(yīng)增大[24-26]。所以，植物對重金屬的吸收富集能力、對重金屬毒害的耐受力這兩項能力的強(qiáng)弱是決定其是否可應(yīng)用于植物修復(fù)的重要條件。

重金屬富集植物篩選的理論原則主要包括以下幾點(diǎn)：（1）理想的重金屬富集植物應(yīng)滿足易于獲得、生長速度快、根系統(tǒng)發(fā)達(dá)、生物量較大、具有較強(qiáng)的抗病蟲害能力等條件[27]；（2）由于污染重金屬種類較多，在選擇園林綠化植物時需考慮不同重金屬對土壤毒害的協(xié)同作用，選擇對重金屬耐受性較高的植物[28]，特別是具有較強(qiáng)的排毒和隔離能力的植物[29-30]；（3）在選擇修復(fù)植物時應(yīng)集中在鄉(xiāng)土植物范圍，保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有訹31-32]，輕易引進(jìn)外來植物可能會導(dǎo)致物種入侵，破壞生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)平衡[33]；（4）木本植物比草本植物具有更高的生物量和生長率，在中低濃度的重金屬污染土壤中能夠正常生長，因此在富集重金屬的潛力方面，木本植物比草本植物更有效[34-35]。學(xué)者Ent 等[35]根據(jù)干燥葉片中的金屬濃度，給出如下超富集植物標(biāo)準(zhǔn)：Cd 100 μg·g-1；鈷、Cu、Cr 300 μg·g-1；Pb、Ni 1 000 μg·g-1；Zn 3 000 μg·g-1。

目前，研究已發(fā)現(xiàn)大約500 種超富集植物，其中菊科、十字花科、石竹科、莎草科、葫蘆科、豆科、鳶尾科、唇形科、禾本科、堇菜科、大戟科、紫羅蘭科占多數(shù)[36-37]。常見Cd 超富集園林植物有柳樹Salix babylonica、東南景天Sedum alfredii、南天竹Nandina domestica、杜鵑Rhododendron simsii、雪松Cedrus deodara、桑樹Morus alba、銀杏Ginkgo biloba、法國冬青Viburnum odoratissimumvar.awabuki、蘆葦Phragmites communis等；常見Pb 超富集園林植物有桂花Osmanthussp.、紅花檵木Sedum alfredii、側(cè)柏Nandina domestica、杜鵑、法國冬青、南天竹、楊梅Myrica rubra、蘆葦?shù)?；常見Hg 超富集園林植物有楊梅、黃楊Buxus sinica、冬青Ilex chinensis、牽牛Ipomoea nil、榆樹Ulmus pumila等；常見Cr 超富集園林植物有美人蕉Canna indica、蘆葦、牽牛、綠蘿Epipremnum aureum、白花三葉草Trifolium repens等；常見As 超富集園林植物有杏樹Armeniaca vulgaris、柳樹、楊樹、蘆葦?shù)萚8,38]。其中柳樹、南天竹、杜鵑、冬青、楊梅、蘆葦對多種重金屬有較強(qiáng)的富集吸收能力，且在重金屬污染土壤中有較強(qiáng)耐受力，生態(tài)功能與環(huán)境效益良好，因此在重金屬污染土壤修復(fù)中可優(yōu)先選擇。

近年來，園林植物對土壤中重金屬元素吸收和富集特征的相關(guān)研究報道屢見不鮮，針對不同重金屬元素的植物篩選也取得了一定的進(jìn)展（表1）。張長鋒[39]研究發(fā)現(xiàn)矮型四季菊Dendranthema morifolium對Cd 的耐受能力和富集能力較強(qiáng)，可作為理想的土壤Cd 污染修復(fù)植物。崔爽等[40]研究發(fā)現(xiàn)，美女櫻Verbena hybrida對Pb 的耐受性較強(qiáng)，可用于固定修復(fù)土壤Pb 污染。侯靜等[41]進(jìn)行水培試驗發(fā)現(xiàn)，牽牛能夠較強(qiáng)地耐受和富集重金屬Hg，加上具有美化環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，可以作為Hg 污染土壤的修復(fù)植物在城市進(jìn)行大范圍推廣運(yùn)用。Cui 等[42]研究雞冠花Celosia cristata等3 種植物對Pb 的耐受和積累特征，結(jié)果表明雞冠花是耐受Pb 的優(yōu)良樹種。董冰冰等[43]研究圓葉牽牛Ipomoea purpurea和黑麥草Lolium perenne對Cr的積累量和耐受程度，結(jié)果表明，二者均能夠用作修復(fù)Cr 污染土壤的植物資源。

表1 我國常見園林植物對土壤中重金屬元素吸收和富集特征Table 1 Characteristics of absorption and enrichment of heavy metals in soil by common landscape plants in China

3 修復(fù)重金屬污染土壤的園林植物應(yīng)用效果

應(yīng)用園林植物修復(fù)重金屬污染土壤是促進(jìn)城市生態(tài)恢復(fù)與美化環(huán)境的一種有效途徑，我國已利用植物修復(fù)技術(shù)在礦工業(yè)區(qū)生態(tài)修復(fù)、固體廢棄物資源利用等方面進(jìn)行了嘗試，目前仍集中在試驗階段。我國廣東、廣西、貴州、江蘇等地學(xué)者利用鄉(xiāng)土植物開展了相關(guān)研究（表2），其中所用園林植物多集中于禾本科、大戟科、菊科等。

4 不同植物修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用

近年來，將其它治理重金屬污染土壤方法與植物修復(fù)技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用已成為興起的新型修復(fù)技術(shù)，能夠極大地彌補(bǔ)單一修復(fù)技術(shù)的缺陷，是未來植物修復(fù)重金屬污染土壤領(lǐng)域一個極具前景的發(fā)展方向。在實(shí)踐運(yùn)用過程中，植物修復(fù)主要通過與電壓修復(fù)、螯合劑誘導(dǎo)、改良劑修復(fù)、微生物修復(fù)和基因工程等方法聯(lián)合來對土壤進(jìn)行修復(fù)[58]（表3），從分子生物學(xué)、物理化學(xué)等方面分析聯(lián)合修復(fù)的效果，達(dá)到治理修復(fù)的目標(biāo)。

4.1 螯合劑-植物修復(fù)

螯合劑與土壤中的重金屬相結(jié)合，可提高土壤中重金屬的含量，從而使植物吸收重金屬的能力更加強(qiáng)化[59]。Komárek 等[60]研究發(fā)現(xiàn)，施加乙二胺四乙酸能夠顯著提高有效態(tài)重金屬在土壤中的含量，加強(qiáng)了雜交楊樹對重金屬的吸收；Liphadzi 等[61]研究發(fā)現(xiàn)向土壤中加入乙二胺四乙酸后向日葵Helianthus annuus地上部的Pb 含量明顯增加，提取重金屬量比不添加螯合劑高約4 倍。

4.2 基因工程-植物修復(fù)

使用基因重組技術(shù)向植物體內(nèi)導(dǎo)入具有積累金屬特性的外源基因，再移入田間試驗進(jìn)行確認(rèn)[62]。趙汝等[63]研究轉(zhuǎn)基因高羊茅對Pb 的耐受性與吸收能力發(fā)現(xiàn)，DREB1A 基因并未改變高羊茅對Pb 的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，但增強(qiáng)了高羊茅對Pb 的耐受性及富集能力；Tang 等[64]發(fā)現(xiàn)矮松Pinus virginiana導(dǎo)入CaPF1 基因后，對金屬Cd、Cu、Zn的抗性也有所提高。

4.3 微生物-植物修復(fù)

利用一些微生物對重金屬的沉淀、吸收、還原和氧化等作用，把重金屬污染物轉(zhuǎn)化為毒性較低的物質(zhì)，來減少土壤中重金屬的毒害作用[65]。Wang 等[66]將美洲黑楊Populus deltoides接種根瘤菌后，其吸收富集As 的濃度提高了1～3 倍；Polti等[67]將鏈霉菌接種于玉米Zea mays幼苗上種植在200 mg·kg-1的Cr（Ⅵ）污染土壤中，玉米的生物量增加了57%，土壤中的生物可利用Cr 含量下降了96%。

4.4 電壓-植物修復(fù)

電極周圍的土壤溶液通過電壓條件可發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致土壤的理化性質(zhì)改變，增加土壤中重金屬的含量，從而增強(qiáng)植物對重金屬的積累和吸收[68]。徐海舟[69]研究東南景天聯(lián)合直流電場修復(fù)Cd 污染土壤發(fā)現(xiàn)，直流電場作用下可促進(jìn)東南景天生長，且植株地上部分對Cd 的吸收富集量有明顯提高。

4.5 化學(xué)改良劑-植物修復(fù)

在土壤中加入磷酸鹽、石灰、硅酸鹽等土壤改良劑可以調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)及營養(yǎng)。陳永華等[70]研究改良劑對夾竹桃、欒樹Koelreuteria paniculata、泡桐Paulownia fortunei和苧麻Boehmeria nivea的影響，結(jié)果表明土壤中的重金屬含量顯著低于未添加改良劑處理的重金屬含量，植物對Pb和Zn 的轉(zhuǎn)運(yùn)與富集能力也有一定的提高。

5 超富集植物安全處置與有效利用

超富集植物收獲后，若未進(jìn)行妥善安全的處置，其體內(nèi)富含的重金屬成分可能重新返回到環(huán)境，造成二次污染。近年來，眾多學(xué)者們[71]研究出了一系列技術(shù)來處置修復(fù)后的植物生物質(zhì)，不同技術(shù)存在各自的優(yōu)點(diǎn)與不足。焚燒法、高溫分解法、灰化法的減量化達(dá)90%以上，液相萃取法和植物冶金法環(huán)境風(fēng)險低，金屬可回收，但其減量化較低（表4）。

6 展望

當(dāng)前植物修復(fù)技術(shù)在迅速發(fā)展，具有廣大的應(yīng)用前景。從植物資源方面，我國植物種類豐富，為我國進(jìn)行篩選超富集植物與應(yīng)用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。對比傳統(tǒng)的工程、化學(xué)、物理修復(fù)等技術(shù)，植物修復(fù)優(yōu)勢明顯：操作簡單便捷、投資和維護(hù)成本較低、無二次污染且后期易于處理，可恢復(fù)土地使用功能，改善城市生態(tài)環(huán)境。從可持續(xù)發(fā)展層面，植物修復(fù)更符合環(huán)境保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)，占用資源少，能夠促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)，有益于形成良好的生態(tài)系統(tǒng)。利用園林植物治理修復(fù)土壤重金屬污染是一條經(jīng)濟(jì)、綠色、可持續(xù)的生態(tài)修復(fù)途徑。

雖然利用園林植物修復(fù)重金屬污染土壤具有諸多優(yōu)點(diǎn)及顯著的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會效益，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的局限性：（1）植株生物量低：許多超富集植物生物量較低，植株體量矮小，生長速度較慢，極大地影響了修復(fù)效率，機(jī)械化作業(yè)條件難以實(shí)現(xiàn)；（2）引種困難：超富集植物大多來自野外，且具有較強(qiáng)的區(qū)域分布性，對水分、氣候、鹽度、土壤肥力、酸堿度等生長條件有一定的標(biāo)準(zhǔn)，使引種栽培受到限制；（3）專一性強(qiáng)：單種超富集植物通常具有特定吸收富集的一到兩種重金屬元素，對其它重金屬則反映為中毒癥狀，因此使植物修復(fù)技術(shù)在治理多種重金屬交叉污染土壤方面的應(yīng)用受到限制；（4）循環(huán)污染：由于器官腐敗、落葉以及死亡后未及時回收處理等原因，富集在植物體內(nèi)的重金屬可能重新返回到環(huán)境中，造成二次污染。

近年來，超富集植物的篩選與應(yīng)用、多種修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用、分子生物學(xué)手段的應(yīng)用等成為植物修復(fù)的重要發(fā)展方向。有學(xué)者在全國范圍內(nèi)甚至國外調(diào)查統(tǒng)計超富集植物資源，了解超富集植物的分布區(qū)域并創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，對發(fā)現(xiàn)的超富集植物進(jìn)行培育篩選[71]。超富集植物的篩選可以與分子生物學(xué)手段結(jié)合，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，把相關(guān)超積累調(diào)控基因和耐受基因轉(zhuǎn)入至生長速度快、生物量較大的污染地區(qū)鄉(xiāng)土植物體內(nèi)，通過強(qiáng)化和篩選，最終得到轉(zhuǎn)基因超富集植物。微生物因其降解重金屬的能力也可被用于植物修復(fù)[72]，可降解重金屬微生物的基因重組技術(shù)包括使用新載體將基因片段引入植物宿主、開發(fā)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的新方式、使用靶向誘變和隨機(jī)誘變來增加生物降解酶的活性[73-74]。

超富集園林植物應(yīng)能夠一定程度上耐受所修復(fù)的重金屬，才能夠在被污染的土壤上正常生長。不同植物可耐受的重金屬有差異，在單一重金屬污染情況下和多種重金屬交叉污染情況下，其對于重金屬的富集量也有較大差異。目前超富集園林植物對多種重金屬耐性機(jī)制相關(guān)方面的研究較為欠缺，而且局限在單一生態(tài)環(huán)境范疇內(nèi)，難以進(jìn)行宏觀判斷。若能研究出減少甚至無二次污染且具有一定經(jīng)濟(jì)效益的重金屬回收利用技術(shù)，將成為植物修復(fù)技術(shù)極具前景的發(fā)展方向。土壤淋洗、電化學(xué)和植物提取等方法各有其優(yōu)劣勢及適用范圍，若能根據(jù)實(shí)際污染情況選擇適合方法，在修復(fù)土壤重金屬污染實(shí)踐中進(jìn)行綜合應(yīng)用，效果可能事半功倍。植物修復(fù)技術(shù)雖然存在一定的局限性，但其在生態(tài)修復(fù)上應(yīng)用前景廣闊，需要科研工作者的進(jìn)一步研究，完善并加強(qiáng)各類園林植物修復(fù)重金屬污染土壤的實(shí)踐環(huán)節(jié)，創(chuàng)立實(shí)踐基地，進(jìn)行植物修復(fù)重金屬污染土壤的示范，對超富集植物的作用和機(jī)理進(jìn)行持續(xù)研究。