重金屬Cd污染土壤的植物修復(fù)研究

時(shí)唯偉，周長行，劉 凱，王 榕

（山東省土壤污染防治中心，濟(jì)南 250012）

土壤是人類發(fā)展的根本，但隨著開發(fā)活動的越來越多，大量重金屬元素在土壤中沉積，破壞了生態(tài)環(huán)境平衡。重金屬是造成我國土壤污染的重要因素，其中，重金屬鎘（Cd）具有易被植物吸收、遷移性強(qiáng)的特點(diǎn)，很難在環(huán)境中降解，已對我國部分土地造成嚴(yán)重污染。研究表明，Cd 是一種環(huán)境激素，易造成腎、骨、肝的病變。植物修復(fù)是一種綠色安全且成本低的技術(shù)，近些年來在Cd 污染治理中被廣泛應(yīng)用。本文綜述了Cd 污染土壤的植物修復(fù)研究進(jìn)展，以更好地將植物修復(fù)應(yīng)用于Cd 污染土壤治理中。

1 土壤鎘污染來源及危害

土壤重金屬污染指的是密度大于4.5 g/cm的金屬或其化合物在土壤中造成的污染。在環(huán)境中，Cd元素化學(xué)性質(zhì)活潑，毒性大。通常，其主要來源分為自然源和人為源。從自然源來看，Cd 主要來自成土母質(zhì)，其在天然土壤中的含量很低，火山爆發(fā)、巖石風(fēng)化以及森林火災(zāi)等也可能產(chǎn)生鎘污染。從人為源來看，化肥使用、污水排放以及礦石開采等會造成鎘污染。通常，Cd 長期存在于土壤中，會抑制土壤的酶活性，還會改變微生物群落，對其理化狀態(tài)造成很大的負(fù)面影響。Cd 容易通過富集作用危害胃、腸、生殖系統(tǒng)等器官，具有極強(qiáng)的致癌性。

2 植物修復(fù)技術(shù)分析

2.1 超富集植物的篩選

自然界中，部分植物富集重金屬的能力遠(yuǎn)超一般植物。鎘超富集植物對鎘污染土壤中Cd 的富集能力很強(qiáng)，具有高效除鎘的優(yōu)勢。如表1所示，近些年來，超富集植物研究多集中在硫華菊、寶山堇菜等草本植物中。沈佳怡等研究了不同植物對鎘污染底泥的耐受性和富集轉(zhuǎn)運(yùn)特性，以期利用植物修復(fù)鎘污染河道底泥，研究表明，龍葵、金盞菊、商陸與三葉鬼針草對鎘的提取量均高于0.30 kg/hm，具有較好的修復(fù)效果，其中，龍葵對底泥中鎘的提取量為2.84 kg/hm，提取效率可達(dá)88.75%，展現(xiàn)出較大的修復(fù)潛力。王沛琦等以5 個(gè)蓖麻品種為試驗(yàn)材料，通過大田試驗(yàn)對比了不同蓖麻品種對Cd 污染土壤的修復(fù)能力，認(rèn)為蓖麻對土壤中重金屬Cd 的富集能力較強(qiáng)，可用于修復(fù)云南個(gè)舊的Cd 污染土壤，且種植滇蓖2 號可以獲得較好的修復(fù)效果。趙竑緋等評估了桉樹、銀合歡、楝樹3 個(gè)多用途樹種對Cd 的植物修復(fù)潛力，認(rèn)為苦楝對Cd 的耐受性最強(qiáng)，銀合歡修復(fù)Cd 污染土壤的潛力最大。劉倩等研究表明，無性系金絲柳具有較高的耐受性和累積能力，在Cd 污染土壤中能去除Cd，具有修復(fù)中重度Cd 污染土壤的能力。

表1 常見的鎘超富集植物

2.2 植物修復(fù)方式

植物修復(fù)技術(shù)直接利用植物對重金屬的轉(zhuǎn)化、提取和揮發(fā)等機(jī)制來修復(fù)重金屬污染土壤。該技術(shù)是目前研究最多、最具發(fā)展?jié)摿Φ耐寥乐亟饘傥廴局卫砑夹g(shù)。當(dāng)前，植物修復(fù)技術(shù)主要有植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定化和植物提取等。植物揮發(fā)只是利用根系分泌物或微生物作用來吸取或積累土壤中的污染物，把污染物從土壤轉(zhuǎn)移到大氣中，受氣流變化影響，污染物狀態(tài)無法跟蹤和控制，容易對土壤造成二次污染。植物穩(wěn)定化又稱植物固定，指植物根系積累和沉淀土壤中的重金屬，降低流動性，限制其浸出而進(jìn)入地下水和食物鏈中。

植物提取是最常見的植物修復(fù)技術(shù)之一，是指利用植物根系從土壤中吸收重金屬，并將其轉(zhuǎn)移、積累至植物的葉和芽等地上部分。其主要分為自然植物提取和化學(xué)誘導(dǎo)植物提取，主要優(yōu)點(diǎn)是能將土壤中重金屬轉(zhuǎn)移至植物中，既能治理污染，又能回收重金屬。曹瑞祺等研究表明，在鎘污染嚴(yán)重的土壤中，除柳樹和蘆葦外，可考慮種植楊梅、冬青、杜鵑來修復(fù)土壤。胡仲義等研究表明，低濃度的鎘（10 mg/L）對冬青幼苗生長有促進(jìn)作用，認(rèn)為冬青在鎘濃度小于10 mg/L 時(shí)耐受性較好。周志強(qiáng)使用象草修復(fù)Cd污染土壤，土壤有效態(tài)Cd 含量是影響象草地上部Cd提取量的關(guān)鍵因素。

3 植物修復(fù)重金屬Cd 污染土壤的強(qiáng)化途徑

3.1 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)

土壤中微生物含量豐富，重金屬的遷移循環(huán)與微生物活動息息相關(guān)。在重金屬污染土壤中，微生物群落變化與分泌物都會影響重金屬的有效性。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)是指在植物修復(fù)基礎(chǔ)上，聯(lián)合植物共生或非共生微生物，形成聯(lián)合修復(fù)體對重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)，其主要有植物-菌根真菌聯(lián)合修復(fù)、植物-根瘤菌聯(lián)合修復(fù)和植物-專性菌株聯(lián)合修復(fù)三種形式。劉悅暢研究了沼澤紅假單胞菌和枯草芽孢桿菌聯(lián)合作用對修復(fù)農(nóng)田鎘污染土壤的效果，認(rèn)為沼澤紅假單胞菌、枯草芽孢桿菌單獨(dú)作用以及聯(lián)合作用均能使農(nóng)田土壤中鎘的固定態(tài)增加，降低農(nóng)田土壤中鎘的生物有效性。李偉等采用溫室盆栽試驗(yàn)，將叢枝菌根真菌摩西管柄囊霉接種在高羊茅上，研究表明，與未接種植株相比，接種摩西管柄囊霉顯著提高了寄主植物對Cd 的富集能力，有利于重金屬在根部的積累，同時(shí)降低了地上部的Cd 含量，其認(rèn)為高羊茅-叢枝菌根共生體在Cd 污染土壤修復(fù)中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

3.2 植物-化學(xué)聯(lián)合修復(fù)

植物-化學(xué)聯(lián)合修復(fù)利用化學(xué)試劑來輔助植物提取土壤中重金屬或增強(qiáng)部分植物對重金屬的穩(wěn)定效果。其可用化學(xué)試劑調(diào)節(jié)土壤性質(zhì)來促進(jìn)重金屬在超富集植物中的積累，因此是一種有效的修復(fù)方式。王雨涵等研究發(fā)現(xiàn)，乙二胺四乙酸（EDTA）能有效提高超積累植物對Cd 的提取量，檸檬酸和氨三乙酸混合物增加了油菜地上部組織中的酚酸、總有機(jī)酸和Cd 含量。楊曉斕等采用盆栽試驗(yàn)，探討兩個(gè)不同用量梯度下添加3 種有機(jī)酸（草酸、檸檬酸和氨三乙酸）對鎘污染黃壤中龍葵生長及Cd 吸收的影響，結(jié)果表明，添加有機(jī)酸能促進(jìn)龍葵生長和對Cd 的吸收，氨三乙酸施用量為2.5 mmol/kg 時(shí)，龍葵修復(fù)Cd 污染黃壤的效果最優(yōu)。郭暉等研究外源檸檬酸的添加對萱草、鳶尾和美人蕉3 種觀賞植物修復(fù)鎘污染土壤的影響，結(jié)果表明，添加檸檬酸可有效提高3 種觀賞植物對鎘污染土壤的修復(fù)效率，美人蕉植株高大，根莖為塊狀，其表現(xiàn)出比萱草和鳶尾更強(qiáng)的鎘修復(fù)能力。

3.3 農(nóng)藝強(qiáng)化修復(fù)

隨著科技的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，利用植物修復(fù)技術(shù)修復(fù)重金屬Cd 污染土壤時(shí)，可利用農(nóng)藝措施提高植物的生物量，加強(qiáng)植物對鎘的富集能力。常用的農(nóng)藝措施有：調(diào)節(jié)土壤pH，改善土壤營養(yǎng)成分比例，利用科技手段增加生物量。曹雪瑩等研究表明，伴礦景天與高積累晚稻輪作、伴礦景天與高積累油菜套作對中輕度Cd 污染農(nóng)田土壤的修復(fù)潛力較大，可作為湘中Cd 污染農(nóng)田修復(fù)的種植模式。譚可夫等研究表明，煙草-紅葉甜菜輪作模式在中、高重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)農(nóng)田土壤修復(fù)中具有一定的應(yīng)用潛力。陳璘涵等比較分析了紅葉甜菜-菊苣和菊苣-油葵兩種輪作模式對鎘污染土壤的修復(fù)潛力，認(rèn)為其能充分利用四季的氣候特點(diǎn)，在不影響作物產(chǎn)量的前提下大大提高作物對重金屬Cd 的提取量。

4 結(jié)論

土壤重金屬污染是當(dāng)今世界的重要環(huán)境問題，重金屬鎘毒性大，遷移性強(qiáng)，具有顯著的生物積累和生物放大效應(yīng)，很難在環(huán)境中降解。植物修復(fù)是目前應(yīng)用最廣的重金屬Cd 污染治理技術(shù)，綠色無污染，具有良好的應(yīng)用前景。本文綜述了植物-微生物聯(lián)合修復(fù)、植物-化學(xué)聯(lián)合修復(fù)及農(nóng)藝強(qiáng)化修復(fù)的研究進(jìn)展，為后續(xù)研究奠定理論基礎(chǔ)。當(dāng)前，植物修復(fù)技術(shù)仍然不是十分成熟，大部分還處于實(shí)驗(yàn)室階段，未能在實(shí)踐中應(yīng)用。超富集植物大多具有特異性，因此需要聯(lián)合微生物、化學(xué)試劑及農(nóng)藝措施等共同修復(fù)土壤重金屬Cd 污染。未來，為了促進(jìn)植物修復(fù)技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)聯(lián)合技術(shù)研究，對環(huán)境微生態(tài)進(jìn)行分析，避免造成二次污染。同時(shí)，利用農(nóng)藝管理措施加強(qiáng)植物修復(fù)。此外，可利用分子生物學(xué)理念，通過基因工程技術(shù)提高植物對土壤Cd 污染的修復(fù)效果。