重金屬Cd污染土壤的植物修復(fù)研究

徐柯凡，鄭培銘，姚燕紅

（浙江仁欣環(huán)科院有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315016）

土壤重金屬污染主要包括汞、鎘、鈷、鋅、鉛、銅等元素。通常，土壤中的重金屬污染屬于多種重金屬元素的復(fù)合污染，其中，以Cd污染最為嚴(yán)重，主要是因?yàn)橹亟饘貱d具有明顯的生物放大效應(yīng)和生物累積效應(yīng)，毒性較強(qiáng)，在環(huán)境中難以自然降解。因此，研究植物修復(fù)重金屬Cd污染土壤具有十分重要的意義。

1 土壤重金屬污染的基本情況概述

土壤是人類賴以生存的基礎(chǔ)資源，同時(shí)也是自然生態(tài)的重要構(gòu)成部分。但近年來，隨著我國(guó)工業(yè)、農(nóng)業(yè)不斷地發(fā)展，大量工業(yè)廢物的排放、農(nóng)業(yè)化肥與農(nóng)藥的使用成為了環(huán)境污染中的關(guān)鍵問題之一。這些污染物造成的危害讓人觸目驚心，也導(dǎo)致土壤污染的趨勢(shì)進(jìn)一步加劇，特別是重金屬污染呈現(xiàn)出了覆蓋范圍廣、易積累、毒性強(qiáng)、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，不但會(huì)嚴(yán)重影響植物的正常生長(zhǎng)，導(dǎo)致糧食大幅減產(chǎn)，最終還會(huì)通過食物鏈對(duì)人類的身體造成損害。同時(shí)，土壤中存在的污染物也會(huì)通過地下水轉(zhuǎn)移至人們的生活環(huán)境中，從而多維度地對(duì)人體健康造成危害。因此，在生態(tài)文明視域下，必須要正確認(rèn)識(shí)土壤污染的問題，要注重對(duì)污染物的排放進(jìn)行有效控制，做好事前預(yù)防、事中控制和事后治理相結(jié)合的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，爭(zhēng)取最大限度地規(guī)避土壤污染，尤其是土壤重金屬污染問題，以保證土壤的可持續(xù)利用。

2 重金屬Cd污染概述

2.1 土壤中重金屬Cd污染現(xiàn)狀

目前，我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量整體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，因此，土壤污染問題十分嚴(yán)重。而且，近年來發(fā)生了多起與重金屬Cd污染有關(guān)的食品安全事件，徹底給人們敲響了警鐘，讓人們逐漸認(rèn)識(shí)到了重金屬Cd污染的危害性。而在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)土壤污染狀況進(jìn)行調(diào)查的過程中發(fā)現(xiàn)，重金屬鎘的超標(biāo)率最高，即有11個(gè)省和25個(gè)區(qū)存在嚴(yán)重的重金屬鎘富集問題，其中有超過40%的土壤受到了重金屬鎘的嚴(yán)重污染。經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)北部地區(qū)土壤中重金屬Cd的濃度略低于南部地區(qū)[1]。但總體來說，我國(guó)土壤中重金屬Cd污染的問題已十分嚴(yán)重，所以，必須要及時(shí)采取土壤污染的治理與修復(fù)措施，避免重金屬Cd污染對(duì)土壤的可持續(xù)利用造成影響，從而最大限度地保障人們身體健康。

2.2 重金屬Cd污染的來源

鎘元素（Cd）可以通過植物的根部遷移到表層組織，再經(jīng)過食物鏈進(jìn)入人體，最終危害人們的身體健康。因此，我國(guó)非常重視重金屬Cd污染土壤的治理，但這一直是生態(tài)環(huán)境治理的難點(diǎn)。通常，重金屬Cd污染的來源主要與人類活動(dòng)、自然活動(dòng)有關(guān)，即土壤污染的兩個(gè)重要源頭，簡(jiǎn)稱人為源、自然源。其中，人為源主要與工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人類生活密切相關(guān)，主要包括冶金、電鍍、采礦、化肥、灌溉、生活垃圾填埋等；而自然源主要包括火山爆發(fā)、水土流失、礦物風(fēng)化等。但需要注意的是，在有色金屬資源含量較高的區(qū)域，由于重金屬儲(chǔ)量十分豐富，所以，在重金屬的開采過程中會(huì)存在很大的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)。

3 重金屬Cd污染的危害

3.1 對(duì)人類的危害

重金屬Cd本身是人體必需的元素之一，但過量積累就會(huì)產(chǎn)生一些隱患，如該物質(zhì)主要是通過消化道進(jìn)入人體，但卻難以自行排出。若人們所處的環(huán)境比較惡劣，或沒有綠色環(huán)保的意識(shí)，長(zhǎng)期食用含有重金屬Cd污染較嚴(yán)重地區(qū)的動(dòng)植物等食品，會(huì)導(dǎo)致Cd元素過量進(jìn)入人體。其中，不被人體吸收的部分會(huì)與血紅蛋白以及低分子金屬硫蛋白結(jié)合，且隨著人體血液流動(dòng)遍布內(nèi)臟器官，最終蓄積于人體內(nèi)的腎臟、肝臟當(dāng)中，就會(huì)造成重金屬Cd中毒癥狀比較嚴(yán)重的情況，比如慢性球體腎炎、動(dòng)脈硬化性腎萎縮等。另外，攝入過量的重金屬Cd還會(huì)導(dǎo)致人體骨質(zhì)中部分Ca被Cd取代，最終導(dǎo)致人體骨骼變形、軟化，而且發(fā)生骨折的概率較高，嚴(yán)重甚至?xí)＜叭藗兊纳?/p>

3.2 對(duì)作物的危害

近年來，我國(guó)進(jìn)一步加大了對(duì)土壤中重金屬Cd的研究。通過研究證明，在重金屬Cd污染土壤中不同作物的耐性存在一定差異。比如，水稻對(duì)重金屬Cd的耐受性較強(qiáng)，不過在污染區(qū)域會(huì)導(dǎo)致水稻減產(chǎn)；而菠菜、水芹、萵苣等耐受性較差，即便土壤中重金屬Cd的濃度較低，這些作物也容易受到污染。另外，重金屬Cd還具有較高的毒性，在化學(xué)性質(zhì)上Cd與Zn相近，且在進(jìn)入植物體內(nèi)后可能會(huì)取代原本的Zn元素，會(huì)導(dǎo)致植物缺少必需的Zn，最終對(duì)作物的正常生長(zhǎng)造成影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致作物死亡。

3.3 重金屬Cd土壤污染下的植物修復(fù)技術(shù)

在生態(tài)文明視域下，人們?cè)絹碓阶⒅貙?duì)環(huán)境的保護(hù)，國(guó)內(nèi)外許多專家也正積極探索在不破壞土壤環(huán)境、可以保證土壤結(jié)構(gòu)以及微生物活性的情況下對(duì)重金屬污染進(jìn)行治理的方法，且經(jīng)過多年研究已積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)。其中，植物修復(fù)主要是利用植物吸收土壤中存在的重金屬元素，是一種重金屬Cd污染土壤治理的有效技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，是將重金屬元素帶出土壤，從而達(dá)到清除土壤中重金屬元素的一種手段，因此，有人還將該技術(shù)稱為生物修復(fù)或綠色修復(fù)。由于植物修復(fù)技術(shù)本身沒有太大的成本限制，投資較少，同時(shí)，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)不會(huì)造成破壞，甚至還會(huì)改善土壤結(jié)構(gòu)，并且也不會(huì)造成二次污染，整體上技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。所以，該技術(shù)目前已成為一種安全、可靠、綠色的土壤污染修復(fù)技術(shù)，受到了各國(guó)、各地區(qū)的廣泛關(guān)注。

4 植物修復(fù)的基本類型

4.1 植物提取

在植物提取修復(fù)技術(shù)中，目前已經(jīng)有超過500種的植物具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，其中，針對(duì)土壤中重金屬富集的植物主要集中在十字花科的庭薺屬[2]。該技術(shù)主要是利用超積累植物逐漸富集重金屬Cd，然后將其從植物根部輸送到表層，最后，技術(shù)人員統(tǒng)一收集處理地上的植物，就可以有效去除土壤中的重金屬Cd。此外，還可以將該技術(shù)用作其他領(lǐng)域。經(jīng)實(shí)踐證明，利用超富集植物對(duì)重金屬Cd污染區(qū)域進(jìn)行修復(fù)治理，可以在很短的時(shí)間內(nèi)將原本光禿的污染土地修復(fù)成長(zhǎng)滿茂盛植被的活土，所以，植物修復(fù)技術(shù)是一種最有發(fā)展前景，且可以深入研究的技術(shù)。

4.2 植物揮發(fā)

在植物收集以及處理的過程中，應(yīng)用該技術(shù)比較繁瑣，而轉(zhuǎn)化后的污染物對(duì)大氣環(huán)境也會(huì)造成一定程度的危害，因此，在實(shí)際使用之前需慎重考慮，權(quán)衡利弊。需要注意的是，應(yīng)用植物揮發(fā)技術(shù)有一定的要求，即轉(zhuǎn)化后的重金屬Cd的毒性要低于轉(zhuǎn)化前，通過這種方式能最大限度降低重金屬Cd對(duì)環(huán)境造成的危害。

4.3 植物降解

該技術(shù)主要是指，當(dāng)重金屬元素被超富集植物的根部吸收后，會(huì)通過植物體內(nèi)的代謝活動(dòng)實(shí)現(xiàn)過濾和降解重金屬毒性的效果。比如，向日葵、印度芥菜等都會(huì)對(duì)土壤中的重金屬有較強(qiáng)的過濾與吸附效果。目前，該修復(fù)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于不同濕地環(huán)境、水體環(huán)境的重金屬污染治理中。另外，超富集植物的根系在降解重金屬毒性的過程中，其根際環(huán)境在植物修復(fù)中發(fā)揮著重要作用。而植物提取、植物揮發(fā)等技術(shù)的應(yīng)用幾乎都與超富集植物的根系以及根際環(huán)境有密切聯(lián)系。

4.4 植物穩(wěn)定

在污染土壤的修復(fù)過程中，利用植物根際的一些特殊物質(zhì)，可將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)化為無害或毒性較小的物質(zhì)，以此達(dá)到植物穩(wěn)定化的目的，從而降低重金屬Cd的毒性效應(yīng)。有學(xué)者認(rèn)為，植物穩(wěn)定主要是指超富集植物在吸收、富集重金屬或?qū)⒅亟饘傥街粮?，最終在根際區(qū)域進(jìn)行沉淀[3]。同時(shí)，超富集植物的根毛也可以直接從土壤中吸收重金屬Cd；而且，植物的根部還可以避免重金屬Cd被水侵蝕或被風(fēng)侵蝕，能有效避免其在土壤中擴(kuò)散、滲漏。此外，借助超富集植物的吸附、轉(zhuǎn)化和降解重金屬的特性，還可以降低重金屬被雨水沖刷帶入地上、地下水或在空氣中進(jìn)一步污染擴(kuò)散的概率。但需要注意的是，應(yīng)用植物穩(wěn)定并非是徹底消除土壤中的重金屬Cd，只是保證在土壤及其周邊環(huán)境發(fā)生變化的情況下，避免重金屬Cd重新活化或重新恢復(fù)較強(qiáng)的毒性，因此，該技術(shù)還存在一定局限性。

5 植物修復(fù)機(jī)理分析

5.1 根際環(huán)境的作用

根際環(huán)境主要是指植物根系與周圍土壤中的微生物如細(xì)菌、真菌等相互作用而形成的特殊區(qū)域。而超富集植物可以通過根系分泌的物質(zhì)改善根際環(huán)境，從而降低重金屬Cd的毒性。比如龍葵就是一種典型的超富集植物，在重金屬Cd污染土壤的治理中有很好的效果，這主要是因?yàn)辇埧母腿~分泌的物質(zhì)可以緩解由重金屬Cd積累引起的膜脂過氧化損傷。

5.2 植物螯合態(tài)

植物螯合態(tài)是指蘊(yùn)含于超富集植物內(nèi)部具有解毒效果的物質(zhì)，主要是由谷氨酸、甘氨酸、半胱氨酸等組成。在污染土壤的修復(fù)治理中，超富集植物是本身通過金屬結(jié)合蛋白和一些有機(jī)酸分泌，實(shí)現(xiàn)了螯合重金屬的作用。這主要是因?yàn)樵谌狈﹁F的情況下，一些單子葉的植物可以釋放出植物高鐵載體，同時(shí)，超富集植物還可以分泌金屬結(jié)合代表物，而作為植物的離子載體，可有效促進(jìn)土壤中重金屬Cd的溶解，也可以通過分泌一些化合物的方式促進(jìn)土壤中重金屬的溶解。

5.3 區(qū)室化作用

當(dāng)土壤中的重金屬進(jìn)入植物內(nèi)部時(shí)，主要集中在植物內(nèi)部的液泡、葉表皮、胞壁連接區(qū)等部位，這樣能有效避免重金屬Cd對(duì)植物細(xì)胞造成的損害，最終實(shí)現(xiàn)在植物內(nèi)的高富集。比如在油菜的液泡與細(xì)胞壁中，可以積累大量的重金屬Cd。而在Cd2+的誘導(dǎo)下，還能夠從植物細(xì)胞中分離兩種Pc-Cd復(fù)合物（Cd的植物螯合態(tài)）：即貧硫的低分子量Pc-Cds復(fù)合物與輔硫的高分子量Pc-Cds復(fù)合物[4]。

5.4 植物修復(fù)輔助技術(shù)

在重金屬污染土壤治理中，當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的高富集植物主要是以單一重金屬耐受植物為主，而高富集植物普遍難以在多種重金屬含量較高的土壤中生成。從土壤重金屬污染的情況來看，主要是以復(fù)合型污染為主，這對(duì)于植物有較強(qiáng)的毒害性，同時(shí)，在外部環(huán)境如溫度、濕度等因素的影響下，還會(huì)對(duì)植物修復(fù)的效果造成一定程度的影響，因此，國(guó)內(nèi)對(duì)于植物修復(fù)技術(shù)的研究，以聯(lián)合修復(fù)居多。這主要是由于重金屬Cd的形態(tài)復(fù)雜多變，植物吸收難度大，所以，在應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)的過程中實(shí)際治理的效率較低。因此，需要采用一定的輔助手段提高在重金屬Cd污染土壤中的治理效果，以此提高植物修復(fù)的整體效率。而在選擇植物修復(fù)技術(shù)的實(shí)際過程中，應(yīng)綜合考慮植物的耐受性和修復(fù)效果，還要考慮植物的成本和經(jīng)濟(jì)效益。如修復(fù)潛力大的植物可能富集能力不強(qiáng)，但對(duì)于重金屬Cd的耐受性較強(qiáng)，且具有生長(zhǎng)范圍廣、植株重等諸多優(yōu)勢(shì)。

以下為幾種常見的輔助技術(shù)：（1）提高農(nóng)業(yè)科技，增加植物的富集能力和生物量；（2）近年來，國(guó)內(nèi)已有不少內(nèi)生菌結(jié)合植物修復(fù)的成功案例。因此，在植物修復(fù)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，通過接種耐受性強(qiáng)的微生物菌株，也可以有效提高植物降解重金屬Cd毒性的效果。例如，叢枝菌根可以提高豌豆對(duì)土壤中重金屬Cd的富集和耐受性；（3）在利用植物修復(fù)技術(shù)的過程中，可以在基因工程的支持下強(qiáng)化植物修復(fù)技術(shù)，將可強(qiáng)化修復(fù)的基因片段導(dǎo)入植物DNA中，強(qiáng)化植物修復(fù)技術(shù)。例如，可以將小麥TaPCSI基因?qū)霟煵葜参锏腄NA中，從而增加植物的生物量，增強(qiáng)植物的降解和穩(wěn)定效果。（4）利用螯合劑能與土壤重金屬螯合成鍵的機(jī)理，使重金屬?gòu)牟蝗軕B(tài)轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)，從而形成水溶性金屬螯合劑絡(luò)合物，這樣就可以提升高富集植物修復(fù)重金屬Cd污染土壤的效果[5]。

6 重金屬Cd污染土壤中不同植物的修復(fù)效果分析

在重金屬Cd污染土壤中應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)，需要進(jìn)行不同超積累植物修復(fù)效果的對(duì)比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)人員需提前準(zhǔn)備好無植物土樣、無植物無鎘土樣和無植物含鎘土樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以此對(duì)不同植物的修復(fù)效果進(jìn)行對(duì)比研究。其中，含鎘無植物土樣可根據(jù)不同植物和重金屬的鎘濃度進(jìn)行劃分。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，為了得到最準(zhǔn)確的結(jié)果，至少需要進(jìn)行三次以上重復(fù)試驗(yàn)，并對(duì)比每次試驗(yàn)結(jié)果，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

6.1 試驗(yàn)結(jié)果討論

在菊科草本植物的試驗(yàn)中，與其他非高富集植物進(jìn)行了比較。在實(shí)驗(yàn)中，由于土壤中含有的重金屬Cd濃度存在一定差異，所以對(duì)植物幼苗生長(zhǎng)的影響也有著顯著差異，而對(duì)于重金屬Cd，不同的植物幼苗也有著不同的敏感度。其中，部分植物受重金屬Cd的抑制時(shí)間較早，所以，重金屬Cd毒性的影響主要作用于幼苗生長(zhǎng)初期；還有部分植物幼苗在生長(zhǎng)中后期才會(huì)受到重金屬Cd的顯著影響。比如當(dāng)土壤中重金屬Cd含量為5 mg/kg的時(shí)候，種植萬壽菊，其幼苗在生長(zhǎng)的初級(jí)階段就會(huì)受到重金屬Cd的明顯抑制，而在該幼苗生長(zhǎng)的中后期重金屬Cd又會(huì)起到顯著的促進(jìn)生長(zhǎng)作用[6]。

6.2 植物運(yùn)輸重金屬Cd的能力

通過計(jì)算高富集植物地上和地下部分的重金屬Cd的含量，可以獲得植物對(duì)于Cd元素的輸送能力。這主要是因?yàn)橹参锏厣喜糠种亟饘貱d的含量越高，植物的運(yùn)輸能力越強(qiáng)。而通常情況下，重金屬Cd在普通植物地下部分的含量會(huì)高于地上部分。比如，菊科草本植物的經(jīng)絡(luò)輸導(dǎo)系數(shù)通常是濃度高時(shí)較高，濃度低時(shí)較低，其總體變化趨勢(shì)是先升后降。而且，升降轉(zhuǎn)折點(diǎn)越晚，植物對(duì)重金屬Cd的運(yùn)輸能力越強(qiáng)，說明植物對(duì)重金屬Cd的耐受性強(qiáng)[7]。

6.3 植物對(duì)重金屬Cd污染土壤的修復(fù)能力

在重金屬Cd污染土壤中，具有高富集特性的植物其整體修復(fù)能力會(huì)隨著土壤中重金屬濃度的增加而呈現(xiàn)出上漲的趨勢(shì)。一般情況下，以不同濃度重金屬Cd污染土壤的修復(fù)效果看，不同種類和吸收部位的高富集植物吸收效率不同，這主要是與植物受重金屬Cd毒害與抑制的效果有關(guān)，但從整體上來看大多數(shù)會(huì)呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。

7 結(jié)語

綜上所述，植物修復(fù)是目前重金屬Cd污染土壤治理與修復(fù)的主要研究方向，但要根據(jù)重金屬Cd污染土壤的實(shí)際情況選擇不同的植物，這樣才能起到對(duì)重金屬Cd的降解、吸附、穩(wěn)定、富集等作用，且有助于降低重金屬Cd對(duì)土壤環(huán)境造成的污染，同時(shí)，還可以降低重金屬Cd對(duì)地下與地表水造成的污染。