礦山重金屬污染土壤的植物修復技術

畢亞凡,徐俊虎

(武漢工程大學環境與城市建設學院， 湖北 武漢 430074)

0 引 言

開采礦山資源為人類社會經濟活動提供了豐富的物質原料、推動了社會經濟的發展、帶動了相關科技與學術研究的進步，然而接踵而來卻是嚴重的環境污染和生態破壞.采礦活動是土壤重金屬的主要來源，我國已經有743萬hm2土地因此遭受破壞，并且每年新增4萬hm2.此外我國因礦業活動破壞土地的復墾率僅有13．3%，遠遠不及發達國家的75%.從生物化學角度看，因礦業活動流失的土壤重金屬將會通過食物鏈等進入生物體內[1]，嚴重威脅著礦山周邊地區居民飲食安全、生態安全和社會和諧穩定，因此礦區重金屬污染土壤生態恢復問題亟需解決.植物修復成本低廉、操作簡單，不會造成二次污染，符合我國目前階段的現實條件.另一方面植物修復周期長、效率較低，在我國環保領域尚處于起步研究階段，但從長遠角度考慮，植物修復應對礦山重金屬土壤恢復是一種比較可行的策略.

1 植物修復的概念

植物修復(phytoremediation)是以植物忍耐、分解或超量積累某種或某些化學元素為基礎，利用植物及其共存微生物體系來吸收、超量積累、降解、固定、揮發及富集環境中污染物，實現部分或完全修復土壤污染的一門環境污染原位治理技術.圖1為植物修復原理示意圖.

圖1 土壤-水-植物根系統及其邊界Fig.1 Soil-water-plant root system and its boundary

植物修復技術(phytoremediation)包括：植物穩定(phytostabilization)、植物揮發(phytovola-tilization)、植物提取(phytoextraction)和根際過濾(rhizofiltration).其中植物穩定和植物提取適合應用于修復礦區受重金屬污染土壤.植物穩定(phytostabilization)是利用植物根際分泌的特殊物質將根系周圍重金屬污染物包圍使其相對無害，如利用耐重金屬植物根系分泌黏膠狀多糖類物質，將大量的金屬離子黏附到根周圍.香蒲植物、香根草、無葉紫花苕子(vicia viuosa)對Pb、Zn具有強的忍耐性和吸收能力且生長量大可用于凈化礦區受污染土壤.由于該類植物根系通常含較高濃度重金屬，應盡量連根割除植物[2].英國利物浦大學Bradshaw等最早利用礦山廢棄地耐性植物對礦山土壤進行了修復[3].植物提取(phytoextraction)是指利用耐重金屬植物從土壤溶液中吸收轉移重金屬離子，并將其轉移、貯存到地上部分，連續種植這種植物，即可不斷降低土壤中重金屬含量.

2 植物修復應用最新進展

2.1 植物穩定(固定)技術

植物固定只是暫時將環境中的重金屬元素固定，使其生物毒性降低更有利于植物種群的生存，并沒有徹底解決環境的重金屬污染問題，如果環境條件發生變化，重金屬離子依舊會進入土壤造成危害.可添加改土劑來改進效果和植物一起來固定重金屬，如Mench等在煉砷廠大氣降塵污染的重金屬復合污染土壤上，施用土重5%的粉煤灰(beringite)和1%的廢鐵粉，使植物固定的效果明顯提高，根瘤等生物多樣性指標明顯改善[4].

2.2 植物提取技術

植物對重金屬的吸收隨著時間的推移往往表現為三個階段[5].第一階段植物對重金屬的提取吸收效率與其在土壤水溶液中的停留時間成正相關，第二階段是飽和階段，第三階段為釋放階段.釋放是因為植物吸收過多的重金屬而中毒死亡，重金屬又回到土壤溶液中.因此應定期收割死亡植物，以減少對土壤的二次污染.植物提取技術依賴一些特異性植物(主要指超富集植物)，超累積植物(hyperaccumu1ator)是指對重金屬元素的吸收量超過一般植物100倍以上的植物.根據積累金屬元素的種類，可以把超累積植物分類見表1.

表1 國內外發現的主要重金屬超富集植物Table 1 Hyperaccumulators found at home and abroad

注： 根據Brooks，1998補充修改[6]

超富集植物雖然已發現數百種，大多綜合抗逆性差，很難適應不同的氣候環境，真正可利用于某污染區的很少；植物修復的效益取決于植物地上部分重金屬含量及其生物量，目前已知的超富集植物絕大多數生長慢、生物量小；此外重金屬在土壤中的生物有效性低，植物難以吸收，并且難以將重金屬由根系轉移到地上部分[7].

植物提取技術有如下改進：

a. 螯合誘導的植物提取技術.是指施用螯合劑或配位基來誘導或強化植物對金屬的超富集作用，此技術早已應用于植物修復或植物采礦(phytomining)中[8].一般這種技術是在植物生物量已經很高時加入螯合劑或配位劑，減少植物對高濃度重金屬的適應時間，這樣植物能快速吸收較多重金屬離子，并且即使植物因毒害作用死亡也不會影響重金屬去除的效果.

b. 接種特殊微生物.如接種叢枝菌根強化植物修復，叢枝菌根(Arbuscularmycorrhiza)在重金屬土壤中可與植物根系共生，AM可通過減輕重金屬對植物的毒害改善植物生長狀況，加快植物對重金屬的吸收和轉運[9].此外Tyagi等利用部分微生物對重金屬的耐性使土壤酸化，加強重金屬的溶出，從而進行生物淋濾(bio-leaching).目前生物淋濾只在污水污泥處理中運用，可以考慮在土壤的植物提取中應用[10].

c. 增加營養.養分是影響植物吸收重金屬的重要因素，施加營養使超富集植物生長旺盛、生物量提高、促進植物根系發育，從而提高植物提取效率.選用生理酸性肥料，如硫酸銨、過磷酸鈣、氯化鉀，可明顯增加植物提取重金屬.適當使植物缺P，可以增加植物根系分泌有機酸，從而提高植物提取重金屬的效率[11].

d. 結合農藝技術. 超富集植物多數是野生植物，通過農藝技術提高植物地上部生物量，將野生超富集植物馴化成栽培作物等，進而更有效地應用于植物修復.

3 礦山重金屬污染土壤修復思路

我國礦產資源總量豐富，但分布過于分散導致貧礦多，富礦少，且成分中多含伴生礦物質.因此在礦產開采過程中尾礦較多，在降水淋濾作用下，尾礦中重金屬元素可長期穩定地向外釋放.硫化物往往和其他礦產共(伴)生，硫化物產生的酸性水將進一步淋溶礦山廢棄地中的尾礦，造成更為嚴重的生態環境危害.建議礦業廢棄地應采用植物穩定技術促使恢復植物生長環境，針對礦業廢棄地外圍應采用植物提取技術逐步減輕土壤中重金屬含量，在整個礦山外圍應組合使用植物-微生物-化學聯合修復技術達到徹底生態恢復的目的.

3.1 化學添加劑強化植物穩定

植物穩定技術通過減少礦山廢棄地內部徑流侵蝕、外部風蝕等防止重金屬元素遷移，適合于較高污染且難以運用植物提取技術的礦業廢棄地.伴生硫化物的金屬礦業廢棄地，其酸性條件極端、重金屬元素含量過高，會直接抑制種子的萌發和植物的生長.通過添加化學固定劑強化植物穩定降低重金屬毒性，可逐步使植物適應、生長并生存于礦山廢棄地.我們可以采取如下措施：a. 利用堿性物質如煤渣、淤泥等改善土壤PH、提高營養、降低重金屬活性[12]；b. 利用采礦細砂設置隔離層，將外界環境和礦業廢棄地隔開，能有效的阻止和固定重金屬元素.經過土壤基質改良并利用當地耐性植被隔離，可成功的修復一些礦業廢棄地[13].

3.2 化學添加劑強化植物提取

植物提取技術常運用在重金屬污染相對較輕的礦業廢棄地周圍，通常添加化學螯合劑來強化植物提取效果[14].化學螯合劑活化過程涉及了多種反應機理：a. 螯合劑通過絡合作用與重金屬結合[15]；b. 酸洗導致重金屬氧化物或礦物成份溶解等[16].

3.3 多因素強化植物穩定和植物提取

礦山廢棄地這一特殊環境往往會造成多重金屬污染土壤，單純的植物修復技術顯然無法徹底解決.化學添加劑可影響土壤重金屬的吸附和活化等環境化學行為：添加化學固定劑降低重金屬活性可強化植物穩定效果；而植物提取技術，實際應用中常結合化學螯合劑強化植物提取修復效果[17].

證據表明土壤微生物在礦山重金屬污染土壤修復過程中起著重要的作用.如促進植物生長和營養吸收，提高植物對重金屬的忍耐性[18]，與植物根系共生產生影響重金屬活性的特殊物質，增強了植物對重金屬的吸收積累能力，提高了植物修復效率[19].

4 植物修復前景展望及建議

植物修復最顯著的優點是處理成本低廉，美國Cunningham等研究表明其比物理化學處理費用低好幾個數量級[20].以植物穩定和植物提取為核心技術分別控制物理化學、微生物等因素研究化學一微生物一植物聯合修復體系及機理，一方面可為礦山及周邊地區多金屬污染土壤修復提供實踐依據和技術支撐，另一方面能加速我國礦山廢棄地推廣和應用植物修復技術.

建議結合礦山及周邊地區多金屬污染土壤的治理實踐中，闡明多金屬污染土壤條件下化學固定或活化過程與機理；加大研究不同微生物于不同類型金屬影響機制(活化與固定)及其與植物忍耐/吸收之間關系.建議我們在今后礦區重金屬污染土壤的修復實踐中應遵循生態學客觀規律，以礦山廢棄地為中心向礦區外圍劃三個圓圈，內圈為采礦廢棄地，中圈為礦山土壤帶，外圈為礦山外圍礦區耕地.針對內圈應逐步改善植物的生存環境以植物穩定技術為主體以便進一步移植重金屬超累積植物；針對中圈應提高重金屬超累積植物的生物量，并強化植物提取的效果，阻止重金屬元素的遷移；針對外圈植物生存環境相對良好、土壤重金屬含量相對較低，應綜合運用微生物-化學-植物聯合修復，分別調控化學添加劑、微生物等因素強化植物穩定和植物提取效果，吸收/固定土壤溶液中的重金屬離子，逐步修復受重金屬污染土壤，最終徹底修復礦區生態.

參考文獻：

[1] 仇榮亮，仇浩，雷梅，等.礦山及周邊地區多金屬污染土壤修復研究進展[J].農業環境科學學報，2009，28(6)：1085-1091.

[2] 吳啟堂,陳同斌.環境生物修復技術[M].北京：化學工業出版社2007：92-96.

[3] HU Yuan-yuan.Study on copper contents in several compositae plants growing in copper area[J].Resource Development&Market,2009,7：596-598.

[4] Mench M,Vangronsveld J. Long-term monitoring of the efficiency of the phytostabilization of metal-contaminated soils. [C]// Nanjing: SoilRem,2004,194-195.

[5] 劉素純，蕭浪濤，王惠群，等.植物對重金屬的吸收機制與植物修復技術[J].湖南農業大學學報.2004,30(5):493-498.

[6] Brooks R R. Plants that Hyperaccumulate Heavy Metals[M].Wallingford(UK):CAB Internatia-onal, 1998.

[7] 周啟星，宋玉芳. 污染土壤修復原理與方法[M].北京：科學出版社，2004:160-162.

[8] 駱永明.強化植物修復的螯合誘導技術及其環境風險[J]. 土壤，2000(2):58.

[9] 朱雅蘭.重金屬污染土壤植物修復的研究進展與應用[J].湖北農業科學，2010，49(6):1495-1499.

[10] Tyagi R D, Blais J F,Auclair J C,Meunier N. Bact-erial leaching of toxic metals from municipal sludge:influenceofsludge characteristics. Water Environ.Rese-arch [J], 1993, 65(5):196-204.

[11] Sun Q, Ni W Z,Yang X X,et al.Effect of phosphorus on the growth,zinc absorption and accumulation in hyperaccumulator-Sedum alfredii Hance[J].Acta Sci Circum,2003,23:818-824.

[12] Kumpiene J Lagerkvist A，Maurice C．Stabilization of As,Cr,Cu,Pb and Zn in soil using amendments-A review[J]．Waste Management，2008，28：215-225．

[13] Ye ZH，Shu WS，Zhang ZQ，et a1．Evaluation of major constraints on revegetation of lead/zinc mine tailings using bioassay technique [J]．Chemosphe-re，2002，47：1103-1111．

[14] 孫蓀.礦山植物修復技術的研究及發展趨勢[J].礦業工程,2010,8(3):62-63.

[15] Mari S，Suzelle B．Efectiveness of the iodide ligand along with surfactants on desorbing heavy metals from soils[J]．Water,A Jr,and Soil Pollution，2005，161：193-208．

[16] Dermont G，Bergeron M，Mercier G，et a1．Soil was-hing for metal removal：A review of physical/chemical technologies and field applications [J]．Journal of Hazardous Materials，2008，158(1)：1-31．

[17] 仇榮亮.工礦廢棄地重金屬污染土壤修復進展[C]//土壤資源持續利用與生態環境安全學術會議論文集.南京:中國土壤學會.2009:170-178.

[18] Gonzalez-Chavez C，Harris PJ，Dodd L et a1．．Arb-uscular myeorhizal confer enhanced arsenate resistance on Holcus lanatus[J]．New Phytologist 2002，155：163-171．

[19] Khan AG．Role of soil microbes in the rhizospheres of plants growing on trace metal contaminated soils in phytoremediation[J]．Journal of Trace Elements in Medicine and Biology，2005，18(4)：355-364．

[20] 韋朝陽,陳同斌.重金屬污染植物修復技術的研究與應用現狀[J].地球科學進展,2002,17(6):833-839.