重金屬污染土壤的植物修復研究

黃夢華

（廣西賀州市環境監測站，廣西 賀州542800）

1 引言

重金屬通常是指一種元素的原子密度大于6g·cm－1（除了砷之外）［1］。這些元素主要是指 Cd、Cr、Cu、Hg等，其中Co、Cu、Cr、Mn、Zn是生物體內所必須的元素，而其它Cd、Hg和Pb則不是生物體內的必須的元素。環境中的重金屬的主要來源有兩個方面：一是自然環境重金屬本底值，二是人為排放到土壤中的重金屬。

目前，我國的重金屬污染十分嚴重，據報道［2］，全國耕種土地面積的10%以上已受重金屬污染，受重金屬污染的土壤面積達到了1 000萬hm2。同時國內常有重金屬污染事件發生，如血鉛事件、Cd米污染事件、As污染事件和龍江鎘污染事件等。

2 重金屬污染修復技術

目前對重金屬的修復技術主要有物理修復、化學修復和生物修復。物理修復［3］是指利用物理的方法進行污染土壤的修復；化學修復［4］是指加入到土壤中的化學修復劑與污染物發生一定的化學反應，使污染物被降解和毒性被去除或降低的修復技術；生物修復是指以生物為主體，利用生物吸收、降解、轉化污染物，治理污染土壤的修復技術。目前研究比較成熟的是物理修復和化學修復，但是它們有容易產生二次污染、工程量大、投資高、引起土壤肥力減弱和修復成本較高等問題而不能得到廣泛的使用；利用生物修復研究目前比較少，將其利用到治理重金屬的污染土壤的案例更少。這主要是由于微生物的質量小，累積的重金屬難以從污染場地中轉移出來，限制了利用生物修復重金屬污染土壤技術的推廣。植物修復具有效率高、安全性能好、費用低、易于管理與操作、不易產生二次污染和環境友好型等優點而備受當前科研工作者的關注。

2.1 植物修復

植物修復是指利用植物對某種污染物（重金屬）具有特殊的吸收富集能力，將環境中的污染物轉移到植物體內或者將污染物降解（或者使形態改變）而利用，其后對植物，尤其是植物的地上部分進行回收利用，以達到去除或者消減污染物對環境危害的治理技術。它是一種新興的綠色生物修復技術，能在不破壞土壤生態環境、保持土壤結構和微生物的狀況下，通過植物的根系直接將大量的重金屬吸收，從土壤中移去重金屬從而修復被污染的土壤，它是環境污染治理的重要手段。對重金屬的修復類型主要包括植物富集、植物固定、植物揮發、植物降解、植物轉化和植物刺激。

2.2 超富集植物

超富集植物最早由Brooks等［5］提出，是指莖中Ni的含量大于1 000mg·kg－1的植物，其后超富集植物的概念得到了擴大，且更加的全面。目前對超富集植物的定義［6］為植物地上部分的重金屬含量大于根中重金屬的含量，且植物地上部分的重金屬含量達到一定的值，但該植物沒有表現出明顯的中毒癥狀，該植物的轉運系數大于1。目前限制植物修復技術發展的一大瓶頸就是超富集植物的篩選工作，當前國內外發現的超富集植物700余種［7］，其中360多種為 Ni的超富集植物［8］；廣西Mn的產量超過了全國總產量的1／3，而受重金屬Mn污染的區域較廣，但目前國內發現的Mn的超富集植物僅5種。

2.3 植物揮發

植物揮發是利用植物去除環境中部分易揮發的污染物的方法，即植物將污染物吸收于體內后又將其轉化為氣態物質而釋放到大氣中［9］。植物揮發技術往往被用來處理Hg、As和Se等重金屬元素，這些重金屬元素具有比較低的氣化點，容易在植物組織中轉化而形成能夠通過植物氣孔排放到大氣中的物質，但是這種修復技術往往只是杯水車薪的工作，并沒有達到修復的效果，因為它只是將土壤中易揮發的重金屬元素通過植物轉化揮發到了大氣中，但是這些元素形態有較容易與水結合，而又散落到土壤中，造成二次污染或者污染場地的擴大。

2.4 植物積累

植物主要可以通過植物萃取技術和植物過濾作用達到累積重金屬的效果。植物萃取技術或者又稱為植物提取技術，是指利用重金屬超富集植物從污染土壤中超量吸收、累積某一種或幾種重金屬元素，之后將植物地上部分收獲并集中處理的技術。

2.5 植物代謝

植物代謝是指重金屬（主要指As）進入植物體內后，其價態在植物組織中發生轉化，降低其對植物組織的危害，達到利用植物修復重金屬污染土壤的目的。目前主要研究有砷的形態轉化。砷在污染土壤及植物根系中主要是以砷酸鹽的形式存在，在植物葉片中則主要是以亞砷酸鹽的形式存在，有機形態的砷基本不存在于植物的組織中。砷超富集植物之所以能夠吸收高濃度的砷有可能是由于亞砷酸鹽在植物組織中對組織的破壞較小的原因。

2.6 植物固定

植物根系可以分泌某些特定的物質，使污染土壤中的重金屬得以固定或者沉淀，從而降低了污染土壤中以重金屬的有效態形式的存在，降低了其進入地下水以及植物體內繼而進入食物鏈中的可能性，減輕了重金屬對于人體及環境危害的潛在可能性。目前對于這方面應用成功例子主要是Pb和Cr［6］。但是由于這種方法只是將重金屬的形態改變了，并沒有改變其在污染土壤中的存在。如果環境發生變化，則有可能使被固定下來的重金屬重新解離出來而對人類健康及環境造成危害。

3 超富集植物修復機理研究

3.1 抗氧化酶系統

植物體內的抗氧化系統由酶與非酶物質組成，抗氧化酶主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）；非酶物質主要是指富含－SH的還原性谷胱甘肽（GSH）、硫巰基（－SH）與植物絡合素（PCs）。

植物組織中的富含－SH的還原性谷胱甘肽（GSH）、硫巰基（－SH）與植物絡合素（PCs）的存在，將會與進入植物組織中的重金屬結合產生絡合物，降低重金屬在植物組織中的活性，進而降低了重金屬對于植物的傷害，起到了保護植物的作用。

目前對超富集植物的解毒機理研究結果表明［10－12］，一般在低濃度下，抗氧化酶起著主要的解毒作用；而在高濃度的重金屬下，非酶物質起著主要的解毒作用。

3.2 超富集植物氮素代謝

目前對于超富集植物的氮素代謝系統也做了大量的研究。植物通過根系吸收的NO－3N，在植物體內經過硝酸還原酶等一系列物質的作用轉化為NH＋4－N－即大量活性銨根，植物可以通過GS／GOGST和GDH兩條途徑清除植物組織中產生的NH＋4－N，從而降低NH＋4－N在植物組織中的累積。但是當植物受到外界的脅迫毒害作用后，植物的該兩條途徑就可能會受到影響，導致產生了大量的NH＋4－N累積在植物的體內，從而將影響到植物體內氨代謝，影響到植物的生長。但是超富集植物在受到重金屬的脅迫時，植物會通過GS／GOGST和GDH活性將得到加強，有利于清除植物組織中產生的NH＋4－N，從而降低NH＋4－N在植物組織中的累積，起到保護植物免受氨毒害。

3.3 超富集植物碳代謝

通常所稱的碳水合物代謝主要是指植物體內的碳代謝，植物的生長離不開碳素代謝，因此對于超富集植物在重金屬的脅迫下，植物體內碳水化合物代謝關鍵酶的活性及常見物質的變化研究是重要的。但是目前對于重金屬污染植物修復碳素代謝的研究比較少，這將可能成為今后植物修復研究的一個新的方向。

3.4 改良劑應用于植物修復

利用化學或者物理改良劑，可以有效地穩定土壤中的重金屬，達到減少重金屬在作物中的累積，龔海軍等人［13］在對施加改良劑－土壤換元素對兩種污染土壤研究結果表明，施加土壤改良劑能顯著降低污染土壤上水稻糙米的Cd、Pb累積，其效果與土壤改良劑用量、土壤pH值及土壤Cd、Pb含量有關，可能對酸性土壤更有效。熊俊芬等人［14］研究蛭石、白云石、磷石膏、草炭作為土壤改良劑對砷污染土壤中植物的砷指標進行了研究，結果表明施加改良劑均能夠緩解砷毒。而對于超富集植物添加改良劑的研究，如李磊等人［15］研究了施用不同配比的石灰和泥炭，對紅蛋生長及其去除污染土壤鉛、鎘的影響，結果表明使用石灰可以提高土壤中pH值，植物中重金屬的含量降低，提高了植物的生物量，從而提高了Pb的遷移量。

4 結語

植物修復具有更容易被廣大人民群眾所接受的優勢，這將激勵更多的科研工作者投入到植物修復受重金屬污染土壤的工作中去的動力。目前對于重金屬污染土壤植物修復機理以及超富集植物的篩選已經做了大量的工作。利用物理、化學修復方法，結合植物修復技術以達到更加理想的修復效果。

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