重金屬污染土壤的植物修復(fù)研究

衛(wèi)三平 李永杰

(1.山西省呂梁市水利局，山西呂梁 033000;2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西運(yùn)城 044004)

植物修復(fù)集永久性和廣域性于一體，是一種新興的綠色生物技術(shù)，能在維護(hù)土壤結(jié)構(gòu)和微生物活性的情況下對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)，因此越來(lái)越受到世界各國(guó)的高度重視和青睞。20世紀(jì)90年代以來(lái)，植物修復(fù)已成為土壤環(huán)境重金屬污染治理研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿性課題。

1 土壤重金屬污染來(lái)源及危害

土壤重金屬污染物的來(lái)源途徑主要包括:采礦、冶煉、化工、電子、制革、燃料等工業(yè)產(chǎn)生的“三廢”;城鎮(zhèn)建設(shè)等排放的固體廢棄物，城鄉(xiāng)生活垃圾、污水等;農(nóng)業(yè)污水灌溉、化肥和農(nóng)藥的不合理施用;重金屬以氣溶膠的形態(tài)進(jìn)入大氣，經(jīng)過(guò)自然沉降和降水進(jìn)入土壤等。

某些重金屬元素(如Zn、Cu)對(duì)植物而言是必需元素，但重金屬在土壤中積累到一定限度時(shí)，就會(huì)對(duì)土壤—植物系統(tǒng)產(chǎn)生毒害作用，不僅導(dǎo)致土壤退化、土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能紊亂、植物的生長(zhǎng)發(fā)育異常、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低，而且通過(guò)徑流和淋洗作用污染地表水和地下水而惡化水文環(huán)境，更為嚴(yán)重的是這些重金屬物質(zhì)可以在土壤中留存幾十年、幾百年，通過(guò)植物可食部分的富集吸收進(jìn)入食物鏈危害人畜生命和健康。研究表明:受重金屬污染的土壤，其微生物生物量比正常使用糞肥的土壤低得多，并且減少了土壤微生物群落的多樣性［1］。隨著工業(yè)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化，重金屬污染問題越來(lái)越突出，部分地區(qū)土壤重金屬污染狀況已經(jīng)非常嚴(yán)重。據(jù)估測(cè)，目前全世界平均每年約排放Hg 1.5萬(wàn)t，Cu 340 萬(wàn) t，Pb 500 萬(wàn) t，Mn 1500 萬(wàn) t，Ni 100 萬(wàn) t，這些物質(zhì)均由人類的生活、生產(chǎn)活動(dòng)排放于自然界中，最后絕大多數(shù)通過(guò)各種各樣的途徑進(jìn)入土壤［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1980年我國(guó)工業(yè)“三廢”污染耕地面積266.7萬(wàn)hm2，1988年增加到666.7萬(wàn)hm2，1992年增加到1000萬(wàn)hm2以上［2］。目前，全國(guó)遭受不同程度污染的耕地面積接近2 000萬(wàn)hm2，約占耕地總面積的1/5［3］。每年因重金屬污染減產(chǎn)糧食1000萬(wàn)t以上，被重金屬污染的糧食每年也多達(dá)1200萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)損失至少200億元［1］。

2 植物修復(fù)原理

重金屬在土壤中的自然凈化過(guò)程十分漫長(zhǎng)，一般需要上千年時(shí)間，其污染具有隱蔽性、不可逆性和長(zhǎng)期性等特點(diǎn)，就目前技術(shù)條件而言，土壤污染治理仍然是國(guó)際性難題［4］。1977年Brooks提出超富集植物的概念［3］，1983年美國(guó)科學(xué)家Chaney首次提出利用超富集植物清除土壤中重金屬污染物的設(shè)想，即植物修復(fù)(Phytoremediation)。英國(guó)Sheffield大學(xué)Baker博士提出超富集植物具有清潔金屬污染土壤和實(shí)現(xiàn)金屬生物回收的實(shí)際可能性。

植物修復(fù)是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學(xué)元素的理論為基礎(chǔ)，利用植物及其共存微生物體系，包括植物對(duì)污染物的吸收與富集、根系分泌物以及土壤微生物對(duì)污染物的降解等綜合因素，清除環(huán)境中污染物的一種治理技術(shù)［4］。植物修復(fù)的前提是找到對(duì)某種(些)重金屬具有特殊吸收富集能力的植物，即重金屬的“超富集植物”。通常，超富集植物的界定主要考慮兩方面的因素:植物地上部分富集的重金屬應(yīng)達(dá)到一定量;植物地上部分的重金屬含量應(yīng)高于根部。由于各種重金屬在地殼中的豐度及在土壤和植物中的背景值存在較大差異，因此對(duì)不同重金屬而言，其富集系數(shù)植物富集質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限也有所不同。目前采用較多的是 Baker和Brooks提出的參考值［3］，即把植物葉片或地上部分(干質(zhì)量)中Cd含量達(dá)到100mg/kg，Co、Cu、Ni、Pb含量達(dá)到1000mg/kg，Mn、Zn含量達(dá)到10000mg/kg以上的植物稱為超富集植物。同時(shí)，這些植物的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)S/R(S和R分別指植物地上部分和根部重金屬的含量)應(yīng)大于1。目前已發(fā)現(xiàn)有400多種超富集重金屬的植物，以十字花科植物居多［5］。由于土壤—植物系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，土壤重金屬污染必須以預(yù)防為主，盡可能減少重金屬污染物的輸入。

3 植物修復(fù)分類

重金屬的植物修復(fù)有兩種途徑:一是通過(guò)植物作用改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)，使重金屬固定，降低其在土壤中的移動(dòng)性和生物可利用性;二是通過(guò)植物吸收、揮發(fā)，達(dá)到對(duì)重金屬的削減、凈化和去除的目的。根據(jù)其作用過(guò)程和機(jī)理，重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)可分為以下三種類型。

3.1 植物提取

植物提取是目前研究最多、最有發(fā)展前景的植物修復(fù)方式，它是利用耐受并能積累重金屬的植物吸收土壤環(huán)境中的金屬離子，將它們大量地輸送并貯存在植物體的地上部分，然后收割植物并進(jìn)行集中處理，連續(xù)種植這些植物，即可達(dá)到降低或去除土壤重金屬污染物質(zhì)的目的。這類植物有2種，一是具有超耐性的植物，二是營(yíng)養(yǎng)型超富集植物。超耐性植物能夠較普通植物累積10～500倍以上的某種重金屬元素。營(yíng)養(yǎng)型超富集植物以某種或某些重金屬元素作為其自身生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需求，它們往往在這些元素正常濃渡下難以正常生長(zhǎng)發(fā)育。植物對(duì)元素的選擇吸收早在一個(gè)世紀(jì)以前就被人們所發(fā)現(xiàn)，但植物提取吸收用作污染土壤的治理還是近30多年的事［6］。

3.2 植物揮發(fā)

植物揮發(fā)是指利用一些植物吸收重金屬元素，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓳]發(fā)的形態(tài)，通過(guò)蒸騰作用將之揮發(fā)出土壤和植物表面，以降低土壤污染程度。目前，這方面研究最多的是元素Hg和Se。研究表明，硒積累植物黃芪、印度芥菜可將Se轉(zhuǎn)化為揮發(fā)態(tài)的甲基硒，煙草能使毒性大的二價(jià)Hg轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的零價(jià)Hg，Meagher等把細(xì)菌體中的Hg還原酶基因?qū)虢孀涌浦参铮@得耐Hg的轉(zhuǎn)基因植物，該植物能從土壤中吸收Hg并將其還原為揮發(fā)性單質(zhì)Hg［7］。植物揮發(fā)技術(shù)不需收獲和處理含污染物的植物體，不失為一種有潛力的植物修復(fù)技術(shù)，但其只適用于揮發(fā)性的污染物(如Se、As和Hg等)，應(yīng)用范圍很小，并且將污染物轉(zhuǎn)移到大氣中對(duì)人類和生物有一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此它的應(yīng)用仍受到限制。

3.3 植物固定

植物固定特指某些植物通過(guò)促進(jìn)重金屬元素在根區(qū)沉淀等途徑降低其移動(dòng)性和生物有效性，減少重金屬元素被淋洗到地下水或通過(guò)空氣擴(kuò)散進(jìn)一步污染環(huán)境的可能性，使土壤重金屬對(duì)生物的毒害性降低。植物本身不吸收重金屬，但植物的根系分泌物如氨基酸、糖、酶等物質(zhì)能促進(jìn)根系周圍土壤的微生物的活性和生化反應(yīng)，使重金屬發(fā)生沉淀或被束縛在腐殖質(zhì)中。研究發(fā)現(xiàn)一些植物可降低Pb的生物可利用性，緩解Pb對(duì)環(huán)境中生物的毒害作用，六價(jià)鉻可被還原為毒性較低的三價(jià)鉻。植物固定并沒有將土壤中的重金屬離子去除，只是暫時(shí)將其固定，如果環(huán)境條件發(fā)生改變，重金屬的生物可利用性可能又會(huì)發(fā)生改變，因此植物固定不是一種修復(fù)重金屬污染土壤的有效方法。

4 螯合劑在植物修復(fù)中的應(yīng)用

早在1974年，Wallace在一次偶然機(jī)會(huì)中發(fā)現(xiàn)土壤中添加螯合劑(EDTA和NTA)可以強(qiáng)化植物對(duì)重金屬的吸收［8］。近20多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者開始關(guān)注各種螯合劑在土壤修復(fù)和利用中的作用，并開展了大量的研究工作。目前常用的螯合劑主要有兩種類型:一類是人工合成的螯合劑，如 EDTA、DTPA、EGTA、CDTA和EDDS;另一類是天然的螯合劑，主要是一些低分子有機(jī)酸，如檸檬酸、草酸和酒石酸等。其中以人工合成的螯合劑因具有較強(qiáng)的活化能力而被廣泛應(yīng)用。螯合劑的主要作用體現(xiàn)在［9］:(1)增加土壤中重金屬的溶解度;(2)提高了重金屬根際擴(kuò)散能力;(3)促進(jìn)重金屬自根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，可見施加螯合劑不但可提高某些植物對(duì)重金屬的吸收，更重要的是促進(jìn)了重金屬在地上部分的富集，這對(duì)植物修復(fù)是非常重要的。研究發(fā)現(xiàn)高濃度的螯合劑如EDTA、DTPA、CDTA、EGTA、NTA和檸檬酸等處理均可以增加印度芥菜、玉米、豌豆等植物中的重金屬含量。在土壤鉛濃度為2500μg/g的污染土壤上種植玉米和豌豆，加入EDTA后植物地上部鉛的濃度從500μg/g提高到 2500μg/g，增幅達(dá)到 5倍。研究表明［10］，向鉛污染土壤中加入110g/kg的 EDTA，24h后Pb從作物根向枝干部分的轉(zhuǎn)移量與對(duì)照相比，提高了120倍。但在田間應(yīng)用時(shí)，螯合劑可能因使用控制不當(dāng)而導(dǎo)致水體、土壤環(huán)境產(chǎn)生副作用，容易造成對(duì)水土資源的二次污染。施用有機(jī)肥是較理想的措施，既能活化土肥土壤，促進(jìn)修復(fù)植物生長(zhǎng)，又能降低環(huán)境二次污染的風(fēng)險(xiǎn)［11］。

5 植物修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性

5.1 優(yōu)點(diǎn)

(1)成本較低。相對(duì)于化學(xué)、物理方法而言，植物修復(fù)不管是從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益還是技術(shù)可行性方面都占有很大的優(yōu)勢(shì)的，而且成本低廉，只占常規(guī)處理方法費(fèi)用的17% ～35%［12］。(2)操作簡(jiǎn)便。植物修復(fù)簡(jiǎn)單易行，適合大面積推廣，并不需要增加多少額外的設(shè)備裝置。(3)綠色環(huán)保。植物修復(fù)是一個(gè)自然更替過(guò)程，在修復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的二次污染較少。超量積累植物焚燒后的灰分一般重金屬含量較高，對(duì)一些貴重金屬可回收利用。(4)保持良好生境。植物修復(fù)能使土壤保持良好的結(jié)構(gòu)和肥力狀態(tài)，無(wú)需進(jìn)行二次處理，即可種植其他植物。

5.2 局限性

(1)植物生長(zhǎng)有其立地要求，且受病蟲害襲擊和遭受自然災(zāi)害時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響其修復(fù)能力。(2)修復(fù)周期較長(zhǎng)且深度有限，對(duì)深層土壤污染和深層地下水污染的修復(fù)能力較差。(3)修復(fù)重金屬?gòu)?fù)合污染土壤受限，對(duì)土壤中其他濃度較高的重金屬則表現(xiàn)出中毒癥狀。(4)具有一定的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。尤其富集后的植物處置困難，若處理不當(dāng)有可能導(dǎo)致植物中富集的有毒有害重金屬元素重新釋放到土壤中，造成生態(tài)環(huán)境二次污染。

6 主要研究方向

6.1 超富集植物選育

我國(guó)國(guó)土廣袤，氣候地理?xiàng)l件復(fù)雜多樣、植物資源豐富，可能蘊(yùn)藏著大量的超富集植物種類，為開展植物修復(fù)技術(shù)研究提供了優(yōu)越的條件。目前，我國(guó)選育的超富集植物種類較少，篩選、培育、馴化超富集植物仍然是今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)植物修復(fù)研究領(lǐng)域的重要任務(wù)，特別是要加強(qiáng)木本超富集植物的選育工作。

6.2 深化基礎(chǔ)理論研究

植物對(duì)重金屬元素的超富集、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移、代謝機(jī)理，根際作用以及根際微生物群落的生態(tài)學(xué)和生理學(xué)特征，根際土壤環(huán)境條件對(duì)重金屬的生物有效性制約機(jī)理，植物—微生物—重金屬的相互作用，重金屬元素在土壤中的吸附、解析、遷移機(jī)理等一系列基礎(chǔ)理論問題有待深入研究。

6.3 基因工程技術(shù)的應(yīng)用

目前已發(fā)現(xiàn)的超富集植物大多存在根系淺、生物量小、生長(zhǎng)緩慢等缺點(diǎn)，使植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用受到限制。科研人員可以應(yīng)用基因工程技術(shù)，將自然界中超富集植物的耐重金屬、超累積基因?qū)氲缴锪看蟆⑸L(zhǎng)速度快、抗逆性強(qiáng)、修復(fù)效率高的植物中去，從而獲得高效的超富集植物。利用基因工程也可使植物將重金屬元素富集在不可食用、易于收割的組織當(dāng)中，避免修復(fù)植物被動(dòng)物采食而使重金屬元素進(jìn)入食物鏈，便于修復(fù)植物的后期處理。近些年來(lái)，在Se、Hg、Cd、Zn等重金屬元素轉(zhuǎn)基因植物研究方面已初獲成果，基因技術(shù)的應(yīng)用將為植物修復(fù)廣泛推廣開辟新的途經(jīng)。

6.4 環(huán)境友好型添加劑研發(fā)

選擇合適的土壤添加劑是促進(jìn)植物修復(fù)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要課題。許多研究證明向土壤施用添加劑可以提高植物對(duì)重金屬的積累速率和水平，但其環(huán)境安全性也受到高度重視，因此開發(fā)環(huán)境友好型添加劑是今后的一個(gè)重要研究方向。

6.5 植物修復(fù)工藝研究

為了克服植物修復(fù)的局限性，提高修復(fù)的效率，開展植物修復(fù)工藝研究十分必要和迫切。魏樹和等［13］，提出在花期收獲修復(fù)植物然后再及時(shí)移栽下一茬修復(fù)植物的作法，從而在同一生長(zhǎng)季內(nèi)充分提高修復(fù)效率。另外，微生物—植物修復(fù)、螯合劑—植物修復(fù)、電壓—植物修復(fù)、超富集植物煉礦修復(fù)技術(shù)和工藝也正在被國(guó)內(nèi)外科研人員所關(guān)注。

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