土壤－植物系統(tǒng)重金屬污染研究

王龍龍，郭篤發(fā)，李 橋

（山東師范大學 人口·資源與環(huán)境學院，山東 濟南250014）

1 引言

土壤－植物系統(tǒng)處在地球“四大圈”的交接地帶，構成陸生生態(tài)系統(tǒng)物能循環(huán)的樞紐，是聯(lián)接有機界與無機界的橋梁，它既是地球表面最活躍的環(huán)境要素，又是珍貴的可更新資源［1］。近年來，隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展和城市化進程的不斷加快，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸?shù)雀鞣N各樣的人類活動將大量的重金屬污染物質帶入到土壤－植物系統(tǒng)，造成嚴重的土壤污染。土壤－植物系統(tǒng)的重金屬污染一方面直接影響生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，威脅生態(tài)系統(tǒng)的安全，另一方面重金屬作為持久性有毒物質，很難被微生物降解，會不斷在生物體內富集，并且通過大氣、水體、食物鏈等途徑直接或間接地危害人類的生命健康安全。因此對土壤－植物系統(tǒng)重金屬污染的來源、危害、遷移轉化及其植物修復技術進行系統(tǒng)的研究具有重要的意義。另外，現(xiàn)代社會正在大力提倡綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)和開展生態(tài)環(huán)境建設，研究土壤－植物系統(tǒng)中的重金屬污染狀況可以為農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供準確的科學依據(jù)。

2 土壤－植物系統(tǒng)中重金屬污染的來源

土壤－植物系統(tǒng)中重金屬的來源主要分為兩部分，一部分來源于成土母質和殘落的生物物質，該種來源決定著土壤中重金屬元素的含量與分布特征，但一般情況下，此種來源的含量是比較少的，因此不會對生態(tài)系統(tǒng)以及人類的生命健康帶來危害；另一部分則為人為干擾輸入，此種來源也是土壤－植物系統(tǒng)中重金屬污染物質的主要來源。人為干擾輸入重金屬污染物質主要通過3種途徑：一是礦產(chǎn)的開采冶煉、塑料、電池、電鍍、化工等工礦企業(yè)不斷地以“三廢”的形式向土壤－植物系統(tǒng)中排放重金屬污染物；二是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用的化肥、農(nóng)藥、塑料薄膜、污水灌溉、污泥等物質引起土壤－植物系統(tǒng)的重金屬污染；三是各種汽車燃燒產(chǎn)生的廢氣攜帶著固體粒子以撒播等方式將重金屬粒子帶入大氣中而后沉降進入土壤－植物系統(tǒng)，引起重金屬污染。

3 土壤－植物系統(tǒng)中重金屬污染的危害

土壤－植物系統(tǒng)中重金屬的污染危害主要分為兩個方面，一方面是影響生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，威脅生態(tài)系統(tǒng)的安全，另一方面是通過作物直接地或通過受影響的水體和大氣環(huán)境質量間接地對人體的生命健康產(chǎn)生影響。土壤為植物的生長發(fā)育提供養(yǎng)分，當土壤中重金屬的含量超過一定的限制時，就會直接影響植物的正常生長、發(fā)育和繁衍，甚至引起植物群落結構的改變。某些重金屬會迫使植物體內產(chǎn)生H2O2、C2H2等物質，從而對植物體內的代謝和酶活性產(chǎn)生毒害作用，以致影響植物正常的生理功能活動。如果鎘與植物中巰基氨基酸和蛋白質結合，就會引起氨基酸蛋白質的失活，甚至導致植物的死亡［2］。土壤也是微生物的棲息地和能量來源，因此重金屬污染會影響土壤中微生物群落的多樣性。我國曾通過核酸快速提取系統(tǒng)提取重金屬復合污染農(nóng)田的DNA樣本并進行了分析，結果表明，重金屬復合污染導致了土壤微生物的基因損傷，影響了農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的細菌豐富度，改變了土壤環(huán)境的優(yōu)勢菌群，從而使農(nóng)田土壤微生物群落結構多樣化發(fā)生變化，重金屬復合污染嚴重的農(nóng)田中土壤DNA含量較低［3］。另外，重金屬還會對土壤酶產(chǎn)生抑制作用，破壞酶的活性基因、空間結構等，導致土壤酶的活性降低。和文祥等［4］的研究表明，Hg對脲酶的抑制作用最為敏感，當土壤中Hg的含量增加時，脲酶的活性就會隨之降低。

土壤－植物系統(tǒng)的重金屬污染除了影響生態(tài)系統(tǒng)以外，還會通過作物或者水體、大氣的環(huán)境質量影響人類的生命健康安全。當重金屬元素的含量在人體內積累到一定的程度時，便會導致人體各項生理特征的變化，從而表現(xiàn)出致突變性、致癌性、致畸性。研究表明，人體攝入或聚集的 Cd、Hg、Pb、Cr、As、Sn、Cu、Zn、V等重金屬含量增高，會引起風濕性關節(jié)炎、骨痛病、腎炎、潰瘍病、貧血、高血壓、冠狀動脈硬化等疾病，并引發(fā)皮膚癌、食道癌、宮頸癌、肝癌、鼻咽癌等一系列癌癥以及造成慢性中毒等等［5］。因此，重金屬污染的加劇已對人類的生命健康安全構成了巨大的、潛在的、嚴重的威脅。

4 土壤－植物系統(tǒng)中重金屬的遷移轉化

土壤－植物系統(tǒng)中的重金屬污染物質在環(huán)境中的遷移轉化行為是目前環(huán)境化學研究的熱點問題。許多研究表明，由于土壤的pH值、有機質、粘土礦物、氧化還原條件等理化性質以及系統(tǒng)中微生物的活性、植物的生理機制和植物種類等的影響，重金屬在系統(tǒng)中呈現(xiàn)不同的化學形態(tài)和遷移能力。土壤中重金屬污染的嚴重性及其在環(huán)境中的生物有效性和遷移轉化行為不完全取決于總量，而是取決于重金屬的化學形態(tài)。其中土壤有機質的含量及其pH值的變化是影響重金屬化學形態(tài)遷移轉化最重要的因素。相關研究［6～8］發(fā)現(xiàn)，隨著土壤中有機質含量和pH值的上升，大部分的重金屬元素會因吸附或者形成絡合物而導致濃度的降低，土壤重金屬的生物有效性和遷移能力降低。目前，許多研究者將土壤重金屬的化學形態(tài)大致分為可交換態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)4種形態(tài)。土壤環(huán)境中重金屬的各種形態(tài)不是固定不變的，它們會隨著土壤環(huán)境條件的變化而轉變。不同化學形態(tài)重金屬的生理活性和毒性均存在差異。在土壤環(huán)境中最為活躍、活性和毒性最強、易被植物吸收的是可交換態(tài)的重金屬。反之，與土壤固相結合得最牢固、活性和毒性最小、最不易被植物吸收的則是殘渣態(tài)的重金屬，此種形態(tài)所占比例越高，重金屬的生物有效性和遷移性就越小，越不容易被植物吸收。鐵錳氧化物結合態(tài)與有機結合態(tài)的重金屬活性和毒性居中，其生物有效性隨著土壤中氧化還原條件的改變而變化。

植物通過根系毛細胞的作用吸收土壤中的重金屬，然后富集在植物的根、莖、葉和果實部分。不同的植物種類從土壤中吸收轉移重金屬的能力有所不同，同種植物對不同重金屬的轉移能力也不同，例如李澤琴等［9］研究結果顯示，不同種類的蔬菜對重金屬的吸收富集能力依次為：萵筍莖＞空心菜＞韭菜＞茄子＞西葫蘆；國外有研究表明，植物也能將土壤中不溶態(tài)的重金屬活化，從而將活化的重金屬通過根系運輸?shù)街参锏那o、葉和果實等地上部分，提高土壤重金屬的生物有效性和遷移能力，例如根袋（rhizobag）的試驗研究結果表明［10］，土壤中可移動態(tài)Zn下降的含量還不到植物T.caerulescens吸收的Zn總量的10%；在復合污染條件下重金屬之間的聯(lián)合作用、協(xié)同與拮抗作用會引起某種重金屬元素的生物活性和毒性的變化。例如Pb、Cu、Cd與Zn之間具有的協(xié)同作用能夠促進小麥幼苗對Zn的吸收和累積；Pb與Cu之間的拮抗作用，隨著Pb投加量的增加，Cu在麥苗中累積減少［11］。

5 土壤－植物系統(tǒng)中重金屬污染的植物修復技術

重金屬污染的植物修復是近年來發(fā)展起來的一項新興的土壤污染高效修復技術，具有良好的社會、生態(tài)綜合效益。它是依據(jù)植物對土壤中重金屬的活化作用以及對重金屬的耐性機制，通過植物的萃取、揮發(fā)或鈍化等作用去除土壤環(huán)境中的重金屬或者降低重金屬毒性，從而達到清除污染、修復或治理土壤的目的。植物對重金屬的耐性機制主要包括4個方面：植物根系通過改變根際的化學性狀、原生質的分泌液等作用來抑制重金屬離子的跨膜吸收，例如通過根際分泌螯合劑或者形成跨根際的氧化還原電位梯度和PH梯度等；植物的細胞壁與重金屬離子結合，使其不能進入細胞質而影響植物細胞內正常的代謝活動；某些植物中存在保護酶活性的機制，例如某些酶的活性在受重金屬污染時仍能保持正常的水平或者某些酶的活性隨著重金屬含量的增加而被激活，從而使植物對重金屬產(chǎn)生一定的耐性；通過重金屬誘導而在植物體內產(chǎn)生的金屬結合蛋白質能夠與進入植物體內的重金屬結合形成不具生物活性和毒性的絡合物，從而較低或者解除重金屬的毒害作用，例如類金屬蛋白質、植物絡合素或者其他的未知的金屬結合肽。植物的修復技術主要有3種類型：植物萃取技術、植物鈍化技術、植物揮發(fā)技術。

5.1 植物萃取技術

植物萃取技術是利用重金屬超積累植物從土壤中吸收重金屬，然后轉運到可以收割的部位，再通過傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)作業(yè)方式收割植物積累重金屬的部位，再另作處理的方法，例如熱處理，微生物、物理或化學的處理。此種方法是目前應用最多并且最有發(fā)展前途的修復方法。它主要用來處理土壤的底泥和污泥，最適合應用于重金屬在25～100mg/kg的淺層受污染程度較低的土壤修復［12］。陳同斌等利用砷超積累植物—蜈蚣草在湖南進行了大面積（約1hm2）的現(xiàn)場修復實驗，初步研究結果，在種植蜈蚣草6個月內，As污染土壤的植物修復效率可高達2.19%～7.84%［13］。Felix等［14］在被Zn污染的野外田間小區(qū)種植天藍遏藍菜進行試驗，研究發(fā)現(xiàn)天藍遏藍菜的生物量達到1340g/m2，而Zn的最大提取量則高達34.1kg/ha。Antiochia［15］對被Cu、Pb和Zn復合污染的土壤進行盆栽實驗時發(fā)現(xiàn)香根草中富集的Pb和Zn的含量能夠達到超富集植物標準。

5.2 植物鈍化技術

植物鈍化技術是利用植物或者施用制劑將重金屬污染物質鈍化，降低重金屬的生物有效性及遷移性，從而降低重金屬進一步污染環(huán)境的可能性。但是此種方法的重金屬污染物質仍然存在原地，具有一定的環(huán)境風險，當系統(tǒng)的環(huán)境條件發(fā)生變化時，重金屬的生物有效性也可能隨之發(fā)生改變，所以此種方法通常只作為一種暫時的處理方式。Cotter Howells等研究結果顯示［16］，可以通過在剪股穎屬根際施用磷酸鹽的方法促使Pb形成磷氯鉛礦，從而達到鈍化Pb的目的。

5.3 植物揮發(fā)技術

植物揮發(fā)是利用植物吸收土壤中的重金屬污染物質，然后將其轉化為氣態(tài)物質釋放到大氣中，此過程中污染物質只是從土壤經(jīng)植物釋放到大氣中，所以存在一定的環(huán)境風險，主要適用于揮發(fā)性金屬，例如Hg、Se等。Meaghcr R B［17］在研究中發(fā)現(xiàn)煙草能夠將較大毒性的二價汞轉化為氣態(tài)汞。Banuelos等［18］研究顯示，洋麻可以將土壤中47%的三價硒轉化為甲基硒揮發(fā)到大氣中得以去除。

植物修復系統(tǒng)可以看成是以太陽能為動力的“水泵”和進行生物處理的“植物反應器”［11］。它利用植物吸收、富集、代謝和穩(wěn)定重金屬污染物，從根本上解決土壤重金屬污染問題，因而其在土壤重金屬污染治理中具有獨特的作用意義。

6 植物修復技術存在的問題與研究展望

6.1 植物修復技術存在的問題

植物修復技術的過程比較緩慢，總體效率偏低，同時又受到土壤類型、溫度、濕度、營養(yǎng)等條件的限制，會影響超積累植物的生長，修復結束后，隨著植物的死亡和凋落其生物量將回歸土壤中，因此又將污染物質帶回到了環(huán)境中。其次，一般一種植物只能對一種或少數(shù)幾種重金屬污染物有超富集作用，對于大量含有多種重金屬、重金屬－有機物等多種污染物系統(tǒng)的修復就很難發(fā)揮作用。另外，用于修復的植物與系統(tǒng)中的植物可能會存在競爭，影響當?shù)氐纳鷳B(tài)平衡。

6.2 植物修復技術的研究展望

（1）目前植物修復技術還不夠完善和先進，存在的問題還很多，因此，如何選育超積累植物來提高富集效果，縮短修復周期，提高土壤中重金屬的生物有效性則是目前最需要解決的問題。例如，篩選植物種及其變種以得到新的生物量大的超積累植物；利用植物基因技術，培育具有生物量大、生長速率快、生長周期短的超積累植物；通過其他的農(nóng)藝措施優(yōu)化修復環(huán)境，促進植物的修復過程，如施用肥料、調節(jié)pH值及添加螯合劑等。

（2）土壤－植物系統(tǒng)的重金屬污染是一個比較復雜的物理化學過程，它的影響因素也是多種多樣的，利用單一的植物修復技術很難改善系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境，因此，今后的研究工作中一方面應當注重發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，采用清潔生產(chǎn)工藝，嚴格控制重金屬的排放途徑，從源頭和傳播途徑上防治系統(tǒng)的重金屬污染，另一方面使植物修復技術與其他的土壤修復技術相結合，如物理修復技術、化學修復技術、微生物修復技術以及動物修復技術等，因地制宜，探求一種治理周期更短、治理效果更佳、環(huán)境危害更小、經(jīng)濟效益更高的綜合治理方法，使受污染的土壤－植物系統(tǒng)得到良好的修復。

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