重金屬污染土壤植物修復治理與農業利用研究進展

范占煌董國云

（1杭州大地環保工程有限公司 浙江杭州 310000 2湖南農業大學 湖南長沙 410128）

重金屬污染土壤植物修復治理與農業利用研究進展

范占煌1董國云2

（1杭州大地環保工程有限公司 浙江杭州 310000 2湖南農業大學 湖南長沙 410128）

從我國重金屬污染現狀，重金屬對植物的影響及植物修復重金屬研究現狀進行了綜述，并根據植物吸收重金屬的不同特性，結合基因工程，化學改良及栽培措施提出了重金屬污染土壤植物修復治理與農業利用的展望。

重金屬；植物修復；超富集植物；耐受型植物；規避型植物

重金屬在土壤中具有隱蔽性、長期性、潛伏性和不可逆性，土壤受重金屬污染后短時間內很難消除，一旦進入生物體內也只能不斷地被轉移和積累，始終無法降解，從而影響土壤中動植物及微生物的生長發育[1]。當重金屬通過食物鏈富集到人體內時，則會導致一系列的慢性疾病、畸形和癌癥等發生，對生態系統和人類健康造成嚴重威脅[2]。傳統的重金屬污染土壤修復采用客土法、淋濾法、浸提法等物理和化學方法。這些方法治理效果較好，但存在成本高，處理過程復雜，易造成二次污染，破壞土壤結構等缺陷[3]。近年來，植物修復技術逐漸成為重金屬污染治理的熱點，具有環保、價廉、美觀等優勢[4]。

1 重金屬污染狀況

土壤中重金屬是指原子密度在5.0g/cm3以上的45種元素[5]。我國以Pb、Zn、Cu、Cb、Cr等幾種元素最為嚴重[6]。土壤中的重金屬一部分來源于母質，一般情況下這部分的含量較低，不會對生態系統及人類健康造成威脅；另一部分則來源于人類活動，也是土壤重金屬污染的主要成因，主要包括采礦、廢棄排放、污水灌溉、農藥及化肥的不合理使用等途徑。據報道，重金屬污染導致我國糧食減產超過1000×104t，每年受重金屬污染的糧食達1200× 104t，經濟損失達200億元。1980-1992年，我國因工業“三廢”導致污染的耕地面積從266.7×104hm2增至1000×104hm2。至2002年，Cb、Se、Cr、Pb等重金屬污染的耕地面積接近2000×104hm2。2006年，環保部對國內農田土壤進行抽查，結果表明重金屬超標率達12.1%。在糧食、蔬菜等農產品中，重金屬超標情況也非常嚴重。1999～2000年廣東省對部分地區對水稻、蔬菜檢測，結果表明大部分農產都受到重金屬污染。2001年江蘇省糧食產品的抽樣結果表明，Pb檢出率達88.1%，超標率21.4%。中國科學院地理研究所對北京市生產的蔬菜調查發現，其中30%重金屬超標。2007年，潘根興等對全國6個地區大米的隨機抽查中發現，10%的大米樣品存在鎘超標。2009年至今，共發生30余起重金屬污染重大事件。

2 重金屬對植物生長的影響

土壤中的重金屬會對植物產生明顯的生物效應，重金屬元素會使植物體內蛋白等分子產生變形，生物酶活性降低，并阻礙其他必需元素的吸收，甚至直接破壞葉片內的葉綠素。當重金屬含量達到一定濃度時，就會使植物體內的代謝過程產生絮亂，造成大量活性氧自由基，抑制其生長發育，情況嚴重的則會造成植物死亡。重金屬對植物的影響主要體現在種子萌發、幼苗生長及生理生化指標上。

2.1 對種子萌發、幼苗生長的影響

種子萌發是植物生命周期的起點，也是感知外界環境的最初階段。種子萌發的好壞對植物后期的生長有著直接的影響。因而，重金屬脅迫下種子萌發及苗期的生長狀況可以作為植物對重金屬耐性評判的重要指標。呂篤康等人在Cr對小香蒲種子萌發試驗中發現，當Cr6+濃度為5mg/L時，小香蒲種子的萌發率略有促進作用，而隨著濃度繼續增加時，種子的萌發及生長受到抑制，且濃度越高抑制作用越強。李春燕等、邱麗莉等分別在小白菜和紫花苜蓿的試驗中也得到了“低促高抑”的相似結論。此外，陳偉等人在重金屬對草坪草種子萌發的影響中還發現，重金屬對胚根的抑制作用要高于胚芽。

2.2 對生理生化指標的影響

植物在受到重金屬脅迫時，能通過降低含水量，改變滲透調節物質，產生抗氧化酶等一系列生理生化反應來緩解重金屬脅迫帶來的傷害。因此，在重金屬污染條件下，植物體內的POD、CAT、SOD、PPO活性及MDA、Pro、可溶性糖、Vc等含量均會受到一定的影響。不同植物在重金屬脅迫下生理生化變化規律各具特點。孟麗等研究Cb對日本楤木的影響中發現，POD和CAT活性隨Cb濃度增大呈現出先增后減的趨勢，在2.5mg/kg-1時，POD活性顯著提高，這說明，POD是日本楤木保護細胞免受氧化脅迫的傷害的主要物質。邱麗莉等人則發現，紫花苜蓿在不同濃度Pb的脅迫下，SOD、CAT和POD活性均有升高，但CAT和POD的活性上升遠高于SOD。楊麗，袁慶華在野生披堿草中發現，隨著脅迫濃度的增加，耐鎘性強和中等的材料葉片中SOD、POD和PPO的活性不斷升高，而耐性差的材料葉片中SOD和POD的活性則呈現下降趨勢。此外，在葉片中MDA和Pro的含量也有顯著的影響，不同材料間存在明顯差異。

3 植物修復重金屬污染土壤的研究

“植物修復”一詞由Raskin于1994年提出。植物修復重金屬污染土壤是指利用植物根系的選擇吸收、運轉和植物體自身的生物富集、儲存和降解，將土壤中重金屬固定于根部或轉變為低毒的代謝產物。根據植物對重金屬吸收的特點，可以將將其分為3類：一是富集型植物，能積累大量重金屬于植物體內，且地上部積累量大于地下部分；二是耐受型植物，在重金屬脅迫下能正常生長發育，其重金屬富集能力弱于富集型植物；三是規避型植物，這些植物對重金屬吸收能力弱，體內重金屬含量低。

3.1 超富集植物修復

“超富集植物”最早由Brook等在1977年提出，并由Chaney等在1983年提出將其應用于重金屬污染修復。1989年Baker等提出超富集植物參考臨界值，Cd為100mg/kg，Co、Ni、Pb、Cu 1000為mg/kg，Zn、Mn為10000mg/kg。超富集植物在相同條件下地上部的重金屬富集含量一般為普通植物的100倍左右，根系、嫩枝葉的積累遠高于土壤中重金屬的濃度，其富集系數及轉運系數均大于1。

截至2010年，國內外共發現超富集植物500多種，多數為Ni超富集植物。超富集植物在科屬形態上分布廣泛，從小型單年草

本植物到大型多年生灌木或林木，但多數為溫帶草本植物。在地域分布上，Zn和Cb超富集植物主要分布于歐洲中西部，Cu和Co超富集植物分布于非洲砂壩哈，Cr超富集植物分布在津巴布韋，Se超富集植物主要分布于我國。在我國，超富集植物已發現的數量很少。因此，發掘新的超富集植物是我國修復重金屬污染土壤急需解決的問題。目前，國內對超富集植物的篩選取得了一定的進展，但主要集中于礦區和冶煉區。李榜江等在極端酸性土壤通過對蜈蚣草植株體內重金屬含量分析，得出蜈蚣草對重金屬Cb的富集系數達到5.0，可以在煤礦廢棄地作為植物修復的首選物種。何東等[4]對湖南下水灣鉛鋅尾礦庫優勢植物重金屬含量研究發現，地枇杷地上部分Pb含量為正常含量上限值的4.01倍，轉運系數達到3.91，富集系數達到14.4。侯洪波等研究紫莖澤蘭和鬼針草對重金屬鉻的競爭富集作用發現，紫莖澤蘭和鬼針草能很好的富集Cr，分別達到2594.079mg/kg和3688.753mg/kg，富集系數均＞1，是鉻元素的超級富集植物。另外，陳一萍對我國現有重金屬超富集植物進行了總結，包括圓葉遏藍菜、苧麻、東南景天、蜈蚣草、鬼針草和香附子等。

3.2 耐受性植物修復

超富集植物對重金屬污染土壤具有很好的修復效果，但大多數為野生型植物，存在著生物量低、生長緩慢、植株矮小等不足，另外，對氣候條件比較苛刻，區域性分布很強，難以進行引種，因而限制了修復效率。因此，國內外專家開始尋找對重金屬耐性強、適應性廣、生物量大的耐性植物。重金屬耐受性植物與超富集植物相比，體內重金屬含量很低，多數地下部富集能力大于地上部，但生物量及生長速度均遠遠大于超富集植物，所以在相同時間內耐受型植物體內所積累的重金屬量反而比超富集植物高，對重金屬污染土壤的修復作用更大。

3.3 規避型農作物篩選

面對我國耕地面積少，受重金屬污染比例大，農產品需求日益緊張的實情，大面積重金屬污染農田實行休耕而進行植物修復是不現實的。因此，在重金屬污染土壤修復的同時如何實現農業利用顯得非常重要，而篩選低重金屬積累的作物種類及品種是利用污染土地的關鍵所在。

楊中藝等人提出了“污染對策品種”和“污染對策育種”的概念，概念提出的依據則是不同作物及品種間吸收重金屬的差異。吳大付等人通過檢測重金屬污染地區中糧食、蔬菜、和水果中的重金屬含量發現，蔬菜對重金屬的吸收能力最強，水果最低，糧食類作物居中。趙本行等通過大豆對重金屬Cb的富集研究發現，大豆植株不同部位對Cb的吸收能力不同：根部＞秸稈＞葉部＞果實。曾翔等在水稻種中，不同品種種子的萌發對Cd的敏感性存在差異，粳稻＞秈稻＞雜交稻；三系不育系＞兩系不育系，并且種子萌發后對Cd的富集能力表現為秈稻＞粳稻，雜交稻＞常規稻。吳啟堂等在對20多個品種水稻吸收積累Cd的研究發現，品種間Cd含量差異在1倍以上，且同一品種中不同器官Cd積累量呈現出根＞莖＞葉＞籽粒的規律。由此可見，在輕度污染的土壤中，通過選擇重金屬規避型作物或品種生產出符合食品安全標準的農產品是可行的。

4 重金屬污染土壤綜合治理及利用研究展望

植物修復技術在治理重金屬污染土壤中具有眾多優點，但仍存在著一些局限性。首先，植物修復是一個緩慢的過程，目前的超富集植物種類不多，植株矮小，生產緩慢，且一種植物往往只對某種特定的重金屬具有富集能力，總體效率不高；其次，植物在吸收大量重金屬元素之后其枯枝落葉會重新回到土壤環境中，收集的植物殘體處理技術復雜，成本昂貴；另外，植物修復易受當地氣候條件、土壤性質等外界因素的影響，外來修復植物的引進還可能造成物種入侵，破壞生態平衡。因此，面對我國重金屬污染面積廣，污染種類及程度復雜的現狀，單一的植物修復技術是不夠的。在充分利用植物修復技術優勢的同時，還必須結合其他手段來實現重金屬污染土壤的綜合治理和利用。

4.1 因地制宜，合理選擇植物種類

不同植物吸收重金屬的種類及能力存在差異，在進行植物修復前應當先掌握當地重金屬污染的種類及程度，根據污染情況合理的選擇植物種類。如在重度污染地區，外來植物難以生存的條件下，應篩選生存力強、當地分布廣泛、重金屬吸收能力強的超富集植物或耐受型植物，快速、大量的將土壤中的重金屬吸收并固定于植物體類，避免因雨水及人為因素擴大其污染范圍；在中度污染方便耕作的區域，可優先選擇生物量大、生長快速、重金屬含量高、遠離食物鏈的能源、經濟作物，做到污染土地治理與利用的結合；面對大面積輕度污染的農田土地，我們可以選擇低積累的規避型農作物，同時利用超富集植物加以套作或間作，以期來實現不間斷農業生產的治理方法。然而，當前重金屬超富集植物的種類還不多，規避型農作物品種也稀缺。因此，發掘生物量大、生長快速、適應性廣的超富集植物與加強“污染對策育種”是最需要解決的問題。

4.2 轉基因技術的利用

目前，植物基因工程技術已取得了階段性的突破。隨著植物積累重金屬機理的不斷研究，關鍵耐受基因的不斷確定，利用轉基因技術來提高植物對重金屬的積累及耐受能力是非常有效的。Caramina等將小麥TaPCSI基因導入煙草中發現，轉基因植株對Pb、Cb的耐性顯著增加，在1572mg/L的Pb濃度下，重金屬積累量為野生種的2倍。周慧等將重金屬結合蛋白基因hmbp轉入擬南芥中發現，轉基因植物在氯化鎘處理條件下，其可溶性糖含量及SOD、POD活性顯著增加，MDA含量增加相對較少，葉綠素含量減少較少，hmbp轉基因擬南芥對鎘的抗逆性得到提升。

4.3 螯合劑、改良劑使用

重金屬污染土壤的修復及農業利用主要從兩個方面入手，一是利用植物吸收土壤中的重金屬離子，減少土壤中重金屬元素的整體含量；二是利用植物對重金屬離子的規避型，減產土壤中重金屬元素向食物鏈中積累。因此，在利用化學手段改變土壤中重金屬離子狀態時也面臨著兩個不同的方向。

當利用超富集植物或耐受性植物進行重金屬富集時，需要使重金屬從結合態向水溶態、交換態進行轉化，促進植物的吸收。主要化學試劑包括EDTA、EDDS、HEDTA、DTAP、EGTA等螯合劑。Seth等發現，利用500ug/L的EDTA處理鉛污染土壤28天后，向日葵地上部和地下部的鉛含量分別提高了135ug/g和575ug/g，土壤中鉛毒性明顯減弱。白薇揚等[4,5]通過生物螯合劑EDTA與非生物螯合劑EDDS聯合使用，結果發現螯合劑的存在明顯增加了植物重金屬Pb、Cu、Cb的富集系數。

[1]W JWalker,R PMcNutt,CK Maslanka.The potential contribution of urban runoff to surface sediments of the Passaic River:Sources and chemicalcharacteristics[J].Chemosphere,1999,39,363-377.

[2]JKelluy,IThornton,PR Simpson.Urban Geochemistry:A study of the influence ofsoils in traditionally industrialand non-industrialareas ofBritain[J].1996,11,363-370.

[3]聞靜.重金屬耐性植物芒草金屬累積能力的研究[J].北方環境, 2013,25(8):117-119.

[4]何東,邱波,彭盡暉,等.湖南下水灣鉛鋅尾礦庫優勢植物重金屬含量及富集特征[J].環境科學,2013,34(9):3595-3600.

[5]LIYingzhong(李應忠),The problemsofagriculturalenvironmentno

optimism-the speech in the symposium of theWorld EnvironmentDay [J].JournalofChina AgriculturalResourcesand RegionalPlanning(中國農業資源與區劃),1999,20(3):50-54(in Chinesewith English abstract).

[6]何蘭蘭,角媛梅,王李鴻,等.Pb、Zn、Cu、Cb的超富集植物研究進展[J].環境科學與技術,2009,32(11):120-123.作者簡介

范占煌（1980—），男，漢族，福建龍巖，碩士研究生，主要從事污染土壤修復技術研究。

國家863計劃“電子垃圾拆解場地重金屬-有機污染物協同控制與生物修復技術與示范國家支撐計劃”（2012AA06A203）。