淺談土壤砷污染及生物修復技術(shù)

姚志杰

（新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049）

淺談土壤砷污染及生物修復技術(shù)

姚志杰

（新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049）

砷(As)因具有較強的毒性，也比較容易被生物吸收，全世界對砷污染問題重視程度也越來越高。本文根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究成果，介紹了土壤砷污染的來源和現(xiàn)狀；詳細介紹了土壤砷污染的植物修復技術(shù)和其對砷污染土壤的影響及其自身吸收砷和解毒機理；在修復過程中微生物和蚯蚓的作用。提出以植物—蚯蚓—微生物復合生物修復技術(shù)是今后研究和推廣的重點。

砷；植物修復；污染土壤；微生物；蚯蚓

1 土壤砷污染現(xiàn)狀

1.1 土壤砷污染來源

砷(As)是一種在自然界中分布很廣泛的類金屬，土壤中砷的濃度通常較低，翁煥新等[1]的調(diào)查顯示，我國自然土壤樣本砷含量在0.01～626mg/kg之間，其中95%的土壤樣品為 2.5～33.5mg/kg。土壤中天然砷主要來源于地殼中各種含砷礦物的風化，自然環(huán)境中的各種作用可連續(xù)地將砷化物分散到土壤環(huán)境中。然而，長期以來由于人類活動包括、砷化物的開采與冶煉及砷化物的廣泛利用使得砷污染現(xiàn)象越來越嚴重。

1.2 土壤砷污染的危害

砷是一種有毒并致突變、致畸、致癌的化學元素。砷化物是主要的有毒物質(zhì)，可從呼吸道、食物或皮膚接觸進入人體，干擾人體代謝過程，導致中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生紊亂。長期暴露在砷的污染環(huán)境下可導致慢性砷中毒，甚至造成肝癌、皮膚癌等流行性地方病，嚴重損害人體健康[2]。

砷對植物的危害主要是阻礙植株內(nèi)水分的運行，影響植物對水分和營養(yǎng)的吸收。磷肥是植物的根肥，磷肥的缺乏會導致植物根部發(fā)育不良，植株矮小。砷通過影響磷的代謝使植物生長發(fā)育受到抑制，砷還能造成葉綠素的破壞。

砷的不同價態(tài)對植物萌發(fā)期形態(tài)變化和生理變化的毒性不同。As污染明顯抑制黃豆種子萌發(fā)、幼茁生長、對作物種子萌發(fā)時的呼吸強度、酶活性有顯著的抑制作用，且隨著 As濃度的增加，抑制作用增強。水培條件下，砷的含量在50 mg/L以上和盆栽添加砷100 mg/kg以上，都會對小麥的根產(chǎn)生影響。

土壤砷濃度小于 40 mg/kg時對青菜生長有刺激作用，大于40mg/kg時青菜生長受抑制；土壤砷濃度大于 40mg/kg時施磷肥可加重砷對青菜生長的抑制作用。向土壤中施加50mg/kg或者100 mg/kg的砷，可顯著提高蜈蚣草地上部的生物量，砷的濃度為200 mg/kg時，對蜈蚣草有輕微的抑制作用，濃度為500 mg/kg時，地上部生物量減少64%。可見不同植物對砷的耐受限度不一樣。

1.3 土壤砷污染現(xiàn)狀

中國是砷污染問題最嚴重的國家之一，自1956～1984年共發(fā)生30余起砷污染事件[3]。自古以來，湖南、廣西、廣東、云南等省就有開采和冶煉砷的歷史，煉砷區(qū)土壤、植被和水體遭受嚴重的污染，對人類的生存環(huán)境帶來極大的危害。王振剛等對石門雄黃礦附近的三個村調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其生產(chǎn)環(huán)境大氣中As2O3的含量最高達34mg/m3，土壤砷含量為 84～296mg/kg，土壤己受到不同程度的砷污染。另外，部分國家和地區(qū)由于砷的背景值較高也引起了砷的毒害。

2 土壤砷污染的修復

目前，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)表了一系列砷污染的土壤修復技術(shù)，主要包括物理、化學、植物和微生物等方法。其中，植物和微生物的方法近年來得到了特別的重視，并取得了顯著進展。

2.1 超富集植物的修復

超富集植物是指能夠大量吸收并在體內(nèi)累積重金屬的一類特殊植物。超富集植物富集重金屬大都具有專一性和極強的重金屬富集能力，一般來說，超富集植物只對一種或有限的幾種重金屬具有植物體內(nèi)重金屬含量高于土壤中重金屬含量的富集的能力。同時，重金屬從根轉(zhuǎn)運到地上部的能力很強，即TF轉(zhuǎn)運系數(shù)＞1。從而通過直接收割植物地上部就能達到修復土壤的目的。一般超富集植物還具有極強的耐受重金屬毒害的能力，其體內(nèi)可以忍受很高的特定重金屬含量。

砷通過根系運轉(zhuǎn)器以及其它途徑進入植物細胞后, 通過螯合作用被固定以降低其生物毒性是植物對細胞內(nèi)砷解毒的主要方式。植物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的螯合物質(zhì)主要有植物硫蛋白(MTs)、有機酸(Organic acid) 以及氨基酸(Amino acid)。

目前針對超富集植物對砷的耐性及富集機理研究尚無定論，學術(shù)界普遍接受的假設(shè)是As首先在根部轉(zhuǎn)變成As(V)，接著在細胞質(zhì)中還原成As(III)，As(III)再與植物體內(nèi)的絡(luò)合劑螯合以避免As(III)的細胞毒性，絡(luò)合物最終進入液泡儲存起來。

2.2 超富集植物修復存在的問題

隨著As超富集植物—蜈蚣草的發(fā)現(xiàn)，掀起了使用超積累植物修復As污染的研究熱潮。能超富集As的植物主要集中于蔗類植物蜈蚣草、大葉井口邊草。蕨類植物吸收As的機理研究選用較多的是蜈蚣草和大葉井口邊草。但目前的研究通常是在比較理想的條件下行進的，根據(jù)土壤溶液中實際As含量而開展的研究還不多。As在土壤中的活性受很多因素如土壤質(zhì)地、礦物的屬性和組分、氧化還原電位、微生物、動物及植物的復合影響。因此，試驗室內(nèi)砂培或水培，對認識植物的吸收或超富集AS的機理帶來很大便利，但對植物在實際修復As污染土壤中的作用的認識還有較大缺陷性。

另外，砷的超富集植物蜈蚣草作為多年生蕨類，屬于喜陰植物，其分布具有較強的區(qū)域性。若將其移栽到污染土壤，與當?shù)刂参锵啾忍幱诟偁幜觿荩或隍疾菰谖廴镜貐^(qū)可能還屬于外來品種，存在外來物種入侵的危險。同時，蜈蚣草前期生長緩慢，也限制了其在生產(chǎn)上的大面積推廣應用。

3 微生物和蚯蚓對土壤砷污染植物修復的影響

3.1 微生物對植物修復砷污染土壤的影響

1981 年，Bradley等發(fā)現(xiàn)石楠菌根降低植物對過量重金屬Cu和Zn的吸收以后，對菌根與重金屬的研究也就日漸成為熱點。叢枝菌根(AM)是一類古老的共生體，其在植物磷素吸收方面有突出作用，而磷與砷是同族元素，因此叢枝菌根真菌在砷污染土壤的修復中受到廣泛的關(guān)注。

AM真菌促進宿主植物對土壤養(yǎng)分尤其是磷元素的吸收、改變植物根形態(tài)和根際的氧化還原作用等，促進植物的生長，或?qū)⑸楣潭ㄔ诰z和根際土中從而增加植物對砷的耐性[23]。對耐砷的植物接種As污染礦區(qū)和非污染區(qū)分離到的AM真菌后，發(fā)現(xiàn)來自污染礦區(qū)的 AM真菌能顯著提高該植物的耐砷特性，并降低了植物對砷酸鹽的吸收量。接種菌根使植物能吸收充足的磷素營養(yǎng)，但是明顯的減少了AS從根部向莖的轉(zhuǎn)移，從而降低了莖中砷的濃度。

3.2 蚯蚓對植物修復砷污染土壤的影響

蚯蚓對AS有著很強的耐受性，在含砷53000mg/kg的礦業(yè)廢渣土壤中仍能大量存活、其通過穴居和翻動作用保持土壤較高的疏水和通氣能力，有利于土壤中As：以AS(V)存在，AS(V)是植物吸收As的主要價態(tài)。如果將蚯蚓接種于AS污染土壤，可能會對植物吸收AS、進而對AS污染土壤的植物修復具有積極的意義[4]。

4 小結(jié)

土壤健康與糧食的安全息息相關(guān)，通過生物技術(shù)進行修復As污染土壤將有較好的應用前景。但是它在實際應用于治理砷污染土壤中還需要進一步的研究和探索。

下一步研究中，可以將植物-微生物-蚯蚓復合系統(tǒng)技術(shù)應用到修復土壤 As污染的實踐中，研究三者間協(xié)同或共生作用下對As的吸收及解As毒效應。深入研究砷超累積植物修復污染土壤的過程及其調(diào)控機理，包括土壤中砷的形態(tài)與植物根際環(huán)境變化的關(guān)系，施肥、增施改良劑等措施對植物修復過程的影響等，以進一步用于指導砷植物修復的研究和發(fā)展，并為這一領(lǐng)域的發(fā)展提供動力。

[]翁煥新，張霄宇，鄒樂君，等.中國自然土壤中砷的自然存在狀況及其成因分析[J].浙江大學學報(工學版)，2000，l:54～55

[]顧興平，顧永作.環(huán)境砷污染與健康[J].四川環(huán)境，1999，15(3):1～7

[]張國祥，楊居榮，華璐. 土壤環(huán)境中的砷及其生態(tài)效應[J]. 土壤, 1996, 2:64一68

[]成杰民，俞協(xié)治，黃銘洪. 蚯蚓一菌根在植物修復砷污染土壤中的作用[J]生態(tài)學報, 2005, 25(6):1256～1263

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1007-6344（2015）09-0086-01