土壤重金屬污染強化植物修復技術研究進展

徐劍鋒，王雷，熊瑛，席北斗，張列宇，毛旭輝，楊天學，吳明紅，李彤彤,4

1.中國環境科學研究院地下水與環境系統工程創新基地，國家環境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012 2.上海大學環境與化學工程學院，上海 200444 3.武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430070 4.首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048 5.北京建筑大學環境與能源工程學院，北京 100044

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土壤重金屬污染強化植物修復技術研究進展

徐劍鋒1,2，王雷1,3*，熊瑛5，席北斗1，張列宇1，毛旭輝3，楊天學1，吳明紅2，李彤彤1,4

1.中國環境科學研究院地下水與環境系統工程創新基地，國家環境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012 2.上海大學環境與化學工程學院，上海 200444 3.武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430070 4.首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048 5.北京建筑大學環境與能源工程學院，北京 100044

土壤重金屬污染修復主要采用物理、化學和生物修復技術。生物修復技術中的植物修復技術是用于土壤重金屬污染修復的可靠技術，由于植物修復技術具備花費低、適應性強、無二次污染等特點，得到廣泛關注，是當今國際資源、環境、生物學科交叉領域的前沿和熱點。利用植物修復技術的關鍵是篩選或培育出生命力頑強，適應性較廣，能夠忍耐外在重金屬脅迫環境，并在體內大量富集重金屬的植物物種。綜合分析比較了目前土壤重金屬污染修復技術，針對土壤重金屬污染植物修復技術存在的限制性問題，綜述了目前強化植物修復技術的研究進展，探討通過采取物理、化學和生物技術等方法提高修復植物的生物量和重金屬積累量。重點闡述了基因工程技術、螯合誘導技術、根系和菌根強化植物修復的作用機制及應用效果，并展望了今后的研究方向。

土壤污染；重金屬；植物修復；根系分泌物

隨著礦產資源的不合理開發與利用、污水灌溉、化肥和農藥的大量施用、工業化和城鎮化的迅速發展，土壤污染日益嚴重[1]。目前我國污灌區面積約140萬hm2，受重金屬污染的土地面積占污灌區總面積的64.8%。全國受污染耕地約占1/10，并且以Hg和Cd污染面積最大，每年因重金屬污染的糧食達1.2×107t，直接經濟損失超過200億元[2]。土壤重金屬污染引發的農產品質量安全問題和群體性事件逐年增多，嚴重危及群眾的健康安全，如不引起足夠的重視，將成為制約社會穩定以及經濟發展的重要因素[3]。面對嚴峻的形勢，如何治理土壤重金屬污染已成為當今農業、生態和環境科學領域的研究熱點。

2010年7月由環境保護部編制完成了首部重金屬污染防治規劃——《重金屬污染綜合防治規劃(征求意見稿)》，隨著“十三五”土壤修復工作全面鋪開，環境保護部組織編制完成了《重金屬及有毒有害化學物質污染防治“十三五”規劃綱要(征求意見稿)》，為實現土地的可持續利用，保障人類獲得充足且安全的食品，迫切需要研究出經濟、高效、適用的土壤重金屬污染修復技術[4]。土壤重金屬污染修復技術主要包括物理、化學和生物修復，而生物修復中的植物修復技術作為新興、高效的生物修復途徑，已被科學界和政府部門認可并選用。雖然植物修復在土壤重金屬污染修復方面表現出很高的潛力，但在實際應用中由于自身一些固有特性受到很大限制。綜合分析比較了目前常用的土壤重金屬污染修復技術，針對重金屬污染土壤植物修復技術存在的局限性，重點闡釋了目前強化植物修復技術的研究進展并對其發展趨勢進行了展望，以期為土壤重金屬污染治理提供科學依據。

1 土壤重金屬污染修復技術

1.1 發展階段

西方國家在土壤重金屬污染修復技術研究方面開展較早，并且有著豐富的經驗。歐美等國家的土壤重金屬污染修復技術發展過程分為3個階段[5]：1)20世紀80年代前期，以物理、化學修復為主，主要有挖掘填埋、客土法、固化/穩定化、土壤氣提、化學萃取等方法；2)20世紀80年代—21世紀初，包括物理、化學和生物修復，主要有淋洗、萃取、氧化還原、玻璃固化和熱脫附等方法；3)21世紀以來，研究重點為植物修復及自然轉移和衰減領域等方法，開始向高效經濟的方向發展。

我國在土壤重金屬污染治理方面起步較晚，主要經歷了4個發展階段[6]：1)20世紀60年代以前，以物理修復為主，主要有填埋、刮土、復土等方法；2)20世紀70—80年代，仍以物理修復為主，逐漸開始向土地資源穩定利用和環境工程應用方面轉移；3)20世紀90年代，發展了化學和生物修復，主要選用超量積累植物、耐性植物通過土地復墾，以達到恢復土壤特性目的；4)21世紀以來，主要采用植物、動物、微生物、固化/穩定化、土壤氣提、氧化還原、熱脫附、淋洗、化學萃取等方法，植物修復成為研究和應用熱點。

1.2 技術性能

隨著人們對環境保護的日益重視，開始探索不破壞土壤生態環境的修復技術來治理重金屬污染土壤[7]。土壤重金屬污染修復技術的選擇不僅要考慮重金屬污染隱蔽性、長期性和不可逆性的特點，還要結合重金屬污染物和土壤的理化性質、場地特性、土地利用和修復目標、修復時間和費用、政府和業主的接受程度及公眾的意見等因素[8]。表1[9-11]列出目前常用修復技術的優缺點以及適用土壤類型，以便工程應用中綜合分析各相關因素優選出最佳修復技術。

表1 土壤重金屬污染修復技術[9-11]

物理修復技術不僅成本昂貴，破壞土體結構，導致土壤肥力下降，而且存在工程量大、二次污染的缺點，不能從根本上解決問題。化學修復技術受土壤理化性質影響較大，不能根除重金屬且有再度溶出的風險，投資較大，治理費用相對較高[12]。與傳統的物理和化學方法相比，生物修復技術具有成本低、來源廣、無二次污染的特點，尤其適用于低濃度重金屬的去除。目前，應用較為廣泛、治理效果顯著的生物修復技術是植物修復和微生物修復。但微生物修復存在難以克服的缺陷[13]：微生物經歷生長—增殖—死亡過程后，重金屬又重新回歸到土壤中難以從土壤中分離；微生物僅對特定的1種或1類重金屬有效，且微生物對土壤環境(如pH、溫度、含水率、溶解氧濃度等)的要求較苛刻。

植物修復技術不僅成本低、易操作、應用范圍廣、無二次污染，并且有利于土壤有機質和土壤肥力增加，可從修復植物硅體中回收貴重金屬，取得直接經濟效益，也可清除土壤周圍大氣、水體中的污染物，更易被社會接受[14-15]。

2 土壤重金屬污染植物修復技術

土壤重金屬污染植物修復技術研究主要集中在植物的土壤修復機理以及修復植物的篩選(即超富集植物)兩大方面。植物修復技術不僅包括對污染物的吸收和去除，也包括對污染物的原位固定和轉化。其修復技術[18]主要包括植物固定、植物揮發和植物提取技術，機理見圖1。重金屬超富集植物是指能夠吸收土壤中過量的重金屬并能轉運和富集在地上部分的一類植物。

圖1 土壤重金屬污染植物修復機理Fig.1 Mechanism of soil heavy metals in phytoremediation

2.1 植物修復技術機理

植物固定是利用特定植物的根或分泌物，改變土壤根際環境，通過累積、沉淀、轉化重金屬的價態和形態，降低土壤中有毒重金屬的移動性和毒性，從而降低重金屬滲漏污染地下水和周圍環境的風險[19]。植物固定包括分解、沉淀、螯合、氧化還原等多種過程。目前，該技術已在工程領域得到一定應用。Oh等[20]在研究植物對土壤中鉛的固定時發現，一些植物可降低鉛的生物有效性。Dushenkov等[21]研究發現，Pb可與根系分泌的磷酸鹽結合形成難溶磷酸鉛固定在植物根部。

植物提取是利用植物從土壤中吸取1種或幾種重金屬污染物，并將其轉移、貯存到地上部分，連續種植該植物，隨后收割地上部并進行集中處理，達到降低或去除土壤重金屬的目的[22]。該技術最適合淺層且污染程度較低的土壤修復，所用植物需具有生物量大、生長快和抗病蟲害能力強等特點，還要具備富集多種重金屬的能力[23]。Li等[24]研究植物提取修復對土壤重金屬的影響，結果表明，連續3 a植物提取修復后，土壤全量Cd、Zn含量顯著低于對照組。Yuan等[25]研究表明，海州香薷(Elsholtziasplendens)生長能降低土壤中Cu含量。在受Zn污染嚴重的土壤上研究垂枝樺(BetulapendulaRoth)，發現垂枝樺各部位Zn的積累量及總積累量超過其他已知植物[26]。

植物揮發是利用植物根系吸收、積累和揮發重金屬，或利用根系分泌的一些特殊物質，將揮發性重金屬轉化為氣態物質揮發到大氣中，以降低土壤污染，目前對Hg和Se研究較多[27]。Meagher等[28]采用遺傳工程方法治理土壤汞污染，結果表明，土壤中甲基汞經過植物吸收并降解成汞繼而揮發。因此植物揮發只是將污染物從土壤經植物轉移到大氣中進行稀釋，考慮到現場空氣中的揮發性重金屬濃度及重金屬的再次沉降，該方法存在一定風險，且該方法受植物根系范圍等限制，處理能力不強。

2.2 超富集植物的篩選

植物篩選研究主要集中在篩選標準、植物類型以及植物修復效率等方面。超富集植物篩選標準為：1)植物地上部分重金屬濃度積累達到一定的量；2)生物富集系數(地上部分重金屬濃度土壤重金屬濃度)大于1；3)轉運系數(地上部分重金屬濃度地下部分重金屬濃度)大于1[29]。庭薺屬、擬南芥、龍葵、鳳眼蓮和天藍遏藍菜可作為Ni、Cd、Zn和Pb的超富集植物[30]。目前，世界上共發現有400多種超富集植物，其中主要是鎳的超富集植物[31]，且主要適宜生長在干旱的礦區周圍[32]。伴礦景天是新近研究發現的ZnCd超富集植物，Ma等[33]研究發現，伴礦景天可從污染土壤中提取高濃度的鋅和鎘，對植物修復重金屬污染土壤有很大潛力。

濕地植物量大且覆蓋面較廣，其整體重金屬吸收量是其他修復植物無法匹敵的，是一類潛在修復土壤重金屬污染的優勢物種，因此可從現有常用濕地植物中選出適宜的物種[34]。Mishra等[35]研究發現，浮水植物大薸、浮萍、鳳眼蓮對Cu、Cd、Cr、Zn的去除率均可達75%以上，其中對Zn的去除率可達到90%左右。Rai等[36]研究發現，沉水植物苦草對Hg、Ag的去除率分別達70%～84%和63%。超富集植物的主要問題在于植物修復效率，目前已知的超富集植物大都植株矮小、生物量低、生長緩慢，且多為連作生長，不易于機械化操作；1種植物通常只能吸收1種或2種重金屬，對土壤中共存的其他重金屬忍耐能力差，從而限制了植物修復技術在復合污染土壤治理方面的應用[37]。濕地植物對污染環境中的重金屬具有極強的富集能力，其體內的重金屬濃度可達其生長環境中重金屬濃度的數百甚至數千倍，因此濕地植物在重金屬修復方面具有廣闊的應用前景[38]。

3 土壤重金屬污染植物強化修復技術

土壤重金屬污染治理工作僅使用植物修復技術難以快速達到預期效果，需輔以其他技術手段：如根際微生物克服其自身生物學缺陷；通過化學修復技術(如絡合劑、土壤改良劑)等增加目標重金屬的生物有效性，提高植物吸收速率，進而提高土壤重金屬污染修復效率；通過轉基因技術優化植物本身性能[39]。目前在強化植物修復效率方面，研究者正致力于開發增加植物生物量的同時又大幅提高對重金屬絕對吸收的技術，主要包括基因工程、螯合誘導(螯合劑、表面活性劑)、根系強化、菌根強化植物修復技術。

3.1 基因工程強化植物修復技術

基因工程是將對重金屬污染土壤有修復作用的異源目的基因轉入超富集植物，在植物體內進行有效的表達并參與重金屬吸收、轉運、轉化、隔離、絡合及揮發等過程[40]。異源目的基因的轉入能有效增加植物對重金屬的提取，從而提高植物修復的效率，如金屬螯合劑、金屬硫蛋白(MTs)、植物螯合肽(PCs)和重金屬轉運蛋白等基因。Thomas等[41]研究表明，酵母的MTs基因CUP1導入含Cu量高的沙地上生長的煙草中，CUP1煙草幼苗葉片累積的Cu是對照組的2～3倍。運用基因技術對重金屬轉運體處理后可明顯提高植物對重金屬的耐性和積累性。Nagata等[42]研究表明，利用基因工程手段，同時構建含有汞運載體(Mer T)和表達超積累Hg的多聚磷酸鹽激酶基因(poly P)的表達載體，通過轉化獲得的轉基因煙草，不僅對Hg的吸收加強，而且對Hg的積累也大大加強。基因工程技術被認為是改良超富集植物對重金屬耐性和富集能力的有效途徑，為植物修復的發展開辟了廣闊的應用前景，并成為強化植物修復領域最具潛力的發展方向之一。

3.2 螯合誘導強化植物修復技術

目前強化植物修復中使用的螯合劑主要分為人工螯合劑和天然螯合劑，常用的螯合劑有乙二胺四乙酸(EDAT)和乙二胺四乙酸鈉(EDAT-Na2)。由于螯合劑具有廣泛的配位性能，幾乎能與所有的金屬離子形成穩定的螯合物，可以改變重金屬在土壤中的形態分布，從而使重金屬由不溶態轉化為可溶態，大大活化土壤中的重金屬，增加重金屬離子的溶解度，為土壤淋洗或植物吸收創造有利條件，并顯著增強重金屬向植物地上部分的轉運[43]。Seth等[44]將0.5 mgL的EDTA混勻加入鉛污染土壤中，發現向日葵根部和地上部分Pb濃度分別提高了135和575 mgkg，達到強化去除土壤中重金屬的目的。天然螯合劑通過酸化、沉淀、絡合、氧化還原等方式改變重金屬溶解性或間接通過對土壤微生物群落的作用來影響重金屬活性以提高植物提取重金屬的效率[45]。Wang等[46]研究表明，用70 mgL的草酸處理Cr超富集植物李氏禾，緩解了生物量的減少和Cr對根系生長的抑制作用。目前，研究重點逐漸從難降解人工螯合劑轉移到對環境危害較小的天然螯合劑或易降解螯合劑上。近幾年，生物可降解螯合劑，如乙二胺二琥珀酸(EDDS)、氨三乙酸(NTA)和檸檬酸(CIT)成為研究熱點[47]。

表面活性劑主要分為化學合成表面活性劑和天然生物表面活性劑。表面活性劑的作用機制是土壤界面的吸附和金屬的締合及有效絡合去除重金屬[48]，然后通過離子交換或與重金屬離子發生配合反應解吸被吸附的重金屬，最終使重金屬和表面活性劑膠束締合。表面活性劑具備降低Cu、Pb、Cd和Zn在黏土中的吸附作用。研究表明，在生物淋濾試驗中，表面活性劑Tween-80的最佳投加量為6.0 gL時，元素硫的生物氧化率明顯提高，污泥酸化速度加快，Gu和Zn的淋溶效果最好[49]。時進鋼等[50]研究了銅綠假單胞菌所產生的鼠李糖脂去除沉積物中的重金屬，結果表明，鼠李糖脂對沉積物中Pb和Cd的去除率分別為36.5%和80.1%。 3%的皂角苷對Cu、Pb、Cd和Zn淋洗量分別達43.87%、83.54%、95.11%和20.35%，能起到絡合洗脫污灌土壤中重金屬作用[51]。

3.3 根系強化植物修復技術

根系分泌物作為根際沉積的重要組成部分，包括高分子量的黏膠和胞外酶，以及低分子量的有機酸、糖、酚及各種氨基酸(包括非蛋白氨基酸，如植物鐵載體)[52]。根系分泌物作為植物與土壤發生物質交換的載體，能夠通過活化、螯合、絡合、脅迫等方式，降低重金屬在土壤中的遷移和擴散能力，從而降低重金屬的毒性。首先，根系分泌物能對土壤中的重金屬進行活化，如海州香薷和鴨跖草根系分泌物能對污染土壤中Cu進行活化[53]，以便于植物吸收，從而降低或消除重金屬污染物化學毒性和生物毒性[54-55]；其次，根系分泌物通過螯合土壤中的重金屬來降低或消除其毒性，如植物根系在10～50 μmolL的Al脅迫條件下根尖檸檬酸合成酶活性增加，分泌出大量的檸檬酸形成檸檬酸-Al的螯合物以解除Al毒[56]；根系分泌物還可降低土壤的pH，從而促進根系的發育并進一步提升根系分泌物的產生量，最終提升植物對重金屬的修復能力。

3.4 菌根強化植物修復技術

菌根真菌(AM)可增強宿主植物對重金屬的耐受性，影響植物對重金屬的吸收、轉運和累積，以達到強化植物修復技術對土壤重金屬污染的治理。AM通過根外菌絲和孢子提供重金屬結合的位點，結合土壤中的重金屬離子形成穩定的螯合物，降低重金屬的移動性。Valentinuzzi等[57]研究了菌根小麥和無菌根小麥根際Cu、Pb、Zn和Cd的形態分布，結果表明，菌根可通過改變根際中重金屬的形態來改變重金屬的生物有效性，降低重金屬的毒性。此外，AM通過根外菌絲內的聚磷酸鹽結合重金屬，降低了重金屬的生物有效性，減少重金屬向植物體內運輸[58]。AM定殖在植物根系上，通過菌絲磷酸鹽、巰基等化合物的絡合作用，提高根系結合重金屬的能力，將重金屬離子固持在作物根系中，減少重金屬向地上部遷移。Nogales等[59]研究發現，在200 mgkg的Cr(Ⅲ)污染土壤中，接種叢枝菌根真菌(GlomusintraradicesBEG 72)較不接種對長葉車前(Plantagolanceolata)的促生效應更顯著，其植物地上部Cr濃度也相對較低。AM具有較強的吸附能力，可以將大量重金屬固持在其表面，從而阻滯重金屬進入菌絲及植物體內，降低重金屬對叢枝菌根真菌和宿主植物的危害。Fagundes-klen等[60]研究發現Glomusmosseae菌絲吸附Cu(Ⅱ)的能力為3～14 gkg。重金屬污染情況下，AM直接影響到植物對重金屬的吸收累積，一般認為，叢枝菌根可以抑制重金屬自植物根系向地上部的運輸，從而減輕重金屬對植物的生理毒害。如Chen等[61-62]利用室內模擬盆栽的方法研究發現，叢枝菌根能在改善植物磷營養的同時降低植物地上部Cu、As和Cd的濃度，從而減緩重金屬對宿主植物的毒害。

4 結論及展望

(1)植物修復技術的核心是超富集植物，但目前對超富集植物的研究多集中在旱生植物，對濕地植物系統性研究較少，尚未形成完備的濕地植物修復土壤重金屬污染的方案，限制了植物修復土壤重金屬污染的廣泛性，因此有必要系統深入研究濕地植物吸收、運輸重金屬機理，特別是重金屬的解毒機理，使濕地植物修復土壤重金屬污染有更廣闊的應用前景。

(2)植物吸收重金屬主要是通過根系分泌物的作用，雖然關于根系分泌物的研究已取得一定成績，但還有很多不足之處。如何準確測定根系分泌物，特別是低含量、易揮發、易降解分泌物的種類和濃度；根際微生物與根系分泌物之間的相互影響效應以及作用途徑等。因此有必要進一步研究對重金屬吸收起到主要作用的根系分泌物種類，以利于通過外加物質螯和誘導強化植物修復技術，增強植物修復效率。

(3)修復植物收獲后的處理技術作為植物修復技術的重要組成部分，目前采取措施只是將其焚燒、堆肥、壓縮填埋、高溫分解、灰化和液相萃取等簡單處理，對修復后植物的應用價值沒有全面挖掘。因此應加強對處理后的植物進一步吸收或吸附重金屬的研究，并對其作為能源生物電池等的潛在價值進行深入研究。

[1] MARQUES A P G C,RANGEL A O S S,CASTRO P M L.Remediation of heavy metal contaminated soils:an overview of site remediation techniques[J].Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2011,41(10):879-914.

[2] YAO Z T,LI J H,XIE H H,et al.Review on remediation technologies of soil contaminated by heavy metals[J].Procedia Environmental Sciences,2012,16(4):722-729.

[3] 徐笠,陸安祥,王紀華.土壤重金屬污染評價方法研究進展及其在禁產區劃分工作中的比較應用[J].食品安全質量檢測學報,2016(3):1145-1151. XU L,LU A X,WANG J H.Research progress of soil pollution assessment methods and their application in the division of non-agricultural producing region[J].Journal of Food Safety and Quality,2016(3):1145-1151.

[4] PERRINO E V,BRUNETTI G,FARRAG K.Plant communities in multi-metal contaminated soils:a case study in the National Park of Alta Murgia (Apulia Region-Southern Italy)[J].International Journal of Phytoremediation,2014,16(7/8/9/10/11/12):871-888.

[5] LI Z W,ZHOU M M,LIN W D.The research of nanoparticle and microparticle hydroxyapatite amendment in multiple heavy metals contaminated soil remediation[J].Journal of Nanomaterials,2014(2):1-8.

[6] 串麗敏,趙同科,鄭懷國,等.土壤重金屬污染修復技術研究進展[J].環境科學與技術,2014(增刊2):213-222. CHUAN L M,ZHAO T K,ZHENG H G,et al.Research advances in remediation of heavy metal contaminated soils[J].Environmental Science and Technology,2014(Suppl 2):213-222.

[7] MANI D,KUMAR C,PATEI N K.Hyperaccumulator oil cake manure as an alternative for chelate-induced phytoremediation of heavy metals contaminated alluvial soils[J].International Journal of Phytoremediation,2015,17(1/2/3/4/5/6):256-263.

[8] 楊勇,柯艷明,欒景麗,等.國際污染場地土壤修復技術綜合分析[J].環境科學與技術,2012,35(10):92-98. YANG Y,KE Y M,LUAN J L,et al.Comprehensive analysis on soil remediation technologies of international contaminated sites[J].Environmental Science and Technology,2012,35(10):92-98.

[9] KOSHLAF E,SHAHSAVARI E,ABURTO-MEDINA A,et al.Bioremediation potential of diesel-contaminated Libyan soil[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2016,133:297-305.

[10] LIM M W,LAU E V,POH P E.A comprehensive guide of remediation technologies for oil contaminated soil-present works and future directions[J].Marine Pollution Bulletin,2016,109(1):14-45.

[11] XU J,BRAVO A G,LAGERKVIST A,et al.Sources and remediation techniques for mercury contaminated soil[J].Environment International,2015,74:42-53.

[12] HE L,GIELEN G,BOLAN N S,et al.Contamination and remediation of phthalic acid esters in agricultural soils in China:a review[J].Agronomy for Sustainable Development,2015,35(2):519-534.

[13] 李韻詩,馮沖凌,吳曉芙,等.重金屬污染土壤植物修復中的微生物功能研究進展[J].生態學報,2015,35(20):6881-6890. LI Y S,FENG C L,WU X F,et al.A review on the functions of microorganisms in the phytoremediation of heavy metal-contaminated soils[J].Acta Ecologica Sinica,2015,35(20):6881-6890.

[14] 錢春香,王明明,許燕波.土壤重金屬污染現狀及微生物修復技術研究進展[J].東南大學學報,2013,43(3):669-674. QIAN C X,WANG M M,XU Y B.Current situation of soil contamination by heavy metals and research progress in bio-remediation technique[J].Journal of Southeast University,2013,43(3):669-674.

[15] YAO Z,LI J,XIE H,et al.Review on remediation technologies of soil contaminated by heavy metals[J].Procedia Environmental Sciences,2012,16(4):722-729.

[16] 李珊珊,張文毓,孫長虹,等.基于文獻計量分析土壤修復的研究現狀與趨勢[J].環境工程,2015,33(5):160-165. LI S S,ZHANG W Y,SUN C H,et al.Status and trends analysis on remediation of pollution soil in China based on literature motrology[J].Environmental Engineering,2015,33(5):160-165.

[17] 吳耀楣.中國土壤重金屬污染修復技術的專利文獻計量分析[J].生態環境學報,2013,22(5):901-904. WU Y M.Patent bibliometric analysis on the remediation techniques of soil heavy metal pollution[J].Ecology and Environmental Sciences,2013,22(5):901-904.

[18] TODD L F,LANDMAN K,KELLY S,et al.Phytoremediation:an interim landscape architecture strategy to improve accessibility of contaminated vacant lands in Canadian municipalities[J].Urban Forestry and Urban Greening,2016,18(8):242-256.

[19] DIXIT R,WASIULLAH,MALAVIYA D,et al.Bioremediation of heavy metals from soil and aquatic environment:an overview of principles and criteria of fundamental processes[J].Sustainability,2015,7(2):2189-2212.

[20] OH K,LI T,CHENG H Y,et al.Development of profitable phytoremediation of contaminated soils with biofuel crops[J].Journal of Environmental Protection,2013,4:58-64.

[21] DUSHENKOV V,KUMAR P B, HARRY M,et al.Rhizofiltration:the use of plants to remove heavy metals from agueous stream[J].Environmental Science and Technology,1995,29(5):1239-1245.

[22] BOECHAT C L,PISTOIA V C,GIANELO C.Accumulation and translocation of heavy metal by spontaneous plants growing on multi-metal-contaminated site in the Southeast of Rio Grande do Sul State,Brazil[J].Environmental Science and Pollution Research,2015,23(3):1-10.

[23] 劉擁海.重金屬污染的植物修復技術及其生理機制[J].肇慶學院學報,2006,27(5):42-45. LIU Y H.Heavy metal phytoremediation technology and its physiological mechanisms[J].Journl of Zhaoqing University,2006,27(5):42-45.

[24] LI Z,WU L,HU P,et al.Repeated phytoextraction of four metal-contaminated soils using the cadmium/zinc hyperaccumulatorSedumplumbizinccola[J].Environmental Pollution,2014,189(12):176-183.

[25] YUAN X,LUAN J,SHI J.Spatial variability of bacteria in the rhizosphere ofElsholtziasplendensunder Cu contamination[J].Environmental Science and Pollution Research,2014,21(16):9809-9818.

[26] DMUCHOWSKI W,GOZDOWSKI D,BRAGOSZEWSKA P,et al.Phytoremediation of zinc contaminated soils using silver birch (BetulapendulaRoth)[J].Ecological Engineering,2014,71(10):32-35.

[27] YEUNG A T,GU Y Y.A review on techniques to enhance electrochemical remediation of contaminated soils[J].Journal of Hazardous Materials,2011,195(52):11-29.

[28] MEAGHER R B.Phytoremediation of toxic elemental and organic pollutants[J].Current Opinion in Plant Biology,2000,3(2):153-162.

[29] 龍新憲,楊肖娥,倪吾鐘.重金屬污染土壤修復技術研究的現狀與展望[J].應用生態學報,2002,13(6):757-762. LONG X X,YANG X E,NI W Z.Current situation and prospect on the remediation of soils contaminated by heavy metals[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2002,13(6):757-762.

[30] MCGRATH S P,LOMBI E,GRAY C W,et al.Field evaluation of Cd and Zn phytoextraction potential by the hyperaccumulatorsThlaspicaerulescensandArabidopsishalleri[J].Environmental Pollution,2006,141(1):115-125.

[31] BECH J,DURAN P,ROCA N,et al.Accumulation of Pb and Zn inBidenstriplinerviaandSeneciosp. spontaneous species from mine spoils in Peru and their potential use in phytoremediation[J].Journal of Geochemical Exploration,2012,123(3):109-113.

[32] MATTAROZZI M,VISIOLI G,SANANGEIANTONI A M,et al.ESEM-EDS:in vivo characterization of the Ni hyperaccumulatorNoccaeacaerulescens[J].Micron,2015,75:18-26.

[33] MA Y,RAJKUMAR M,LUO Y,et al.Phytoextraction of heavy metal polluted soils usingSedumplumbizincicolainoculated with metal mobilizingPhyllobacteriummyrsinacearumRC6b[J].Chemosphere,2013,93(7):1386-1392.

[34] REZANIA S,TAIB S M,DIN M F M,et al.Comprehensive review on phytotechnology:heavy metals removal by diverse aquatic plants species from wastewater[J].Journal of Hazardous Materials,2016,318:587-599.

[35] MISHRA V K,TRIPATHI B D.Concurrent removal and accumulation of heavy metals by three aquatic macrophytes[J].Bioresource Technology,2008,99(15):7091-7097.

[36] RAI P K.Heavy metals in water,sediments and wetland plants in an aquatic ecosystem of tropical industrial region,India[J].Environmental Monitoring and Assessment,2008,158(1/2/3/4):433-457.

[37] SZULC P M,KOBIERSKI M,MAJTKOWSKI W.Evaluation of the use of spring rapeseed in phytoremediation of soils contaminated with trace elements and their effect on yield parameters[J].Plant Breeding and Seed Science,2015,69(1):81-95.

[38] PRASAD M N V,MALEC P,WALOSZEK A,et al.Physiological responses ofLemnatrisulcaL.(duckweed) to cadmium and copper bioaccumulation[J].Plant Science,2001,16(5):881-889.

[39] 鮑桐,廉梅花,孫麗娜,等.重金屬污染土壤植物修復技術強化措施研究進展[J].生態環境學報,2008,17(2):858-865. BAO T,LIAN M H,SUN L N,et al.Research progress in strengthening measures for phytoremediation of soils contaminated by heavy metals[J].Ecology and Environmental Sciences,2008,17(2):858-865.

[40] 李敬龍,劉曄,潘愛珍.生物表面活性劑及其應用[J].山東輕工業學院學報,2004,18(2):41-42. LI J L,LIU Y,PAN A Z.Biosurfactants and their application[J].Journal of Shandong Institute of Light Industry,2004,18(2):41-42.

[41] THOMAS J C,DAVIES E C,MALICK F K,et al.Yeast metallothionein in transgenic tobacco promotes copper uptake from contaminated soils[J].Biotechnology Progress,2003,19(2):273-280.

[42] NAGATA T,NAKAMURA A,AKIZAWA T,et al.Genetic engineering of transgenic tobacco for enhanced uptake and bioaccumulation of mercury[J].Biological and Parmaceutical Bulletin,2009,32(9):1491-1495.

[43] 王開爽,吉凡,王莉,等.螯合誘導技術強化植物修復鉛污染土壤的研究現狀及展望[J].安徽農學通報,2014(9):100-102. WANG K S,JI F,WANG L,et al.Present situation and prospect on application of chelateinduced phytoremediation of lead contaminated soils[J].Anhui Agricultural Science Bulletin,2014(9):100-102.

[44] SETH C S,MISRA V,SINGH R R,et al.EDTA-enhanced lead phytoremediation in sunflower (HelianthusannuusL.) hydroponic culture[J].Plant and Soil,2011,347(1):231-242.

[45] MARQUES A,RUI S,SAMARDJIEVA K,et al.EDDS and EDTA-enhanced zinc accumulation by solanum nigrum inoculated with arbuscular mycorrhizal fungi grown in contaminated soil[J].Chemosphere,2008,70(6):1002-1014.

[46] WANG D,ZHANG X, LIU J,et a1.Oxalic acid enhances Cr tolerance in the accumulating plant leersia hexandra swartz[J].International Journal of Phytoremediation,2012,14(10):966-977.

[47] SILLANPAA M E T,KURNIAWAN T A,LO W H.Degradation of chelating agents in aqueous solution using advanced oxidation process (AOP)[J].Chemosphere,2011,83(11):1443-1460.

[48] 晁陽,袁興中,曾光明,等.生物表面活性劑在城市污泥靜態強制通風好氧堆肥中的作用[J].環境工程學報,2012,6(4):1331-1336. CHAO Y,YUAN X Z,ZENG G M,et al.Application of biosurfactant in static forced-aeration composting of sewage sludge[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2012,6(4):1331-1336.

[49] 鄔思丹,劉云國,曾光明,等.表面活性劑強化污泥生物淋濾Cu、Zn的研究[J].中國環境科學,2010,30(6):791-795. WU S D,LIU Y G,ZENG G M,et al.Surfactant-enhanced bioleaching of Cu and Zn from sewage sludge[J].China Environmental Science,2010,30(6):791-795.

[50] 時進鋼,傅海燕,袁興中,等.鼠李糖脂對沉積物中Cd和Pb的去除作用[J].環境化學,2005,24(1):55-58. SHI J G,FU H Y,YUAN X Z,et al.Removal of heavy methods from sediment by rhamnolipid[J].Environmental Chemistry,2005,24(1):55-58.

[51] 蔣煜峰,展惠英,張德懿,等.皂角苷絡合洗脫污灌土壤中重金屬的研究[J].環境科學學報,2006,26(8):1315-1319. JIANG Y F,ZHAN H Y,ZHANG D Y,et al.Study on desorption of heavy metal in sewage-irrigated soil by complexing with saponin[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2006,26(8):1315-1319.

[52] 李稹,黃娟,姜磊,等.人工濕地植物根系分泌物與根際微環境相關性的研究進展[J].安全與環境學報,2012,12(5):41-45. LI Z,HUANG J,JIANG L,et al.Research advances in the relation between plant root exudates and rhizosphere micro-environment in the made-made wetlands[J].Journal of Safety and Environment,2012,12(5):41-45.

[53] 施積炎,陳英旭,林琦,等.根分泌物與微生物對污染土壤重金屬活性的影響[J].中國環境科學,2004,24(3):316-319. SHI J Y,CHEN Y X,LIN Q,et al.The influence of root exudates and microbe on heavy metal activity in contaminated soil[J].China Environmental Science,2004,24(3):316-319.

[54] 張曉,宋海亮,高韻辰,等.典型根系分泌物成分對人工濕地去除雌激素的影響[J].生態環境學報,2015,29(9):1505-1511. ZHANG X,SONG H L,GAO Y C,et al.Effects of typical root exudate constituents on the removal of steroidal estrogens in constructed wetland [J].Ecology and Environmental Sciences,2015,24(9):1505-1511.

[55] 徐禮生,吳龍華,高貴珍,等.重金屬污染土壤的植物修復及其機理研究進展[J].地球與環境,2010,38(3):372-377. XU L S,WU L H,GAO G Z,et al.Progress in research on and mechanism of phytoremediation for heavy metal-polluted soil[J].Earth and Environment,2010,38(3):372-377.

[56] YANG Z M,YANG H,WANG J,et al.Aluminum regulation of citrate metabolism for Al-induced citrate efflux in the roots ofCassiatoraL.[J].Plant Science,2004,166(66):1589-1594.

[57] VALENTINUZZI F,CESCO S,TOMASI N,et al.Influence of different trap solutions on the determination of root exudates inLupinusalbusL.[J].Biology and Fertility of Soils,2015,51(6):1-9.

[58] COZZOLINO V,MARTINO A D,NEBBIOSO A,et al.Plant tolerance to mercury in a contaminated soil is enhanced by the combined effects of humic matter addition and inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi[J].Environmental Science and Pollution Research,2016,23(11):1-11.

[59] NOGALES A,CORTES A,VELIANOS K,et al.Plantago lanceolata growth and Cr uptake after mycorrhizal inoculation in a Cr amended substrate[J].Agriculture and Food Science,2012,21(1):72-79.

[60] FAGUNDES-KLEN M R,VEIT M T,BORBA C E,et al.Copper biosorption by biomass of marine alga:study of equilibrium and kinetics in batch system and adsorption/desorption cycles in fixed bed column[J].Water Air and Soil Pollution,2010,213(1):15-26.

[61] CHEN B D,XIAO X Y,ZHU Y G,et al.The arbuscular mycorrhizal fungusGlomusmosseaegives contradictory effects on phosphorus and arsenic acquisition byMedicagosativaLinn[J].Science of the Total Environment,2007,379(23):226-234.

[62] DONG Y, ZHU Y G,SMITH F A,et al.Arbuscular mycorrhiza enhanced arsenic resistance of both white clover (TrifoliumrepensLinn.) and ryegrass(LoliumperenneL.) plants in an arsenic-contaminated soil[J].Environmental Pollution,2008,155(1):174-181.□

Research progress on strengthening phytoremediation technologies for heavy metals contaminated soil

XU Jianfeng1,2, WANG Lei1,3, XIONG Ying5, XI Beidou1, ZHANG Lieyu1, MAO Xuhui3,YANG Tianxue1,WU Minghong2, LI Tongtong1,4

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution, Groundwater and Environmental System Engineering Innovation Base, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China 3.School of Resources and Environmental Science, Wuhan University, Wuhan 430070, China 4.College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China 5.School of Environment and Energy Engineering , Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China

The traditional remediation technologies of the soil contaminated heavy metals were mainly physical, chemical and biological. The phytoremediation technologies are reliable biological technologies for removing the heavy metal pollution in soil in recent years and become the frontier and hot research areas of resource, environmental and biological sciences internationally. Due to their low cost, wide adaptability and no secondary pollution, the phytoremediation technologies have been widely studied. To screen out or breed suitable plant species which can tolerate and accumulate multiple metals, with fast growth and wide adaptation is of most importance for phytoremediation. The current remediation technologies of heavy metals in soil were summarized. In view of the restriction problems of phytoremediation of heavy metals in soil, the research progress of strengthening phytoremediation technologies were reviewed. The physical, chemical, and biotechnology methods for increasing the plant biomass and heavy metal accumulation were discussed, focusing on the mechanism and application effects of genetic engineering technology, chelate induced technology, root exudates and arbuscular mycorrhizae strengthening phytoremediation, and prospecting future research directions.

soil contamination; heavy-metal pollution; phytoremediation technology; root exudate

2016-10-09

國家科技支撐計劃項目(2015BAL04B01)

徐劍鋒(1990—)，男，碩士，主要從事土壤地下水重金屬污染修復研究，xujifengat@163.com

*責任作者：王雷(1986—)，男，博士，主要從事環境污染控制研究，wangleicraes@163.com

X53

1674-991X(2017)03-0366-08

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.051

徐劍鋒，王雷，熊瑛，等.土壤重金屬污染強化植物修復技術研究進展[J].環境工程技術學報,2017,7(3):366-373.

XU J F,WANG L,XIONG Y, et al.Research progress on strengthening phytoremediation technologies for heavy metals contaminated soil [J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):366-373.