植物修復土壤重金屬污染及其強化措施

汪 偉

（安徽華境資環(huán)科技有限公司，安徽合肥 230000）

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，土壤重金屬污染成為迫切需要解決的世界難題。《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤重金屬污染中Cd的污染最為嚴重，點位超標率（指土壤超標點位的數(shù)量占調查點位總數(shù)量的比例）達到7%，Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 7種無機污染物點位超標率分別為1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%［1］。中國受Cd、As、Pb等重金屬污染的耕地面積近2×105km2，約占耕地總面積的1/5，每年因重金屬而減產(chǎn)的糧食達1.0×107t［2］。土壤重金屬污染具有滯后性、不可逆轉性和隱蔽性，而且重金屬不能降解，難以治理。生物修復技術具有綠色、經(jīng)濟、環(huán)保、成本低、不破壞土壤生態(tài)環(huán)境和無二次污染等一系列優(yōu)勢，越來越受到國內(nèi)外研究人員的重視。其中，植物修復技術成為近年來土壤重金屬污染修復研究的熱點［3］。植物修復技術利用植物修復和消除由有機毒物和無機廢棄物造成的土壤環(huán)境污染［4］，這一技術最早可追溯到300年前利用植物處理污染水源，1983年由美國科學家Chaney等人首次提出了這一概念［5］。目前已有成功實施案例，陳同斌等在湖南郴州市建立第1個植物修復示范工程，并先后在云南省紅河州和廣西河池市等地開展產(chǎn)業(yè)化示范工作［6］。

1 超富集植物

重金屬超富集植物具有以下3個重要特征：第一，超富集植物地上部分的重金屬含量是同等生境條件下其它普通植物含量的100倍以上；第二，在重金屬污染地生長旺盛，生物量大，能正常完成生活史，一般不會發(fā)生重金屬毒害現(xiàn)象；第三，由于不同重金屬在地殼中的豐度以及在土壤和植物中的背景值存在較大差異，因此對不同重金屬，其超富集植物富集質量分數(shù)界限也有所不同［7］。本文將對Cu、Zn、Pb、Cd、As 5種重金屬的超富集植物進行分類介紹。

1.1 銅超富集植物 已報道的銅超富集植物大多來自剛果富含重金屬的土壤，世界上其它銅礦地區(qū)偶爾會有銅超富集植物的報道，但有待深入研究。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)銅超富集植物已達40余種，富集銅能力最強的植物高山甘薯（Ipomoea alpina）累積銅的最大含量可達12300mg/kg［8］。我國對超富集植物的研究起步較晚，但在銅的耐受或超積累植物方面也取得了一定的研究。張靜言［9］在對銅超富集植物的初步篩選中發(fā)現(xiàn)，菊花的3個品種“北國之春”、“北吉峰”、“紅珍珠”以及檸檬百里香、海蠅子草、虎杖均為銅超富集植物。其中“北國之春”和“北吉峰”對銅的最大積累量分別可達15585mg/kg和12269mg/kg。康薇［10］等在銅超積累植物的研究中發(fā)現(xiàn)，蓖麻對銅的積累量地下部分最高可達3495mg/kg，地上部分最高可達1290mg/kg。Rajakaruna在斯里蘭卡發(fā)現(xiàn)5種植物的銅吸附總量均超過1000mg/kg，其中天竺葵（Geniospourum tenu?iflorum）吸附量達到2299mg/kg［11］。綜合來看，銅超富集植物在全球都有一定的分布，但這些植物均存在分布地域范圍狹小的問題，只能在特定的環(huán)境中生長，因此銅超富集植物的異域種植及其應用還存在較大研究空間［12］。

1.2 鋅超富集植物 目前全世界已發(fā)現(xiàn)鋅超富集植物18種，主要集中在北美洲、大洋洲和歐洲富含鉛鋅的土壤中［13］。根據(jù)Baker和Brooks給出的參考值，植物體內(nèi)鋅含量達到10000mg/kg可認為是鋅超富集植物。自然狀態(tài)下，鋅礦通常和鉛礦伴生，因此在篩選鋅超富集植物時要兼顧植物對鉛鋅2種重金屬的耐性，這給研究鋅超富集植物造成了一定的難度。目前通過野外調查實驗發(fā)現(xiàn)，長柔毛委陵菜（Potentilla griffithii var.velutina）、天藍遏藍菜（Thlaspi caerulescens）、短瓣遏藍菜（Thlaspi brachypeta?lum）和白銅錢（Dichapetalum gelonioides）為鋅超富集植物。其中，長柔毛委陵菜為薔薇科，地上部分對鋅的富集量最高可達26700mg/kg，天藍遏藍菜和短瓣遏藍菜為十字花科，其中天藍遏藍菜地上部分對鋅的富集量最高可達39600mg/kg，白銅錢為銅錢屬，地上部分對鋅的最大富集量可達30000mg/kg。湯葉濤等通過室內(nèi)營養(yǎng)液培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)滇苦菜對鋅有很高的富集效果，地上部與根部最高可達12472mg/kg和14026mg/kg，因此，滇苦菜為我國新發(fā)現(xiàn)的1種鋅超富集植物［14］。

1.3 鉛超富集植物 國內(nèi)外已報道的重金屬超富集植物有400多種，其中鉛僅有幾種。且在發(fā)現(xiàn)的鉛超富集植物中，大都生物量小，生長緩慢，不利于修復鉛污染土壤。郭龍濤等通過土培和砂培商陸發(fā)現(xiàn)，在土壤中，商陸的地上部分最大積累量可達5052mg/kg，在石英砂中，商陸的地上部分可達10647mg/kg［15］，因此商陸可作為鉛超富集植物。郭曉宏等在山西臨汾煤礦周邊發(fā)現(xiàn)夏至草為優(yōu)勢植物，通過盆栽實驗發(fā)現(xiàn)，其地上部分對鉛的吸收量最大可達5447mg/kg［16］，可作為鉛超富集植物。

1.4 鎘超富集植物 我國土壤鎘污染嚴重，尤其是農(nóng)田土壤。由于水稻、小麥等農(nóng)作物對鎘有較強的吸收，并通過食物鏈進入人體，危害人體健康，因此農(nóng)田鎘污染土壤的修復迫在眉睫。目前對鎘超富集植物的研究主要集中在草本植物上。林詩悅等實驗發(fā)現(xiàn)，龍葵和印度芥菜地上部分鎘含量最大分別可達536mg/kg、160mg/kg［17］。同時該研究發(fā)現(xiàn)，龍葵雖地上部分鎘吸收量大于印度芥菜，但其生物量大，且生長周期短，較適宜用來修復鎘污染土壤。

1.5 砷超富集植物 目前研究最多的砷超富集植物為蜈蚣草，已有大量研究表明，蜈蚣草對元素砷有很好的富集效果。陳同斌等從礦區(qū)采集砷污染土壤進行盆栽實驗發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)栽培時蜈蚣草羽片的含砷量比野外生長條件下（同一種土壤）增加1倍多，其羽片含砷量可高達5070 mg/kg［18］。蜈蚣草不僅對砷有良好的富集效果，同時該植物生長速度快，生物量大，可作為砷污染土壤的有效修復植物。除蜈蚣草外，大葉井口邊草［19］也是目前研究較多的砷超富集植物。

2 強化措施

在實際應用中，由于超富集植物種類少，對重金屬元素的累積存在一定選擇性，且具有生長緩慢等局限性，從而制約了植物修復在重金屬污染土壤中的實際應用［20］，因此對超富集植物修復污染土壤使用強化措施十分必要。強化措施如下：（1）使用能源植物、牧草、雜草等植物。這些植物生物量高、生長周期短、能累積不止1種重金屬元素，同時具有經(jīng)濟效益等優(yōu)點。多年生黑麥草對Cu、Zn、Cd等多種重金屬具有一定的耐受性，且黑麥草生物量大，生長快，多根，能很快適應周圍環(huán)境，價格低，可作為修復Cu、Zn、Cd復合污染的有效植物［21-26］。徐衛(wèi)紅等發(fā)現(xiàn)在鋅、鎘復合污染的土壤中，黑麥草地上部分對Zn、Cd的累積量可分別達到3108.72mg/kg、73.97mg/kg［22］。余游等研究發(fā)現(xiàn)，黑麥草與地瓜套種的條件下，黑麥草地上部對Cd的富集量為5.64mg/kg［27］。甜高粱作為1種能源作物，現(xiàn)有很多研究表明可將高粱作為有效修復重金屬污染土壤的植物。（2）采用多種修復技術聯(lián)合修復來增加植物修復效率。Neugschwandtner等［28］通過盆栽和田間實驗研究發(fā)現(xiàn)，EDTA提高了玉米對土壤中Pb、Cd的吸收速率。P?ociniczak等［29］發(fā)現(xiàn)，通過向土壤中添加假單胞菌屬可增強芥子類植物對Cn、An、Cd的吸收。（3）采用轉基因技術。利用轉基因技術獲得對重金屬具有超積累或者具有耐性的植物，成功的關鍵在于外源基因在植物體內(nèi)能否高效表達。Gisbert等［30］將小麥的絡合素基因轉入煙草中，獲得的轉基因煙草積累Pb的量是非轉基因煙草的2倍。Varva等［31］發(fā)現(xiàn)，向番茄中導入ACC脫氨基酶，可使番茄對Cn、Cd的富集效果提高5倍。閆成竹［32］從白三葉生理學與蛋白質組學的角度，研究重金屬Cd脅迫下白三葉根的抗氧化反應和根部蛋白質組學的變化，促進富集重金屬Cd轉基因植物的開發(fā)。

植物修復是目前修復重金屬污染土壤行之有效的辦法，但在實際工程應用中應與多種強化手段相結合。轉基因技術可大大提高植物修復的效率，但在具體應用中，需考慮轉基因植物對周圍環(huán)境和人類健康的影響。