重金屬污染土壤植物修復研究現狀與展望

任海彥 胡健 胡毅飛

摘要：近年來，重金屬污染土壤的情況日益嚴重，植物修復技術以其低廉、環保等優勢成為研究熱點。已知的大多數超富集植物由于生物量、根莖類型等生物學特性和生理特征不同而具有一定修復重金屬污染土壤的能力。根據植物的重金屬富集指數（BCF），即植物體內重金屬含量與土壤中重金屬含量的比值，將植物修復能力分為較強（BCF>1）、中等（0.1 關鍵詞：土壤污染;重金屬;植物種;植物修復

中圖分類號： X53 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）01-0005-07

土壤環境質量的改善與修復一直以來是國內外普遍關注的熱點問題。歐洲及美、日、澳等國家近年來都逐步制定了土壤修復計劃，重點研發土壤修復技術，使這項技術與相關產業得到了快速發展。我國對土壤修復的研究則相對落后，但已日趨成為國家關注的重點。2016年5月28日國務院發布的《土壤污染防治行動計劃》顯示，計劃到2020年，我國受污染耕地的有效利用率可以達到90%左右，污染地塊的有效利用率達到90%以上。鹽堿地和重金屬等污染土壤的修復手段和方法已經成為當前我國的研究重點。已知傳統的物理、化學、工程措施等修復方法因成本高、效率低、破壞土壤生態平衡等劣勢不宜被采納[1-3]，而運用植物修復污染土壤則以修復潛力大、低成本、原位修復、保護環境等優點受到廣泛關注[4-7]。作為綠色生物技術，植物修復技術利用植物及其根系微生物群落吸附土壤中的污染物，通過植物降解（phytodegradation）、植物促進（phytostimulation）、植物穩定（phytostabilization）、植物提取（phytoextraction）、植物過濾（rhizofiltration）5個途徑達到修復土壤的效果[8-13]。究竟如何將具備修復污染土壤能力的植物種分類以及對其修復能力進行定量分析還知之甚少。本文根據植物耐性、抗性和富集不同重金屬的能力，概括總結了目前常見的具有重金屬污染土壤修復功能的植物，以期為進一步有效合理地利用植物修復污染土壤提供參考和依據。

1 我國土壤重金屬污染現狀

我國當前土壤環境質量惡化，土壤污染形勢嚴峻。當土壤中的有害物質量超過其自凈能力，導致土壤結構、功能以及微生物組成和多樣性等改變，影響到地上部分種植的作物，進而被人體間接吸收，危害到人體健康時，即為土壤污染。最新統計結果表明，全國土壤污染總超標率為16.1%，重金屬污染耕地占總耕地面積的20%左右，部分地區農產品的農藥殘留超標率近20%[14]。土壤污染類型多樣，原因復雜，根據污染物種類分為四大類：重金屬污染（鎘、鉛、砷、鎳等）、放射性污染（銫、鍶等）、無機污染（酸、堿、氯等）和有機污染（有機農藥、酚類、苯并芘等）[15-17]。其中，重金屬污染和有機污染因其污染程度高、面積大而倍受關注，其土壤中污染物的含量和背景值如表1所示。其中，重金屬鎘和多環芳烴的點位超標率分別達到了7.0%和1.4%。土壤污染的主要來源為大氣干濕沉降、工業三廢（廢渣、廢水、廢氣）的排放、化肥與農藥的過量使用等[2，13]。

2 重金屬污染土壤植物修復現狀

植物修復技術通過選用重金屬元素耐性和抗性較高的超富集植物種植于土壤污染地以實現改良土壤的效果[19-20]。理想的可選植物通常具備以下幾個特點：生長速度較快，周期較短;生物量較大;抗蟲抗病能力強;對高濃度的污染物忍耐性強，一般不會發生植物毒害現象[21]。影響植物吸收重金屬的因素主要有土壤溫度和水分、化學元素、有機酸、土壤酸堿度等[22-24]。植物修復有2種途徑，一種是改變重金屬在土壤中的化學形態，使重金屬固定，降低其在土壤中的移動性和生物可利用性;另一種是通過植物根部吸收、地上部揮發達到對重金屬的消減、凈化、去除的效果。植物修復的方式有植物穩定、植物揮發、植物提取、植物促進。植物穩定即通過植物根部特殊物質使得污染物轉化為相對無害物的方法;植物揮發指通過植物根部或根部微生物使其形態轉變為氣態揮發，或植物將重金屬吸收到體內后轉變成氣態物質釋放到空氣中;植物提取指通過超富集植物積累重金屬后對富集部位進行刈割等處理使土壤中重金屬減少[25-26];植物促進則是植物本身不能吸收利用重金屬，但其根部分泌物可以促進根部微生物吸收或釋放土壤中的重金屬[19-20，27-28]。

植物修復技術有很多優點，相比于其他物理、化學、微生物的修復技術而言，此項技術可以在修復土壤的同時凈化空氣與水體，改善環境，而且有利于生態環境，它的成本比物理化學修復方法要低很多。當然植物修復也存在不少問題，如修復周期長、修復植物對污染源的強選擇性、可選植物有限等。

我國在植物修復篩選方面的研究工作雖晚于國外，但也取得了不少成果，本文統計出了當前國內外研究較多的重金屬污染土壤的超富集植物（表2），總結了近年來發現的常見土壤修復植物及其基本修復特征（表3）。不同植物種類對土壤的修復效果不同，其修復能力可根據富集系數（BCF）來判斷，富集系數的高低對應植物種修復能力的高低[29-32]。以重金屬富集植物為例，重金屬富集系數等于植物體內重金屬含量與土壤（或沉積物）中重金屬含量的比值，小于0.1的為較低修復能力，大于1的為較強修復能力，大于0.1且小于1的為中等修復能力[33]。圖1比較了不同物種對同種土壤中重金屬鉛和鎘含量的富集能力，對于鉛污染土壤而言，物種富集能力排序為高山漆姑草（Herba saginae Japonicae）>柳葉箬（Isachne globosa）>香根草（Vetiveria zizanioides）>小鱗苔草（Carex gentilis），對于鎘污染土壤而言，物種吸附能力排序為葉芽阿拉伯芥（Arabidopsis halleri）>天藍遏藍菜（Thlaspi caerulescens）>寶山堇菜（Viola baoshanensis）>印度芥菜（Brassica juncea）。由表2可知，重金屬（鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、鋅）超富集植物多分布在禾本科、十字花科、豆科、菊科等。其中，比較有代表性的植物有東南景天（Sedum alfredii）、小鱗苔草、苧麻（Boehmeria nivea）、酸模（Rumex acetosa）、乳漿大戟（Euphorbia esula）、天藍遏藍菜、紫花苜蓿（Medicago sativa）等。其他可改良土壤的植物如具有水土保持功能的鴨茅（Dactylis glomerata），耐土壤鹽堿化的毛苕子（Vicia villosa）、翅堿蓬（Suaeda australis）、芨芨草（Achnatherum splendens）等均能夠從不同角度改良土壤。修復植物中的牧草，如紫花苜蓿、紅三葉草（Trifolium pratense）、菊苣（Cichorium intybus）、披堿草（Elymus dahuricus）、香根草等因對土壤貧瘠、干旱、鹽漬化等惡劣環境具有更高的抗性而倍受青睞。尤其在生態修復方面，禾本科牧草和豆科植物經常被用于退耕坡地的水土保持、小流域治理、沙漠化防治以及干旱地鹽漬化改善等[34-36]。具有多種修復功能（修復多種重金屬元素或有機、無機污染源等）的植物種通常都是具有較強修復能力的重點研究對象。此外，植物修復技術還擴展了多個研究方向，包括絡合誘導強化修復、不同植物套作聯合修復、修復后植物處理處置的集成技術等[27，37-40]。

植物本身的功能群類型、多樣性、植物基因組成和根系的發展對土壤及土壤微生物有著重要的影響。例如有研究結果證實了重金屬鋅超富集性狀的調控基因受管家（housekeeping）基因控制[27，41-43];土壤修復植物通常根系發達，根毛稠密，根系分泌物中都含有大分子有機酸，如檸檬酸、蘋果酸，與重金屬結合會降低重金屬對植物體毒性，促進植物吸收重金屬等方式來吸收土壤中的污染物質[15，44-46]。在大量理論研究的基礎上，如何提高植物修復效率、減少修復成本、擴展修復植物種群等問題是目前植物修復技術需要解決的難點和重點。其中，運用微生物與其共生植物的互作關系強化植物修復功能是新興的一項行之有效的技術創新。微生物菌分泌的抗生素、生長調節劑等多種物質能夠大大增強植物的抗性[43，47-48]。其關鍵環節是篩選降解能力強的菌根真菌和共生植物。在植物篩選過程中，能同時兼備2種以上修復能力的物種（如同時修復2種或2種以上重金屬）對修復土壤起到至關重要的作用。開發和培養具有多方面抗性的普適種進而挖掘復合型污染土壤的治理方法，并深入探索其土壤修復機制成為國內外科研工作者面臨的挑戰。

對于修復污染土壤的植物，可以將其作為飼料飼喂畜禽，如修復銅鋅污染土壤的植物可以用作飼料飼喂動物來補充動物生長所需微量元素銅鋅含量[33，49-50];還有研究顯示，為了恢復污染土壤種植一些無直接使用價值的植物會引起農民抵觸，而種植油葵、油菜等產油、高產的經濟作物，既可以在一定程度上恢復土壤，又可以帶來一定經濟收入，還不會對人體健康造成影響[51-52]。

3 研究方向展望

根據目前國內外植物修復技術研究現狀，其應用和發展具有很大的前景。本文認為以下幾個方面的研究應予以加強和深入：（1）深入植物修復土壤的機制研究，加強復合型修復植物的篩選工作。植物物種抵御性強，對土壤污染源具有較強的選擇性，很難在多種污染地上應用，但土壤環境多為多種污染源復合污染，因此具有復合功能的植物篩選研究有待進一步開發。（2）加強現有土壤修復植物的育種和馴化，提高其生物量和生長速率，加快其修復效率。（3）結合分子生物學的轉基因技術，將修復植物的耐受基因和超富集性狀的調控基因轉入普通植物體內[44]，改善植物生長特性，最終雜交得到修復型基因工程植物。（4）開展多種植物聯合修復，喬木灌木草本優化搭配，修復植物和農作物通過農業措施合理配置，構建高效的生態修復群落。（5）開展對修復植物的回收利用、安全填埋和資源化利用方面的研究，使其最大程度地發揮功效，避免二次污染。（6）研究微生物聯合植物修復，探索植物根圈、根際微生物對植物修復的作用。關鍵環節是篩選降解能力強的菌根真菌和共生植物。有效運用能促進植物生長的根際細菌或真菌與植物的結合，實現根際強化技術和微生物-植物協同修復技術的創新。（7）植物型土壤修復劑的開發與應用。植物根系分泌物的有機酸、螯合劑等能夠合成添加劑以修復土壤。城市污泥、橄欖油廢渣等也是很好的植物修復材料[27，39-40]。充分利用植物特性，開發可生物降解的螯合劑具有相當大的發展潛力。

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