重金屬污染水體的植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

閆大江

（山東建筑大學(xué),山東 濟(jì)南250101）

在過(guò)去的20 年中，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，農(nóng)藥和化肥的過(guò)度使用，采礦活動(dòng)和工業(yè)廢水的排放，許多重金屬及其化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入水環(huán)境，造成了嚴(yán)重的水體污染問(wèn)題[1]。水體中出現(xiàn)的重金屬元素主要有汞、鎘、鉛、鉻、鋅、銅等。重金屬存在著富集性強(qiáng)、移動(dòng)性高、中毒濃度低的特點(diǎn)，這使得其滯后性和隱蔽性很強(qiáng)。被排放到水體中的重金屬物質(zhì)更是能夠經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)變成毒性更強(qiáng)的化合物，通過(guò)食物鏈的途徑進(jìn)行富集，使水生生物的生物環(huán)境有巨大改變，導(dǎo)致植被和動(dòng)物死亡，甚至危害包括人體和其他生命體的生命健康安全。所以，水體重金屬污染問(wèn)題的處理至關(guān)重要。

我國(guó)所使用的傳統(tǒng)的水體重金屬污染處理辦法為物理法和化學(xué)法，這兩類(lèi)方法不僅費(fèi)用高，而且對(duì)技術(shù)的要求很高，容易對(duì)水體形成第2 次的污染，甚至有時(shí)候會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，因此人們需要一個(gè)更為健康綠色安全的重金屬修復(fù)方法。由于其成本低廉，易于操作且不破壞水生生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，植物修復(fù)技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成為十分成熟的處理技術(shù)，為水體重金屬污染的修復(fù)拓展了道路。

1 超積累植物

植物修復(fù)技術(shù)利用了經(jīng)過(guò)基因篩選培育或自然生長(zhǎng)的植物進(jìn)行對(duì)水體污染的修復(fù)，其能夠保證土壤的結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞，通過(guò)固定、吸收、轉(zhuǎn)移、富集、轉(zhuǎn)化的一系列過(guò)程，達(dá)到減少或消除水體中出現(xiàn)的重金屬污染物的目的。

相關(guān)人員在使用植物修復(fù)后技術(shù)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注重選擇可以快速生長(zhǎng)，具有強(qiáng)富集能力，具有高金屬耐受性以及高生物量的、超積累或積累植物，人們將以下幾種類(lèi)型的植物定義為超級(jí)類(lèi)植物：（1）相比于普通植物，超積累植物對(duì)于重金屬的富集能力較強(qiáng)，某些植物的葉莖中甚至能夠積累高達(dá)幾百倍于普通植物的重金屬量。（2）可以在還有較低濃度重金屬污染的水環(huán)境中生存，并且可以大量積累水體中的污染物；國(guó)內(nèi)外學(xué)者為超植物判定的標(biāo)準(zhǔn)提出了三種方案，（1）其莖和葉中的重金屬含量應(yīng)當(dāng)高于一定的數(shù)值，；（2）植物莖、葉中的重金屬含量必須大于其根部；（3）植物對(duì)重金屬的富集系數(shù)必須大于1[2]。

2 影響植物從水體中吸收重金屬的因素

在被污染的水環(huán)境中，影響植物對(duì)重金屬進(jìn)行吸收因素，包括有pH 值、重金屬類(lèi)型、溫度等。

2.1 重金屬類(lèi)型

不同類(lèi)型的重金屬具有獨(dú)特的特性，使水生植物對(duì)其的積蓄能力各不相同。例如馬來(lái)眼子菜（Potamogeton wrightii Morong）及篦齒眼子菜（Potamogeton pectinatus L.）兩類(lèi)水生植物對(duì)五種重金屬Cd、Pb、Mn、Zn 和Cu 的積累能力強(qiáng)弱如下：Cd＞Mn＞Pb＞Cu＞Zn。復(fù)合污染指的是兩種不同類(lèi)型污染同時(shí)對(duì)同一環(huán)境造成污染的狀況。多類(lèi)重金屬可能存在加和、拮抗及協(xié)同效果，復(fù)合重金屬毒害了各種各類(lèi)生物的生命組之后，它們彼此間還會(huì)發(fā)生相互作用，致使其對(duì)水體生態(tài)環(huán)境的毒害發(fā)生變化。

2.2 溫度

溫度使得水生植物在吸收水體中重金屬時(shí)的毒害狀況被限制，溫度在10℃（陽(yáng)光直射）時(shí)，在As 污染的培養(yǎng)液中處理2.5h后，鳳眼蓮（Eichhornia crassipes (Mart.) Solms）表現(xiàn)出受毒害現(xiàn)象，但是，當(dāng)溫度在20 到30℃之間時(shí)，在相同濃度As 處理的培養(yǎng)液中，鳳眼蓮在2d 后才表現(xiàn)出受脅迫的癥狀。

2.3 pH 值

水體pH 值也會(huì)對(duì)重金屬被水生植物積累的過(guò)程產(chǎn)生影響。在不同pH 條件下，氫離子或氫氧根離子與重金屬離子間的結(jié)合成度不同。弱堿性的環(huán)境中，Cu 離子會(huì)出現(xiàn)懸濁物，這很大程度上阻止了水生植物對(duì)Cu 的積累和吸收。另外，pH 值的變化對(duì)植物的生長(zhǎng)狀況也有著巨大的影響[3]。有研究體現(xiàn)出，水體pH 值會(huì)影響到水浮蓮（Eichhornia crassipes (Mart.) Solms）在積累Cu 過(guò)程中的能力。在其pH 為6.0 的狀況下，經(jīng)過(guò)5d 之后對(duì)Cu 的吸收和積累作用最佳。這一狀況體現(xiàn)出，水體偏中性的狀態(tài)對(duì)水浮蓮的繁殖與生有益處，不僅如此，其還可以將Cu 的累積與吸收效率提升。

3 植物修復(fù)機(jī)理

3.1 植物提取

植物提取，又名是植物萃取，是指基于超積累植物很強(qiáng)的對(duì)重金屬富集的作用，實(shí)現(xiàn)被污染水體中重金屬被高度吸收掉的目的，然后把重金屬轉(zhuǎn)移到葉與莖進(jìn)行存儲(chǔ)，待到一定時(shí)間之后，對(duì)植物進(jìn)行收割，實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬濃度的降低的目標(biāo)。Baker等人第一次使用阿爾卑斯新（Thlaspi caerulesences）改善了存在許多重金屬積累的土壤，為人們展示了使用植物修復(fù)技術(shù)治理重金屬污染的可行性。我國(guó)相關(guān)人員第1 次發(fā)現(xiàn)了圓錐南芥（Arabis paniculata L）作為超積累植物，對(duì)Cd、Pb 等元素很高水平的積累和吸收作用。植物提取技術(shù)耗資較少，很難產(chǎn)生第2次的污染，相對(duì)于化學(xué)技術(shù)和物理技術(shù)，這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)十分明顯，這使得國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)其研究的熱度不斷提升。

3.2 植物揮發(fā)

植物揮發(fā)技術(shù)是基于植物的蒸騰作用，把積累和吸收的污染物揮發(fā)為氣態(tài)物質(zhì)，而后將其直接得釋放到大氣環(huán)境中。近年來(lái)，對(duì)其進(jìn)行的研究主要集中在非金屬元素Se 及重金屬元素Hg 上。重金屬元素經(jīng)過(guò)微生物的降解作用，在水體中被吸收和積累，通過(guò)植物揮發(fā)作用，進(jìn)入到大氣中，并且不會(huì)對(duì)大氣造成危害。研究表明，洋麻（Abelmoschus moschatus Medicus）能轉(zhuǎn)化土壤中47%的三價(jià)Se 為甲基硒，后將其揮發(fā)至大氣。

3.3 植物穩(wěn)定

植物的很多生理作用（氧化還原、螯合等）可以對(duì)許多重金屬污染物進(jìn)行固定，這對(duì)于減輕其遷移性和有效性十分重要，停止了重金屬向食物鏈的流入，在這個(gè)角度上來(lái)說(shuō)，可以減輕對(duì)環(huán)境和生物體的破壞，在還原活性和PH 值發(fā)生變化時(shí)，不斷的沉淀積累重金屬，實(shí)現(xiàn)將其固化的目的，這種技術(shù)對(duì)較為嚴(yán)重的污染非常有用，比如表面積較大的土壤。[3]

3.4 根際過(guò)濾

根際過(guò)濾多用于重金屬污染水體修復(fù)。植物把重金屬吸附或者沉淀到它根部的表面上，或者經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)移和吸收，把重金屬累積在根的內(nèi)部，通過(guò)這個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)修復(fù)水體的目標(biāo)，植物穩(wěn)定和根際過(guò)濾是相似的，他們都需要接觸到重金屬污染物，使用植物根部積累污染物和吸收污染物能力，共同作用將重金屬去除掉。[4]

4 植物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

植物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，應(yīng)用前景廣闊。植物修復(fù)以太陽(yáng)能為動(dòng)力，對(duì)于中、低濃度污染的水體來(lái)說(shuō)，具有成本低廉，社會(huì)、生態(tài)、綜合效應(yīng)良好等優(yōu)勢(shì)，特別適用于發(fā)展中國(guó)家。該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)大致在以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)于植物修復(fù)研究，尋找、篩選并培育新品種超積累植物，并將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用成果是重中之重。（2）在植物修復(fù)過(guò)程中，將超積累植物體內(nèi)中重金屬實(shí)現(xiàn)回收和再利用的思路值得相關(guān)人員進(jìn)行探究，較少研究關(guān)注了怎么去處理得到的植物組織，只可以把10%到40%的重金屬?gòu)闹参锝M織的灰分中冶煉回收，需要進(jìn)一步研究如何避免無(wú)法處理的植物組織造成二次污染。