土壤鉻污染植物修復技術研究進展

鄭子豪

摘 要：植物修復技術因其經濟、高效、環境友好的特性，成為土壤重金屬修復的研究重點。重金屬鉻對植物的毒理效應也在近年得到深入研究。文章主要介紹了土壤中鉻的來源與濃度、鉻的生物毒性、以及植物修復的原理;總結了可能用于鉻金屬場地修復的超富集植物和已知的強化植物修復技術;討論了植物修復以及植物-微生物聯合修復鉻污染場地技術的可能性。

關鍵詞：重金屬鉻;植物修復;強化修復;超富集植物

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2020）08-0005-04

根據《2014年全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤總點位超標率達16.1%，南方土壤污染重于北方。其中鉻污染點位超標率達1.1%，鉻污染中輕微污染占比最大，為0.9%。研究表明，重金屬鉻能夠被眾多農作物所吸收累積，通過食物鏈進入人體并富集在人體的肝臟與腎臟，對其造成不可逆的損傷。此外，過量的鉻進入到農作物體內能夠影響其光合作用、酶活性、營養元素的吸收以及活性氧代謝平衡，從而影響作物的生長發育[1]。目前，傳統的土壤修復方法，如客土法、化學淋洗法能夠有效地去除土壤中的鉻污染，但其成本高昂，且存在二次污染[2]。植物修復技術是利用具有“特異功能”的植物來修復重金屬污染的土壤，該技術具有環境友好、成本節約且無二次污染的特點，是當今土壤重金屬修復技術研究的熱點之一。文章綜述了土壤環境中的鉻污染及其對生物的毒性效應，重點分析了植物修復鉻及其強化技術的相關研究進展，以期對土壤鉻污染修復提供科學依據。

1 土壤中的鉻污染

1.1 土壤中鉻污染的來源

土壤環境中的鉻有兩個來源，一個是自然來源;另一個則來自人類生產生活過程中產生的“三廢”。鉻因其特殊的電子層結構，使其在各種工業領域具有廣泛用途，如毛皮制革、電鍍、染料、顏料、有機合成和輕工紡織等領域。制革行業中，占鞣制過程80%以上的鉻鞣工藝中，有20%～40%的三價鉻不會被皮胚利用，而是直接進入制革污泥中。我國每年產生約100萬t制革污泥，如果填埋處理時無良好防滲透措施，污泥很有可能會直接進入土壤[3]。電鍍行業中，鍍鋅生產線的鈍化過程會產生含鉻廢水，顏料、油漆、電子行業產生的廢棄物中也含有鉻[4]。除此以外，鉻渣也是土壤鉻污染的主要來源之一。自1958年的首條鉻鹽生產線至今，先后有70多家鉻鹽生產企業，截止到2013年有25家仍在生產，年生產力為32.9萬t[5]。鉻鹽的生產會導致大量鉻渣產生，每生產1t鉻鹽產品需要處理2.5t～3.0t鉻渣。鉻渣中水溶性的重鉻酸鈉和酸溶性的重鉻酸鈣等污染物，在雨水的淋洗下進入土壤及地下水中，會對環境造成嚴重污染。而耕作用地中的鉻則主要來自于污水和污泥灌溉。據統計，污灌每年向土壤貢獻的鉻總量為51t[4]。

1.2 土壤中鉻的濃度

根據《中國土壤元素背景值》顯示，鉻元素在表層土壤（0cm～20cm）中的平均值是61mg/kg，中位數57.3mg/kg，濃度范圍2.2mg/kg～1209mg/kg;鉻元素在深層土（>1m）中的平均值是60.8mg/kg，中位數57.3mg/kg，濃度范圍1.0mg/kg～921mg/kg。兩種土層中水稻土、潮土、紅壤、黃壤、棕壤、褐土中鉻濃度平均范圍在55mg/kg～70mg/kg之間。其中石灰（巖）土鉻的平均含量為108.6mg/kg，高出其他40多種土壤20mg/kg～40mg/kg。值得關注的是，鉻生產場地及周邊地區的鉻污染狀況要嚴重得多。調查中顯示，晉中市某冶煉渣廠周邊農用地土壤總鉻含量為45.96mg/kg～1408mg/kg，最高值含量超出《農用地標準》風險篩選值4倍多。其中，鉻主要殘渣態和有機結合態占總比例為89.45%，交換態鉻占總比例為1.84%。馬妍等（2019）研究表明，5個不同地區化工廠土壤總鉻含量為494mg/kg～9430mg/kg。孟凡生等（2016）研究顯示，18個鉻渣污染場中，大部分受污染土壤中總鉻質量濃度在1000mg/kg以上，六價鉻濃度在500mg/kg以上，遠高于《建設地標準》管制值二類用地所要求的限值，如表1所示。

1.3 鉻對生物的毒性

1.3.1 鉻對動物的毒性

鉻是動物機體必要的微量元素之一，鉻的缺乏會引起糖、脂肪、蛋白質及核酸的代謝紊亂，但是攝入過多也會對機體造成危害。其中，六價鉻的毒性約為三價鉻的100倍[7]，國際癌癥研究機構在1990年將其化合物定為人體的確定致癌物。六價鉻經呼吸道、消化道、皮膚進入人體后，依靠非特異性磷酸鹽或硫酸鹽載體進入細胞，再被細胞內的還原物質還原，同時產生活性氧，破壞線粒體、DNA等[8]。鉻會集中在肝臟和腎臟兩個器官中，并對其造成病理損傷。鉻還會影響生殖細胞的發育，減少機體的淋巴細胞數量，甚至使其凋亡，以及改變、氧化損傷正常人皮膚纖維原細胞形態[9]。據調查，長期生活在鉻污染地區人群的胃潰瘍、高血脂、糖尿病等疾病的患病率高于正常人群[10]。不同動物對六價鉻敏感度不一。六價鉻導致馬屬動物全身肌肉松弛，心跳、呼吸加快，嚴重則昏迷、麻痹死亡。豬則出現嘔吐、間歇性下痢等。魚類對鉻的耐相較甲殼類和枝角類水生生物更高，且不同魚類對同一重金屬的耐受程度存在較大差異[9]。

1.3.2 鉻對植物的毒性

土壤中重金屬的活性主要受到pH值影響。酸性條件下，土壤中的重金屬更容易被植物吸收。鉻脅迫下，最先受影響的是植物的根系。研究表明，大部分植物在低濃度鉻脅迫下，根系的生長會被促進，高濃度則抑制。且同一濃度下，六價鉻的抑制率遠高于三價鉻[1]。鉻進入植物體后，其大部分會被固定在根系細胞壁中的負電荷點位和根系細胞的液泡中，阻止鉻向上運輸。少部分會通過質外體途徑和共質體途徑進入木質部中，隨后被運輸至植物地上部分。鉻在植物體內會影響植物的生長，且相較于地下部分，鉻對植物地上部分的抑制效果更明顯[11]。鉻脅迫能減少葉片數量和含量，造成葉片結構異常或壞死，改變葉綠體、細胞膜和細胞核的超微結構。鉻脅迫還會影響植物固碳和呼吸作用，降低酶活性[12]。此外，鉻脅迫還會影響植物體內活性氧的代謝平衡。正常情況下，植物體內活性氧的產生和分解應處于一種動態平衡。但鉻脅迫會產生大量活性氧，進而誘導產生大量的超氧化物，如歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶和抗壞血酸過氧化物酶等抗氧化酶以消除活性氧。但是，在高濃度鉻脅迫下，部分抗氧化酶的產生又會受到抑制[1]。

2 重金屬污染的植物修復

2.1 植物修復技術原理

2.1.1 植物揮發

其利用植物將污染物從土壤中提取出來，通過植物轉化為毒性較小的氣態形式釋放到大氣中。比如硒（Se）、汞（Hg）、砷（As）都能以氣態形式存在環境中。劣勢在于可能會造成修復場地周圍的空氣污染。

2.1.2 植物固定

其利用植物降低土壤中重金屬的移動性和生物有效性，但其不能顯著降低重金屬在污染土壤中的濃度。優勢在于不會產生二次污染，有助于增加土壤肥力，恢復生態環境。劣勢在于需要對被污染土壤進行定期監測以確定固定狀況。

2.1.3 植物提取

其通過超富集植物來清除土壤中的重金屬。植物提取可以顯著降低土壤重金屬的污染水平，甚至永久清除污染場地的重金屬。相較于普通植物，超富集植物的富集系數（BCF，Bioconcentration factor，重金屬在植物干重中的含量/干土壤中重金屬含量）能達到普通植物的100倍以上，且吸收后不會影響其正常生命活動，而且在低污染區域也能大量吸收重金屬。劣勢在于修復周期也較長，一般3年～5年。

2.2 鉻的超富集植物

根據文獻報道，重金屬鉻的超富集植物需要符合以下標準[13]：

BCF>1;植物地上部分鉻含量達到50mg/kg（干重）;鉻在植物地上部分含量比其他普通植物（0.5mg/kg～5 mg/kg干重）高10～500倍;植物遷移系數（TF，Translocation factor，即植物地上部分重金屬含量/植物根系部分重金屬含量）>1。

文獻報道過的鉻超富集植物如表2所示。如李氏禾為2006年在某電鍍廠周圍發現的植物，在土壤和水生環境中都有很好的修復效果，生物量大，一年可以多次收割。馬齒莧是起源于地中海的肉質植物，遍布世界各地，其在土壤pH值為8時對鉻的吸收效果最好，并且適當的添加硫酸鹽能促進吸收效果。阿根廷火絨草的TF值雖然只能在較高的鉻濃度下超過1，但是其分蘗/根的鉻含量在任何濃度都大于1，證明了其擁有作為超富集鉻植物或者鉻超富集植物的潛力[14]。

2.3 土壤鉻污染的強化修復技術

僅在污染土壤種植修復植物，很多時候達不到預期修復效果，因此需要聯合其他技術來強化。目前，已知的強化技術有農藝強化、化學強化、基因工程強化、物理強化、動物強化和微生物強化等[15]。

2.3.1 農藝強化技術

進行水肥調控，如適當的肥料可以改變土壤環境（如pH、營養條件等），促進植物生長，使更多的重金屬轉變為交換態以被植物吸收。通過水分管理可使植物的根系密度增大，增加與重金屬的接觸面積而提高吸收效率。還可進行農藝調控，如翻耕土壤、合理育種、合理間作、輪作等，都能提高植物對土壤修復的效率。

2.3.2 化學強化技術

利用螯合劑與重金屬發生螯合作用，產生水溶性的絡合物讓植物吸收，一般的螯合劑有乙二胺四乙酸（EDTA）、檸檬酸等。此外，在高污染場地可以利用鈍化劑降低重金屬生物有效性，使一些原本不能在高濃度重金屬污染地區生長的修復植物正常生長。除了對場地施用化學藥劑，還可以對植物噴施激素，加速生長，促進植物對重金屬的吸收[16]。

2.3.3 基因工程強化技術

把目標基因插入植物基因序列，表達產生特異蛋白和激素，增加植株對重金屬的耐性，促進植物的生長，進而提高其對重金屬的吸收能力[17]。

2.3.4 物理強化技術

在修復區域內施加電場，提高重金屬的生物有效性，促進其往植物根部移動，影響植物生理狀態，從而促進植物生長，提高植物修復效率。利用納米零價鐵改變重金屬價態或吸附重金屬改變其移動性。

2.3.5 動物強化技術

利用虹蝴、線蟲飼、蚯蚓等直接或間接吸收轉化土壤中的重金屬，促進植物在污染土壤上生長。但目前仍處于實驗室模擬階段[18]。

社會生產帶來的土壤鉻污染問題至今仍未完全解決，植物修復技術作為目前兼顧經濟效益的方法也需進一步的研究。國內已知鉻超積累植物品種少，且大部分僅吸收單一金屬，因此需要繼續在污染場地尋找新的超積累植物[19]。嘗試國外的鉻超積累植物在國內的修復效果，篩選針對復合污染場地的超積累植物。對于耐鉻微生物的研究主要集中在生物吸附和積累，缺乏與超積累植物共同作用效果的研究，應繼續尋找促進超積累植物生長的耐鉻微生物[20]。提高農藝技術，增強修復效果，增強對場地的監控管理，避免重金屬通過修復植物進入食物鏈。同時加強對收獲植物處理技術的研究，高效提取植株內重金屬。

參考文獻

[1] 鐘旻依，張新全，楊昕穎，等.植物對重金屬鉻脅迫響應機制的研究進展[J].草業科學，2019（8）：1962-1975.

[2] 史作然，單廣波，楊麗，等.土壤重金屬污染修復技術綜述[J].當代化工，2020，49（08）：1812-1815.

[3] 徐騰，南豐，蔣曉鋒，等.制革場地土壤和地下水中鉻污染來源及污染特征研究進展[J].土壤學報，2020，57（6）：1341-1352.

[4] 師榮光，鄭向群，龔瓊，等.農產品產地土壤重金屬外源污染來源解析及防控策略研究[J].環境監測管理與技術，2017，29（04）：9-13.

[5] 孟凡生.中國鉻渣污染場地土壤污染特征[J].環境污染與防治，2016，38（06）：50-53.

[6] 馬妍，張美娟，韓聰，等.我國典型化工污染地塊土壤鉻污染特征及區域差異[J].環境工程，2019，037（009）：177-181，170.

[7] 楊芝華，考慶君.三價鉻和六價鉻小鼠急性毒性及致突變性研究[J].浙江預防醫學，2011，023（001）：17-21.

[8] 金立方，袁翊朦，胡祎瑞，等.六價鉻的細胞毒理效應及其機制研究進展[J].中國細胞生物學學報，2013，035（003），387-392.

[9] 鐘傳德.鉻的毒性研究進展[J].中國畜牧獸醫，2014，41（007）：131-135.

[10] 王琳.鉻污染地下水對當地居民健康影響的調查研究[D].錦州：錦州醫科大學，2019.

[11] 林立金，朱雪梅，邵繼榮，等.鋅鉻復合污染對水稻不同生育期土壤酶活性的影響[J].核農學報，2007，21（006）：623-629.

[12] Harminder Pal Singh， Priyanka Mahajan， Shalinder Kaur，et al.Chromium toxicity and tolerance in plants[J].Environmental Chemistry Letters，2013，11（3）：229-254.

[13] Adki，V.S.，Jadhav，J.P.，Bapat，V.A..Nopalea cochenillifera，a potential chromium （VI） hyperaccumulator plant[J].Environmental ence Pollution Research，2013，20（2）：1173-1180.

[14] 張學洪，羅亞平，黃海濤，等.一種新發現的濕生鉻超積累植物—李氏禾（leersia hexandra swartz）[J].生態學報，2006，26（3）：950-953.

[15] Alyazouri，A.，Jewsbury，R.，Hassan Tayim，et al.Uptake of chromium by portulaca oleracea from soil： effects of organic content， ph， and sulphate concentration[J].Applied and Environmental Soil Ence，2020：1-10.

[16] Susana Redondo-Gómez， Enrique Mateos-Naranjo， Inmaculada Vecino-Bueno，et al.Accumulation and tolerance characteristics of chromium in a cordgrass cr-hyperaccumulator， spartina argentinensis[J].Journal of Hazardous Materia-ls，2011，185（2-3）：862-869.

[17] Sevin? Adilo lu，Merve G?ker.Phytoremediation： elimination of hexavalent chromium heavy metal using corn （Zea mays L.）[J].Cereal Research Communications，2020.

[18] Elektorowicz，M.，Keropian，Z.Lithium，vanadium and chromium uptake ability of brassica juncea from lithium mine tailings[J].International Journal of Phytoremediation，2015，17（6）：521-528.

[19] M.，A.，Santiago-Cruz，E.，Villagrán-Vargas，A.，et al.Exploring the Cr（VI） phytoremediation potential of cosmos bipinnatus[J].Water Air Soil Pollution，2014，225：2166.

[20] 韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復技術研究進展[J].生態學報，2001，21（7）：1196-1203.