植物修復土壤重金屬污染技術研究進展

高詩倩 馬廣翔 馬濤 黃麗珠 邱金偉

摘 要：在工業化迅猛發展的現代，土壤重金屬的污染已經對環境和糧食安全構成嚴重威脅。現有物理、化學和生物技術可用于修復受金屬污染的土壤，其中生物修復中的植物修復被認為是一種經濟有效的方法。植物修復是利用植物對污染物的吸收提取富集轉化等一系列的做用降低環境中該污染物的濃度和毒性作用。這是一項相對較新的技術，被認為是具有成本效益、效率高、新穎、環保和太陽能驅動的技術，公眾接受度高。植物修復是當前研究的熱點之一。例如化學輔助植物提取和微生物輔助植物修復技術也可大規模用于凈化受污染的土壤，在基因工程領域還需進一步研究以提高轉基因植物的修復能力，并對植物修復技術的機制和有效性加以研究，幫助促進該技術的發展。

關鍵詞：重金屬;植物修復;超富集植物;生物可利用度

重金屬對環境的污染已經成為世界性的嚴重問題。人類通過礦石提取、污水排放等途徑將這些元素釋放到環境中。隨著工業化進程的加快和自然的生物地化循環的干擾，重金屬污染問題日益嚴重。與有機物不同，重金屬基本上是不可降解的，因此會在環境中積累。重金屬元素是單質密度大于4.5g/cm3的一類金屬元素的總稱[1]。重金屬元素進入土壤后，若含量高于安全標準從而使生態環境惡化的現象就是土壤重金屬污染。由于它們有進入食物鏈的風險，所以這些重金屬在農業土壤和水資源中的積累會對人類健康構成巨大威脅。

現如今有許多物理、化學和生物技術可用于修復受金屬污染的土壤。這些方法具有一定的局限性，例如修復過程中工作量大，且修復成本較高，土質混濁，使得土壤理化性質發生變化，且這個變化是不可逆的。所以，對于重金屬污染土壤的經濟有效的修復方式就是植物修復。

植物修復是一種綠色清潔技術，其利用天然或轉基因植物從環境中提取有害物質，即重金屬，包括放射性核素、殺蟲劑，多氯化物、來自環境的聯苯和多環芳烴并將最小化轉化為安全的化合代謝物，具有費用低、不破壞環境生態等優點。對于植物修復所采用的植物，其本身需對受重金屬污染的土壤中的各種不利于其生長發育的因素具有較強的耐受性和抵抗性，同時該植物對重金屬富集、轉化以及吸收能力也有較高要求。傳統的植物修復方法如果大規模投產使用會使經濟負擔較重，因為天然存在的超積累植物通常較慢生長，在地上物質產量相對較少。利用植物來降低土壤中重金屬含量的方法有三類：蒸發法、固化法和吸提法[2]。最近的一些植物修復方法，如化學輔助植物提取和微生物輔助植物修復技術也可用于大規模凈化受污染的土壤。

1 土壤重金屬的來源及危害

1.1 土壤重金屬的來源

天然存在的重金屬在環境中通常以不溶性的形式存在，如礦物結構，或以不易被植物吸收的沉淀或復雜形式存在。自然形成的重金屬與土壤之間的結合能比人為來源的結合能要高得多。導致環境中重金屬發生的自然過程的例子有彗星、侵蝕、火山爆發和礦物風化。人為來源的重金屬由于其可溶性和流動性的活性形式，通常具有較高的生物利用度。這些人為來源包括合金生產、大氣沉積、電池生產等。

1.2 土壤重金屬的危害

由于重金屬與某些微量元素（如鋅）的相似性，植物通過根部的皮質組織吸收重金屬，并通過共質體或質外體途徑到達木質部運輸系統。這些金屬可以積聚在可食用的植物部分中，從而進入食物鏈。

由于動物和人類的健康風險息息相關，重金屬進入食物鏈中的危害也是不容小覷。這些重金屬元素毒性較強，即使在極低濃度下也有可能造成嚴重損害。重金屬對于人體健康影響非常大，有時，極其低的濃度就可能因其重金屬元素的中毒。

2 重金屬植物修復機理

現在利用植物生物作用進行受重金屬污染的土壤修復，作用方式有6種類型：植物凈化、植物降解、根際圈生物降解、植物提取、植物揮發和植物固定。通常，植物從土壤溶液中吸收金屬，其作為生物可利用的重金屬和植物營養素庫。土壤pH值，有機質，根系分泌物，微生物生物量和競爭性陽離子等因素會影響土壤中重金屬的利用率。

植物提取機制有五個主要步驟：根際土壤中的金屬富集，植物根部對金屬的吸收，向植物地上部分的轉移，植物組織中的金屬螯合和重金屬耐受性[3]。植物修復過程的先決條件是重金屬耐受性，因為植物對金屬脅迫的耐受性越大，植物組織中的金屬積累越多，對植物健康的負面影響最小。除了這些控制植物耐受性的生理機制外，每年生物量的生產量即枝干重和每年收獲的凈金屬含量對于估算植物的植物提取也是至關重要的。土壤中包含的污染物質之間有區別，其治理修復的原理也有所區別，而目前在土壤污染修復處理領域比較關注的是有機毒害物質以及對重金屬污染土壤的植物修復方法。

3 植物修復新進展

植物修復受污染的土壤似乎是解決重金屬問題和具有廣泛研究背景的有吸引力的方法[4]。其中利用超富集植物的提取作用去除土壤中超量重金屬被認為是最有前途的植物修復技術。由于許多限制，傳統的植物修復技術仍缺乏大規模應用。傳統的植物修復方法面臨一些限制，例如：（1）修復受污染的土壤的時間較長，受超積累植物的生長周期限制;（2）植物提取能力由于低地上生物量的產生，超積累植物的生產受到限制;（3）一小部分金屬具有生物可利用性，這種生物可利用濃度隨土壤pH值、有機物質、競爭性陽離子、鈣質等而變化。這些不可避免的限制迫使研究人員修改傳統的植物修復方法，以盡量減少這些限制，并確保大規模應用植物修復。僅依靠植物修復難以在短期內達到預期效果，通常需要使用其他方法強化超富集植物的修復效果。

目前，植物修復強化措施主要有三種：一是通過促進進植物生長，增加植物對重金屬的富集量;二是通過調節根際微環境從而改變重土壤金屬元素生物有效性;三是利用基因手段強化植物性能。最近，在該領域進行了大量研究，植物修復的最新進展如下所示。

3.1 化學方法輔助非超富集植物修復

在植物修復土壤重金屬的過程中選擇合適的植物修復重金屬的植物是最關鍵的。到目前為止，大多數被歸類為超積累植物的植物符合上述標準。這些植物的主要缺點是其生長非常緩慢并且地上部分的富集量達不到理想效果。這些限制使得這些植物不能大規模地進行植物修復。然而，具有積累高金屬濃度和更多生物量產生能力的植物可用作開發遺傳修飾的參考。因此，應研究產生更多地上生物量的非超積累植物的植物修復潛力。這些有機酸可以形成低至中等穩定性的金屬絡合物。另一個優點是有機酸在土壤中比在合成螯合劑中易于生物降解，具有最小的環境污染風險。

3.2 生物炭輔助植物修復

生物炭是由有機原料如植物材料，有機肥和污泥的熱解合成的碳質多孔炭木是一種木質生物炭，是自預制時期以來最常用的生物炭。生物炭具有一些特定的物理化學性質如pH值高、表面積可以吸附金屬所以可以固定有毒重金屬等能力。這些能力使其成為優質重金屬修復劑。可用于吸附的大表面積有助于通過在功能上交換重金屬陽離子與其他金屬陽離子形成重金屬生物炭絡合物。生物炭通過對土壤中重金屬的遷移性喝生物有效性的影響來起到修復受污染土壤的作用。生物炭可以通過改性的方法來降低土壤中重金屬的遷徙性增加其生物有效性，也可以固定土壤中的重金屬減少其生物有效性。同時，生物炭還可以與其他固化材料一起使用，改善土壤的力學性質，以便達到更好的修復效果。生物炭不僅修復效率高，對土壤性質有改良作用，而且還有經濟實惠，對環境友好等優點。

3.3 微生物輔助植物修復

近年來生物修復領域開始結合系統生物學、宏基因組學、轉基因技術等，并開始以整體的、系統的態度展開研究，進一步提高生物修復在不同環境中的應用穩定性，這對環境修復、污染治理具有重要的現實意義[5]。

例如植物生長促進細菌是植物生長過程中一個重要的微生物群落，可以幫助超累積植物更好修復重金屬污染土壤。這些微生物可以作為共生細菌和自由活的根際細菌潛入植物內部通過各種機制刺激植物生長，從而使得植物可以更好更快地對土壤中的重金屬進行吸收富集。

3.4 使用轉基因植物

基因工程在提高植物對環境中重金屬污去除或解毒的能力方面發揮了至關重要的作用。該技術基于參與轉基因植物中異生素化合物的攝取，易位，隔離和植物耐受的特定基因的過表達。利用轉基因技術，將相關基因轉移到植物細胞中。通過生物螯合劑的過度表達，使重金屬不僅進入細胞質中，還進入木質部等其他部位，增加重金屬的富集在植物體內的富集量。

4 展望

由于存在食物鏈污染和其他相關健康風險的潛在風險，土壤的重金屬污染是當今的主要環境和健康問題。在這種情況下，植物修復技術可能被證明是解決這一問題的重要工具。就像其他物理和化學方法去除污染土壤似乎經濟效用低，修復效果不好。超富集植物可以有效地用于從土壤中提取和收獲大量有害金屬以及其他無機和有機污染物。但是傳統的植物修復方法在大規模上應用較不經濟，因為天然存在的超積累植物通常較慢生長，在地上物質產量相對較少。因此，開發超累積植物使得更多金屬被積累，對金屬毒性的耐受性以及很好地適應各種氣候條件的轉基因植物的基因工程方法在這方面可能更有益。最近的一些植物修復方法，如化學輔助植物提取和微生物輔助植物修復技術也可用于大規模凈化受污染的土壤。需要在基因工程領域進一步研究以提高轉基因植物的植物修復能力，并了解植物修復技術的機制和有效性，以使這些技術更有效、更省時、更經濟可行。

參考文獻：

[1]楊志英，等.土壤重金屬污染及其修復技術研究現狀.綠色科技，2018（22）：62-63+65.

[2]韓金濤，彭思毅，楊玉春.重金屬污染土壤修復技術研究進展.綠色科技，2019（04）：75-80.

[3]孫鑫，等.重金屬污染土壤的植物強化修復研究進展.土壤通報，2017.48（04）：1008-1013.

[4]劉少文，等.土壤重金屬污染的生物修復研究進展.林業科學，2017.53（05）：146-155.

[5]李敏，等.解磷微生物修復土壤重金屬污染研究進展.生態學報，2018.38（10）：3393-3402.

項目：本課題受山東生態環境廳項目（No.2017-HCZBLY-003）資助

*通訊作者：高詩倩。