重金屬Cd污染土壤的植物修復研究

徐柯凡，鄭培銘，姚燕紅

（浙江仁欣環科院有限責任公司，浙江 寧波 315016）

土壤重金屬污染主要包括汞、鎘、鈷、鋅、鉛、銅等元素。通常，土壤中的重金屬污染屬于多種重金屬元素的復合污染，其中，以Cd污染最為嚴重，主要是因為重金屬Cd具有明顯的生物放大效應和生物累積效應，毒性較強，在環境中難以自然降解。因此，研究植物修復重金屬Cd污染土壤具有十分重要的意義。

1 土壤重金屬污染的基本情況概述

土壤是人類賴以生存的基礎資源，同時也是自然生態的重要構成部分。但近年來，隨著我國工業、農業不斷地發展，大量工業廢物的排放、農業化肥與農藥的使用成為了環境污染中的關鍵問題之一。這些污染物造成的危害讓人觸目驚心，也導致土壤污染的趨勢進一步加劇，特別是重金屬污染呈現出了覆蓋范圍廣、易積累、毒性強、隱蔽性強等特點，不但會嚴重影響植物的正常生長，導致糧食大幅減產，最終還會通過食物鏈對人類的身體造成損害。同時，土壤中存在的污染物也會通過地下水轉移至人們的生活環境中，從而多維度地對人體健康造成危害。因此，在生態文明視域下，必須要正確認識土壤污染的問題，要注重對污染物的排放進行有效控制，做好事前預防、事中控制和事后治理相結合的協調統一，爭取最大限度地規避土壤污染，尤其是土壤重金屬污染問題，以保證土壤的可持續利用。

2 重金屬Cd污染概述

2.1 土壤中重金屬Cd污染現狀

目前，我國土壤環境質量整體呈現出下降的趨勢，因此，土壤污染問題十分嚴重。而且，近年來發生了多起與重金屬Cd污染有關的食品安全事件，徹底給人們敲響了警鐘，讓人們逐漸認識到了重金屬Cd污染的危害性。而在全國范圍內對土壤污染狀況進行調查的過程中發現，重金屬鎘的超標率最高，即有11個省和25個區存在嚴重的重金屬鎘富集問題，其中有超過40%的土壤受到了重金屬鎘的嚴重污染。經調查研究發現，我國北部地區土壤中重金屬Cd的濃度略低于南部地區[1]。但總體來說，我國土壤中重金屬Cd污染的問題已十分嚴重，所以，必須要及時采取土壤污染的治理與修復措施，避免重金屬Cd污染對土壤的可持續利用造成影響，從而最大限度地保障人們身體健康。

2.2 重金屬Cd污染的來源

鎘元素（Cd）可以通過植物的根部遷移到表層組織，再經過食物鏈進入人體，最終危害人們的身體健康。因此，我國非常重視重金屬Cd污染土壤的治理，但這一直是生態環境治理的難點。通常，重金屬Cd污染的來源主要與人類活動、自然活動有關，即土壤污染的兩個重要源頭，簡稱人為源、自然源。其中，人為源主要與工業、農業以及人類生活密切相關，主要包括冶金、電鍍、采礦、化肥、灌溉、生活垃圾填埋等；而自然源主要包括火山爆發、水土流失、礦物風化等。但需要注意的是，在有色金屬資源含量較高的區域，由于重金屬儲量十分豐富，所以，在重金屬的開采過程中會存在很大的土壤污染風險。

3 重金屬Cd污染的危害

3.1 對人類的危害

重金屬Cd本身是人體必需的元素之一，但過量積累就會產生一些隱患，如該物質主要是通過消化道進入人體，但卻難以自行排出。若人們所處的環境比較惡劣，或沒有綠色環保的意識，長期食用含有重金屬Cd污染較嚴重地區的動植物等食品，會導致Cd元素過量進入人體。其中，不被人體吸收的部分會與血紅蛋白以及低分子金屬硫蛋白結合，且隨著人體血液流動遍布內臟器官，最終蓄積于人體內的腎臟、肝臟當中，就會造成重金屬Cd中毒癥狀比較嚴重的情況，比如慢性球體腎炎、動脈硬化性腎萎縮等。另外，攝入過量的重金屬Cd還會導致人體骨質中部分Ca被Cd取代，最終導致人體骨骼變形、軟化，而且發生骨折的概率較高，嚴重甚至會危及人們的生命。

3.2 對作物的危害

近年來，我國進一步加大了對土壤中重金屬Cd的研究。通過研究證明，在重金屬Cd污染土壤中不同作物的耐性存在一定差異。比如，水稻對重金屬Cd的耐受性較強，不過在污染區域會導致水稻減產；而菠菜、水芹、萵苣等耐受性較差，即便土壤中重金屬Cd的濃度較低，這些作物也容易受到污染。另外，重金屬Cd還具有較高的毒性，在化學性質上Cd與Zn相近，且在進入植物體內后可能會取代原本的Zn元素，會導致植物缺少必需的Zn，最終對作物的正常生長造成影響，嚴重時會直接導致作物死亡。

3.3 重金屬Cd土壤污染下的植物修復技術

在生態文明視域下，人們越來越注重對環境的保護，國內外許多專家也正積極探索在不破壞土壤環境、可以保證土壤結構以及微生物活性的情況下對重金屬污染進行治理的方法，且經過多年研究已積累了比較豐富的經驗。其中，植物修復主要是利用植物吸收土壤中存在的重金屬元素，是一種重金屬Cd污染土壤治理的有效技術。在實際應用中，是將重金屬元素帶出土壤，從而達到清除土壤中重金屬元素的一種手段，因此，有人還將該技術稱為生物修復或綠色修復。由于植物修復技術本身沒有太大的成本限制，投資較少，同時，對土壤結構不會造成破壞，甚至還會改善土壤結構，并且也不會造成二次污染，整體上技術優勢顯著。所以，該技術目前已成為一種安全、可靠、綠色的土壤污染修復技術，受到了各國、各地區的廣泛關注。

4 植物修復的基本類型

4.1 植物提取

在植物提取修復技術中，目前已經有超過500種的植物具有較強的應用價值，其中，針對土壤中重金屬富集的植物主要集中在十字花科的庭薺屬[2]。該技術主要是利用超積累植物逐漸富集重金屬Cd，然后將其從植物根部輸送到表層，最后，技術人員統一收集處理地上的植物，就可以有效去除土壤中的重金屬Cd。此外，還可以將該技術用作其他領域。經實踐證明，利用超富集植物對重金屬Cd污染區域進行修復治理，可以在很短的時間內將原本光禿的污染土地修復成長滿茂盛植被的活土，所以，植物修復技術是一種最有發展前景，且可以深入研究的技術。

4.2 植物揮發

在植物收集以及處理的過程中，應用該技術比較繁瑣，而轉化后的污染物對大氣環境也會造成一定程度的危害，因此，在實際使用之前需慎重考慮，權衡利弊。需要注意的是，應用植物揮發技術有一定的要求，即轉化后的重金屬Cd的毒性要低于轉化前，通過這種方式能最大限度降低重金屬Cd對環境造成的危害。

4.3 植物降解

該技術主要是指，當重金屬元素被超富集植物的根部吸收后，會通過植物體內的代謝活動實現過濾和降解重金屬毒性的效果。比如，向日葵、印度芥菜等都會對土壤中的重金屬有較強的過濾與吸附效果。目前，該修復技術被廣泛地應用于不同濕地環境、水體環境的重金屬污染治理中。另外，超富集植物的根系在降解重金屬毒性的過程中，其根際環境在植物修復中發揮著重要作用。而植物提取、植物揮發等技術的應用幾乎都與超富集植物的根系以及根際環境有密切聯系。

4.4 植物穩定

在污染土壤的修復過程中，利用植物根際的一些特殊物質，可將土壤中的重金屬轉化為無害或毒性較小的物質，以此達到植物穩定化的目的，從而降低重金屬Cd的毒性效應。有學者認為，植物穩定主要是指超富集植物在吸收、富集重金屬或將重金屬吸附至根表，最終在根際區域進行沉淀[3]。同時，超富集植物的根毛也可以直接從土壤中吸收重金屬Cd；而且，植物的根部還可以避免重金屬Cd被水侵蝕或被風侵蝕，能有效避免其在土壤中擴散、滲漏。此外，借助超富集植物的吸附、轉化和降解重金屬的特性，還可以降低重金屬被雨水沖刷帶入地上、地下水或在空氣中進一步污染擴散的概率。但需要注意的是，應用植物穩定并非是徹底消除土壤中的重金屬Cd，只是保證在土壤及其周邊環境發生變化的情況下，避免重金屬Cd重新活化或重新恢復較強的毒性，因此，該技術還存在一定局限性。

5 植物修復機理分析

5.1 根際環境的作用

根際環境主要是指植物根系與周圍土壤中的微生物如細菌、真菌等相互作用而形成的特殊區域。而超富集植物可以通過根系分泌的物質改善根際環境，從而降低重金屬Cd的毒性。比如龍葵就是一種典型的超富集植物，在重金屬Cd污染土壤的治理中有很好的效果，這主要是因為龍葵的根和葉分泌的物質可以緩解由重金屬Cd積累引起的膜脂過氧化損傷。

5.2 植物螯合態

植物螯合態是指蘊含于超富集植物內部具有解毒效果的物質，主要是由谷氨酸、甘氨酸、半胱氨酸等組成。在污染土壤的修復治理中，超富集植物是本身通過金屬結合蛋白和一些有機酸分泌，實現了螯合重金屬的作用。這主要是因為在缺乏鐵的情況下，一些單子葉的植物可以釋放出植物高鐵載體，同時，超富集植物還可以分泌金屬結合代表物，而作為植物的離子載體，可有效促進土壤中重金屬Cd的溶解，也可以通過分泌一些化合物的方式促進土壤中重金屬的溶解。

5.3 區室化作用

當土壤中的重金屬進入植物內部時，主要集中在植物內部的液泡、葉表皮、胞壁連接區等部位，這樣能有效避免重金屬Cd對植物細胞造成的損害，最終實現在植物內的高富集。比如在油菜的液泡與細胞壁中，可以積累大量的重金屬Cd。而在Cd2+的誘導下，還能夠從植物細胞中分離兩種Pc-Cd復合物（Cd的植物螯合態）：即貧硫的低分子量Pc-Cds復合物與輔硫的高分子量Pc-Cds復合物[4]。

5.4 植物修復輔助技術

在重金屬污染土壤治理中，當前發現的高富集植物主要是以單一重金屬耐受植物為主，而高富集植物普遍難以在多種重金屬含量較高的土壤中生成。從土壤重金屬污染的情況來看，主要是以復合型污染為主，這對于植物有較強的毒害性，同時，在外部環境如溫度、濕度等因素的影響下，還會對植物修復的效果造成一定程度的影響，因此，國內對于植物修復技術的研究，以聯合修復居多。這主要是由于重金屬Cd的形態復雜多變，植物吸收難度大，所以，在應用植物修復技術的過程中實際治理的效率較低。因此，需要采用一定的輔助手段提高在重金屬Cd污染土壤中的治理效果，以此提高植物修復的整體效率。而在選擇植物修復技術的實際過程中，應綜合考慮植物的耐受性和修復效果，還要考慮植物的成本和經濟效益。如修復潛力大的植物可能富集能力不強，但對于重金屬Cd的耐受性較強，且具有生長范圍廣、植株重等諸多優勢。

以下為幾種常見的輔助技術：（1）提高農業科技，增加植物的富集能力和生物量；（2）近年來，國內已有不少內生菌結合植物修復的成功案例。因此，在植物修復技術的實際應用過程中，通過接種耐受性強的微生物菌株，也可以有效提高植物降解重金屬Cd毒性的效果。例如，叢枝菌根可以提高豌豆對土壤中重金屬Cd的富集和耐受性；（3）在利用植物修復技術的過程中，可以在基因工程的支持下強化植物修復技術，將可強化修復的基因片段導入植物DNA中，強化植物修復技術。例如，可以將小麥TaPCSI基因導入煙草植物的DNA中，從而增加植物的生物量，增強植物的降解和穩定效果。（4）利用螯合劑能與土壤重金屬螯合成鍵的機理，使重金屬從不溶態轉化為可溶態，從而形成水溶性金屬螯合劑絡合物，這樣就可以提升高富集植物修復重金屬Cd污染土壤的效果[5]。

6 重金屬Cd污染土壤中不同植物的修復效果分析

在重金屬Cd污染土壤中應用植物修復技術，需要進行不同超積累植物修復效果的對比試驗。實驗人員需提前準備好無植物土樣、無植物無鎘土樣和無植物含鎘土樣進行對比試驗，以此對不同植物的修復效果進行對比研究。其中，含鎘無植物土樣可根據不同植物和重金屬的鎘濃度進行劃分。因此，在實驗過程中，為了得到最準確的結果，至少需要進行三次以上重復試驗，并對比每次試驗結果，保證試驗數據的準確性。

6.1 試驗結果討論

在菊科草本植物的試驗中，與其他非高富集植物進行了比較。在實驗中，由于土壤中含有的重金屬Cd濃度存在一定差異，所以對植物幼苗生長的影響也有著顯著差異，而對于重金屬Cd，不同的植物幼苗也有著不同的敏感度。其中，部分植物受重金屬Cd的抑制時間較早，所以，重金屬Cd毒性的影響主要作用于幼苗生長初期；還有部分植物幼苗在生長中后期才會受到重金屬Cd的顯著影響。比如當土壤中重金屬Cd含量為5 mg/kg的時候，種植萬壽菊，其幼苗在生長的初級階段就會受到重金屬Cd的明顯抑制，而在該幼苗生長的中后期重金屬Cd又會起到顯著的促進生長作用[6]。

6.2 植物運輸重金屬Cd的能力

通過計算高富集植物地上和地下部分的重金屬Cd的含量，可以獲得植物對于Cd元素的輸送能力。這主要是因為植物地上部分重金屬Cd的含量越高，植物的運輸能力越強。而通常情況下，重金屬Cd在普通植物地下部分的含量會高于地上部分。比如，菊科草本植物的經絡輸導系數通常是濃度高時較高，濃度低時較低，其總體變化趨勢是先升后降。而且，升降轉折點越晚，植物對重金屬Cd的運輸能力越強，說明植物對重金屬Cd的耐受性強[7]。

6.3 植物對重金屬Cd污染土壤的修復能力

在重金屬Cd污染土壤中，具有高富集特性的植物其整體修復能力會隨著土壤中重金屬濃度的增加而呈現出上漲的趨勢。一般情況下，以不同濃度重金屬Cd污染土壤的修復效果看，不同種類和吸收部位的高富集植物吸收效率不同，這主要是與植物受重金屬Cd毒害與抑制的效果有關，但從整體上來看大多數會呈現出上升的趨勢。

7 結語

綜上所述，植物修復是目前重金屬Cd污染土壤治理與修復的主要研究方向，但要根據重金屬Cd污染土壤的實際情況選擇不同的植物，這樣才能起到對重金屬Cd的降解、吸附、穩定、富集等作用，且有助于降低重金屬Cd對土壤環境造成的污染，同時，還可以降低重金屬Cd對地下與地表水造成的污染。