重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)及其強(qiáng)化措施解析

1、網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2017-01-0315:39:44網(wǎng)絡(luò)出版地址:鄭黎明,袁靜（安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,安徽蕪湖241000摘要:為有效修復(fù)重金屬污染土壤,防止重金屬進(jìn)入食物鏈危害人體健康。概述了植物修復(fù)、超富集植物等基本概念,簡述了植物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢及其局限性。列舉了國內(nèi)外在植物修復(fù)技術(shù)方面的研究進(jìn)展,指出修復(fù)植物體內(nèi)重金屬含量與修復(fù)植物的生物量是影響植物修復(fù)效率的2個(gè)重要因素,討論從植物性能、根際環(huán)境及農(nóng)藝措施3方面采取措施來提高植物修復(fù)效率并分析了這3種方法的作用機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)。指出將優(yōu)化修復(fù)植物性能、開發(fā)高效低毒修復(fù)劑和利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)3者結(jié)合起來是植物修復(fù)技術(shù)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的一個(gè)途徑。

2、關(guān)鍵詞:土壤;重金屬污染;植物修復(fù);強(qiáng)化措施中圖分類號:X5文獻(xiàn)標(biāo)識碼:APhytoremediationofSoilsContaminatedbyHeavyMetalsandStrengtheningMeasuresZHENGLi-ming,YUANJing(CollegeofLifeSciences,AnhuiNormalUniversity,Wuhu241000,ChinaAbstract:Nowadays,heavymetalspollutionofsoilshasbeenconsideredasoneofthechiefenvironmentalproblemsintheworld,

3、mankindsarefacedwiththethreatsofheavymetalsenteringthefoodchain.Phytoremediationtechnologyisanimportantwaytorepairthecontaminatedsoils,butithassomerestrictssofar.Thispaperintroducesthebasicconceptionsofphytoremediationandhyperaccumulator,andthenittalksaboutstrengtheningmeasuresinthreeaspectsincludin

4、gplantperformances,rhizosphereenvironmentandagronomicmethods.Weindicatethatthecombinationofimprovedplantperformance,efficientandharmfullessagentandmodernagriculturetechnologyisanapproachtorealizethecommercialapplicationofphytoremediation.Keywords:Soil;Heavymetalpollution;Phytoremediation;Strengtheni

5、ngmeasures0引言土壤是人類及一切陸生動(dòng)植物賴以生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)之一,一旦受到重金屬污染,不僅土質(zhì)變差,造成農(nóng)作物減產(chǎn),更嚴(yán)重的是重金屬會通過食物鏈進(jìn)入人體,直接危害人體健康。全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，我國土壤重金屬污染中Cd污染最為嚴(yán)重,點(diǎn)位超標(biāo)率(指土壤超標(biāo)點(diǎn)位的數(shù)量占調(diào)查點(diǎn)位總數(shù)量的比例達(dá)到7.0%，Hg，As，Cu，Pb，Cr，Zn，Ni7種無機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別為1.6%，2.7%，2.1%，1.5%，1.1%，0.9%，4.8%1，全國每年出產(chǎn)受重金屬污染的糧食多達(dá)1200萬t2。日本曾出現(xiàn)的“水俁病”和“骨痛病”正是因?yàn)镠g和Cd污染引起?？梢?，有效修復(fù)受重金屬污

6、染的土壤意義重大。目前,用于治理重金屬污染土壤有傳統(tǒng)的理化法如玻璃化、熱解吸、電動(dòng)力以及土壤沖洗等,以及近些年興起的生物法如植物修復(fù)法3。普遍認(rèn)為植物修復(fù)法具有環(huán)保、廉價(jià)、美觀等傳統(tǒng)方法難以比擬的優(yōu)勢,是一項(xiàng)很有應(yīng)用潛力的技術(shù),但其也存在著一些不足,如修復(fù)植物生物量較低、生長周期較長、活化重金屬能力有限以及易受氣候、土壤等環(huán)境條件的限制等,因而其修復(fù)效率不高,阻礙了大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的推進(jìn),尋找強(qiáng)化措施以提高修復(fù)效率成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)4。1植物修復(fù)技術(shù)概述1.1植物修復(fù)和超富集植物的基本概念植物修復(fù)技術(shù)是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學(xué)元素的理論為基礎(chǔ),利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中

7、污染物的一項(xiàng)環(huán)境治理技術(shù)。重金屬污染的植物修復(fù)主要包括植物過濾、植物揮發(fā)、植物鈍化及植物提取等4種類型,而通常所說的植物修復(fù)技術(shù)是指利用超富集植物的提取作用清除污染土壤中的重金屬,植物提取被認(rèn)為是解決土壤重金屬污染問題理想方法之一,但修復(fù)效率不高一直是擺在環(huán)境科學(xué)界面前的難題。目前，關(guān)于超富集植物的鑒定標(biāo)準(zhǔn)主要包括2個(gè):臨界值特征,即植物地上部(干重中®(Au為1mg/kg,e(Cd為100mg/kg,Pb,Cu,Ni和Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1000mg/kg,Zn和Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10000mg/kg;轉(zhuǎn)移特征，即植物體地上部(主要指莖和葉某種重金屬含量大于其根部同種重金屬含量。

8、可以通過在重金屬濃度較高的地區(qū)如尾礦廢棄地、礦山周圍等地發(fā)現(xiàn)一些植物并加以試驗(yàn),確定是否為超富集植物。1.2植物修復(fù)的局限性植物修復(fù)是污染治理工程中一個(gè)非常有吸引力的技術(shù),與物理的、化學(xué)的和微生物的治理方法相比,有其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn),主要包括:治理成本低、治理過程原位(對環(huán)境擾動(dòng)小、治理效果永久、可大面積開展以及可凈化與美化環(huán)境等。但在實(shí)際應(yīng)用中,也存在一些局限性5,主要有:(1有些情況下無法利用超富集植物有效修復(fù)污染土壤;包括:環(huán)境條件（如氣候類型、土壤類型等不適于特定超富集植物生長的地區(qū)（當(dāng)然也可以選用本土植物，但修復(fù)效率可能不高。重金屬濃度過高的污染場地。植物對重金屬有一定的耐受范圍,超過耐受

9、極限,植物生長受到抑制甚至?xí)劳?超富集植物亦是如此。深層污染場地。超富集植物根系一般較淺（30cm以內(nèi),通常只對淺層污染土壤（90cm以內(nèi)有修復(fù)效果。（2即使可采用植物修復(fù)法,仍存在其他一些缺點(diǎn);包括:大多數(shù)超富集植物都有重金屬選擇性，往往只能積累某種特定重金屬,但污染土壤通常是重金屬復(fù)合性的。已知的超富集植物多為野生型，個(gè)體矮小、生物量低、生長緩慢,因此植物修復(fù)比傳統(tǒng)理化法耗時(shí)久，治理周期長。超富集植物提取的重金屬會因?yàn)橹参锲鞴俚蛑x等原因重返土壤,降低了修復(fù)效率。植物病蟲害及修復(fù)植物的后期處理等問題也需要加以考慮。修復(fù)效率的高低是植物修復(fù)技術(shù)能否得以推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。主要可從3個(gè)方面著手來提

10、高修復(fù)效率:提高修復(fù)植物的生物量;提高土壤中植物有效性重金屬含量;提高植物對重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)能力。以下將主要從優(yōu)化植物性能、調(diào)節(jié)根際環(huán)境以及采取適當(dāng)農(nóng)藝措施3個(gè)方面來討論植物修復(fù)技術(shù)的強(qiáng)化措施。2植物修復(fù)技術(shù)的強(qiáng)化措施2.1改良修復(fù)植物性能基因工程技術(shù)基因工程技術(shù)是將異源基因在修復(fù)植物體內(nèi)進(jìn)行表達(dá),以提高植物對重金屬的耐性和富集能力。該技術(shù)被認(rèn)為是強(qiáng)化植物修復(fù)領(lǐng)域最具潛力的發(fā)展方向之一5?；蚬こ碳夹g(shù)提高植物修復(fù)能力主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:通過增加修復(fù)植物生物量來促進(jìn)其對重金屬的積累。研究報(bào)道,將小麥TaPCSI基因轉(zhuǎn)入煙草體內(nèi)，表達(dá)后發(fā)現(xiàn)其莖比野生品種增加了1.6倍，轉(zhuǎn)基因植物生長在Pb質(zhì)

11、量濃度為1572mg/L條件下，其重金屬積累量是野生品種的2倍6。通過導(dǎo)入與重金屬轉(zhuǎn)化相關(guān)的基因，降低重金屬對植物的毒性，提高耐性。如某些細(xì)菌中存在由merB基因編碼的有機(jī)汞裂解酶，它可將高毒的甲基汞轉(zhuǎn)化為毒性稍低的Hg2+和CH4，由merA基因編碼的汞離子還原酶，可以將Hg2+進(jìn)一步還原為汞原子，因此可以利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)通過植物表達(dá)merA及merB基因,達(dá)到凈化汞污染土壤的目的7。研究表明，轉(zhuǎn)merA基因的金盞菊具有良好的抗汞污染能力，普通植株在HgC12質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30mg/kg條件下逐漸死亡，而轉(zhuǎn)基因植株在HgC12質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50mg/kg條件下依然能生存，顯示其具有較強(qiáng)的抗性8。通過轉(zhuǎn)

12、入與重金屬螯合相關(guān)的基因，減輕毒害，提咼耐性。如金屬硫蛋白的巰基可以螯合Cd,Cu和Zn等多種重金屬。研究報(bào)道，采用水培實(shí)驗(yàn)，比較了轉(zhuǎn)棗樹金屬硫蛋白基因擬南芥與對照組擬南芥對Cd的吸收情況。實(shí)驗(yàn)表明：經(jīng)0.1mol/LCd處理24h和48h，轉(zhuǎn)棗樹MT基因擬南芥根部對Cd的吸收量分別為227和323mg/L，地上部分為513和667mg/L,明顯超過對照組（根部93和107mg/L;地上部分323和437mg/L9。2.2調(diào)節(jié)修復(fù)植物根際環(huán)境研究發(fā)現(xiàn)，在耐受范圍內(nèi)，修復(fù)植物體內(nèi)重金屬累積量與土壤中水溶態(tài)重金屬含量存在正相關(guān)關(guān)系。因此，應(yīng)設(shè)法提咼土壤中自由重金屬含量以促進(jìn)植物吸收。（1施加螯合劑

13、、表面活性劑螯合劑可以與土壤溶液中重金屬結(jié)合，形成水溶性的重金屬-螯合劑螯合物，提咼了土壤中植物有效性重金屬含量，同時(shí)也增加了修復(fù)植物對重金屬的提取量。常用的螯合劑大致可分為2類：一類是人工合成螯合劑，如EDTA,EGTA,HEDTA,DTPA,CDTA等;另一類是天然的螯合劑,主要是一些低分子量的有機(jī)酸，如檸檬酸、草酸、蘋果酸等。研究報(bào)道，在玉米盆栽試驗(yàn)中，添加EDTA后玉米體內(nèi)Pb含量分別是相應(yīng)對照的4.3,6.5,6.0,5.4倍（地上部和2.5,3.9,3.6,3.6倍（根部10。EVANGELOU等11研究表明，小分子酸尤其是檸檬酸,對活化土壤中Cu的能力最強(qiáng)，使用62.5mmol/

14、kg的檸檬酸，煙草地上部Cu濃度比對照提高了2倍。使用螯合劑能有效提咼修復(fù)效率,但同時(shí)也存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),主要表現(xiàn)在土壤中自由重金屬含量增加,植物未必能充分吸收,這就有可能導(dǎo)致地下水受到污染。SATROUTDINOV等12研究表明,EDTA與Cu,Fe,Pb和Zn等形成的金屬螯合物很難降解，一些水溶性較高的EDTA-金屬螯合物會遷移污染地下水。為此，可采用“少量多次”加入方式，也可以采用低毒易降解但價(jià)格較高的螯合劑如EDDS等。表面活性劑是一種親水親脂性化合物,它的兩親性使之能與膜中成分的親水和親脂基團(tuán)相互作用,從而改變膜的通透性,促進(jìn)植物對重金屬的吸收。在含Cd,Cu,Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2

15、5mg/kg,30mg/kg,700mg/kg土壤中種植萵苣與黑麥草,添加表面活性劑一段時(shí)間后,3種重金屬地上部含量比對照增加了424倍13。表面活性劑與螯合劑聯(lián)合使用,既能增加土壤中活性重金屬的含量,又能強(qiáng)化植物的提取能力,能顯著提高修復(fù)效率。但表面活性劑有一定的毒性,使用它可能會抑制植物生長或是帶來一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。為此,可以采用易降解、無毒或低毒的生物表面活性劑。如在Pb污染土壤中種植油菜并接種能夠產(chǎn)生生物表面活性物質(zhì)的菌株J119,結(jié)果表明油菜地上部Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了31.0%14。(2調(diào)節(jié)土壤pH值、Eh值通常情況下，降低土壤pH值會提高土壤溶液中重金屬的含量。這是因?yàn)镠+濃度增加能促

16、使部分難吸收態(tài)及交換態(tài)重金屬溶解,成為植物可吸收態(tài)重金屬15。當(dāng)然,并不是說土壤pH值越低越好，應(yīng)當(dāng)存在一個(gè)最佳pH值，在這個(gè)酸度下植物生長發(fā)育不受影響而且土壤中活性重金屬含量比較高。試驗(yàn)表明，在pH值為5.84時(shí)，遏藍(lán)菜對鋅與鎘的吸收達(dá)到最大，隨著pH值升高或降低，二者在遏藍(lán)菜中積累量均下降16。降低pH值可采用直接加酸法和施肥法,還可以考慮加入有機(jī)酸如檸檬酸、蘋果酸等,有機(jī)酸不僅可以降低pH值還可以起到螯合作用且自身易降解，提高pH值可以采用施加生石灰等堿性物質(zhì)的辦法。通常情況下，當(dāng)土壤氧化還原電位提高時(shí)，土壤溶液中重金屬濃度都會有不同程度的增加，這是由于Eh值提高改變了重金屬的化學(xué)價(jià)態(tài)，

17、使重金屬的生物有效性發(fā)生了變化。比如說Cr6+水溶性比Cr3+強(qiáng),Eh值升高可將Cr3+氧化成Cr6+。但也有一些重金屬在Eh值降低時(shí)才會被活化，比如說As(As3+比As5+易溶。調(diào)節(jié)土壤Eh值大小的方法一般是通過灌水和晾田進(jìn)行，此外，增加土壤有機(jī)質(zhì)可以降低Eh值。(3接種微生物微生物可以通過與重金屬相互作用或者與根分泌物協(xié)同作用，影響土壤重金屬的生物有效性。菌根是土壤真菌與植物營養(yǎng)根結(jié)合形成的一種互利的共生體，菌根表面的菌絲體向四周延伸,增加了植物根系的表面積,增強(qiáng)了植物的吸收能力,菌根分泌物（有機(jī)酸、蛋白質(zhì)、氨基酸等可以調(diào)節(jié)根際環(huán)境,活化重金屬,提高土壤溶液重金屬含量。趙根成等17通過室

18、內(nèi)盆栽試驗(yàn)研究表明，施放線菌PSQ,shf2,和細(xì)菌Ts37,C13處理能明顯促進(jìn)植物修復(fù)砷污染土壤,15,30,45d4組微生物處理砷修復(fù)效率均高于同期對照組，其中45d施shf2的修復(fù)效率為11.3%,是同期對照的2.36倍。但也有一些研究得出接種微生物并沒有強(qiáng)化作用的結(jié)論。接種AM真菌導(dǎo)致Zn-Cd-Pb超富集植物T.praecox地上部生物量下降了17%,地上部重金屬積累量最大下降幅度分別為13%,25%和31%18。這可能是因?yàn)榻臃N的微生物與修復(fù)植物不匹配,因此篩選出具有“強(qiáng)化”作用的微生物是應(yīng)用此法的關(guān)鍵。2.3田間管理及農(nóng)藝措施通過對修復(fù)植物進(jìn)行田間管理并采取適當(dāng)農(nóng)藝措施可以達(dá)到

19、提高其生物量及縮短生長周期等目的。主要從以下6點(diǎn)加以考慮:污染土壤的翻耕和整平。翻耕可將深層污染物質(zhì)翻到土壤表層,利于修復(fù)植物吸收,翻耕的深淺程度要根據(jù)土壤污染情況而定。整平是將結(jié)塊土壤打碎，能起到保墑作用，也有利于后期田間管理。育苗問題。不同育苗方式對修復(fù)植物的育苗速度、發(fā)芽率等都有影響,恰當(dāng)?shù)挠绶椒▽s短修復(fù)周期有很大幫助。搭配種植。大多數(shù)重金屬污染土壤都是復(fù)合性的,而修復(fù)植物往往只對某些重金屬有較強(qiáng)提取作用,因此可以考慮間作或套作多種超富集植物以縮短修復(fù)時(shí)間19。植株密度。研究表明在10cmx10cm,20cmx20cm,10cmx40cm與40cmx40cm4個(gè)種植密度下，利用蜈蚣草

20、對砷污染土壤進(jìn)行了2a的田間實(shí)際修復(fù)，綜合考慮修復(fù)過程中的收獲方式、經(jīng)濟(jì)成本與可操作性，在4個(gè)密度處理中密度20cmx20cm為蜈蚣草的最佳栽培密度20。水肥需求。超富集植物地上部生物量的大小是影響植物效率的一個(gè)重要因素,水分和肥料是促進(jìn)植物生長的重要條件,但過度施加不僅會導(dǎo)致資源浪費(fèi)甚至還會抑制植物生長,因此掌握修復(fù)植物水肥需求規(guī)律非常重要。試驗(yàn)表明，當(dāng)施磷量為320kg/hm2時(shí),蜈蚣草對As提取量最大，是對照組的2.4倍，當(dāng)施磷量增加到600kg/hm2時(shí),提取量減少至對照組的1.2倍21。植物生長素。植物生長素是植物自身產(chǎn)生的調(diào)節(jié)物質(zhì)，極低濃度時(shí)就能促進(jìn)種子萌發(fā)和植株快速生長,因此外施

21、植物生長素對于縮短修復(fù)周期有幫助。研究報(bào)道，向生長在0.2mmolPb培養(yǎng)液中的Medicagosativa施加100pmIAA和0.2mmolEDTA，葉片中Pb的累積量是未加任何物質(zhì)的28倍,是只加0.2mmolEDTA的6倍22。有研究表明植物生長素能與重金屬螯合，從而起到緩解重金屬毒害的作用23。3結(jié)論植物修復(fù)思想提出至今已有30多年時(shí)間，期間不乏成功的田間試驗(yàn)案例，但鮮有大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用報(bào)道，這主要是因?yàn)橹参镄迯?fù)技術(shù)修復(fù)效率偏低，但我們也要看到其原位、經(jīng)濟(jì)、綠色等優(yōu)點(diǎn)。未來該領(lǐng)域研究需要在以下3方面尋求突破:篩選超富集植物。到受重金屬污染的地方尋找超富集植物是一條捷徑。此外，要運(yùn)用基

22、因工程、育種工程等技術(shù)手段培育出生物量大、富集能力強(qiáng)、提取多種重金屬的超富集植物。建立超富集植物特性記錄庫及種子資源庫，為培育出性能更好的超富集植物作準(zhǔn)備;開發(fā)修復(fù)劑。大量研究表明修復(fù)劑如螯合劑、表面活性劑等能顯著提高修復(fù)效率，但其毒性較高、不易降解、價(jià)格較貴。因此很有必要開發(fā)出安全、高效、經(jīng)濟(jì)的修復(fù)劑;掌握修復(fù)植物生長特性。合理的田間管理和農(nóng)藝措施是比較容易操作的技術(shù)手段，可以達(dá)到提高修復(fù)植物地上部生物量、縮短生長周期的效果。掌握修復(fù)植物的生長習(xí)性是實(shí)施該措施的前提，因而很有必要對超富集植物生長特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)而采取恰當(dāng)?shù)奶镩g管理措施。參考文獻(xiàn)1環(huán)境保護(hù)部，國土資源部全國土壤污染狀況調(diào)查

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