植物修复重金属土壤综述

.科技大学重金属土壤植物修复技术研究综述姓 名 顺成 学 号专业名称 环科1311 指导老师 牟子平 史广宇 提交日期 2016年5月19日 摘要：目前，土壤是人类活动的基础，但是越来越多的土壤被重金属污染，同时重金属土壤引发的事故愈发频繁，严重影响公众的健康。而植物是一种安全，并且对重金属土壤修复有显著效果的途径。通过一些发表的论文与重金属物土壤的探讨，对重金属土壤植物修复技术研究作一篇综述。关键词：重金属；土壤；植物修复At present, the soil is the foundation of humans activity, but a number of soil is polluted by.Meanwhile heavy metal soil caused accidents by heavy metal frequently, and it makes hunmanhealth bad. But plants is a safe metaland soil repair has the significant effect of heavy metals. Through some of the papers are published and heavy metal is contented in soil, the phytoremediation technology make a review.Keywords：soil; heavy metal; phytoremediation13 / 131前言1.1土壤重金属污染事件与治理方向近年来我国已经发生多起重大的重金属污染事件，严重威胁人民群众的生命健康。以重金属镉为例，长期接触一定剂量的镉会造成肾脏损害，进而导致骨质疏松和软化。1931 年发生在日本富山县的“痛痛病”是镉中毒的典型案例。近年来，我国重金属污染事件频发，如 2005 年的北江段镉严重超标事件，2006 年的湘江株洲段镉污染事故，2009 年的省浏阳市镉污染事故，2009 年凤翔县数百名儿童血铅超标、武冈市数百名儿童血铅超标、市数十名儿童铅中毒，2011 年铬污染事件，2012 年龙江河镉污染事件等。土壤是人类一切活动的基础。我国耕地资源极为缺乏，人均占有耕地仅为世界平均水平的40，而随着工业化、城镇化的快速推进，每年还要减少600万一700万亩。目前我国土壤已受到严重破坏，根据环保部2014年初发布的调查公告显示，受污染的耕地约有15亿亩，固体废弃物堆存占地和毁田200万亩，耕地退化面积占耕地总面积的40以上，土壤有机质含量下降严重影响了耕地产出，保护土壤刻不容缓。而植物修复技术可应用于受重金属污染的土壤修复并且作为一种生态效益高、成本低的污染治理手段有着广阔的应用前景，显示出了较强的实用性和实效性。2植物修复技术方法广义的植物修复技术（Phytoremediation）是指利用植物提取、吸收、分解、转化和固定土壤、沉积物、污泥、地表水与地下水中有毒有害污染物技术的总称。植物修复技术不仅包括对污染物的吸收和去除，也包括对污染物的原位固定和转化，即植物提取技术、植物固定技术、根系过滤技术、植物挥发技术和根际降解技术。与重金属污染土壤有关的植物修复技术主要包括植物提取、植物固定和植物挥发。植物修复过程是土壤、植物、根际微生物综合作用的效应，修复过程受植物种类、土壤理化性质、根际微生物等多种因素控制。2.1植物提取植物提取（Phytoextraction）是指利用超积累植物吸收污染土壤中的重金属并在地上部积累，收割植物地上部分从而达到去除污染物的目的。植物提取分为两类，一类是持续型植物萃取（Continuous phytoextraction），直接选用超富集植物吸收积累土壤中的重金属；另一类是诱导性植物提取 （Induced phytoexraction），在种植超积累植物的同时添加某些可以活化土壤重金属的物质，提高植物萃取重金属的效率。超积累植物（Hyperaccumulator）是指相对于普通植物能从土壤或水体中吸收富集高含量的重金属，并具有将重金属从植株的地下部向地上部大量转运的特殊能力，表现出很高的富集系数。超富集植物的界定一般有 3个：（1）植物地上部重金属浓度积累达到一定临界值；（2）生物富集系数（地上部重金属浓度/土壤重金属浓度）1；（3）转运系数（地上部重金属浓度/地下部重金属浓度）1。植物提取技术的关键是超富集植物的筛选，目前世界上发现超富集植物 400 多种。关于植物提取技术的研究近年来成为科学界的研究热点，在实际污染场地的工程应用中也得到了推广应用。凤尾蕨属的蜈蚣草（Pteris vittata L.）是世界上首次发现的 As超富集植物1，对 As 具有超强的富集能力，通过刈割可以提高其对砷的去除能力。同斌等已在建立了世界上第一个砷污染土壤的植物修复工程示基地。后来相关调查和试验研究发现凤尾蕨属的大叶井口边草（Pteris cretica L.）和粉叶蕨（Pityrogrammacalomelanos）也是砷的超富集植物2。中科院华南植物园杏峰等开展牧草对重金属污染土壤修复潜力的研究，发现杂交狼尾草（Pennisetum americanum（L.）Leeke P. purpureumSchumach）和热研 11 号黑籽雀稗（Paspalum atratum cv. Reyan No. 11）可作为植物提取技术的优良草种，前者可修复 Cd 和 Zn 污染土壤，后者可修复 Cd 污染土壤3。研究表明 EDTA 和 EDDS是强化植物提取重金属的高效螯合剂，添加 EDTA 可导致龙葵叶部、茎部和根部 Zn 浓度分别提高 231%、93%和 81%；添加 EDDS 导致龙葵叶部、茎部和根部Zn 积累浓度分别提高 140%、124%和 104%4。此外，天然螯合剂柠檬酸、草酸、酒石酸等也可以提高植物提取重金属的效率。2.2植物固定植物固定（Phytostabilization）是指利用植物根系固定土壤重金属的过程。重金属被根系吸收积累或者吸附在根系表面，也可通过根系分泌物在根际中被固定。此外，植物根际微生物（细菌和放线菌）通过改变根际土壤性质（如 p H 和 Eh）而影响重金属在根际的化学形态，也有利于降低重金属对植物根系的毒性5。植物固定可降低土壤中重金属的移动性和生物有效性，阻止重金属向地下水和空气的迁移与其在食物链的传递。植物固定技术并非真正意义上从土壤中去除重金属，只是将重金属固定在植物根部或根际土壤中，因此开展修复土壤的长期监测是必须的。植物固定对干旱、半干旱区的尾矿堆置地修复具有广阔的应用前景，可以实现此类污染场地的植被重建6。串叶松香草（Silphium perfoliatum Linn）可应用于 Cd 污染土壤的修复7。2.3植物挥发植物挥发（Phytovolatilization）是指利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的 Se、Hg、As等转化为挥发形态以去除其污染的一种方法。植物挥发技术适用于修复那些 Se、Hg、As 污染的土壤。在 Se 污染土壤中种植芥菜可以通过挥发形式去除土壤 Se8。洋麻可使土壤中三价硒转化为挥发性的甲基硒从而达到去除的目的9。种植烟草可以使土壤中的汞转化为气态的汞而把土壤中的汞去除10。气态 Se、Hg、As 等挥发到大气中易引发二次污染，因此要妥善处置植物挥发产生的有害气体。植物修复技术较传统的物理、化学修复技术具有技术和经济上的双重优势，主要体现在以下几个方面：（1）可以同时对污染土壤与其周边污染水体进行修复；（2）成本低廉，而且可以通过后置处理进行重金属回收；（3）具有环境净化和美化作用，社会可接受程度高；（4） 种植植物可提高土壤的有机质含量和土壤肥力。但是植物修复技术也有缺点，如植物对重金属污染物的耐性有限，植物修复只适用于中等污染程度的土壤修复；土壤重金属污染往往是几种金属的复合污染，一种植物一般只能修复某一种重金属污染的土壤，而且有可能活化土壤中的其他重金属；超富集植物个体矮小，生长缓慢，修复土壤周期较长，难以满足快速修复污染土壤的要求。目前，基因工程技术可以克服上述植物修复技术上的某些弱点，但采用基因工程技术培育转基因植物用于重金属污染土壤的修复尚处于比较有争议的阶段，转基因植物容易诱发物种入侵、杂交繁殖等生态安全问题11。2.4化学诱导植物修复技术强化修复化学诱导植物修复技术是指通过向土壤中施加化学物质，来改变土壤重金属的形态，提高重金属的植物可利用性来提高重金属的去除效果11。在化学诱导植物修复技术中，使用最多的化学物质是螯合剂，其余依次为酸碱类物质、植物营养物质、共存离子物质以与近年来新出现的植物激素、腐质酸、表面活性剂等。这里着重探讨螯合剂，表面活性剂对植物修复的强化作用。向土壤中添加螯合剂诱导植物修复的基本原理是扰动污染物在土壤液相浓度和固相浓度之间的平衡。当螯合剂投加到土壤后，其和土壤重金属发生螯合作用，能够形成水溶性的金属螯合剂络合物，改变重金属在土壤中的赋存形态，提高重金属的生物有效性，进而可以强化植物对目标重金属的吸收12-13。常见的螯合剂种类有两类：一类是人工合成的螯合剂，主要有 EDTA、HEDTA、CDTA、EGTA 等；第二类是天然的螯合剂，主要包括柠檬酸、苹果酸等一些低分子量有机酸和无机化合物如硫氰化铵等。Piechalak 等14报道在 200 mg/kg Pb 的土壤中，添加 292 mg 的 EDTA，同对照相比，豌豆对 Pb 的富集量增加了 67%。Hong Chen 等15研究的结果表明，添加EDTA、HEDTA 后向日葵茎叶中 Cd、Ni 的含量由不添加时的 34 mg/kg、15 mg/kg 分别增至 115 mg/kg、117 mg/kg；1.0 mg/kg 的 HEDTA 和 EDTA 对土壤 Ni的活化效果要比 0.5 mg/kg 的 EDTA 和 HEDTA 好。由此可见，螯合剂种类用量是影响螯合强化修复效率的重要因素。不同螯合剂对重金属有一定的选择性，根据土壤重金属污染状况，选择合适的“重金属螯合剂”组合将会显著提高螯合强化修复的效率。表面活性剂是一种亲水亲脂性化合物，增加细胞的膜透性，它的两亲性使之能与膜中成分的亲水和亲脂基团相互作用，从而改变膜的结构和透性，促使植物对重金属的吸收。利用表面活性剂强化植物修复土壤重金属污染是建立在表面活性剂、重金属、土壤、植物四者之间的关系的基础上的。在含 Cd、Cu、Zn 分别为 25 mg/kg、30 mg/kg、700 mg/kg 的土壤上种植莴苣与黑麦草，用表面活性剂处理后，3 种重金属在地上部分的含量比对照增加了 424 倍，但生物量有所下降16。王莉玮和玉成等17-18研究发现，联合使用表面活性剂和螯合剂，通过二者对土壤重金属的活化作用，以与表面活性剂增强植物根系对重金属螯合物透性的作用，可以显著促进植物对重金属的吸收和向地上部转运。尽管添加螯合剂和表面活性剂具有强化植物修复的效果，但其应用还存在潜在的环境风险和不利因素。当二者施用浓度过高会对土壤微生物和植物产生毒性，抑制植物的生长，并引起重金属淋溶下渗到地下水导致地下水的污染。因此可考虑采用易降解、无毒性的表面活性剂，如生物表面活性剂。2.5基因工程技术强化修复随着生命科学理论和分子生物学技术的迅猛发展，基因工程技术被认为是改良植物对重金属耐性和富集能力的一条有效途径，并成为强化植物修复领域最具有潜力的发展方向之一。基因工程技术将金属螯合剂、金属硫蛋白（MTs）、植物螯合肽（PCs）和重金属转运蛋白基因等转入超积累植物，能有效增加植物对金属的提取，从而提高植物修复的效率。2.6 农艺措施强化修复技术2.6.1土壤施肥强化修复施肥是传统农艺措施的重要组成部分，将其用于强化重金属污染土壤的植物修复，可促进植物生长，提高植物生物量，进而提高植物累积重金属总量20。肥料主要通过和重金属的相互作用，影响土壤对重金属的吸附解析，改变土壤重金属的形态，进而改变重金属在土壤中的活性，影响植物对其吸收、积累21。在施肥强化植物修复研究中常用的肥料有氮、磷、钾肥和复合有机肥以与 CO2气肥等。席磊22研究发现 CO2施肥促进了向日葵和印度芥菜的生长和发育，当 CO2在 1 200 L/L 时，向日葵与印度荠菜相比对照 350 L/L 地上部生物量分别增长了 9.19%和 53.62%。Tang 等23通过土培实验研究也认识到：CO2浓度升高不仅有利于提高印度芥菜和向日葵抗铜胁迫能力，显著促进了其地上部生物量的提高，而且还可诱导这 2 种植物超积累铜，在 800 L/LCO2浓度下向日葵叶部含铜量达 2 539 mg/kg，印度芥菜含铜量高达 4 586 mg/kg，并改变了植物的生物富集系数和植物中铜的叶/根比。宫恩田24实验也发现，CO2浓度升高能促进玉米的生长发育，使玉米的生长发育期提前，较早产生开花现象；抵抗 Cu 胁迫环境的能力增强；病虫害减少。2.6.2植物栽培与田间管理措施强化植物修复的栽培与田间管理措施主要有翻耕、搭配种植、刈割与轮作、间作、套作等24。在污染土壤经翻耕后，可以将深层重金属翻到土壤表层根系分布较密集区域，或适当地进行中根松土，这样既可促进根系生长发育又能改变污染物质的空间位移，促进植物与重金属的接触，从而提高植物修复效果。采取必要的搭配种植，间作或套种 2种或 2种以上超富集植物可缩短修复时间，提高修复效率。Wu 等25利用锌、镉超富集植物东南景天与普通植物（玉米）进行套种，在进行重金属污染土壤修复的同时还有一定经济产出，降低了土壤修复的经济成本。国学者温丽等26用黑麦草对重金属污染土壤进行 90d 的盆栽实验表明，刈割可以促进黑麦草对 Pb 的吸收，使 Pb 的总吸收量增加了 34.12%。国外学者也发现，通过双季栽培或在花序阶段之后收割可增加龙葵生物产量，龙葵修复镉污染土壤的植物修复效率提高了 9.1。3植物微生物联合修复技术当前国外重金属污染土壤的治理有两种不同的途径：一是固定或钝化重金属，将有效态转化为无效态，使土壤重金属的有效浓度降低到无害的水平，从而降低土壤重金属元素的生物毒性，控制重金属进入食物链和污染周边环境；二是活化重金属，通过促进生物吸收提高土壤重金属的去除效率，使土壤重金属的总量降低到无害的水平。植物-微生物联合修复体系同时具备上述两种功能，其中植物根系、根际微生物与其代产物在控制重金属元素形态转化中发挥重要的作用，而根际微生物的吸收、富集和向地上部分的转移决定土壤重金属的去除效率，其强化功能主要表现在以下三个方面：（1）以菌根、生菌等方式与植物根系形成联合体，提高植物抗重金属毒性的能力，通过增强植物抗性来提高植物存活率和生长速率；（2）通过转化重金属形态优化植物根际环境，通过改善植物生存条件来促进植物生长，提高植物的生物量；（3）在协同与共生作用下，促进根系发展，增大植物根部吸收量和增强植物向其地上部分转运重金属的能力。3.1改变重金属形态与价态，增加植物对重金属吸收植物修复效率在很大程度上依赖于重金属的生物有效性，因此根际细菌、生菌以与菌根真菌作用改变重金属形态与价态，活化土壤重金属的功能可增强植物对重金属的吸收。根际微生物的代可把一些大分子化合物转化为小分子化合物，这些转化产物如有机酸、铁载体和生物表面活性剂等对植物根际的重金属有显著的活化作用，微生物分泌的螯合物还可与植物体重金属结合，改变重金属在植物体的存在形态，促进重金属向地上部分转运。4重金属污染土壤修复实践Madejn 等在西班牙 Guadiamar 河附近的一块污染土壤进行了 6 年施用生物固体堆肥、风化褐煤和糖酸盐等改良剂的大田试验，发现一些改良剂处理可显著地降低土壤中重金属的有效态含量，从而降低土壤重金属的污染风险。在矿区土壤中，采用原位化学固定技术和植物修复技术相结合的方式，可以促进这些地区植被的恢复，这些措施均可以降低土壤重金属的淋溶损失和径流损失。在加拿大的 Sudbury 市，受到矿产开发和冶炼的影响，约 30 km2土壤遭受重金属的严重污染，植被寸草不生，通过添加生石灰和有机肥，成功地使该地区植被得到较好的恢复。植物修复比常规技术治理成本低，据国外报道，对一块污染土地进行 5 年的治理，采用植物修复技术的费用为25 万美元，而常规的治理技术需要 66 万美元29。近20 多年来，发达国家纷纷围绕矿区污染土地的植物修复技术进行大量的研发工作，并且在工程应用方面也取得显著成效，使某些植物修复技术开始进入产业化推广应用阶段。2000 年在北美和欧洲植物修复技术就占到 4 亿美元的市场，2005 年仅美国植物修复技术的市场将达到 25 亿美元30。预期在不久的将来，该技术有望形成一个具有巨大增长潜力的新型环保产业。据不完全统计，我国受到 Cd、As、Pb、Hg、Zn 等重金属污染的耕地近 2000 万 hm2，约占总耕地面积的 1/5，其中镉污染耕地 1.33 万 hm2，涉与 11 个省 25个地区；被汞污染 3.2 万 hm2，涉与 15 个省 21 个地区。国已经在重金属污染土壤修复方面进行了一定的工作。1999 年中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心同斌领导的研究组在中国本土发现世界上第一种砷的超富集植物蜈蚣草后，研究开发出植物修复成套技术，包括超富集植物育种、栽培、管理、施肥、微生物和化学调控剂等配套措施或优化工艺等，在、富阳和乐昌的 As、Cu、Pb 污染土壤上建立了 3 个植物修复示工程。其中，砷污染土壤植物修复示工程已稳定运行5 年以上，在砷污染土壤的植物修复和砷富集技术方面取得突破31-32。华南农业大学吴启堂教授的研究组利用超富集 Cd 和 Zn 的植物东南景天、石灰、过磷酸钙和废料碳酸钙对农田重金属污染土壤进行植物-化学联合修复，使作物籽粒中 Cd、Zn 和 Cu 含量降低到了国家食品卫生标准允许的含量水平33-34。一些研究者利用苎麻对重金属污染土壤进行修复，取得了较好的效果35-36。5研究展望5.1植物修复技术的优缺点重金属污染土壤的植物修复技术作为一种新兴的生物修复技术，它具有物理、化学修复方法所无法比拟的优点，具体表现为治理成本低，效果永久；治理过程是原位修复，对土壤环境扰动小；修复过程一般无二次污染，某些金属元素甚至可回收利用；兼有环境美学性37。因此，植物修复是可靠的、环境相对安全的技术，是真正意义上的开展了大量的重金属污染土壤修复工作38.“绿色修复技术”38。5.2建议（1）保护并继续寻找超积累植物（2）深入研究植物吸收、运输重金属机制。（3）对于富集过重金属的超积累植物进行加工处理，提高重金属的回收率，避免二次污染。参考文献：1 Chen T B, Wei C Y, 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