植物修復重金屬土壤綜述

1、蘇州科技大學重金屬土壤植物修復技術研究綜述姓 名 李順成 學 號專業(yè)名稱 環(huán)科1311 指導老師 牟子平 史廣宇 提交日期 2016年5月19日 摘要：目前，土壤是人類活動的基礎，但是越來越多的土壤被重金屬污染，同時重金屬土壤引發(fā)的事故愈發(fā)頻繁，嚴重影響公眾的健康。而植物是一種安全，并且對重金屬土壤修復有顯著效果的途徑。通過一些發(fā)表的論文及重金屬物土壤的探討，對重金屬土壤植物修復技術研究作一篇綜述。關鍵詞：重金屬；土壤；植物修復At present, the soil is the foundation of humans activity, but a number

2、 of soil is polluted by.Meanwhile heavy metal soil caused accidents by heavy metal frequently, and it makes hunman health bad. But plants is a safe metal and soil repair has the significant effect of heavy metals. Through some of the papers are published and heavy metal is contented in soil, the phy

3、toremediation technology make a review.Keywords：soil; heavy metal; phytoremediation1前言1.1土壤重金屬污染事件及治理方向近年來我國已經發(fā)生多起重大的重金屬污染事件，嚴重威脅人民群眾的生命健康。以重金屬鎘為例，長期接觸一定劑量的鎘會造成腎臟損害，進而導致骨質疏松和軟化。1931 年發(fā)生在日本富山縣的“痛痛病”是鎘中毒的典型案例。近年來，我國重金屬污染事件頻發(fā)，如 2005 年的廣東北江韶關段鎘嚴重超標事件，2006 年的湘江湖南株洲段鎘污染事故，2009 年的湖南省瀏陽市鎘污染事故，2009 年陜西鳳翔縣數百名

4、兒童血鉛超標、湖南武岡市數百名兒童血鉛超標、廣東清遠市數十名兒童鉛中毒，2011 年云南曲靖鉻污染事件，2012 年廣西河池龍江河鎘污染事件等。土壤是人類一切活動的基礎。我國耕地資源極為缺乏，人均占有耕地僅為世界平均水平的40，而隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速推進，每年還要減少600萬一700萬畝。目前我國土壤已受到嚴重破壞，根據環(huán)保部2014年初發(fā)布的調查公告顯示，受污染的耕地約有15億畝，固體廢棄物堆存占地和毀田200萬畝，耕地退化面積占耕地總面積的40以上，土壤有機質含量下降嚴重影響了耕地產出，保護土壤刻不容緩。而植物修復技術可應用于受重金屬污染的土壤修復并且作為一種生態(tài)效益高、成本低的污染治

5、理手段有著廣闊的應用前景，顯示出了較強的實用性和實效性。2植物修復技術方法廣義的植物修復技術（Phytoremediation）是指利用植物提取、吸收、分解、轉化和固定土壤、沉積物、污泥、地表水及地下水中有毒有害污染物技術的總稱。植物修復技術不僅包括對污染物的吸收和去除，也包括對污染物的原位固定和轉化，即植物提取技術、植物固定技術、根系過濾技術、植物揮發(fā)技術和根際降解技術。與重金屬污染土壤有關的植物修復技術主要包括植物提取、植物固定和植物揮發(fā)。植物修復過程是土壤、植物、根際微生物綜合作用的效應，修復過程受植物種類、土壤理化性質、根際微生物等多種因素控制。2.1植物提取植物提?。≒hytoext

6、raction）是指利用超積累植物吸收污染土壤中的重金屬并在地上部積累，收割植物地上部分從而達到去除污染物的目的。植物提取分為兩類，一類是持續(xù)型植物萃?。–ontinuous phytoextraction），直接選用超富集植物吸收積累土壤中的重金屬；另一類是誘導性植物提取 （Induced phytoexraction），在種植超積累植物的同時添加某些可以活化土壤重金屬的物質，提高植物萃取重金屬的效率。超積累植物（Hyperaccumulator）是指相對于普通植物能從土壤或水體中吸收富集高含量的重金屬，并具有將重金屬從植株的地下部向地上部大量轉運的特殊能力，表現出很高的富集系數。超富集植物

7、的界定一般有 3個：（1）植物地上部重金屬濃度積累達到一定臨界值；（2）生物富集系數（地上部重金屬濃度/土壤重金屬濃度）>1；（3）轉運系數（地上部重金屬濃度/地下部重金屬濃度）>1。植物提取技術的關鍵是超富集植物的篩選，目前世界上發(fā)現超富集植物 400 多種。關于植物提取技術的研究近年來成為科學界的研究熱點，在實際污染場地的工程應用中也得到了推廣應用。鳳尾蕨屬的蜈蚣草（Pteris vittata L.）是世界上首次發(fā)現的 As超富集植物1，對 As 具有超強的富集能力，通過刈割可以提高其對砷的去除能力。陳同斌等已在湖南郴州建立了世界上第一個砷污染土壤的植物修復工程示范基地。后來

8、相關調查和試驗研究發(fā)現鳳尾蕨屬的大葉井口邊草（Pteris cretica L.）和粉葉蕨（Pityrogrammacalomelanos）也是砷的超富集植物2。中科院華南植物園張杏峰等開展牧草對重金屬污染土壤修復潛力的研究，發(fā)現雜交狼尾草（Pennisetum americanum（L.）Leeke × P. purpureumSchumach）和熱研 11 號黑籽雀稗（Paspalum atratum cv. Reyan No. 11）可作為植物提取技術的優(yōu)良草種，前者可修復 Cd 和 Zn 污染土壤，后者可修復 Cd 污染土壤3。研究表明 EDTA 和 EDDS是強化植物提取重

9、金屬的高效螯合劑，添加 EDTA 可導致龍葵葉部、莖部和根部 Zn 濃度分別提高 231%、93%和 81%；添加 EDDS 導致龍葵葉部、莖部和根部Zn 積累濃度分別提高 140%、124%和 104%4。此外，天然螯合劑檸檬酸、草酸、酒石酸等也可以提高植物提取重金屬的效率。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屬的過程。重金屬被根系吸收積累或者吸附在根系表面，也可通過根系分泌物在根際中被固定。此外，植物根際微生物（細菌和放線菌）通過改變根際土壤性質（如 p H 和 Eh）而影響重金屬在根際的化學形態(tài)，也有利于降低重金屬對植物根系的毒性5。

10、植物固定可降低土壤中重金屬的移動性和生物有效性，阻止重金屬向地下水和空氣的遷移及其在食物鏈的傳遞。植物固定技術并非真正意義上從土壤中去除重金屬，只是將重金屬固定在植物根部或根際土壤中，因此開展修復土壤的長期監(jiān)測是必須的。植物固定對干旱、半干旱區(qū)的尾礦堆置地修復具有廣闊的應用前景，可以實現此類污染場地的植被重建6。串葉松香草（Silphium perfoliatum Linn）可應用于 Cd 污染土壤的修復7。2.3植物揮發(fā)植物揮發(fā)（Phytovolatilization）是指利用植物根系分泌的一些特殊物質或微生物使土壤中的 Se、Hg、As等轉化為揮發(fā)形態(tài)以去除其污染的一種方法。植物揮發(fā)技術適

11、用于修復那些 Se、Hg、As 污染的土壤。在 Se 污染土壤中種植芥菜可以通過揮發(fā)形式去除土壤 Se8。洋麻可使土壤中三價硒轉化為揮發(fā)性的甲基硒從而達到去除的目的9。種植煙草可以使土壤中的汞轉化為氣態(tài)的汞而把土壤中的汞去除10。氣態(tài) Se、Hg、As 等揮發(fā)到大氣中易引發(fā)二次污染，因此要妥善處置植物揮發(fā)產生的有害氣體。植物修復技術較傳統的物理、化學修復技術具有技術和經濟上的雙重優(yōu)勢，主要體現在以下幾個方面：（1）可以同時對污染土壤及其周邊污染水體進行修復；（2）成本低廉，而且可以通過后置處理進行重金屬回收；（3）具有環(huán)境凈化和美化作用，社會可接受程度高；（4） 種植植物可提高土壤的有機質含量

12、和土壤肥力。但是植物修復技術也有缺點，如植物對重金屬污染物的耐性有限，植物修復只適用于中等污染程度的土壤修復；土壤重金屬污染往往是幾種金屬的復合污染，一種植物一般只能修復某一種重金屬污染的土壤，而且有可能活化土壤中的其他重金屬；超富集植物個體矮小，生長緩慢，修復土壤周期較長，難以滿足快速修復污染土壤的要求。目前，基因工程技術可以克服上述植物修復技術上的某些弱點，但采用基因工程技術培育轉基因植物用于重金屬污染土壤的修復尚處于比較有爭議的階段，轉基因植物容易誘發(fā)物種入侵、雜交繁殖等生態(tài)安全問題11。2.4化學誘導植物修復技術強化修復化學誘導植物修復技術是指通過向土壤中施加化學物質，來改變土壤重金屬

13、的形態(tài)，提高重金屬的植物可利用性來提高重金屬的去除效果11。在化學誘導植物修復技術中，使用最多的化學物質是螯合劑，其余依次為酸堿類物質、植物營養(yǎng)物質、共存離子物質以及近年來新出現的植物激素、腐質酸、表面活性劑等。這里著重探討螯合劑，表面活性劑對植物修復的強化作用。向土壤中添加螯合劑誘導植物修復的基本原理是擾動污染物在土壤液相濃度和固相濃度之間的平衡。當螯合劑投加到土壤后，其和土壤重金屬發(fā)生螯合作用，能夠形成水溶性的金屬螯合劑絡合物，改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，提高重金屬的生物有效性，進而可以強化植物對目標重金屬的吸收12-13。常見的螯合劑種類有兩類：一類是人工合成的螯合劑，主要有 EDTA

14、、HEDTA、CDTA、EGTA 等；第二類是天然的螯合劑，主要包括檸檬酸、蘋果酸等一些低分子量有機酸和無機化合物如硫氰化銨等。Piechalak 等14報道在 200 mg/kg Pb 的土壤中，添加 292 mg 的 EDTA，同對照相比，豌豆對 Pb 的富集量增加了 67%。Hong Chen 等15研究的結果表明，添加EDTA、HEDTA 后向日葵莖葉中 Cd、Ni 的含量由不添加時的 34 mg/kg、15 mg/kg 分別增至 115 mg/kg、117 mg/kg；1.0 mg/kg 的 HEDTA 和 EDTA 對土壤 Ni的活化效果要比 0.5 mg/kg 的 EDTA 和

15、HEDTA 好。由此可見，螯合劑種類用量是影響螯合強化修復效率的重要因素。不同螯合劑對重金屬有一定的選擇性，根據土壤重金屬污染狀況，選擇合適的“重金屬螯合劑”組合將會顯著提高螯合強化修復的效率。表面活性劑是一種親水親脂性化合物，增加細胞的膜透性，它的兩親性使之能與膜中成分的親水和親脂基團相互作用，從而改變膜的結構和透性，促使植物對重金屬的吸收。利用表面活性劑強化植物修復土壤重金屬污染是建立在表面活性劑、重金屬、土壤、植物四者之間的關系的基礎上的。在含 Cd、Cu、Zn 分別為 25 mg/kg、30 mg/kg、700 mg/kg 的土壤上種植萵苣與黑麥草，用表面活性劑處理后，3 種重金屬在地

16、上部分的含量比對照增加了 424 倍，但生物量有所下降16。王莉瑋和陳玉成等17-18研究發(fā)現，聯合使用表面活性劑和螯合劑，通過二者對土壤重金屬的活化作用，以及表面活性劑增強植物根系對重金屬螯合物透性的作用，可以顯著促進植物對重金屬的吸收和向地上部轉運。盡管添加螯合劑和表面活性劑具有強化植物修復的效果，但其應用還存在潛在的環(huán)境風險和不利因素。當二者施用濃度過高會對土壤微生物和植物產生毒性，抑制植物的生長，并引起重金屬淋溶下滲到地下水導致地下水的污染。因此可考慮采用易降解、無毒性的表面活性劑，如生物表面活性劑。2.5基因工程技術強化修復隨著生命科學理論和分子生物學技術的迅猛發(fā)展，基因工程技術被認

17、為是改良植物對重金屬耐性和富集能力的一條有效途徑，并成為強化植物修復領域最具有潛力的發(fā)展方向之一?；蚬こ碳夹g將金屬螯合劑、金屬硫蛋白（MTs）、植物螯合肽（PCs）和重金屬轉運蛋白基因等轉入超積累植物，能有效增加植物對金屬的提取，從而提高植物修復的效率。2.6 農藝措施強化修復技術2.6.1土壤施肥強化修復施肥是傳統農藝措施的重要組成部分，將其用于強化重金屬污染土壤的植物修復，可促進植物生長，提高植物生物量，進而提高植物累積重金屬總量20。肥料主要通過和重金屬的相互作用，影響土壤對重金屬的吸附解析，改變土壤重金屬的形態(tài)，進而改變重金屬在土壤中的活性，影響植物對其吸收、積累21。在施肥強化植物

18、修復研究中常用的肥料有氮、磷、鉀肥和復合有機肥以及 CO2氣肥等。席磊22研究發(fā)現 CO2施肥促進了向日葵和印度芥菜的生長和發(fā)育，當 CO2在 1 200 L/L 時，向日葵與印度薺菜相比對照 350 L/L 地上部生物量分別增長了 9.19%和 53.62%。Tang 等23通過土培實驗研究也認識到：CO2濃度升高不僅有利于提高印度芥菜和向日葵抗銅脅迫能力，顯著促進了其地上部生物量的提高，而且還可誘導這 2 種植物超積累銅，在 800 L/LCO2濃度下向日葵葉部含銅量達 2 539 mg/kg，印度芥菜含銅量高達 4 586 mg/kg，并改變了植物的生物富集系數和植物中銅的葉/根比。宮恩

19、田24實驗也發(fā)現，CO2濃度升高能促進玉米的生長發(fā)育，使玉米的生長發(fā)育期提前，較早產生開花現象；抵抗 Cu 脅迫環(huán)境的能力增強；病蟲害減少。2.6.2植物栽培與田間管理措施強化植物修復的栽培與田間管理措施主要有翻耕、搭配種植、刈割及輪作、間作、套作等24。在污染土壤經翻耕后，可以將深層重金屬翻到土壤表層根系分布較密集區(qū)域，或適當地進行中根松土，這樣既可促進根系生長發(fā)育又能改變污染物質的空間位移，促進植物與重金屬的接觸，從而提高植物修復效果。采取必要的搭配種植，間作或套種 2種或 2種以上超富集植物可縮短修復時間，提高修復效率。Wu 等25利用鋅、鎘超富集植物東南景天與普通植物（玉米）進行套種，

20、在進行重金屬污染土壤修復的同時還有一定經濟產出，降低了土壤修復的經濟成本。國內學者溫麗等26用黑麥草對重金屬污染土壤進行 90d 的盆栽實驗表明，刈割可以促進黑麥草對 Pb 的吸收，使 Pb 的總吸收量增加了 34.12%。國外學者也發(fā)現，通過雙季栽培或在花序階段之后收割可增加龍葵生物產量，龍葵修復鎘污染土壤的植物修復效率提高了 9.1。3植物微生物聯合修復技術當前國內外重金屬污染土壤的治理有兩種不同的途徑：一是固定或鈍化重金屬，將有效態(tài)轉化為無效態(tài)，使土壤重金屬的有效濃度降低到無害的水平，從而降低土壤重金屬元素的生物毒性，控制重金屬進入食物鏈和污染周邊環(huán)境；二是活化重金屬，通過促進生物吸收提

21、高土壤重金屬的去除效率，使土壤重金屬的總量降低到無害的水平。植物-微生物聯合修復體系同時具備上述兩種功能，其中植物根系、根際微生物及其代謝產物在控制重金屬元素形態(tài)轉化中發(fā)揮重要的作用，而根際微生物的吸收、富集和向地上部分的轉移決定土壤重金屬的去除效率，其強化功能主要表現在以下三個方面：（1）以菌根、內生菌等方式與植物根系形成聯合體，提高植物抗重金屬毒性的能力，通過增強植物抗性來提高植物存活率和生長速率； （2）通過轉化重金屬形態(tài)優(yōu)化植物根際環(huán)境，通過改善植物生存條件來促進植物生長，提高植物的生物量；（3）在協同與共生作用下，促進根系發(fā)展，增大植物根部吸收量和增強植物向其地上部分轉運重金屬的能力

22、。3.1 改變重金屬形態(tài)與價態(tài)，增加植物對重金屬吸收 植物修復效率在很大程度上依賴于重金屬的生物有效性，因此根際細菌、內生菌以及菌根真菌作用改變重金屬形態(tài)與價態(tài)，活化土壤重金屬的功能可增強植物對重金屬的吸收。根際微生物的代謝可把一些大分子化合物轉化為小分子化合物，這些轉化產物如有機酸、鐵載體和生物表面活性劑等對植物根際的重金屬有顯著的活化作用，微生物分泌的螯合物還可與植物體內重金屬結合，改變重金屬在植物體內的存在形態(tài)，促進重金屬向地上部分轉運。4重金屬污染土壤修復實踐Madejón 等在西班牙 Guadiamar 河附近的一塊污染土壤進行了 6 年施用生物固體堆肥、風化褐煤和糖酸鹽等

23、改良劑的大田試驗，發(fā)現一些改良劑處理可顯著地降低土壤中重金屬的有效態(tài)含量，從而降低土壤重金屬的污染風險。在礦區(qū)土壤中，采用原位化學固定技術和植物修復技術相結合的方式，可以促進這些地區(qū)植被的恢復，這些措施均可以降低土壤重金屬的淋溶損失和徑流損失。在加拿大的 Sudbury 市，受到礦產開發(fā)和冶煉的影響，約 30 km2土壤遭受重金屬的嚴重污染，植被寸草不生，通過添加生石灰和有機肥，成功地使該地區(qū)植被得到較好的恢復。植物修復比常規(guī)技術治理成本低，據國外報道，對一塊污染土地進行 5 年的治理，采用植物修復技術的費用為25 萬美元，而常規(guī)的治理技術需要 66 萬美元29。近20 多年來，發(fā)達國家紛紛圍

24、繞礦區(qū)污染土地的植物修復技術進行大量的研發(fā)工作，并且在工程應用方面也取得顯著成效，使某些植物修復技術開始進入產業(yè)化推廣應用階段。2000 年在北美和歐洲植物修復技術就占到 4 億美元的市場，2005 年僅美國植物修復技術的市場將達到 25 億美元30。預期在不久的將來，該技術有望形成一個具有巨大增長潛力的新型環(huán)保產業(yè)。據不完全統計，我國受到 Cd、As、Pb、Hg、Zn 等重金屬污染的耕地近 2000 萬 hm2，約占總耕地面積的 1/5，其中鎘污染耕地 1.33 萬 hm2，涉及 11 個省 25個地區(qū)；被汞污染 3.2 萬 hm2，涉及 15 個省 21 個地區(qū)。國內已經在重金屬污染土壤修

25、復方面進行了一定的工作。1999 年中國科學院地理科學與資源研究所環(huán)境修復中心陳同斌領導的研究組在中國本土發(fā)現世界上第一種砷的超富集植物蜈蚣草后，研究開發(fā)出植物修復成套技術，包括超富集植物育種、栽培、管理、施肥、微生物和化學調控劑等配套措施或優(yōu)化工藝等，在湖南郴州、浙江富陽和廣東樂昌的 As、Cu、Pb 污染土壤上建立了 3 個植物修復示范工程。其中，湖南郴州砷污染土壤植物修復示范工程已穩(wěn)定運行5 年以上，在砷污染土壤的植物修復和砷富集技術方面取得突破31-32。華南農業(yè)大學吳啟堂教授的研究組利用超富集 Cd 和 Zn 的植物東南景天、石灰、過磷酸鈣和廢料碳酸鈣對農田重金屬污染土壤進行植物-化

26、學聯合修復，使作物籽粒中 Cd、Zn 和 Cu 含量降低到了國家食品衛(wèi)生標準允許的含量水平33-34。一些研究者利用苧麻對重金屬污染土壤進行修復，取得了較好的效果35-36。5研究展望5.1植物修復技術的優(yōu)缺點重金屬污染土壤的植物修復技術作為一種新興的生物修復技術，它具有物理、化學修復方法所無法比擬的優(yōu)點，具體表現為治理成本低，效果永久；治理過程是原位修復，對土壤環(huán)境擾動??；修復過程一般無二次污染，某些金屬元素甚至可回收利用；兼有環(huán)境美學性37。因此，植物修復是可靠的、環(huán)境相對安全的技術，是真正意義上的開展了大量的重金屬污染土壤修復工作38. “綠色修復技術”38。5.2建議（1）保護并繼續(xù)尋

27、找超積累植物（2）深入研究植物吸收、運輸重金屬機制。（3）對于富集過重金屬的超積累植物進行加工處理，提高重金屬的回收率，避免二次污染。參考文獻：1 Chen T B, Wei C Y, Huang Z C, et al. Arsenic hyperaccumulator Pterisvittata L. and its arsenic accumulationJ. Chin Sci Bull, 2002, 47（11）：902-905.2 韋朝陽, 陳同斌, 黃澤春, 等. 大葉井口邊草 一種新發(fā)現的富集砷的植物J. 生態(tài)學報, 2002, 22（5）：777-778.3 Marques A,

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