重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展目錄土壤重金屬污染來(lái)源現(xiàn)狀植物修復(fù)概念類型應(yīng)用實(shí)例超積累植物吸收重金屬的生理及分子生物學(xué)機(jī)制對(duì)重金屬的 耐性和解毒 機(jī)制對(duì)重金屬的 活化和吸收 機(jī)制對(duì)重金屬的 轉(zhuǎn)化和富集 機(jī)制問(wèn)題和展望參考文獻(xiàn)一、土壤重金屬污染來(lái)源：工業(yè)污染（工廠排放的煙塵、廢氣、固體廢棄物、工業(yè)廢水等）農(nóng)業(yè)污染（農(nóng)藥、化肥、飼料等）交通運(yùn)輸（汽車尾氣、輪胎磨損等）現(xiàn)狀：表1是今年對(duì)中國(guó)各城市土壤重金屬含量的統(tǒng)計(jì)，可見(jiàn)，Cdg標(biāo)的城市最多，16%的城市C的量超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，36%城市的C的量為土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的一半；As、Hg>Cr均未超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；僅有金昌市的Cuf^量超標(biāo),Cu含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)含量一半的城市約占30%;約73%S市的Ni含量接近土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的一半；4^47哪市的H價(jià)量接近土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的一半。可見(jiàn)，重金屬CdS全國(guó)已造成一定程度的污染，而且在大多城市存在污染風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)Ni、Hg>Cu&存在一定白^污染風(fēng)險(xiǎn)[1]。二、植物修復(fù)植物修復(fù):將某種特定的植物種植在重金屬污染土壤或水體中，利用植物及其根系微生物對(duì)污染土壤、沉積物、地下水和地表水中的污染物進(jìn)行清除的一種有效的綠色修復(fù)技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：成本低、美化景觀、重金屬可部分回收、經(jīng)濟(jì)盈利、應(yīng)用面積大和不造成二次污染等優(yōu)勢(shì)，還具有提高土壤通氣效率及減少表面土壤侵蝕等間接效果，因此植物修復(fù)技術(shù)是一種高效、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)友好的新興綠色技術(shù) [2]。植物修復(fù)的類型：植物提?。豪媒饘俑患参锘虺患参飳⑼寥阑蛩w中的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)到植物的地上部分，再通過(guò)收獲植物將重金屬移走，以降低土壤或水體中的重金屬含量的過(guò)程。植物揮發(fā)：通過(guò)植物和根際微生物的作用，將環(huán)境中揮發(fā)性污染物吸收到體內(nèi)后再將其轉(zhuǎn)化為毒性小的揮發(fā)態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中，不需收獲和處理含污染物的植物。植物過(guò)濾：利用植物龐大的根系和巨大的表面積，從污染的水體中吸收、濃集、沉淀重金屬元素，再將植物收獲達(dá)到治理水體重金屬污染的目的。植物穩(wěn)定：耐性植物利用其自身的機(jī)械穩(wěn)定作用和吸收沉淀作用來(lái)固定土壤中重金屬的方式，可以降低重金屬的生物有效性和防止其進(jìn)入水體和食物鏈，從而降低其對(duì)環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)。水力泵技術(shù)：是利用一些根系深且發(fā)達(dá)的速生植物強(qiáng)大的蒸騰作用，將植物作為一種生物泵來(lái)減少地表污染物下滲進(jìn)入地下水或流入地表水體的技術(shù) [3]。植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例.植物穩(wěn)定(1)保護(hù)污染土壤不受侵蝕，減少土壤滲漏來(lái)防止金屬污染物的淋移。例如：英國(guó)的科學(xué)家在廢礦區(qū)種植耐重金屬植物， 并輔施大量化肥，不僅能穩(wěn)定礦山廢物，而且能建立良好的植被，同時(shí)選出了3種植物用于重金屬污染土壤的修復(fù)，并已開(kāi)始商業(yè)化，即Agrostistenuis(Goginan)修復(fù)酸性Pb/Zn的廢礦，F(xiàn)estucarubra(Merlin)修復(fù)石灰性Pb/Zn廢礦，Agrostistenuis(Parys)修復(fù)Cu廢礦[4]。(2)通過(guò)金屬在根部積累和沉淀或根表吸持來(lái)加強(qiáng)土壤中污染物的固定。例如：該方法最有應(yīng)用前景的例子是PbffiCr的鈍化。一般來(lái)說(shuō)，土壤中Pbl勺生物有效性較高，而Pb磷磷酸鹽礦物則比較難溶，難以被生物所利用，所以植物固定技術(shù)主要應(yīng)用于礦山廢棄地、城市垃圾填埋場(chǎng)、污水處理廠、污泥和各種污染土壤的修復(fù)。適用于固化污染土壤的理想植物，是一些忍耐性高、根系發(fā)達(dá)的多年生常綠植物，如高山甘薯、九節(jié)木薯、天藍(lán)遏藍(lán)菜等[5]o.植物揮發(fā)研究表明，很多植物能吸收污染土壤的 Se,并將其轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)態(tài)的二甲基二硒或二甲基硒，土壤中的Se是以一種與硫類似的方式被植物吸收的，而在植物體內(nèi)，硫通過(guò)ATPj^化酶的作用還原為含硫化合物。PilonSmits等運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù)證明印度芥菜(BrassicaJuncea)體內(nèi)S3勺還原作用也是由該酶催化的，而且該酶是硒酸鹽同化為有機(jī)態(tài)硒的主要限速酶； 同時(shí)也發(fā)現(xiàn)根際細(xì)菌在植物體內(nèi)硒化合物的還原、同化為有機(jī)硒過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，它能促進(jìn)硒酸根通過(guò)質(zhì)膜進(jìn)入根內(nèi)，從而促進(jìn)植物對(duì)硒的吸收[6]oZayed等已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些商業(yè)性蔬菜作物的植物揮發(fā)作用明顯，其中花椰菜對(duì) Se的年移出量較大，此外，卷心菜、胡蘿卜、水稻等都有一定程度的吸收作用[7]。Heaton等利用轉(zhuǎn)基因水生植物鹽蒿和陸生植物擬南芥、煙草來(lái)移除土壤中的無(wú)機(jī)H中口甲基Hg,這些植物攜帶有經(jīng)修飾的細(xì)菌的HgiS原酶修飾基因merA可將根系吸收的HgU子轉(zhuǎn)化成低毒的Hg,從植物體中揮發(fā)出來(lái)[7]。.植物過(guò)濾適用于根系過(guò)濾技術(shù)的植物，主要有水生植物、半水生植物，也有個(gè)別陸生植物，如各種耐鹽野草、向日葵、寬葉香蒲等。此類技術(shù)則較適合于水田、池塘以及水體的重金屬污染治理 [8]。.植物提取-超積累植物是關(guān)鍵通常，超積累植物的界定可考慮以下因素：（1）超積累植物的生物富集系數(shù) （植物地上部分重金屬含量與土壤重金屬含量的比值）＞1;（2）植物地上部分重金屬含量與根中重金屬含量的比值〉 1,這表明植物能有效地把重金屬?gòu)母D(zhuǎn)運(yùn)到地上部分；（3）超積累植物對(duì)重金屬具有耐性能力，能解除重金屬對(duì)植物造成的毒性。但是由于各種重金屬在地殼中的豐度及在土壤和植物中的背景值存在差異，所以不同重金屬對(duì)應(yīng)的超富集植物的定義或濃度界限也有所不同[9]。目前，采用較多的是由Baker等提出的富集濃度參考值，即植物葉片或地上部（干重）中含Cd4到100仙g/g,含PBCoCu＞Ni達(dá)到1000Ng/g,Mn、Znte至M0000仙g/g以上,S（植物地上部重金屬含量）/R（根部重金屬含量）＞1的植物稱為超富集植物[9]。三、超積累植物吸收重金屬的生理及分子生物學(xué)機(jī)制【解毒機(jī)制】原理：超積累植物體內(nèi),有85%-90%的重金屬離子是與植物體內(nèi)金屬配位體結(jié)合形成螯合物,從而限制了金屬在植物體內(nèi)的移動(dòng)性 ,達(dá)到解毒的目的。金屬配位體包括脯氨酸、組氨酸等氨基酸中的羧基、氨基、巰基等功能團(tuán)，有機(jī)酸和植物在重金屬脅迫下產(chǎn)生的一些新的蛋白，如包含疏基的金屬硫蛋白、植物鰲合素和谷胱甘肽等 [16]。例如：植物螯合肽 （PCs）是植物體內(nèi)一類重要的非蛋白質(zhì)形態(tài)富半胱氨酸的寡肽 ,被看成是第三類MTs（植物金屬硫蛋白），參與植物體內(nèi)重金屬解毒過(guò)程。PCS!過(guò)巰基與金屬離子整合形成無(wú)毒化合物,減少細(xì)胞內(nèi)游離的重金屬離子 ,從而減輕重金屬對(duì)植物的毒害作用。Inouhe等研究發(fā)現(xiàn)，赤豆細(xì)胞對(duì)Cdft感,Cd處理不能誘導(dǎo)其合成PCs,原因在于該細(xì)胞系缺乏PC價(jià)成酶活性；同時(shí),PCs在植物中主要是作為載體將金屬離子從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)至液泡中發(fā)生解離，因而PCs寸重金屬毒性的緩解取決于其形成復(fù)合物的速度或跨液泡膜的轉(zhuǎn)運(yùn)速度 ,而非其在細(xì)胞中的濃度[17]Zhuetal將大腸桿菌的gshl與gsh2分別轉(zhuǎn)入芥菜(Brassicajuncea),發(fā)現(xiàn)該植物的耐Cd性與富集能力土§有明顯提高，且耐性和富集能力還與gsh2的表達(dá)成正相關(guān)，這一結(jié)果證明了gsh有助于植物對(duì)Cd3勺解毒作用.[18]轉(zhuǎn)MT次變體aa煙草可在含300仙mol?L-1CdW培養(yǎng)基中正常生長(zhǎng)，過(guò)量表達(dá)哺孚L動(dòng)物MTs勺煙草可以在100-200Nmol?L-1CdF正常生長(zhǎng)，而對(duì)照野生煙草在100-200Nmol?L-1CdT生長(zhǎng)嚴(yán)重受到抑制.[19]【吸收機(jī)制】原理：根際土壤中溶解的重金屬可通過(guò)質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑進(jìn)入根系。大部分的金屬離子通過(guò)專一或通用的離子載體通道蛋白進(jìn)入根細(xì)胞 ,非必要的重金屬可以與必要金屬競(jìng)爭(zhēng)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,以離子形態(tài)或者金屬螯合物形態(tài)進(jìn)入根細(xì)胞。例如：研究發(fā)現(xiàn)，Zn的超富集植物T.caerulescens(遏藍(lán)菜的一個(gè)種)和非超富集植物T.arvens存在同一類運(yùn)輸?shù)鞍?但由于T.caerulescens的根細(xì)胞膜上具有更多的運(yùn)輸?shù)鞍?從而使其根系從土壤中吸收到更多的Zn[21]。從另一個(gè)側(cè)面可以說(shuō)明,超富集植物對(duì)重金屬的吸收有很強(qiáng)的選擇性 ,因?yàn)橹亟饘偻ㄟ^(guò)根細(xì)胞膜進(jìn)入根細(xì)胞時(shí)是由專一性的通道蛋白調(diào)控的?！巨D(zhuǎn)運(yùn)和富集機(jī)制】原理：金屬離子從根系向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程主要發(fā)生在木質(zhì)部。此過(guò)程主要受2個(gè)過(guò)程的控制:從木質(zhì)部薄壁細(xì)胞轉(zhuǎn)載到導(dǎo)管和在導(dǎo)管中運(yùn)輸 ,后者主要受根壓和蒸騰流的影響。木質(zhì)部存在大量能夠與金屬離子結(jié)合的有機(jī)酸和氨基酸 ,這種絡(luò)合態(tài)是重金屬離子在木質(zhì)部中運(yùn)輸?shù)闹饕问健＠纾篫n2+在超富集植物T.caerulenscens的木質(zhì)部導(dǎo)管中的運(yùn)輸速率很快，且木質(zhì)部汁液中的Zn2+濃度大約是非超富集植物T.arvens的5倍[22]。四、問(wèn)題和展望【局限性】植物修復(fù)需時(shí)長(zhǎng)，惡劣的氣候條件等因素會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響植物修復(fù)的效率 ;如果污染物濃度過(guò)高，超積累植物對(duì)污染物的積累量是有限的，修復(fù)效率不高。目前重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)還處于田間試驗(yàn)與示范階段 ,尚未做到大規(guī)模推廣,對(duì)修復(fù)成本、修復(fù)植物后續(xù)處置風(fēng)險(xiǎn)等環(huán)節(jié)也尚未進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià) ,因此還需更多的田間結(jié)果來(lái)支撐這種技術(shù)的研究和發(fā)展。目前發(fā)現(xiàn)的超富集植物還不太多,且大多數(shù)只是對(duì)某一種重金屬具有超富集性,還未發(fā)現(xiàn)具有廣譜重金屬超富集特性的植物,這在當(dāng)今土壤污染多是復(fù)合污染的情況下應(yīng)用有一定局限性；目前發(fā)現(xiàn)的超富集植物大都比較矮小,生物量較低 ,生長(zhǎng)比較慢 ,修復(fù)污染較嚴(yán)重土壤的周期長(zhǎng)，且大多根系較短，只能清除土壤表層的重金屬；(6)目前對(duì)超富集植物吸收重金屬的機(jī)理研究，特別是對(duì)超富集植物根吸收重金屬并轉(zhuǎn)運(yùn)到地上組織以及重金屬的累積與忍耐等一些生理生化機(jī)制的研究進(jìn)展緩慢，阻礙了超富集植物分子生物學(xué)機(jī)制以及轉(zhuǎn)基因超富集植物的研究。【展望】(1)加強(qiáng)對(duì)超富集植物資源的生物修復(fù)性狀優(yōu)異種質(zhì)的篩選和發(fā)掘 ，同時(shí)充分運(yùn)用分子生物學(xué)和基因工程等先進(jìn)育種技術(shù)；(2)建立和完善邊生長(zhǎng)邊修復(fù)的技術(shù)體系和生態(tài)體系；(3)深入開(kāi)展復(fù)合金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)研究；(4)建立完善的植物修復(fù)工藝、設(shè)備、裝置；(5)加強(qiáng)研究超富集植物修復(fù)重金屬污染的強(qiáng)化措施；(6)開(kāi)展以植物修復(fù)為核心的化學(xué)、微生物、聯(lián)合修復(fù)技術(shù)；(7)促進(jìn)植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用推廣。參考文獻(xiàn)[1]胡蝶，陳文清.土壤重金屬污染現(xiàn)狀及植物修復(fù)研究進(jìn)展.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(5):2706-2707,2710[2]徐禮生，吳龍華，高貴珍,曹穩(wěn)根，陳志兵，徐德聰,駱永明.重金屬污染土壤的植物修復(fù)及其機(jī)理研究進(jìn)展，地球與環(huán)境，2010,38(3):372-377[3]陳興蘭，楊成波.土壤重金屬污染、生態(tài)效應(yīng)及植物修復(fù)技術(shù).環(huán)境整治,2010,3:58-62.[4]胡鵬杰，吳龍華，駱永明.重金屬污染土壤及場(chǎng)地的植物修復(fù)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用 .環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),2011,23(3):39-42[5]白潔，孫學(xué)，王道涵.土壤重金屬污染及植物修復(fù)技術(shù)綜述.生態(tài)環(huán)境2011,22(2):49-51[6]劉孝敏，趙運(yùn)林，度瑞銳.重金屬?gòu)?fù)合污染植物修復(fù)的研究進(jìn)展 .貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2011.39(10):214-218[7]張俊，付蓉蓉.土壤重金屬污染物來(lái)源及植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展 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