土壤-植物系統(tǒng)重金屬污染的研究進(jìn)展

土壤-植物系統(tǒng)重金屬污染的研究進(jìn)展

在現(xiàn)代社會(huì)，綠色文明豐富了整個(gè)世界，成為21世紀(jì)的主流文化和綠色企業(yè)。在農(nóng)業(yè)和食品領(lǐng)域,綠色食品和生態(tài)農(nóng)業(yè)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。綠色食品和生態(tài)農(nóng)業(yè)就是要求食品和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的原料產(chǎn)地、加工工藝及生產(chǎn)成品綠色化、無(wú)害化,不危及人類(lèi)健康和生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。加強(qiáng)土壤污染的化學(xué)及生態(tài)學(xué)研究對(duì)推動(dòng)綠色食品和生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。重金屬元素對(duì)土壤的污染及其對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)的危害是當(dāng)前研究土壤化學(xué)和農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的熱點(diǎn)之一。1化學(xué)作用及其應(yīng)用重金屬元素進(jìn)入土壤后與土壤中的有機(jī)物、微生物及礦物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的生物物理化學(xué)作用,表現(xiàn)出各自特殊的環(huán)境化學(xué)特性。本文所涉及的重金屬元素是指Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、Cr、Se、Mn等,它們?cè)谕寥乐械男螒B(tài)分布、遷移轉(zhuǎn)化、富集累積因自身的化學(xué)性質(zhì)及土壤性質(zhì)和作物的差異而具特性。1.1農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重金屬形態(tài)的分布。據(jù)外部分重金屬在土壤中的形態(tài)是其所處能理狀態(tài)的反應(yīng),與土壤中的其他物質(zhì)結(jié)合而以一定的形態(tài)存在,它的遷移與傳輸就是在一定的形態(tài)下進(jìn)行的。當(dāng)重金屬進(jìn)入土壤后與土壤中的礦物質(zhì)(主要是黏土礦物和硅酸鹽礦物)、有機(jī)物(主要是植物生理代謝的產(chǎn)物,如腐植酸等)及微生物發(fā)生吸附、絡(luò)合和礦化作用,伴隨著能量的變化,導(dǎo)致重金屬元素的賦存形式的改變以及時(shí)空遷移變化。莫爭(zhēng)等人研究了Cu、Pb、Zn、Cd、Cr等重金屬元素在土壤中的形態(tài)分布和轉(zhuǎn)化規(guī)律,指出重金屬元素Cu、Pb、Zn、Cd、Cr在土壤中主要以可溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機(jī)態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)的形態(tài)存在。土壤本底中不同重金屬的形態(tài)分布的百分比不同。其中絕大部分是殘?jiān)鼞B(tài)的形式存在,有機(jī)態(tài)、鐵錳氧化態(tài)和碳酸鹽態(tài)優(yōu)于可交換態(tài)和可溶態(tài);但當(dāng)外源重金屬進(jìn)入土壤以后其形態(tài)會(huì)不斷地發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化,可溶態(tài)重金屬進(jìn)入土壤后轉(zhuǎn)化為可交換態(tài)其濃度迅速下降;交換態(tài)和碳酸鹽態(tài)重金屬先微弱上升,然后迅速下降;鐵錳氧化態(tài)重金屬先上升,在烤田期達(dá)到最大值,然后迅速下降,成熟期又微弱上升;有機(jī)態(tài)重金屬不斷上升;殘?jiān)鼞B(tài)重金屬或變化不大,或先上升后逐步穩(wěn)定,水稻田里的重金屬主要是在鐵錳氧化態(tài)、有機(jī)態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)間進(jìn)行積累。這種重金屬形態(tài)的轉(zhuǎn)化主要受植物的生理生長(zhǎng)情況、土壤類(lèi)別及作物種類(lèi)影響,并伴隨著遷移性和生物有效性的變化。該項(xiàng)研究還指出可溶態(tài)和可交換態(tài)生物有效性最強(qiáng)的重金屬形態(tài)在土壤中存在著一個(gè)向碳酸鹽態(tài)、鐵錳氧化態(tài)等形態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程;同時(shí),土壤中作物根系的分泌物不斷溶解碳酸鹽態(tài)、鐵錳氧化態(tài)重金屬,使金屬的遷移性和有效性增強(qiáng)。王新等人研究指出土壤中的Hg主要以金屬Hg、無(wú)機(jī)化合態(tài)汞和有機(jī)化合態(tài)汞的形式存在;有機(jī)化合態(tài)的汞主要是有機(jī)汞(甲基汞和乙基汞等)和有機(jī)絡(luò)合態(tài)的汞,且有機(jī)汞中的甲基汞易被植物吸收;土壤中的無(wú)機(jī)汞則很難被吸收;進(jìn)入土壤中的Hg除一部分能被土壤迅速吸附或固定,還有一部分Hg可通過(guò)土壤侵蝕、淋溶、植物吸收及元素Hg的形式發(fā)生水、氣、生物遷移。重金屬元素進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)后,Pb、Cd、Hg大部分積累于耕作層土壤,易被作物吸收,很難向下包氣帶遷移;而Cr等則部分積累于耕作層,其余部分向下包氣帶、含水層遷移,有可能污染地下水;同時(shí)作物籽實(shí)重金屬元素含量與灌溉水質(zhì)、土壤性質(zhì)、作物根系性質(zhì)等有著定量的數(shù)學(xué)關(guān)系,其在土壤植物中的遷移吸收具有一定的模式,如圖1所示。1.2超量累積植物重金屬元素進(jìn)入土壤以后只有具有遷移性的可溶態(tài)和可交換態(tài)具有生物有效性,才能與作物發(fā)生吸附作用,并在植物體內(nèi)運(yùn)輸和重新分布,與植物體內(nèi)的特定物質(zhì)反應(yīng)從而引起相應(yīng)的生理生態(tài)效應(yīng),表現(xiàn)出一定的器官選擇性、生長(zhǎng)適應(yīng)性和種屬特異性。蘇國(guó)興等人研究高嶺礦、銅鋅礦廢棄尾礦堆放區(qū)的植物分布時(shí)發(fā)現(xiàn):高嶺土礦土僅生長(zhǎng)狼把草,偶見(jiàn)一些金狗草,銅鋅廢棄尾礦上僅生柔枝莠竹和稗草兩種植物,兩礦含有Cu、Zn、Cr、Mn等重金屬元素;尾礦堆積區(qū)植物種類(lèi)少,長(zhǎng)勢(shì)弱,說(shuō)明這些重金屬元素能抑制植物生長(zhǎng)而形成了超量累積植物的選擇生長(zhǎng);這些元素進(jìn)入植物體內(nèi)主要分布在植物的地下部分,狼把草主要累積Zn、Mn,柔枝莠竹則可富積Zn、Cu、Mn等。易俗等人研究鈾冶煉廠附近水稻、白菜、茶葉及柑橘食用部分中重金屬含量時(shí)發(fā)現(xiàn),Mn、Cd、Cr、Pb在四種作物中的含量及生物學(xué)轉(zhuǎn)移參數(shù)Bv具有種屬性差異。王威等人研究鉻污染對(duì)植物生長(zhǎng)影響時(shí)發(fā)現(xiàn)鉻抑制喬木生長(zhǎng),而對(duì)車(chē)前、地膚等野生植物能形成超量累積選擇性生長(zhǎng),鉻在這些植物根部的含量與其在土壤中的濃度顯著相關(guān)。重金屬元素在作物中的分布累積具有劑量-效應(yīng)關(guān)系和組織器官差異性;低劑量時(shí)累計(jì)系數(shù)高,相反高劑量時(shí)累計(jì)系數(shù)低,但累積的絕對(duì)量隨劑量的增大而增大;大多數(shù)作物不同器官含量水平差異大,通常是根>莖葉>籽實(shí);多種重金屬元素共存于土壤-植物系統(tǒng)時(shí)還會(huì)表現(xiàn)出一定的協(xié)同拮抗效應(yīng),與土壤中植物根系分泌物、微生物及其分泌物等造成的土壤溶液中重金屬元素的生物有效遷移態(tài)有關(guān)。劉秀梅等人研究農(nóng)作物中的分布規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物中Pb含量具有種屬差異性,并且有的農(nóng)作物莖葉Pb含量高于根,而有些農(nóng)作物的根鉛含量高于莖葉;此外還發(fā)現(xiàn)低濃度的鉛能促進(jìn)植物的正常生長(zhǎng),作物莖葉內(nèi)硝酸還原酶活性、可溶性糖的含量、葉綠素含量均有不同程度的增加,但隨著Pb離子濃度的增加,其促進(jìn)作用變?yōu)橐种谱饔?高濃度的鉛嚴(yán)重阻礙作物的生理活動(dòng)。劉軍等人從細(xì)胞級(jí)和器官級(jí)研究了藥用植物中鉛的形態(tài)和分布,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉛的形態(tài)和分布規(guī)律與其在植物體內(nèi)的遷移過(guò)程有關(guān),與體內(nèi)的細(xì)胞壁、維管的壁、蛋白質(zhì)、多肽、有機(jī)酸及無(wú)機(jī)離子的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。戈峰等人發(fā)現(xiàn)蚯蚓能富集硒和銅元素,可以將蚯蚓用作土壤重金屬的監(jiān)測(cè)指示物。2土壤重金屬污染治理方法土壤被污染后,為了避免其對(duì)植物生長(zhǎng)和通過(guò)食物鏈對(duì)人類(lèi)造成危害,需將其從土壤中清除掉。重金屬污染的土地的修復(fù)技術(shù)主要有兩條途徑,其一是改變重金屬元素在土壤中的存在形態(tài),使其由活化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài),其二就是從土壤中去除重金屬元素,使土壤中的重金屬元素的濃度接近或達(dá)到背景含量水平。目前采用的治理方法主要有(1)物理化學(xué)法,即熱處理技術(shù)、淋濾法、洗土法及施用調(diào)控劑法;(2)生物修復(fù)技術(shù),即植物修復(fù)及微生物修復(fù)。當(dāng)前研究得最活躍的修復(fù)技術(shù)主要是植物修復(fù)及微生物修復(fù)。植物修復(fù)主要是利用植物來(lái)消除由無(wú)機(jī)廢棄物造成的污染,植物修復(fù)主要包括植物提取、植物轉(zhuǎn)化、植物揮發(fā)、植物固定及植物促進(jìn)。其中運(yùn)用最廣泛的是植物吸收,主要通過(guò)尋找超高量累積重金屬的植物進(jìn)行播種,將土壤中的重金屬元素吸收轉(zhuǎn)移至植物中清除污染。應(yīng)用現(xiàn)代基因重組技術(shù)培育超高量累積植物來(lái)實(shí)現(xiàn)土壤重金屬的清除。微生物修復(fù)則是利用微生物對(duì)某些重金屬的吸收、沉積、氧化和還原等作用,減少植物攝取,從而降低重金屬的毒性。蚯蚓通過(guò)富集Se作用可生產(chǎn)高硒產(chǎn)品,作為人類(lèi)食品;通過(guò)蚯蚓富銅作用可去除礦山中的有毒物質(zhì),改良土壤。3多種修復(fù)技術(shù)方案的綜合運(yùn)用,引起多種微生物解決土壤重金屬元素的污染應(yīng)加強(qiáng)重金屬元素土壤生態(tài)化學(xué)行為和修復(fù)技術(shù)的研究,特別是應(yīng)用前景