植物修復重金屬土壤綜述

植物修復重金屬土壤綜述蘇州科技大學《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

高；（4）種植植物可提高土壤的有機質含量和土壤肥力。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(xiàn)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、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200mg/kgPb的土壤中，添加292mg的EDTA，同對照相比，豌豆對Pb的富集量增加了67%。HongChen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34mg/kg、15mg/kg分別增至115mg/kg、117mg/kg；1.0mg/kg的HEDTA和EDTA對土壤Ni的活化效果要比0.5mg/kg的EDTA和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(jù)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25mg/kg、30mg/kg、700mg/kg的土壤上種植萵苣與黑麥草，用表面活性劑處理后，3種重金屬在地上部分的含量比對照增加了4～24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(xiàn)，聯(lián)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(chǎn)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。基因工程技術將金屬螯合劑、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(nóng)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(tǒng)農(nóng)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(xiàn)CO2施肥促進了向日葵和印度芥菜的生長和發(fā)育，當CO2在1200μL/L時，向日葵與印度薺菜相比對照350μL/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800μL/LCO2濃度下向日葵葉部含銅量達2539mg/kg，印度芥菜含銅量高達4586mg/kg，并改變了植物的生物富集系數(shù)和植物中銅的葉/根比。宮恩田[24]實驗也發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生開花現(xiàn)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(jīng)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?shù)剡M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，在進行重金屬污染土壤修復的同時還有一定經(jīng)濟產(chǎn)出，降低了土壤修復的經(jīng)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(xiàn)，通過雙季栽培或在花序階段之后收割可增加龍葵生物產(chǎn)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(lián)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(lián)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(chǎn)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(xiàn)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(lián)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(xié)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。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(chǎn)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改良劑的大田試驗，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)開發(fā)和冶煉的影響，約30km2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(jù)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)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(jīng)在重金屬污染土壤修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(xiàn)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(nóng)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(nóng)田重金屬污染土壤進行植物-化學聯(lián)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(xiàn)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?。恍迯瓦^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]ChenTB,WeiCY,HuangZC,etal.ArsenichyperaccumulatorPterisvittataL.anditsarsenicaccumulation[J].ChinSciBull,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(xiàn)的富集砷的植物[J].生態(tài)學報,2002,22（5）：777-778.[3]MarquesA,OliveiraR,SamardjievaK,etal.EDDSandEDTA-en－h(huán)ancedzincaccumulationbysolanumnigruminoculatedwitharbus－cularmycorrhizalfungigrownincontaminatedsoil[J].Chemosphere,2008,70（6）：1002-1014.[4]VangronsveldJ,HerzigR,WeyensN,etal.Phytoremediationofcon－taminatedsoilsandgroundwater：Lessonsfromthefield[J].Environ－mentalScienceandPollutionResearch,2009,16：765-794.[5]MendezM,MaierR.Phytostabilizationofminetailingsinaridandsemiaridenvironments:Anemergingremediationtechnology[J].Envi－ronmentalHealthPerspectives,2008,116：278-283.[6]ZhangX,XiaH,LiZ,etal.Potentialoffourforagegrassesinremedia－tionofCdandZncontaminatedsoils[J].BioresourceTechnology,2010b,101：2063-2066.[7]BanuelosG,CardonG,MackeyB,etal.Boronandseleniumremovalinboron-ladensoilsbyfoursprinklerirrigatedplantspecies[J].JournalofEnvironmentalQuality,1993,22：786-792.[8]BanuelosG,AjwaH,MackeyB,etal.Evaluationofdifferentplantspeciesusedforphytoremediationofhighsoilselenium[J].JournalofEnvironmentalQuality,1997,26：639-646.[9]MeagherR.Phytoremediationoftoxicelementalandorganicpollutants[J].CurrentOpinioninPlantBiology,2000,3：153-162.[10]MarquesA,RangelA,CastroPML.Remediationofheavymetalcontaminatedsoils：phytoremediationasapotentiallypromisingclean–uptechnology[J].CriticalReviewsinEnvironmentalScienceandTechnol－ogy,2009,39：622-654.[11]ChenHM,ZhengCR,TuC,etal.Chemicalmethodsandphytoremediationofsoilcontaminatedwithheavymetals[J].Chemosphere,2000,41:229-234.[12]MeersE,TackFMG,VerlooMG,Degradabilityofethylenedi-aminedisuccinicacid(EDDS)inmetalcontami－natedsoils:implicationsforitsusesoilremediation[J].Chemophere,2008,70:358-363.[13]SarkarD,AndraSS,SaminathanSKM,etal.Chelant-aidedenhancementofleadmobilizationinresidentialsoils[J].EnvironmentalPollution,2008,156:1139-1148[14]LiaoYC,ChangSW,WangMC,etal.Effectoftranspi－rationonPbuptakebylettuceandonwatersolublelowmolecularweightorganicacidsinrhizosphere[J].Chemo－sphere,2006,65:343-351.[15]PiechalakA,TomaszewskaB,kiewiczBD.EnhancingphytoremediativeabilityofpisumsativumbyEDTAappli－cation[J].Phytochemistry,2003,64(7):1239-1251.[16]HongC,TerseaC.EDTAandHEDTAeffectsonCd,CrandNiuptakebyHelianthusannuus[J].Chemosphere,2001,45:21-28.[17]石磊，金玉青，金葉華，等.土壤重金屬污染的植物修復技術[J].上海農(nóng)業(yè)科技,2009(4):24-26,28.[18]王莉瑋，陳玉成，董姍燕.表面活性劑與螯合劑對植物吸收Cd及Cu的影響[J].西南農(nóng)業(yè)大學學報：自然科學版,2004,26(6):7452-7491.[19]陳玉成，董姍燕，熊治廷.表面活性劑與EDTA對雪菜吸收鎘的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2004,10(6):6512-6561.[20]劉曉冰，邢寶山，周克琴，等.污染土壤植物修復技術及其機理研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報,2005,13(1):134-138.[21]王林，周啟星.農(nóng)藝措施強化重金屬污染土壤的植物修復[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報,2008,16(3):772-777.[22]廖曉勇，陳同斌，謝華，等.磷肥對砷污染土壤的植物修復效率的影響:田間實例研究[J].環(huán)境科學學報,2004,24(3):455-462.[23]聶俊華，劉秀梅，王慶仁.營養(yǎng)元素N、P、K對Pb超富集植物吸收能力的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2004,20(5):262-265.[24]廖曉勇，陳同斌，閻秀蘭，等.提高植物修復效率的技術途徑與強化措施[J].環(huán)境科學學報,2007,27(6):881-893.[25]WuQT,DengJC,GuoZM,etal.PhytoremediationofZn/Cdcontaminatedsoilwithenhancing-chelatesandco-cropsystem[A].TheSecondInternationalConferenceonSoilPollutionandRemediation[C].Nanjing,2004:9-12.[26]溫麗，博大放.兩種強化措施輔助黑麥草修復重金屬污染土壤[J].中國環(huán)境科學,2008,28(9):786-790.[27]WeiGH,FanLM,ZhuWF,FuYY,YuJF,TangM.IsolationandcharacterizationoftheheavymetalresistantbacteriaCCNWRS33-2isolatedfromrootnoduleofLespedezacuneataingoldminetailingsinChina.JournalofHazardousMaterials,2009,162(1):50-56.[28]ShengXF,XiaJJ,JiangCY,HeLY,QianM.Characterizationofheavymetal-resistantendophyticbacteriafromrape(Brassicanapus)rootsandtheirpotentialinpromotingthegrowthandleadaccumulationofrape.EnvironmentalPollution,2008,156(3):164-1170.[29]SchnoorJL.Emergingchemicalcontaminants[J].EnvironmentalSci－ence[30]GlassDJ.Economicpotentialofphytoremediation//Phytoremedationof