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1、网络出版时间 :2017-01-03 15:39:44 网络出版地址 :http:/ 重金属污染土壤植物修复技术及其强化措施 郑黎明 ,袁 静 (安徽师范大学 生命科学学院 ,安徽 芜湖 241000 摘 要:为有效修复重金属污染土壤,防止重金属进入食物链危害人体健康。概述 了植物修复、超富 集植物等基本概念 ,简述了植物修复技术的优势及其局限性。列举了国内外在 植物修复技术方面的研究 进展,指出修复植物体内重金属含量与修复植物的生物量是影响植物修复效率 的 2 个重要因素 ,讨论从 植物性能、根际环境及农艺措施3 方面采取措施来提高植物修复效率并分析了 这 3 种方法的作用机理和 优缺点。指
2、出将优化修复植物性能、开发高效低毒修复剂和利用现代农业技术 3者结合起来是植物修复 技术大规模商业应用的一个途径。 关键词 :土壤;重金属污染 ;植物修复 ;强化措施 中图分类号 :X5 文献标识码 :A Phytoremediation of Soils Contaminated by Heavy Metals and Strengthening Measures ZHENG Li-ming, YUAN Jing (College of Life Sciences, Anhui Normal University,Wuhu 241000, China Abstract: Nowadays,
3、heavy metals pollution of soils has been considered as one of the chief environmental problems in the world, mankinds are faced with the threats of heavy metals entering the food chain. Phytoremediation technology is an important way to repair the contaminated soils, but it has some restricts so far
4、. This paper introduces the basic conceptions of phytoremediation and hyperaccumulator, and then it talks about strengthening measures in three aspects including plant performances, rhizosphere environment and agronomic methods. We indicate that the combination of improved plant performance, efficie
5、nt and harmfulless agent and modern agriculture technology is an approach to realize the commercial application of phytoremediation. Key words:Soil; Heavy metal pollution; Phytoremediation; Strengthening measures 0 引言 土壤是人类及一切陆生动植物赖以生存发展的物质基础之一,一旦受到重金属 污染,不仅土质变差 ,造成农作物减产 ,更严重的是重金属会通过食物链进入人体,直接 危害人体健
6、康。全国土壤污染状况调查公报显示,我国土壤重金属污染中Cd污 染最为严重 ,点位超标率 (指土壤超标点位的数量占调查点位总数量的比例达到 7.0%,Hg,As,Cu,Pb,Cr,Zn,Ni 7 种无机污染物点位超标率分别为1.6%,2.7%,2.1%, 1.5%,1.1%,0.9%,4.8% 1,全国每年出产受重金属污染的粮食多达1 200万 t2。日本曾出现的 “ 水俣病 ” 和“ 骨痛病 ” 正是因为 Hg 和 Cd 污染引起。可见 ,有效修复受重金属污染的土壤 意义重大。 目前,用于治理重金属污染土壤有传统的理化法如玻璃化、热解吸、电动力以 及土壤冲洗等 ,以及近些年兴起的生物法如植物修
7、复法3。普遍认为植物修复法具 有环保、廉价、美观等传统方法难以比拟的优势,是一项很有应用潜力的技术,但其 也存在着一些不足 ,如修复植物生物量较低、生长周期较长、活化重金属能力有限 以及易受气候、土壤等环境条件的限制等,因而其修复效率不高 ,阻碍了大规模实际 应用的推进 ,寻找强化措施以提高修复效率成为当前研究的重点和热点4。 1 植物修复技术概述 1.1 植物修复和超富集植物的基本概念 植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础,利 用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的一项环境治理技术。重金属污染的 植物修复主要包括植物过滤、植物挥发、植物 钝化及植物提取等4 种
8、类型 ,而通常所说的植物修复技术是指利用超富集植物 的提取作用清除污染土壤中的重金属,植物提取被认为是解决土壤重金属污染问题 理想方法之一 ,但修复效率不高一直是摆在环境科学界面前的难题。 目前,关于超富集植物的鉴定标准主要包括2个:临界值特征 ,即植物地上部 (干重中 (Au为 1 mg/kg, (Cd为 100 mg/kg,Pb,Cu,Ni和 Co 的质量分数分别为1 000 mg/kg,Zn和 Mn 的质量分数分别为10 000 mg/kg;转移特征 ,即植物体地上部 (主要指茎和叶某种重金属含量大于其根部同种重金属含量。可以通过在重金属浓 度较高的地区如尾矿废弃地、矿山周围等地发现一些
9、植物并加以试验,确定是否为 超富集植物。 1.2 植物修复的局限性 植物修复是污染治理工程中一个非常有吸引力的技术,与物理的、化学的和微 生物的治理方法相比 ,有其独有的优点 ,主要包括 :治理成本低、治理过程原位(对环 境扰动小、治理效果永久、可大面积开展以及可净化与美化环境等。但在实际应用 中,也存在一些局限性 5,主要有 :(1 有些情况下无法利用超富集植物有效修复污染土 壤;包括:环境条件 (如气候类型、土壤类型等不适于特定超富集植物生长的地区 (当然也可以选用本土植物,但修复效率可能不高。重金属浓度过高的污染场地。 植物对重金属有一定的耐受范围,超过耐受极限 ,植物生长受到抑制甚至会
10、死亡,超富 集植物亦是如此。深层污染场地。超富集植物根系一般较浅(30 cm以内,通常只 对浅层污染土壤 (90 cm以内有修复效果。 (2即使可采用植物修复法 ,仍存在其他一 些缺点 ;包括:大多数超富集植物都有重金属选择性,往往只能积累某种特定重金属, 但污染土壤通常是重金属复合性的。已知的超富集植物多为野生型,个体矮小、 生物量低、生长缓慢 ,因此植物修复比传统理化法耗时久,治理周期长。超富集植 物提取的重金属会因为植物器官凋谢等原因重返土壤,降低了修复效率。植物病虫 害及修复植物的后期处理等问题也需要加以考虑。 修复效率的高低是植物修复技术能否得以推广应用的关键。主要可从3个方面 着手
11、来提高修复效率 :提高修复植物的生物量;提高土壤中植物有效性重金属含 量;提高植物对重金属的吸收、转运能力。以下将主要从优化植物性能、调节根 际环境以及采取适当农艺措施3 个方面来讨论植物修复技术的强化措施。 2 植物修复技术的强化措施 2.1 改良修复植物性能 基因工程技术 基因工程技术是将异源基因在修复植物体内进行表达,以提高植物对重金属的 耐性和富集能力。该技术被认为是强化植物修复领域最具潜力的发展方向之一 5。基因工程技术提高植物修复能力主要体现在以下3 个方面 :通过增加修复植 物生物量来促进其对重金属的积累。研究报道,将小麦 TaPCSI基因转入烟草体内 , 表达后发现其茎比野生品
12、种增加了1.6倍,转基因植物生长在Pb质量浓度为 1 572 mg/L 条件下 ,其重金属积累量是野生品种的2 倍6。通过导入与重金属转化相关 的基因 ,降低重金属对植物的毒性 ,提高耐性。如某些细菌中存在由merB 基因编码 的有机汞裂解酶 ,它可将高毒的甲基汞转化为毒性稍低的Hg2+和 CH4,由 merA 基因 编码的汞离子还原酶 ,可以将 Hg2+进一步还原为汞原子 ,因此可以利用转基因技术 通过植物表达 merA 及 merB 基因,达到净化汞污染土壤的目的7 。研究表明 ,转 merA 基因的金盏菊具有良好的抗汞污染能力,普通植株在 HgCl2 质量分数为 30 mg/kg 条件下
13、逐渐死亡 ,而转基因植株在 HgCl2 质量分数为 50 mg/kg 条件下依然能生存 ,显示其具有较强的抗性 8。通过转入与重金属螯合相关 的基因 ,减轻毒害 ,提高耐性。如金属硫蛋白的巯基可以螯合Cd,Cu和 Zn 等多种重 金属。研究报道 ,采用水培实验 ,比较了转枣树金属硫蛋白基因拟南芥与对照组拟南 芥对 Cd 的吸收情况。实验表明 : 经 0. 1 mol /L Cd 处理 24 h和 48 h,转枣树 MT 基因 拟南芥根部对 Cd 的吸收量分别为 227和 323 mg /L,地上部分为 513 和 667 mg /L,明 显超过对照组 (根部 93和 107 mg /L;地上部
14、分 323和 437 mg /L 9。 2.2调节修复植物根际环境 研究发现 ,在耐受范围内 ,修复植物体内重金属累积量与土壤中水溶态重金属含 量存在正相关关系。因此,应设法提高土壤中自由重金属含量以促进植物吸收。 (1施加螯合剂、表面活性剂 螯合剂可以与土壤溶液中重金属结合,形成水溶性的重金属 -螯合剂螯合物 ,提高 了土壤中植物有效性重金属含量,同时也增加了修复植物对重金属的提取量。常用 的螯合剂大致可分为2 类:一类是人工合成螯合剂 ,如 EDTA,EGTA,HEDTA,DTPA,CDTA等;另一类是天然的螯合剂 ,主要是一些低分子量 的有机酸 ,如柠檬酸、草酸、苹果酸等。研究报道,在玉
15、米盆栽试验中 ,添加 EDTA 后 玉米体内 Pb含量分别是相应对照的4.3,6.5,6.0,5.4 倍(地上部 和 2.5,3.9,3.6,3.6 倍(根 部 10。EV ANGELOU 等11研究表明 ,小分子酸尤其是柠檬酸 ,对活化土壤中 Cu 的能力最强 ,使用 62.5 mmol/kg 的柠檬酸 ,烟草地上部 Cu 浓度比对照提高了2 倍。 使用螯合剂能有效提高修复效率,但同时也存在一定的环境风险,主要表现在土壤中 自由重金属含量增加 ,植物未必能充分吸收 ,这就有可能导致地下水受到污染。 SATROUTDINOV 等12研究表明 , EDTA 与 Cu,Fe,Pb和 Zn 等形成的
16、金属螯合物很 难降解 ,一些水溶性较高的EDTA-金属螯合物会迁移污染地下水。为此,可采用 “ 少 量多次 ” 加入方式 ,也可以采用低毒易降解但价格较高的螯合剂如EDDS 等。 表面活性剂是一种亲水亲脂性化合物,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 ,从而改变膜的通透性 ,促进植物对重金属的吸收。在含Cd,Cu,Zn 质量分数分别为 25 mg/kg,30 mg/kg, 700 mg/kg土壤中种植莴苣与黑麦草 ,添加表面 活性剂一段时间后 ,3种重金属地上部含量比对照增加了4 24倍13。表面活性剂 与螯合剂联合使用 ,既能增加土壤中活性重金属的含量,又能强化植物的提取能力
17、,能 显著提高修复效率。但表面活性剂有一定的毒性,使用它可能会抑制植物生长或是 带来一定的环境风险。为此,可以采用易降解、无毒或低毒的生物表面活性剂。如 在 Pb污染土壤中种植油菜并接种能够产生生物表面活性物质的菌株J119,结果表明 油菜地上部 Pb质量分数增加了 31.0%14。 (2调节土壤 pH 值、Eh 值 通常情况下 ,降低土壤 pH 值会提高土壤溶液中重金属的含量。这是因为H+浓 度增加能促使部分难吸收态及交换态重金属溶解,成为植物可吸收态重金属15。当 然,并不是说土壤 pH 值越低越好 ,应当存在一个最佳pH 值,在这个酸度下植物生长 发育不受影响而且土壤中活性重金属含量比较
18、高。试验表明,在 pH 值为 5.84时,遏 蓝菜对锌与镉的吸收达到最大,随着 pH值升高或降低 ,二者在遏蓝菜中积累量均下 降16。降低 pH 值可采用直接加酸法和施肥法,还可以考虑加入有机酸如柠檬酸、 苹果酸等 ,有机酸不仅可以降低pH 值还可以起到螯合作用且自身易降解,提高 pH 值 可以采用施加生石灰等碱性物质的办法。 通常情况下 ,当土壤氧化还原电位提高时,土壤溶液中重金属浓度都会有不同程 度的增加 ,这是由于 Eh值提高改变了重金属的化学价态,使重金属的生物有效性发 生了变化。比如说Cr6+水溶性比 Cr3+强,Eh 值升高可将 Cr3+氧化成 Cr6+。但也有 一些重金属在 Eh
19、 值降低时才会被活化 ,比如说 As(As3+比 As5+易溶。调节土壤 Eh 值大小的方法一般是通过灌水和晾田进行,此外,增加土壤有机质可以降低Eh 值。 (3接种微生物 微生物可以通过与重金属相互作用或者与根分泌物协同作用,影响土壤重金属 的生物有效性。菌根是土壤真菌与植物营养根结合形成的一种互利的共生体,菌根 表面的菌丝体向四周延伸,增加了植物根系的表面积 ,增强了植物的吸收能力 ,菌根分 泌物(有机酸、蛋白质、氨基酸等可以调节根际环境,活化重金属 ,提高土壤溶液重金 属含量。赵根成等 17通过室内盆栽试验研究表明,施放线菌 PSQ,shf2, 和细菌 Ts37, C13处理能明显促进植
20、物修复砷污染土壤,15,30,45 d 4组微生物处理砷修复效率均 高于同期对照组 ,其中 45 d施 shf2的修复效率为 11.3%,是同期对照的 2.36倍。但也 有一些研究得出接种微生物并没有强化作用的结论。接种AM 真菌导致 Zn-Cd-Pb 超富集植物 T.praecox地上部生物量下降了17%,地上部重金属积累量最大下降幅度 分别为 13%,25%和 31%18。这可能是因为接种的微生物与修复植物不匹配,因此 筛选出具有 “ 强化” 作用的微生物是应用此法的关键。 2.3田间管理及农艺措施 通过对修复植物进行田间管理并采取适当农艺措施可以达到提高其生物量及缩 短生长周期等目的。主
21、要从以下6 点加以考虑 :污染土壤的翻耕和整平。翻耕可 将深层污染物质翻到土壤表层,利于修复植物吸收 ,翻耕的深浅程度要根据土壤污染 情况而定。整平是将结块土壤打碎,能起到保墒作用 ,也有利于后期田间管理。育 苗问题。不同育苗方式对修复植物的育苗速度、发芽率等都有影响,恰当的育苗方 法对 缩短修复周期有很大帮助。搭配种植。大多数重金属污染土壤都是复合性的, 而修复植物往往只对某些重金属有较强提取作用,因此可以考虑间作或套作多种超 富集植物以缩短修复时间19。植株密度。研究表明在10 cm 10 cm ,20 cm 20 cm ,10 cm 40 cm与 40cm 40 cm 4个种植密度下 ,
22、利用蜈蚣草对砷污染土壤进行 了 2 a的田间实际修复 ,综合考虑修复过程中的收获方式、经济成本与可操作性,在 4 个密度处理中密度20 cm 20 cm为蜈蚣草的最佳栽培密度20。水肥需求。超 富集植物地上部生物量的大小是影响植物效率的一个重要因素,水分和肥料是促进 植物生长的重要条件 ,但过度施加不仅会导致资源浪费甚至还会抑制植物生长,因此 掌握修复植物水肥需求规律非常重要。试验表明,当施磷量为 320 kg/hm2时,蜈蚣草 对 As 提取量最大 ,是对照组的 2.4倍,当施磷量增加到600 kg/hm2时,提取量减少至 对照组的 1.2倍21。植物生长素。植物生长素是植物自身产生的调节物
23、质,极低 浓度时就能促进种子萌发和植株快速生长,因此外施植物生长素对于缩短修复周期 有帮助。研究报道 ,向生长在 0.2 mmol Pb培养液中的 Medicago sativa施加 100 m IAA 和 0.2 mmol EDTA, 叶片中 Pb的累积量是未加任何物质的28倍,是只加 0.2 mmol EDTA 的 6 倍22。有研究表明植物生长素能与重金属螯合,从而起到缓解重 金属毒害的作用 23。 3 结论 植物修复思想提出至今已有30 多年时间 ,期间不乏成功的田间试验案例,但鲜有 大规模商业化应用报道 ,这主要是因为植物修复技术修复效率偏低,但我们也要看到 其原位、经济、绿色等优点
24、。未来该领域研究需要在以下3 方面寻求突破 :筛选 超富集植物。到受重金属污染的地方寻找超富集植物是一条捷径。此外,要运用基 因工程、育种工程等技术手段培育出生物量大、富集能力强、提取多种重金属的超 富集植物。建立超富集植物特性记录库及种子资源库,为培育出性能更好的超富集 植物作准备 ;开发修复剂。大量研究表明修复剂如螯合剂、表面活性剂等能显著 提高修复效率 ,但其毒性较高、不易降解、价格较贵。因此很有必要开发出安全、 高效、经济的修复剂 ;掌握修复植物生长特性。合理的田间管理和农艺措施是比 较容易操作的技术手段 ,可以达到提高修复植物地上部生物量、缩短生长周期的效 果。掌握修复植物的生长习性
25、是实施该措施的前提,因而很有必要对超富集植物生 长特性进行系统研究 ,进而采取恰当的田间管理措施。 参考文献 1 环境保护部 ,国土资源部 .全国土壤污染状况调查公报N. 中国国土资源报 , 2014 04 - 18(002. 2 李培军 ,刘 宛,孙铁珩 ,等.我国污染土壤修复研究现状与展望J.生态学杂志 , 2006, 25(12: 1 544 1 548. 3金一凡 ,周连杰 ,杰 克,等.污染土壤修复技术的探讨 J.环境科技 , 2012, 25(5: 68 - 72. 4 徐 枫,李建洲 ,雷继雨 .重金属污染的环境生物修复技术研究进展J.环境科技 , 2012, 25(2: 58
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