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1、植物修复在重金属污染土壤修复中的应用摘 要：目前在我国，由于各地方大力发展经济，导致了大量的环境污染问题。其中，土壤重金属污染是我国急需解决的环境问题之一，而植物修复对于重金属污染土壤的治理修复具有重要意义。植物修复是指利用植物吸收、降解、挥发、根滤、稳定、泵吸等作用机理，达到去除土壤、水体中污染物，或使污染物固定以减轻其危害性，或使污染物转化为毒性较低化学形态的现场治理技术。植物修复的方法主要有四种，植物提取、植物挥发、植物稳定及根系过滤。植物修复在应用中需要使用超积累植物，这些植物对Cr、Co、Ni、Cu、Pb、Mn、Zn等重金属元素的积累浓度很高，对重金属的去除作用效果好。但是植物修复也
2、有不足之处，需要不断的进行改进和发展。总的来说，植物修复具有较高的研究和实用价值,符合我们国家的国情，适合我国采用和发展，我国应加快深化植物修复技术基础理论和应用实践的研究，培育高效低选择性的超富集植物，并进行大量的田间试验，开拓出更为广阔的应用前景。关键词：植物修复，土壤修复，重金属污染Application of Phytoremediation in heavy metal contaminated soil remediationAbstract: At present in our country, because of the local economic development,
3、 leading to a large number of environmental problems. Among them, soil heavy metal pollution in our country is badly in need of solving environmental problem, and Phytoremediation for treatment of heavy metal contaminated soil remediation has important significance. Phytoremediation refers to the us
4、e of plant absorption, degradation, volatile, root filter, stability, pump suction mechanism, so as to remove the pollutants in water, soil, or make the pollutants fixed to reduce its harmfulness, or make the pollutants into less toxic chemical form of spot management technology. Plant repairing met
5、hod basically has four kinds, plant extract, plant volatile, stable and root filtration plant. Phytoremediation in applications require the use of exceed accumulated plant, the plant of Cr, Co, Ni, Cu, Pb, Mn, Zn and accumulation of heavy metals in high concentrations, good effect on the removal of
6、heavy metal ions. But the plant also has the deficiency, need to make continuous improvement and development . In general, phytoremediation has high research and practical value, accord with our country national condition, suitable for Chinas adoption and development, our country should accelerate a
7、nd deepen the plant repair technology basic theory and practice of cultivation, high efficiency and low selectivity of hyperaccumulator, and lots of field experiments, open up a broader application prospect . Keywords: phytoremediation; soil remediation ; heavy metal pollution 1引言土壤重金属污染是由于废弃物中重金属在土
8、壤中过量沉积而引起的土壤污染。污染土壤的重金属主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。这些重金属主要来自农药、废水、污泥和大气沉降等。土壤重金属污染主要来自大气沉降、农田灌溉（特别是污灌）、农药和肥料、矿山的开采和冶炼等1。据中国农业部进行的全国污灌区调查结果表明，在约140万hm2的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%，其中轻度污染土地占46.7%，中度污染占 9.7%，严重污染占8.4%，其中以Hg和Cd的污染面积最大；我国重金属污染的土壤中，Cd污染耕地1.3万hm2，涉及11省市的25个地区；Hg污染3.2万hm
9、2，涉及15个省市的21个地区2。因此，在我国耕地资源日益紧张的今天，安全有效地修复重金属污染土壤已成为紧迫任务。2土壤修复技术目前，国内外常用的土壤修复技术大致可分为物理法、化学法、生物法3。采用物理或化学方法(如热处理法和化学浸出法)修复污染土壤，虽然可以产生一定的实效，但费用昂贵、容易造成二次污染，不适于大面积应用。生物修复技术是近年来发展起来的一种有效的用于污染土壤治理的方法，包括微生物、植物和动物等修复方法，具有成本低、无二次污染和处理效果好等优点，能达到对污染土壤永久清洁修复的目的。表13 几种土壤修复技术比较类型处理名称处理成本处理面积处理效果适用污染类型环境风险应用现状物理法换
10、土法高小好有机物、重金属有工程应用客土法好有机物、重金属有工程应用热处理法较好有机物、重金属有商业化电动修复较好有机物、重金属有商业化化学法化学固定高小较好重金属有工程应用化学淋洗较好重金属、苯系物有工程应用生物法植物修复低大好重金属、有机物无工程应用微生物修复好有机物无实验室动物修复好重金属无实验室3植物修复的概念植物修复的思想是Chancy在1983年提出的，它是指利用植物吸收、降解、挥发、根滤、稳定、泵吸等作用机理，达到去除土壤、水体中污染物，或使污染物固定以减轻其危害性，或使污染物转化为毒性较低化学形态的现场治理技术4。重金属污染土壤的植物修复技术可归成4种类型5：(1)植物提取；(2
11、) 植物挥发；(3)植物稳定；（4）根系过滤。3.1植物提取植物提取技术又称植物萃取技术。重金属经植物根系吸收后，继而转移、贮存到植物茎叶，然后收割茎叶，从而达到去除土壤重金属元素的目的。植物提取技术利用的是一些对重金属具有较强富集能力的特殊植物，要求所用植物具有生物量大、生长快和抗病虫害能力强的特点，并具备对多种重金属较强的富集能力(即超富集植物)，植物提取是目前研究最多且最有发展前景的植物修复方式，此技术的关键在于寻找合适的超富集植物和诱导出超级富集体。3.2植物挥发植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中的重金属转化为可挥发态，或者植物将土壤中的重金属吸收到体内后将其转化为气态物
12、质释放到大气中，从而净化土壤。重金属中挥发态的硒主要通过植物体内的ATP硫化酶作用，还原为可挥发的CH3SeCH3和CH3SeSeCH3，降低硒的毒性。印度芥菜对硒有较高的吸收和积累能力，种植该植物1年，土壤中硒可减少48%。表26 重金属污染植物修复技术类型修复目标污染物所用植物应用状态植物提取提取、收集污染物Ag，As，Cd，Co，CrCu， Hg， Mn，Mo， Ni， Pb， Zn，放射性元素印度芥菜、遏蓝菜、向日葵、杂交杨树、蜈蚣草实验室、中试及野外工程试验均开展植物挥发从介质中提取污染物挥发到空气中As， Se， Hg杨树、桦树、印度芥菜实验室、野外工程应用植物稳定污染物稳定As，
13、 Cd， Cr， Cu， Hg， Pb， Zn印度芥菜、向日葵工程应用根系过滤提取、收集污染物重金属，放射性元素印度芥菜、向日葵、水葫芦实验室及中试3.3植物稳定植物稳定作用的机理是利用耐受重金属植物或超积累植物吸附重金属，通过金属在根部的积累、沉淀或根表吸收来加强土壤中重金属的固定化，减少重金属在土壤中的移动性，从而减少重金属对地下水或空气的进一步污染。植物根系分泌物通过改变根际环境(pH、Eh)，使重金属的形态发生化学改变，降低重金属的毒性效应。植物的根毛可直接从土壤交换吸附重金属，增加根表固定，从而使毒性降低。植物稳定作用是原位降低重金属污染的有效途径，而不是永久性的去除土壤中污染金属的
14、方法，所以该法在应用中受到一定的限制。3.4根系过滤根系过滤作用是利用植物庞大的根系过滤、吸收、富集水体中的重金属元素，将植物收获进行妥善处理，达到修复水体重金属污染的目的。此种方法更多的应用在水体污染修复之中。适用于根系过滤技术的植物，主要有水生植物、半水生植物，也有个别陆生植物，如各种耐盐野草、向日葵、宽叶香蒲等。4植物修复技术在重金属污染土壤修复中的应用植物修复需要使用超积累植物，超积累植物是指对重金属元素的积累量超过一般植物100倍以上的植物，超积累植物积累的Cr、Co、Ni、Cu和Pb的浓度一般在0.1%以上，而积累的Mn和Zn浓度一般在1%以上，这一定义现在已经被广泛接受。到200
15、0年为止，已经发现超积累植物约为450种，广泛分布于植物界的45个科，但大多数属于十字花科植物，以超积累Ni的植物最多，并且一些植物能同时吸收和积累两种或多种重金属元素，而Zn的超积累植物约18种。植物修复技术具有巨大的市场潜力。Baker等7首次在英国的LACR-Rothcmsted田间试验研究锌污染土壤，表明土壤中含锌444g/g时，超积累植物T.caerulescens地上部分锌含量是土壤中的16倍是非超积累植物萝卜的150倍，T.caerulesens从土壤中吸收的全锌量30.1kg/hm2，T. caerulesensr的灰分中锌达200400g/kg。在水培养条件下，植株地上部分锌
16、和镉含量分别达到200mg/kg和40mg/kg。Heaton等8利用一种转基因水生植物盐蒿和陆生植物拟南芥、烟草去除土壤中的无机Hg和甲基Hg，这些植物携有经修饰的细菌Hg还原酶基因merA，可将根系吸收的Hg2+转化成低毒的Hg0，从植物中挥发出来，而转入能表达细菌有机Hg裂解酶基因merB的植物可以将根系所吸收的甲基Hg转化成Sulthydryl结合态Hg2+，拥有这两种基因的植物可有效地将离子态Hg和甲基Hg转化为Hg0而通过植物挥发释入大气。Shengwei Peng等9在温室中研究了紫茉莉对被石油污染的土壤的修复能力，研究表明：生长127天的紫茉莉对石油烃类的去除作用效果最好，达到
17、了41.6163.20%，适用于处理10000毫克/公斤石油污染的土壤。P. Agamuthu等10利用麻风树修复被汽车润滑油污染的土壤，在含2.5%和1%（w/w）的润滑油土壤中，麻风树对润滑油的去除率分别为56.6%，67.3%；当加入有机废物，如香蕉皮、啤酒花等，去除率达到了89.6%和96.6%；并发现除掉润滑油的并不是植物本身，而是根部的微生物。国内关于植物修复的研究起步较晚，但也取得了一系列的成果,陈同斌等首次在中国找到了砷的超富集植物蜈蚣草11。韦朝阳等12发现了一种大叶井口边草，对As有很好的富集作用，其地上部分最大含As量可达694mg/kg。柯文山等13在温室砂培盆栽条件下
18、对鲁白、芥菜几种植物进行铅吸收和耐性实验，发现鲁白、芥菜不仅生长快，且地上部分铅含量超过 1000mg/kg，迁移总量和迁移率都很高，是很好的修复土壤铅污染的富集植物。杨肖娥、龙新宪等14通过野外调查和温室栽培发现天然条件下东南景天的地上部分Zn平均含量为4515mg/kg，是很好的Zn超富集植物。蔬菜也对土壤中的重金属有一定的富集作用。刘德绍等15发现，在气汞浓度为57.614.7 ng/m3条件下，辣椒、四季豆、莴苣、红萝卜均对汞有一定的富集作用，且辣椒富集汞的能力最强，莴苣最低。姚会敏等16发现，在土壤镉浓度为20mg/kg时，芸薹属不同类蔬菜及同类蔬菜的不同品种之间吸收和累积镉能力存在
19、显著差异。不同品种蔬菜地上部分吸镉量和对土壤镉的富积系数也差异明显，最高吸镉量是最低吸镉量的5倍。魏树和等17在杂草中筛选出龙葵和球果蔊菜，发现茎和叶中镉含量均超过100 mg/kg，地上部富集系数也大于1，认为其是镉超积累植物。5植物修复技术的优缺点植物修复技术作为一种新兴的修复技术，相对于传统的方法有不可替代的优势。主要表现为投资少、成本低、经济盈利、对土壤环境扰动小、治理效果永久、不破坏场地结构、不引起二次污染、美化景观、重金属可再循环和部分回收、应用面积大、后期处理简易等方面，它还具有提高土壤通气效率及减少表面土壤侵蚀等间接效果。植物修复技术也具有一些自身的不足。主要表现在:超富集植物
20、个体矮小，生长缓慢，修复重金属污染土地需时太长，因而经济上并不一定很合理。这是目前限制超富集植物大规模应用于植物修复最重要因素。植物修复土壤只能局限在植物根系所能延伸的范围内，一般不超过20 cm土层厚度。超富集植物对重金属具有一定的选择性，即一般只对一种重金属具有富集能力，而土壤重金属污染多为几种重金属复合污染，且常常伴生有机污染，因此，用一种超富集植物难以全面清除土壤中的所有污染物。富集了重金属的超富集植物需收割并作为废弃物妥善处置。异地引种对生物多样性的威胁，也是一个不容忽视的问题。目前金属污染土壤的植物修复技术还处于田间试验与示范阶段，对所产生的信息也尚未进行系统评价，还需更多的田间结
21、果来支撑这种技术的研究和发展。6植物修复技术的发展方向及研究重点在全球性环境和食物安全问题日趋受到关注的今天，土壤重金属污染的植物修复尽管有其局限性，但其已成为世界科学研究和技术开发的前沿。结合中国实际情况，今后应着重在以下几个方面发展植物修复技术：6.1寻找、筛选超累积植物种质资源寻找、培育和驯化理想的有利于治理环境污染的超积累植物种质资源并加以保护和利用，从而满足实际应用的需要，是未来植物修复研究领域长期要做的工作之一。笔者认为可以充分利用中国具有广袤的国土面积和复杂多样的植物类型的有利条件，发挥植物资源丰富的优势，寻找和培育新的超积累植物。从前期研究看，在中国系统开展超富集植物的寻找和开
22、发工作有望在短期内获得重要成果，迅速在这一领域赶上世界先进水平。今后应加大资助力度，加快资源的筛选和发现步伐。6.2深化应用基础理论研究植物修复技术作为新的污染物修复方法，涉及土壤学、化学、生态学、植物生理学、遗传学、环境保护学等多个领域。深化植物修复技术基础理论和应用实践的研究，培育高效低选择性的“超富集植物”（尤其是某些新发现的超富集植物），以进一步推动植物修复技术的产业化是当前国际上的研究热点。结合中国国情，应在以下几个方面深化研究：超积累植物对重金属的超量吸收、转运与积累及其解毒机理；植物对重金属的解毒机制；重金属在植物根际土壤及其体内的迁移与转化规律；根系分泌物在活化土壤植物界面的重
23、金属方面的作用；根际微生物效应及其对重金属形态转化和植物吸收的影响；施肥、增施土壤改良剂如EDTA等措施对植物修复过程的影响。6.3研究转基因技术，提高植物修复效率未来植物修复研究领域的重点与热点是应用遗传工程技术把野生植物的超富集基因转移到生物量大、生长速率快的植物(作物)中，或者寻找基因工程中特异的启动子，以指导与重金属吸收相关的基因在植物的特定部位表达，使重金属富集在植物的某一部位(如植物的地上部位)。运用分子生物学的手段，育种与筛选转基因植物，将有助于深入研究植物富集重金属的机理，并有望通过改良遗传特性提高植物对重金属污染物的耐性、富集能力或提高已有超富集植物的生长速率和生物产量。6.
24、4 植物修复的后续处理 如何处理已富集重金属的植物并回收重金属也是今后需要研究的重点。收获物的处理研究的人较少，目前仅对灰分中重金属含量为10%40%的植物采用冶炼回收。对于不能回收利用的收获物如何避免二次污染还需要进一步研究。6.5增加田间试验的次数 以往的研究结论多数是由实验室人工实验得出的，而大田生态环境较实验室条件更为复杂。所以，目前实验室的研究成果还暂时不能应用于大田。中国应加强植物修复的实践性环节，创建植物修复重金属的示范基地，以期在未来得到迅速发展并开拓出更为广阔的应用前景。7总结重金属元素对土壤环境日趋严重的污染和破坏作用，严重威胁着人类健康。土壤的重金属污染，越来越受到人们的
25、关注，当前迫切需要有成熟、低价、高效的修复技术并加以市场化应用。相对于传统的重金属污染土壤治理技术，植物修复技术是一项处于迅速发展之中的用于清除土壤重金属污染的绿色生态新技术，费用较低、收效显著，具有较高的研究和实用价值。虽然利用植物修复技术对土壤中重金属进行治理时尚存在着一些不足，但就其发展前景来看，植物修复技术潜力巨大，是当前研究的热点领域。随着理论研究、转基因技术、与传统技术的复合运用等方向的不断进步，重金属污染土壤环境的植物修复潜力必将被进一步挖掘和发挥，得到更加广泛地推广和应用，为环境保护和治理带来更加广泛地实用前景。参考文献：1 尹彦勋，张玉芬，王坤.浅论植物修复技术对土壤重金属污
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