杜博濤，李華翔，蘇繪夢，王忠偉，朱晛亭

(中國地質(zhì)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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土壤重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)綜述

杜博濤，李華翔，蘇繪夢，王忠偉，朱晛亭

(中國地質(zhì)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

摘要：隨著人類社會城市化和工業(yè)化不斷發(fā)展，重金屬在土壤中不斷積累，對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生極大危害.土壤重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)作為一種環(huán)境友好型治理措施，以其低成本、治理過程的原位性等特點越來越受到國內(nèi)外研究者關(guān)注.在參考國內(nèi)外的相關(guān)文獻基礎(chǔ)上，主要從土壤重金屬污染的來源以及危害出發(fā)，對超積累植物研究現(xiàn)狀，該項技術(shù)中超積累植物的修復(fù)機理，以及修復(fù)植物的產(chǎn)后處置進行了綜述，并對該研究領(lǐng)域存在的問題和今后的研究與應(yīng)用進行了簡要的討論.參33.

關(guān)鍵詞：土壤；重金屬污染；超積累植物；植物修復(fù)

土壤是人類以及大多數(shù)生物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ).然而，近年來，全球范圍均有土壤受到重金屬不同程度的污染，其中包括一些毒性較大的(Cr、Cu、Pb、Zn等)重金屬，這些重金屬有絕大一部分進入土壤，直接或者間接的影響食物鏈安全以及人類自身健康[1,2].通常所指的重金屬是原子密度大于5 g/cm3的一類金屬元素，約45種.從重金屬對環(huán)境污染的角度講，最常見的主要有Cd、Hg、Cr、Pb、Zn、Cu以及As等[3].在土壤環(huán)境中，當重金屬積累達到一定程度，會使土壤環(huán)境質(zhì)量惡化.重金屬在土壤中通過吸附、沉淀等物理化學(xué)作用產(chǎn)生積累，長此以往便會引起其他次生污染.

土壤重金屬污染的修復(fù)通常是轉(zhuǎn)化重金屬的存在形態(tài)，去除或降低其毒性，或者將重金屬污染物從土壤中去除.土壤重金屬污染的常用修復(fù)方法主要包括物理方法、化學(xué)方法以及生物方法.植物修復(fù)技術(shù)作為一種綠色生物技術(shù)，由于其治理效果的永久性、治理成本較低以及對環(huán)境美化具有一定的效果，在土壤重金屬污染治理中逐漸被重視.植物修復(fù)對環(huán)境的治理實踐始于20世紀80年代[4].與常用的物理和化學(xué)方法相比較，植物修復(fù)技術(shù)作為生物修復(fù)技術(shù)的一種，在治理低濃度土壤重金屬污染中以其成本低、具有環(huán)境美化功能、有利于土壤肥力及有機質(zhì)含量增加、治理的永久性等優(yōu)點，具有很好的開發(fā)利用前景.

1土壤重金屬污染來源及危害

1.1污染的來源

土壤環(huán)境中重金屬的來源包括自然成土母質(zhì)自身所含的重金屬和人類生產(chǎn)活動造成重金屬進入土壤環(huán)境兩個方面.在人為污染因素中，土壤重金屬污染來源主要包括工業(yè)來源、農(nóng)業(yè)來源和交通運輸來源等.

(1)工業(yè)來源.工業(yè)過程中重金屬的使用非常廣泛，石油和煤炭的燃燒，采礦尾渣，工業(yè)冶煉產(chǎn)生的煉渣以及大量制造業(yè)“三廢”排放含有的重金屬.這些含重金屬工業(yè)“三廢”的排放造成土壤重金屬的污染.例如，工業(yè)廢氣的排放中常常含有重金屬，這些重金屬通過雨淋沉降以及自然沉降的作用可進入土壤環(huán)境[5].

(2)農(nóng)業(yè)來源.近代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中含重金屬的農(nóng)藥、化肥和以及塑料大棚和地膜的使用，城市污水灌溉農(nóng)田、森林和草地，含有大量重金屬的市政污泥進入農(nóng)田，使得農(nóng)田中的重金屬含量不斷增高，這些都致使耕地土壤受到重金屬的污染[6].在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)藥化肥的使用，常常攜帶有較多的重金屬，肥料中通常最常見的重金屬污染物質(zhì)是過磷酸鹽，其中As和Cd污染最為嚴重[7].

(3)交通運輸來源.交通運輸會給環(huán)境中帶來含Pb、Cd、Cu、Zn 等的有害重金屬物質(zhì)，它們主要是來自汽油燃燒、車輛輪胎磨損、這些尾氣通過沉降進入土壤，造成公路兩側(cè)土壤重金屬污染.張書海等[8]在寧連一級公路(淮陰段)兩側(cè)的土壤鉛含量研究中發(fā)現(xiàn)，在交通干線兩側(cè)100 m范圍內(nèi)，大氣、土壤表層、蔬菜葉片的鉛含量比較高，鉛污染比較嚴重，稱為“鉛污染區(qū)”，向兩側(cè)含量逐漸降低，100 m以外趨于穩(wěn)定，稱為“相對清潔區(qū)”，鉛在地表0～30 cm的含量較高，深度30 cm以下含量變化不大.

其他日常生活中，市政垃圾、電子廢棄物的不妥處置也是土壤重金屬污染來源的一些因素.

1.2污染的危害

(1)對人體的危害.重金屬對土壤產(chǎn)生污染后，通過遷移與轉(zhuǎn)化進入植物體中，通過食物鏈進入人體，當重金屬污染物積累達到一程度后便產(chǎn)生毒害癥狀.例如，在日本發(fā)生的著名的“骨痛病”主要是由于鎘對鈣代謝的破壞所引起的[9].鉻Cr(VI)能使人體生化過程中需氧量降低致使缺氧，它也會刺激消化器官，是一種常見的致癌物[10].

(2)對植物的毒害.土壤受到重金屬污染后，會影響植物生理代謝活動，對植物根系發(fā)育以及地上部葉片及果實均有影響.重金屬脅迫作用會引起植物營養(yǎng)元素的缺乏，影響生理代謝功能，造成植物體物質(zhì)組成及代謝的紊亂[11].文獻[12]在采用溫室砂培盆栽實驗，對小麥、玉米、水稻、油菜等作物受鉛的生理生態(tài)效應(yīng)影響進行研究，從鉛對植物莖葉內(nèi)硝酸還原酶活性的影響，對可溶性糖含量的影響以及對莖葉內(nèi)葉綠素含量的影響中發(fā)現(xiàn)，低濃度鉛離子能夠促進植物生理代謝活動，當濃度變高時則變?yōu)橐种谱饔?

2重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)

2.1植物修復(fù)技術(shù)

美國科學(xué)家Chaney早在1983年就提出了通過利用植物對重金屬的超常吸收與積累對重金屬污染后的土壤進行修復(fù)的問題，此方法是指利用植物根系對重金屬離子進行活化、吸收，然后轉(zhuǎn)移到植物的地上部分，進而進行集中回收并處理[13].與其他物理的、化學(xué)的和生物的方法比較，植物修復(fù)具有經(jīng)濟、環(huán)保等更多優(yōu)點.土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法通常是指植物萃取、植物揮發(fā)以及植物固定.植物的萃取技術(shù)是利用重金屬超積累植物通過根部的吸收，富集到根部可收割部分或者轉(zhuǎn)移到地上部位；植物揮發(fā)是將吸收的重金屬在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)狀態(tài)并通過植物地上部分的莖葉揮發(fā)到外界，對此方法，文獻[14]曾進行過研究，通過基因轉(zhuǎn)移技術(shù)，將汞抗性基因轉(zhuǎn)移到植物中，結(jié)果表明植物可以將從土壤中吸取的汞轉(zhuǎn)化為具有揮發(fā)性的單質(zhì)態(tài)汞，最終減少了土壤中的汞含量，但是這種方法同時會對空氣環(huán)境造成污染；植物固定技術(shù)也可稱為植物穩(wěn)定技術(shù)，它是利用植物根際一些物理化學(xué)作用使污染物被吸附固定，防止土壤中重金屬生物有效性和重金屬的轉(zhuǎn)移[15].

2.2超積累植物的研究

截至目前，對于重金屬超積累植物的研究已有很多，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種重金屬超積累植物，而且很多也已經(jīng)成功的被應(yīng)用于植物修復(fù)實踐.文獻[16]于1977年首次提出超富集植物的概念，這為后人的研究奠定了一定的基礎(chǔ).超積累植物(Hyperaccumulator)是指地上部分器官能超量蓄積某種或者某些化學(xué)元素的野生植物，有的文獻中也稱其為超累積植物或者超富集植物.

重金屬超積累植物一般認為應(yīng)該具有以下特征：超積累植物地上部分重金屬含量高于根部；比一般植物對高濃度的金屬具有較強的吸收及積累功能；根系發(fā)達并具有較大的生物量.根據(jù)Baker以及后人對超積累植物的研究，一般認為當某種重金屬的質(zhì)量分數(shù)(干重)含量在植物地上部分或葉片內(nèi)達到一定的臨界值標準，比如，Cd高于100 mg/kg，CO、Cu、Ni、Pb、Cr、Al高于1 000 mg/kg，Zn、Mn高于10 000 mg/kg，Au高于1 mg/kg 時，而且地上部重金屬含量/根部重金屬含量>1的植物即可稱為金屬超富集植物[17].文獻[18]對超積累植物種子資源、時空、科屬分布特點以及生理學(xué)機制進行了論述，并對鎳、銅、鈷、鋅、硒、鉛、錳以及砷等各種重金屬超積累植物的種屬、數(shù)量進行了詳細的總結(jié).至今，國內(nèi)外共發(fā)現(xiàn)超積累植物約 700 余種，分布在大約50個科.

Ni超富集植物分布最多的是庭芥屬Alyssum屬，大部分是在葡萄牙等地區(qū)，文獻[16]對庭芥屬Alyssum屬多種植物進行了大量研究，確定了 Ni超富集植物有48種[19].文獻[20]1997年研究發(fā)現(xiàn)印度芥菜和菥蓂時發(fā)現(xiàn)，菥蓂和印度芥菜均可以有效的吸收Zn、Pb和Cd 三種重金屬，此外，印度芥菜還可以有效的吸收Ni，該研究表明某些重金屬可以同時吸收與富集多種重金屬.

中國在超積累植物方面起步較晚，但仍有一些研究成果.文獻[21]通過野外采樣以及室內(nèi)營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗均證實寶山堇菜是Cd超富集植物，研究者通過野外采樣分析發(fā)現(xiàn)，自然條件下寶山堇菜地上部Cd含量最高達2 310 mg/kg，明顯高于臨界值100 mg/kg，而且地上部含量遠高于地下部.文獻[22]對砷超富集植物蜈蚣草進行了深入研究，通過野外調(diào)查和栽培試驗，發(fā)現(xiàn)蜈蚣草對As具有很強的忍耐能力和富集作用，而且蜈蚣草對土壤的適應(yīng)范圍較廣，具有生長速度快，生物量大，適應(yīng)于修復(fù)砷污染的土壤.文獻[23]通過野外調(diào)查和溫室實驗，表明東南景天是在我國發(fā)現(xiàn)的一種Zn超積累植物，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，東南景天地上部Zn含量為4 134～5 000 mg/kg，在栽培研究中證實，東南景天地上部Zn含量可高達19 674 mg/kg，對Zn具有很強的耐性以及很的吸附能力.文獻[24]通過對湖南湘潭錳礦污染區(qū)的野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)商陸對錳具有明顯的富集特征，葉片Mn含量平均可達14 476 mg/kg，而根部平均錳含量卻只有863 mg/kg，這一發(fā)現(xiàn)填補了我國錳超積累植物的空白，商陸在我國北方分布較為廣泛，另外商陸在朝鮮、日本以及印度等地也有分布.

目前篩選超積累植物的主要途徑是野外采集分析法和土壤盆栽模擬法，另外已有研究人員通過基因技術(shù)培養(yǎng)篩選出吸收能力強耐受重金屬的植物[25].迄今為止，通過人們對重金屬超富集植物的研究發(fā)現(xiàn)，已有的超富集植物大多是對單一種重金屬具有超富集效果，而現(xiàn)實中土壤所受到的重金屬污染絕大多數(shù)不止一種.

2.3超積累植物的修復(fù)機理

超積累植物通過其超強的根部重金屬吸收系統(tǒng)，從土壤介質(zhì)中吸收和蓄積重金屬.學(xué)者們對超積累植物修復(fù)機理進行了深入的研究，這些研究有益于進一步開發(fā)利用和提高修復(fù)效率.

(1)超積累植物對土壤重金屬離子的活化和吸收.土壤中重金屬污染物主要以難溶態(tài)形式存在，所以只有在其轉(zhuǎn)化為可吸收態(tài)時才能被植物吸收.超累積植物通過以下三種形式對土壤重金屬污染物進行活化，進而有利于植物對重金屬離子的吸收[26]：第一種是通過植物根系分泌脂肪酸等有機酸強化植物根系對土壤中重金屬離子的活化和吸收；第二種是植物根系受環(huán)境反射直接分泌某些金屬結(jié)合蛋白或特殊有機酸與重金屬螯合；第三種是植物某些根系細胞質(zhì)膜上存在的金屬還原酶將高價重金屬污染離子還原，增大重金屬污染物的溶解性.

對于活化之后的重金屬離子，有助于植物根系對其的吸收和運轉(zhuǎn).離子載體的運轉(zhuǎn)是超累積植物根部吸收的重要機制，超累積植物的根部與根毛對營養(yǎng)成分的短程轉(zhuǎn)運的同時也可以運轉(zhuǎn)Hg、As等重金屬離子，在這個過程中，超積累植物中離子載體對某種或某幾種特殊金屬進行選擇性的吸收，從而將土壤中的重金屬離子通過根部吸收到植物體內(nèi)[27].影響超富集植物對重金屬吸收的因素主要有土壤因素、金屬離子的拮抗與協(xié)同作用以及重金屬的形態(tài)等[28].

(2)金屬離子向植物地上部器官的轉(zhuǎn)移.雖然被超積累植物吸收的重金屬從根部向莖葉部搬運的速率不比相關(guān)的非超累積植物高多少，但它們之間在金屬搬運能力方面差異是明顯的：超積累植物缺少限制金屬運移到莖部的能力，而生長在重金屬污染土壤上的其他多數(shù)非超累積植物顯示出這樣的能力.金屬離子進入根部細胞內(nèi)并通過根內(nèi)皮進入木質(zhì)部，也有證據(jù)表明，水及金屬離子沿著較為次要的非原質(zhì)體通道進入根的木質(zhì)部.植物通過木質(zhì)部軟組織細胞溶解物的釋放、吸收與調(diào)控作用使溶解物沿木質(zhì)部進入莖葉部[29].要使植物體內(nèi)的重金屬離子更有效的從木質(zhì)部向地上部以及葉片的轉(zhuǎn)移，需要根部木質(zhì)部比地上部木質(zhì)部具有較高的轉(zhuǎn)移率，而超積累植物恰恰就是這樣[30].

(3)超積累植物對重金屬污染物的解毒作用.超積累植物莖葉部相比根部具有更為高效的對重金屬分配給液泡的性能.金屬離子與植物根系分泌的特定的高親和性配位體螯合或以難溶化合物的形式沉淀都可以使金屬離子活性降低，從而防止重金屬對植物的毒害.在硒超積累植物研究中發(fā)現(xiàn)，其解毒機制極可能是金屬離子被還原或者與混入有機化合物當中.重金屬在超累積植物的表皮和下表皮的組織器官可以大量蓄積，地上部亞細胞液泡、下表皮細胞、表皮毛狀體細胞等都有較大的空間來儲存重金屬污染物，將重金屬沉淀從而降低對植物體的生理毒性[31].也有一些研究表明，超累積植物可以通過液泡的區(qū)室化作用起到對重金屬的解毒效果[31].

2.4修復(fù)植物的收割回收問題

在土壤重金屬污染植物修復(fù)應(yīng)用中，由于植物生長量的增加，接下來的問題就是如何對修復(fù)植物進行產(chǎn)后處置.根據(jù)植物修復(fù)的不同類型，有的植物需要及時處理相應(yīng)的植物器官保證修復(fù)系統(tǒng)的正常運行，對污染的植物器官必須進行適當?shù)貎Υ媾c處理.植物生長不同階段對不同植物不同器官的重金屬吸附量進行監(jiān)測，通過對植物吸收重金屬吸附量及飽和時間的研究，確定植物的收割時間.修復(fù)植物處置前，可以對植物器官進行相應(yīng)的分析與評估，以確定哪種處置方法合適.

超累積植物產(chǎn)后需要妥善處置，避免對環(huán)境造成“二次污染”，植物修復(fù)可以將土壤中重金屬富集到植物體中，但是僅僅可以起到收集作用以便于統(tǒng)一進行處理.超累積植物的處置問題一直備受國內(nèi)外研究者關(guān)注，至今在解決產(chǎn)后處置問題上依然存在很多難解的問題[32].目前，對超積累植物的產(chǎn)后處置一般的有焚燒法、壓縮填埋法、堆肥法、高溫分解法、灰化法和液相萃取法[33]，這些方法對修復(fù)植物的產(chǎn)后處理有一定的減量化、減少體積和部分資源化等優(yōu)勢，但是這些方法大部分都是將修復(fù)植物作為垃圾或者危險物加以處置，也存在著占用土地、運行成本高以及滲濾液再次污染環(huán)境的風險等缺陷.

收獲后的植物需要盡快加以處理，因為一般的生物體中的重金屬相比在土壤中具有更高的活性.在對修復(fù)植物處置的問題上，利用其植物資源，對含量高有價值的重金屬元素進行回收也是一種很受關(guān)注的處理方法.目前，人們比較重視對修復(fù)植物的資源化利用，總結(jié)起來有以下幾個方面：提取重金屬高富集修復(fù)植物中的貴金屬；對具有特殊藥用價值的產(chǎn)后植物進行藥物提??；有些修復(fù)植物可以作為有機微肥、防腐材料的原料等.

3存在問題與未來展望

重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用仍然存在著一些問題與不足：大多數(shù)超積累植物由于生物量小以及生長緩慢，修復(fù)所需時間較長，而影響修復(fù)效率；超積累植物多數(shù)為通過野外調(diào)查所發(fā)現(xiàn)，它們一般分布在特定的地域條件下，受生長環(huán)境條件的影響，在治理過程中引種難度大；土壤重金屬污染大部分是屬于復(fù)合污染，但是通常超積累植物的修復(fù)卻比較單一，而且有些超積累植物對土壤中濃度較高的其他種重金屬表現(xiàn)出中毒癥狀，從而影響植物的生長，不能夠在復(fù)合污染土壤修復(fù)中成功應(yīng)用；超積累植物修復(fù)后處置問題仍然是今后研究的一個重點，在植物生長過程中以及收割處置時處理不當容易造成二次污染.

植物修復(fù)技術(shù)作為治理土壤重金屬污染的一種綠色原位修復(fù)技術(shù)方法，在今后的應(yīng)用和發(fā)展中具有很大的發(fā)展空間，根據(jù)目前國內(nèi)外對該項技術(shù)的研究以及應(yīng)用狀況，該技術(shù)今后的研究應(yīng)該關(guān)注以下幾點：結(jié)合生物學(xué)、基因工程等科學(xué)技術(shù)培育并篩選出生物量大、生長速率快并且適宜對復(fù)合污染土壤進行修復(fù)的植物；繼續(xù)加深對重金屬超積累植物修復(fù)機理的研究，對植物根際作用以及植物根際生長環(huán)境對其吸收重金屬影響的研究；對種植模式進行改善，采用喬、灌、草結(jié)合的種植方式，并結(jié)合地形地貌、水流特征，利用不同類型植物根際范圍在土壤垂向分布的差異對不同深度范圍的重金屬進行攔截與吸收，解決單一植物只能吸收某種深度范圍污染物的不足；對于植物修復(fù)周期長的問題，應(yīng)著重考慮修復(fù)植物資源化利用，在對土壤重金屬治理的同時盡量取得相應(yīng)的經(jīng)濟效益.

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Biography：DU Bo-tao,male,born in 1988,master,research directions: hydrogeology and environmental geology.

收稿日期：2016-04-21

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：41572344)

作者簡介：杜博濤(1988-)，男，陜西渭南人，碩士研究生，研究方向：水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì).

文章編號：2095-7300(2016)02-032-06

中圖分類號：X53

文獻標識碼：A

Review on Phytoremediation Technology of Soil Contaminated by Heavy Metal

DU Bo-tao，LI Hua-xiang,SU Hui-meng,WANG Zhong-wei,ZHU Xian-ting

(School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

Abstract：With the consistent development of urbanization and industrialization of human society,the accumulation of heavy metals in the soil has been a serious threat to the environment and human beings.Phytoremediation to the heavy metal contaminated soil is considered as an environmental-friendly treatment which gets more and more attention from domestic and overseas for its low cost,in situ and other advantages.Referring to a mountain of domestic and foreign literatures,this paper presents the research progress of the hyperaccumulators,the theory of hyperaccumulator phytoremediation and the disposal of hyperaccumulator phytoremediation,from the standpoints of the source and harm of heavy metal contamination.The problems,the researches and the applications in the future are also briefly discussed in this paper.33refs.

Keywords：soil; heavy metal contamination; hyperaccumulator; phytoremediation