吳正卓 劉桂華 柴冠群 吳科堰 秦松

摘?要：當(dāng)今社會(huì)，土壤重金屬污染已成為世界范圍內(nèi)面臨的重要問(wèn)題，采取土壤治理和修復(fù)是保證環(huán)境質(zhì)量安全、人體健康和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。植物修復(fù)技術(shù)是利用綠色植物來(lái)轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化污染物使其對(duì)環(huán)境無(wú)害的一種綠色、健康的修復(fù)技術(shù)，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。其中景天科（景天屬）植物——伴礦景天對(duì)重金屬污染土壤的吸取修復(fù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了較大影響。本文對(duì)利用鎘超富集植物伴礦景天修復(fù)重金屬鎘污染土壤研究進(jìn)展進(jìn)行分析，主要從伴礦景天對(duì)鎘的耐性和富集機(jī)理、吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制、強(qiáng)化措施、產(chǎn)后處理技術(shù)以及產(chǎn)物資源化利用等方面進(jìn)行綜述，并對(duì)基因工程在伴礦景天上的應(yīng)用，吸取強(qiáng)化措施和產(chǎn)后處理技術(shù)等方面進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：植物修復(fù);伴礦景天;鎘;土壤污染

中圖分類(lèi)號(hào)：X53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0457（2018）06-0070-06?國(guó)際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2018.06.012

鎘（Cd）屬于非必需元素，對(duì)動(dòng)植物都具有較強(qiáng)的毒性，而且移動(dòng)性強(qiáng)、中毒臨界濃度低、具積累效應(yīng)，是環(huán)境中最危險(xiǎn)的重金屬之一[1]。調(diào)查顯示，我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量整體不容樂(lè)觀(guān)，土壤區(qū)域污染較為嚴(yán)重，其中耕地土壤污染情況更為突出，點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到19.4%，主要重金屬污染為Cd、Hg、Ni、Cu、As等。其中Cd的點(diǎn)位超標(biāo)率最高，達(dá)到7.0%[2]。2016年國(guó)務(wù)院頒布的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，指出重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的土壤五大重金屬，其中Cd排居首位。因此，土壤Cd污染修復(fù)治理迫在眉睫。

土壤重金屬污染修復(fù)方法主要有物理方法，化學(xué)方法和生物方法。物理方法主要有換土、玻璃化和電動(dòng)修復(fù)等方法。雖然能較快的轉(zhuǎn)移和降低土壤重金屬污染，但是這幾種方法存在著一些缺點(diǎn)，如工程量大，成本費(fèi)用高，不適用于大面積、中低濃度污染土壤，不能將重金屬?gòu)耐寥乐刑崛〕鰜?lái)等因素限制了這類(lèi)技術(shù)的推廣應(yīng)用?；瘜W(xué)方法主要有固化、穩(wěn)定化，化學(xué)淋洗等技術(shù)，能快速靈活的應(yīng)用于多種重金屬污染的處理，但存在著一些不足，如成本較高，可操作性不強(qiáng)，大面積修復(fù)不適用以上方法，修復(fù)材料可能產(chǎn)生二次污染。最重要的是不能徹底的從土壤中清除掉重金屬，需要進(jìn)行修復(fù)后監(jiān)測(cè)，防止重金屬再次活化。生物方法中的植物修復(fù)技術(shù)相比較于其它技術(shù)，具有成本低、易操作、安全、可原位修復(fù)性強(qiáng)、廢棄物產(chǎn)生量較少，并且可以回收重金屬等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注[3]。植物修復(fù)技術(shù)不僅可應(yīng)用于一些礦山、重金屬污染土壤的修復(fù)與治理，還能減少水土流失，對(duì)環(huán)境影響小，是現(xiàn)行的污染處理技術(shù)中最為清潔的一種。本文就近些年來(lái)發(fā)現(xiàn)的景天科（景天屬）超富集植物——伴礦景天（Sedum plumbisincicola X.H）為對(duì)象，從伴礦景天對(duì)土壤Cd富集機(jī)理、強(qiáng)化修復(fù)效果以及修復(fù)后植物體資源化利用等方面進(jìn)行了綜述，并對(duì)伴礦景天修復(fù)Cd污染土壤時(shí)存在的問(wèn)題進(jìn)行展望。

1?植物修復(fù)概況

植物修復(fù)指利用植物對(duì)某種或某些化學(xué)元素的耐性和超量積累為理論基礎(chǔ)，清除土壤中污染物的一門(mén)環(huán)境污染治理技術(shù)。植物修復(fù)主要分為植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定、植物萃取三種[4]。其中植物萃取和植物穩(wěn)定是現(xiàn)在的研究重點(diǎn)，是土壤修復(fù)最具前景的方法[5]。植物萃取修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的限制因素主要是修復(fù)植物的生物量、生長(zhǎng)周期、以及重金屬的耐性和富集能力。當(dāng)前，國(guó)際上發(fā)現(xiàn)了500多種的重金屬超積累植物，其中多數(shù)為專(zhuān)一型積累植物[6]。國(guó)內(nèi)對(duì)超富集植物的篩選研究成果也有不少，謝景千等[7]通過(guò)試驗(yàn)得出，蜈蚣草（Pteris vittata）對(duì)As具有超強(qiáng)耐性和累積性，并進(jìn)行了修復(fù)試驗(yàn)，得出地上部As的含量可達(dá)1455 mg/kg，As每年可去除15.5 kg/hm2，具有良好的修復(fù)效果。廖斌等[8]對(duì)礦山鴨跖草（Commelina communis）進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在低濃度Cu情況下礦山鴨跖草反而表現(xiàn)出生長(zhǎng)緩慢，生物量小，根系生長(zhǎng)抑制等現(xiàn)象，但是高濃度時(shí)情況恰好與之相反，礦山鴨跖草地上部Cu的含量超過(guò)了1000 mg/kg，對(duì)Cu具有很強(qiáng)的富集性。薛生國(guó)等[9]通過(guò)對(duì)礦區(qū)調(diào)查，得出一種多年生的草本植物——商陸（Phytolacca acinosa）對(duì)Mn具有一定的富集能力，其葉片中Mn的含量高達(dá)19299 mg/kg，其中陸商吸收的Mn有95%被轉(zhuǎn)移至地上部分，是良好的Mn修復(fù)植物。篩選成果雖然豐富，但以上超富集植物多為單一耐性和單一累積性，而現(xiàn)實(shí)的土壤污染多為兩種或以上的復(fù)合污染，治理難度相較于單一污染更為復(fù)雜。吳龍華等[10]在浙江鉛鋅礦地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一種景天科（景天屬）植物——伴礦景天，對(duì)Zn和Cd都具有很強(qiáng)的耐性和富集能力，在污染土壤上單位面積的生物量可達(dá)到6.01 t/hm2，Cd修復(fù)去除率為28.1%，是修復(fù)Zn、Cd復(fù)合污染土壤的良好修復(fù)植物。

2?伴礦景天富集鎘的機(jī)理

一定濃度的Cd會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，如根系生長(zhǎng)受阻，生物量降低等，而伴礦景天卻有著很好的耐性功能，地上部富集重金屬Cd能力較為理想，是研究超積累植物對(duì)Cd耐性和積累機(jī)制的重要材料。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)伴礦景天的Cd超積累和解毒生理機(jī)制進(jìn)行研究，其中包括Cd對(duì)伴礦景天生長(zhǎng)發(fā)育的影響，以及伴礦景天對(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)、分布、解毒機(jī)制等。

2.1?鎘對(duì)伴礦景天生長(zhǎng)的影響

一般來(lái)說(shuō)，植物組織中的Cd濃度達(dá)到5～10 mg/kg，就會(huì)對(duì)植物體造成毒害[11]。而伴礦景天地上部Cd含量能達(dá)到587 mg/kg、9609 mg/kg卻未出現(xiàn)任何的毒害癥狀[12]。植物的生長(zhǎng)發(fā)育大多需要通過(guò)根系從土壤中攝取營(yíng)養(yǎng)元素，在這過(guò)程中就會(huì)不可避免地吸收重金屬元素。因此，根系通常是受毒害作用最直接的組織部位。植物根系生長(zhǎng)抑制也是Cd對(duì)植物毒害的典型癥狀之一。伴礦景天在200 μmol/L的Cd脅迫下根系能正常生長(zhǎng)，不同濃度下根系的生物量變化不明顯。Cd在植物體內(nèi)會(huì)降低光合作用速率和葉綠素含量，從而抑制碳的固定，從而影響植物生物量，但有人得出，在一定濃度范圍內(nèi)，Cd濃度的增加，會(huì)刺激伴礦景天生物量提升，增加地上部Cd的含量，提高了其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)[13]。

2.2?伴礦景天對(duì)鎘的解毒機(jī)制

植物中的金屬硫蛋白也能通過(guò)某種特殊的方式與游離態(tài)的重金屬離子結(jié)合，形成金屬?gòu)?fù)合物，降低金屬離子濃度，達(dá)到緩解毒害的作用。居述云等[14]從伴礦景天葉片中克隆得到兩個(gè)金屬硫蛋白基因，能明顯的提高酵母突變體對(duì)高濃度鎘的耐性。鰲合作用也是植物對(duì)金屬離子解毒的主要方式，植物體內(nèi)的低分子有機(jī)酸、植物絡(luò)合素和金屬鰲合蛋白都能將重金屬轉(zhuǎn)換成不具備生物活性的無(wú)毒螯合物。朱艷霞等[15]研究得出，在Cd的脅迫下，同屬植物東南景天體內(nèi)會(huì)分泌出一些有機(jī)酸來(lái)絡(luò)合Cd2+，減少Cd2+與植物體內(nèi)的重要酶發(fā)生接觸的機(jī)會(huì)，降低Cd2+對(duì)植物的毒害。同時(shí)，伴礦景天的莖表皮細(xì)胞Cd的濃度是皮層的2.6倍，說(shuō)明伴礦景天傾向于把Cd儲(chǔ)存于生理活性較低的組織當(dāng)中，如表皮細(xì)胞。另外植物細(xì)胞壁多糖也能起著間隔和沉淀重金屬的作用，降低其濃度，減少毒害[16]。

2.3?伴礦景天對(duì)鎘的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

Cd在水-土壤-植物系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的遷移能力[17]。且伴礦景天對(duì)Zn、Cd都具有一定的富集能力，但Zn、Cd之間會(huì)存在著吸取競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，如伴礦景天新葉部位對(duì)Cd的吸收是受Zn濃度的影響，呈現(xiàn)低濃度的Zn促進(jìn)Cd的吸收，高濃度則抑制的現(xiàn)象。另外，新葉上的Cd濃度均高于其他部位[18]，說(shuō)明伴礦景天更加傾向于向地上部分累積Cd。土壤中的Cd主要是依靠質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑進(jìn)入植物體內(nèi)，而裝載向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)這個(gè)過(guò)程中共質(zhì)體途徑起著主要作用[19]。超積累植物在受到重金屬脅迫時(shí)其根系可能會(huì)分泌出一些物質(zhì)來(lái)活化根際土壤和非根際土壤中的重金屬。第一季種植伴礦景天后，土壤中弱酸可提取態(tài)Cd顯著高于未種植伴礦景天的處理[20]，說(shuō)明伴礦景天對(duì)Cd具有較強(qiáng)的活化能力，有助于對(duì)土壤中Cd的吸取。

2.4?鎘在伴礦景天的分布

研究顯示[21]，水培條件下伴礦景天組織中Cd濃度為葉>莖>根，根、莖、葉最高濃度分別可達(dá)1331 mg/kg、3845 mg/kg、5764 mg/kg。超積累植物景天屬的葉部是Cd的重要存儲(chǔ)部器官[22]，伴礦景天在水培環(huán)境下新葉片Cd的濃度能達(dá)到15057 mg/kg。也能驗(yàn)證這個(gè)說(shuō)法。對(duì)于亞細(xì)胞分布來(lái)說(shuō)，伴礦景天的莖部分更傾向于將Cd存儲(chǔ)于生理活性較低的表皮組織，葉片中則分布比較均勻。李思亮等[13]也得出伴礦景天新葉部Cd的含量均高于成熟葉片。

3?伴礦景天修復(fù)鎘污染土壤的強(qiáng)化措施

植物吸取修復(fù)效率與土壤污染物濃度、有效性、植物富集能力、生物量有關(guān)，其中污染物濃度越高，修復(fù)效率越低[23]。因此，為促進(jìn)修復(fù)植物的生長(zhǎng)，提高修復(fù)效率，相關(guān)學(xué)者在植物吸取修復(fù)的強(qiáng)化措施方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，包括施肥、水分管理、土壤改良、植物間套作、作物育種、栽培等農(nóng)藝措施，以及添加化學(xué)調(diào)控劑和微生物強(qiáng)化措施等。

3.1?農(nóng)藝強(qiáng)化

種植密度是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中影響產(chǎn)量重要的技術(shù)因素。不同種植密度可能導(dǎo)致修復(fù)植物地上部產(chǎn)量存在差異從而造成重金屬吸取量的差別。劉玲等[24]通過(guò)試驗(yàn)得出，適宜的種植密度能夠增加伴礦景天地上部產(chǎn)量，增大地上部Cd的吸取量，有利于Cd污染農(nóng)田土壤修復(fù)，但種植密度太高則對(duì)伴礦景天地上部產(chǎn)量和植物體內(nèi)Cd濃度沒(méi)有顯著效果。

我國(guó)人均耕地面積較少，在污染地塊實(shí)行邊生產(chǎn)邊修復(fù)就顯得尤為重要。居述云等[25]研究表明，小麥和伴礦景天進(jìn)行間作耕種模式，不但有效減少土壤中Cd的濃度，又能降低小麥和后茬作物體內(nèi)的Cd污染風(fēng)險(xiǎn)。但也有研究發(fā)現(xiàn)，小麥與超積累植物間作，增大了小麥對(duì)土壤中重金屬的吸收，且對(duì)后茬作物水稻地上部Zn、Cd濃度的影響較小，但水稻糙米重金屬含量與前季單作小麥處理相比呈下降趨勢(shì)[26]。另外，伴礦景天與絲瓜的間作系統(tǒng)存在著絲瓜果實(shí)中Cd濃度增加的情況，但間作時(shí)向土壤中添加固鎘菌或者施加熔融含鎂磷肥可將土壤中Cd的有效態(tài)含量降低，而且還有增加絲瓜結(jié)實(shí)數(shù)量的顯著效果[27]。

施肥是具有提高土壤肥力而增加農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的重要農(nóng)藝措施。對(duì)于修復(fù)植物來(lái)說(shuō)，增施肥料也能提高其修復(fù)效果。相關(guān)研究表明，施加氮肥能顯著增加?xùn)|南景天體內(nèi)Cd的濃度，并指出銨態(tài)氮能更好的提升東南景天對(duì)Cd污染土壤的吸取修復(fù)效果[28]。但也有不同研究顯示，氮肥雖能增加伴礦景天的生物量，卻不利于提高地上部分重金屬濃度。需要合理配施肥料，如低量氮肥和磷肥以及較高的鉀肥，種植伴礦景天吸收土壤中的Cd達(dá)到最好效果[29]。另外，施用有機(jī)肥能顯著增加伴礦景天的地上部分生物量和Cd含量，且對(duì)其賦存形態(tài)沒(méi)有影響[30]。

伴礦景天雖屬于耐旱植物，但適宜的水分會(huì)提高其修復(fù)效果。研究得出，在70%土壤最大田間持水量下，伴礦景天地上部鮮重顯著高于其他處理，對(duì)Cd吸取能力最強(qiáng)[31]。

適宜的水肥條件是保證植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)之一，但一些土壤物理性質(zhì)，如土壤容重或緊實(shí)度過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)影響植株生長(zhǎng)發(fā)育，嚴(yán)重時(shí)會(huì)降低產(chǎn)量。王麗麗等[32]得出土壤緊實(shí)度對(duì)壤黏土上伴礦景天的Cd吸取效率影響最明顯，砂質(zhì)黏土、黏土次之。隨著緊實(shí)度的提高，雖然根系活力顯著提升，而地上部分的生物量和Cd含量卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。植物通過(guò)光合作用來(lái)固定有機(jī)物，從而供養(yǎng)植物的生長(zhǎng)。研究得出，光照強(qiáng)度降低，伴礦景天生物量也隨之降低，當(dāng)光照強(qiáng)度低于400～500 μmol/m2·s時(shí)地上部分Cd吸收量顯著下降[33]。

3.2?化學(xué)調(diào)控

土壤中重金屬的活性，是影響植物對(duì)重金屬吸取的重要因素之一。人工合成螯合劑可以改變重金屬元素在土壤中的儲(chǔ)存形態(tài)，提高其在土壤中生物有效性，進(jìn)而強(qiáng)化修復(fù)植物對(duì)重金屬元素的吸收。EDTA作為萃取劑應(yīng)用到土壤中是能降低土壤對(duì)重金屬的的吸附能力，有利于植物的吸收達(dá)到提高植物修復(fù)效果的作用。但EDTA具有很強(qiáng)的絡(luò)合能力，在環(huán)境中不容易被降解，會(huì)存在著二次環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。衛(wèi)澤斌等[34]采用了一種可生物降解且螯合能力與EDTA效果相差不大的螯合劑GLDA應(yīng)用到東南景天的強(qiáng)化修復(fù)中，得出GLDA相較于EDTA的強(qiáng)化吸取重金屬Cd能力是更為出色，同時(shí)還降低了二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。另外，任婧等[35]得出向污染土壤中施加適宜量的硫粉能顯著增加伴礦景天地上部生物量，而IDS則顯著降低其上部Cd的濃度。也有研究得出表面活性劑SDBS對(duì)土壤中鐵錳結(jié)合態(tài)的鎘有很好的活化效果，能提升伴礦景天對(duì)鎘的吸收效果[36]。同時(shí)，施加化學(xué)有機(jī)調(diào)控劑不僅能明顯提升土壤中pH值和提升土壤溶液中的Cd濃度，且能夠促進(jìn)伴礦景天對(duì)土壤中Cd的吸收，顯著提高了其對(duì)Cd污染土壤的修復(fù)效率[37]。

3.3?微生物強(qiáng)化

微生物在重金屬污染的土壤修復(fù)方面，耐Cd微生物具有獨(dú)特的作用，通過(guò)其代謝活動(dòng)及產(chǎn)物改變土壤中重金屬的賦存形態(tài)，將土壤中難為被修復(fù)植物吸收的重金屬形態(tài)活化成為水溶態(tài)或交換態(tài)，提高植物修復(fù)效率[38]。周慧芳等[36]得出耐Cd菌可活化土壤中難溶態(tài)Cd，而且耐Cd菌與伴礦景天聯(lián)合修復(fù)后，修復(fù)植物吸收Cd的量，修復(fù)過(guò)后土壤中的酶活性、微生物數(shù)量都遠(yuǎn)高于同屬景天植物。木霉是一種優(yōu)良的微生物資源，能促進(jìn)植物種子萌發(fā)、植株生長(zhǎng)，提高植物生物量等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[39]。馬文亭等[40]研究發(fā)現(xiàn)里氏木霉FS10-C對(duì)Cd具有一定耐性而且還能顯著促進(jìn)伴礦景天的生物量以及地上部Cd的累積量。也有學(xué)者將里氏木霉FS10-C制成可濕粉劑，能顯著提升伴礦景天地上部分的生物量[41]。接種宿主植物根際促生菌可增大土壤中Cd的活性，促進(jìn)伴礦景天生長(zhǎng)及對(duì)Cd的吸收，提高了伴礦景天的修復(fù)效率[42]。

4?伴礦景天產(chǎn)后處理

超積累植物在污染農(nóng)田土壤修復(fù)方面有著廣泛的應(yīng)用前景，但是收獲物的快速處置是急需解決的技術(shù)問(wèn)題之一。目前常用的方法有焚燒法、壓縮填埋法、堆肥法、高溫分解、灰化法、液相提取法等。對(duì)于伴礦景天的產(chǎn)后收獲物處理也有不同的研究。如采用壓碎、壓榨方法將產(chǎn)后的鮮樣進(jìn)行處理，得到的殘?jiān)M(jìn)行晾干過(guò)后統(tǒng)一處理，漿液則用絮凝劑、重金屬捕捉劑和調(diào)節(jié)pH進(jìn)行處理，液體達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)后排放[43]，但是成本相對(duì)較高。也有人將修復(fù)污染土壤過(guò)后的伴礦景天用來(lái)提取生物質(zhì)原油，廢渣的處理也符合國(guó)內(nèi)固體廢棄物的排放標(biāo)準(zhǔn)[44]。因燃燒法會(huì)產(chǎn)生大量的危險(xiǎn)尾氣，可能造成二次污染，薛輝等[45]提出將伴礦景天與煤混合燃燒更加有利于Cd保留在底渣當(dāng)中，便于后續(xù)處理。

5?展望

我國(guó)污染土壤修復(fù)任務(wù)艱巨，伴礦景天是一項(xiàng)良好的修復(fù)技術(shù)，但技術(shù)實(shí)用性和成本高是限制其推廣的主要因素，在以后的研究工作中可從技術(shù)的實(shí)用性，經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行研究，加大該技術(shù)的推廣。目前伴礦景天修復(fù)Cd污染土壤的研究大多為盆栽和田間試驗(yàn)，但從技術(shù)理論到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，需要完整的、大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的農(nóng)藝管理措施，因此，應(yīng)該加強(qiáng)伴礦景天的修復(fù)強(qiáng)化措施進(jìn)行系統(tǒng)化的大田試驗(yàn)研究。修復(fù)植物的生物量和生長(zhǎng)周期是影響修復(fù)效率的重要因素，現(xiàn)如今分子生物技術(shù)快速發(fā)展，從生物學(xué)和基因工程的角度開(kāi)展研究，提升伴礦景天的生物量、縮短其生長(zhǎng)周期、提高對(duì)Cd的富集能力成為可能?，F(xiàn)行的產(chǎn)后處理技術(shù)中多為燃燒、碾碎等簡(jiǎn)單的處理技術(shù)，今后應(yīng)該向成本低、資源再次利用率高、二次污染風(fēng)險(xiǎn)低的產(chǎn)后處理技進(jìn)行研究。

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