重金属污染土壤植物修复技术研究进展

白彦真，谢英荷，张小红

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

生态系统中，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。土壤系统自身具有污染的自净能力，然而，这种自净能力是有一定限度的。一旦进入系统的污染物总量超过了系统本身的耐受度，会导致土壤污染。而土壤污染具有隐蔽性、潜伏性、不可逆性、长期性以及后果严重性等特点[1-2]。

我国拥有占世界1/5 的人口，却只有占世界7%的耕地。随着城市化和工业化的加速，我国的耕地面积迅速锐减，同时，土地资源的生态环境还面临着不断恶化的威胁。据估计，目前，我国受污染的耕地面积已达2 000 万hm2，每年产出受重金属污染的粮食约1 200 万t，造成的经济损失超过25 亿美元。如不及时采取科学有效的防治措施，我国的受污染耕地面积将会进一步扩大，生态环境的稳定性将处于极其危险的境地[3-5]。

为缓解土壤重金属污染问题，国内外专家曾采用非毒性改良剂法、深耕法、排土法和客土法以及化学冲洗等方法，但由于这些方法自身的局限性，都未能达到理想的治理效果。近年来，重金属污染土壤的植物修复技术正在兴起。植物修复技术是利用特定的植物将重金属吸收、转化、降解、富集、转移，进而恢复土壤系统正常生态功能的过程，是实现环境净化、生态效应恢复的有效措施，是重金属污染土壤的环境友好型治理技术[6]。与传统的物理和化学方法相比，植物修复技术具有成本低、来源广、无二次污染的特点，尤其适用于土壤中低浓度重金属的去除。其中，应用较为广泛、治理效果显著的是植物修复、植物和微生物联合修复[7]。

1 植物修复

植物对土壤重金属污染的修复包括植物提取、植物挥发、根系钝化以及植物固定。其内在机理可能包括回避、吸收排出、细胞壁防御、重金属胞内区域化、重金属与各种有机酸络合、酶适应、渗透调节等机制[8]。

1.1 植物提取

植物提取即利用重金属超积累植物从土壤中吸取一种或几种重金属，并将其转移贮存到地上部分，随后收割地上部分并集中处理。连续种植这类植物，可使土壤中重金属含量降低到可接受水平。研究发现，有700 多种超积累重金属植物，一般对Cr，Co，Ni，Cu，Pb 的积累量在1 000 mg/kg以上，Mn，Zn 可达10 000 mg/kg 以上。遏蓝菜属是一种已被鉴定的Zn 和Cd 超积累植物。Baker 等[9]研究发现，土壤Zn 含量达444 mg/kg 时，遏蓝菜地上部的Zn 含量可达到土壤的16 倍；蜈蚣草能够将土壤中的As 吸收并转运到地上组织中，地上部分的As 含量达到植物干质量的2.3%[10]；粉叶蕨、大叶井口边草、长叶甘草蕨以及狭眼凤尾蕨和琉球凤尾蕨等对土壤As 也有较强的富集作用。鱼腥草、大花月见草、西芹、黑麦草、早熟禾、黄心乌、曼陀罗、羽衣甘蓝等对土壤Cd 有较强的富集作用[11]。有研究表明[12]，李氏禾能够将淤泥和水体中的Ni 转运到叶和茎，叶中Ni 最高含量达到1 349 mg/kg，叶中Ni 含量分别是水体和淤泥中Ni 含量的4 152 倍和1 882 倍。目前，国内外报道的Pb，Zn 超富集植物和富集植物不多，只有双穗雀稗、土荆芥和东南景天等，且绝大部分是在采矿区和冶炼厂附近发现[13]。也有学者发现，红叶苋、绿叶苋对土壤Pb 有较强的富集作用[14]。

1.2 植物挥发

植物气化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为气态物质释放到大气中，从而净化土壤。目前，对该方法研究较多的是Hg 和Se。自然界Se 的单质态占75%，挥发态占20%～25%，湿地上的某些植物通过ATP 硫化酶的作用，将土壤中的挥发态Se 还原为CH3SeCH3，由此达到消除土壤挥发Se 的目的。有研究表明，把细菌中的Hg 还原酶基因导入芥子科植物，获得耐Hg 转基因植物[15]。植物气化技术应用于修复重金属污染土壤，能有效去除土壤中的重金属，但同时使重金属挥发到环境中，可能会造成二次污染。因此，在采用植物气化技术时应持谨慎态度[16]。

1.3 植物根系钝化以及植物固定

植物根系钝化是指植物根系分泌有机酸、氨基酸、多肽等与重金属离子结合，降低重金属的移动性和生物可利用性，减小重金属被淋溶到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的风险，并减轻对植物的毒害作用。有报道表明，藜、新麦草可以固定土壤中的Pb，可能是由于这类植物根系分泌物能够改变土壤根际环境，改变重金属的形态，影响其毒性效应，或者植物的根毛可以直接从土壤交换吸附重金属，以增加根表面固定[17]。这类植物体内存在一种金属硫蛋白，其富含半胱氨酸，半胱氨酸上的巯基易与重金属结合，形成低毒或无毒的络合物[18]。此过程仅改变重金属离子的形态，并未减少土壤中重金属的含量。

我国野生植物资源丰富，天然生长在污染环境中的野生超富集植物和耐重金属植物不计其数，因此，开发与利用这些野生植物资源对植物修复的意义十分重大。据有关资料，大量水生植物对重金属Zn，Cr，Pb，Cd，Co，Ni，Cu 等有很强的吸收积累能力。仙丹花、鹅掌藤、马齿苋、变叶木、美人蕉、孔雀草以及向日葵等植物吸收重金属的能力以及在污染场所的生长状态都不错。陆生植物具有发达的根系，将陆生植物幼苗用于水体中重金属的去除，效果较好[3]。木本植物生物量大，修复效果好于草本植物，如池杉富集Pb 和Cd 能力优于芦苇。

目前，大多数学者都试图通过基因工程的方法来获得重金属超富集植物（如芸苔属植物）。如导入金属硫蛋白基因或引入汞离子还原酶的半合成基因，以及其他与重金属耐性有关的基因，以此来增加转基因植物对重金属的耐受性，最后规模种植这些超富集植物来回收土壤中的重金属元素[19]。

2 植物综合修复技术

现实中土壤复合污染普遍，污染程度与厚度差异大，同时地球表层的土壤类型多，其组成、性质的区域差异明显，而且修复后土壤再利用的空间规划要求不同。因此，单项修复技术往往很难达到修复目标，而开发复合修复模式就成为土壤污染修复的主要研究方向[20]。现在，开始投入应用的复合修复技术主要有植物-微生物联合修复、动物-植物联合修复等[21]。

植物-微生物联合修复的机理是高等植物与土壤微生物在生长过程中往往存在协同作用[22]，植物可以提供土壤微生物生长所需的碳源，同时又经茎叶向根部输送氧气，形成有利于氧化的微环境，促进好氧微生物对污染物的分解作用。植物-微生物联合修复是土壤生物修复技术研究的新兴方向[23]。筛选有较强降解能力的菌根真菌和适宜的共生植物是菌根生物修复的关键。利用能促进植物生长的根际细菌或真菌，发展植物-降解菌群协同修复及其根际强化技术，促进重金属的吸收、转化，将是今后研究的热点之一。

3 小结

植物修复技术的修复过程一般无二次污染，某些重金属元素还可回收利用，其发展潜力巨大。通过植物生理学、土壤学、遗传学、环境科学和生物工程等多个学科交叉研究，植物修复必将成为整治重金属污染土壤最具潜力和应用价值的绿色环保技术。

在今后的研究中，应注意几点：（1）大部分重金属超富集植物植株矮小，生物量低，生长缓慢，因而，修复效率受到很大影响，且不易机械化作业；（2）超富集植物多为野生植物，对气候条件的要求也比较严格，区域性分布较强，使成功引种受到严重限制；（3）超富集植物专一性强，从而限制了其在多种重金属污染土壤治理方面的应用前景；（4）植物器官往往会通过腐烂、落叶等途径使重金属重返土壤。

我国重金属污染土壤的面积在逐渐扩大，程度在不断加深，迫切需要成熟高效的植物修复技术。目前，植物修复在实际应用方面还存在一定的缺陷，但相信随着研究工作的不断深入，重金属植物修复技术必将得到迅速发展和推广，为环境保护治理工作带来新的希望。

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