重金属污染土壤的植物修复研究

卫三平 李永杰

(1.山西省吕梁市水利局，山西吕梁 033000;2.山西水利职业技术学院，山西运城 044004)

植物修复集永久性和广域性于一体，是一种新兴的绿色生物技术，能在维护土壤结构和微生物活性的情况下对重金属污染土壤进行修复，因此越来越受到世界各国的高度重视和青睐。20世纪90年代以来，植物修复已成为土壤环境重金属污染治理研究领域的一个前沿性课题。

1 土壤重金属污染来源及危害

土壤重金属污染物的来源途径主要包括:采矿、冶炼、化工、电子、制革、燃料等工业产生的“三废”;城镇建设等排放的固体废弃物，城乡生活垃圾、污水等;农业污水灌溉、化肥和农药的不合理施用;重金属以气溶胶的形态进入大气，经过自然沉降和降水进入土壤等。

某些重金属元素(如Zn、Cu)对植物而言是必需元素，但重金属在土壤中积累到一定限度时，就会对土壤—植物系统产生毒害作用，不仅导致土壤退化、土壤生态结构和功能紊乱、植物的生长发育异常、农作物产量和品质降低，而且通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水而恶化水文环境，更为严重的是这些重金属物质可以在土壤中留存几十年、几百年，通过植物可食部分的富集吸收进入食物链危害人畜生命和健康。研究表明:受重金属污染的土壤，其微生物生物量比正常使用粪肥的土壤低得多，并且减少了土壤微生物群落的多样性［1］。随着工业的发展和农业的现代化，重金属污染问题越来越突出，部分地区土壤重金属污染状况已经非常严重。据估测，目前全世界平均每年约排放Hg 1.5万t，Cu 340 万 t，Pb 500 万 t，Mn 1500 万 t，Ni 100 万 t，这些物质均由人类的生活、生产活动排放于自然界中，最后绝大多数通过各种各样的途径进入土壤［1］。据统计，1980年我国工业“三废”污染耕地面积266.7万hm2，1988年增加到666.7万hm2，1992年增加到1000万hm2以上［2］。目前，全国遭受不同程度污染的耕地面积接近2 000万hm2，约占耕地总面积的1/5［3］。每年因重金属污染减产粮食1000万t以上，被重金属污染的粮食每年也多达1200万t，经济损失至少200亿元［1］。

2 植物修复原理

重金属在土壤中的自然净化过程十分漫长，一般需要上千年时间，其污染具有隐蔽性、不可逆性和长期性等特点，就目前技术条件而言，土壤污染治理仍然是国际性难题［4］。1977年Brooks提出超富集植物的概念［3］，1983年美国科学家Chaney首次提出利用超富集植物清除土壤中重金属污染物的设想，即植物修复(Phytoremediation)。英国Sheffield大学Baker博士提出超富集植物具有清洁金属污染土壤和实现金属生物回收的实际可能性。

植物修复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，包括植物对污染物的吸收与富集、根系分泌物以及土壤微生物对污染物的降解等综合因素，清除环境中污染物的一种治理技术［4］。植物修复的前提是找到对某种(些)重金属具有特殊吸收富集能力的植物，即重金属的“超富集植物”。通常，超富集植物的界定主要考虑两方面的因素:植物地上部分富集的重金属应达到一定量;植物地上部分的重金属含量应高于根部。由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此对不同重金属而言，其富集系数植物富集质量分数界限也有所不同。目前采用较多的是 Baker和Brooks提出的参考值［3］，即把植物叶片或地上部分(干质量)中Cd含量达到100mg/kg，Co、Cu、Ni、Pb含量达到1000mg/kg，Mn、Zn含量达到10000mg/kg以上的植物称为超富集植物。同时，这些植物的转运系数S/R(S和R分别指植物地上部分和根部重金属的含量)应大于1。目前已发现有400多种超富集重金属的植物，以十字花科植物居多［5］。由于土壤—植物系统自身的特点，土壤重金属污染必须以预防为主，尽可能减少重金属污染物的输入。

3 植物修复分类

重金属的植物修复有两种途径:一是通过植物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定，降低其在土壤中的移动性和生物可利用性;二是通过植物吸收、挥发，达到对重金属的削减、净化和去除的目的。根据其作用过程和机理，重金属污染土壤的植物修复技术可分为以下三种类型。

3.1 植物提取

植物提取是目前研究最多、最有发展前景的植物修复方式，它是利用耐受并能积累重金属的植物吸收土壤环境中的金属离子，将它们大量地输送并贮存在植物体的地上部分，然后收割植物并进行集中处理，连续种植这些植物，即可达到降低或去除土壤重金属污染物质的目的。这类植物有2种，一是具有超耐性的植物，二是营养型超富集植物。超耐性植物能够较普通植物累积10～500倍以上的某种重金属元素。营养型超富集植物以某种或某些重金属元素作为其自身生长的营养需求，它们往往在这些元素正常浓渡下难以正常生长发育。植物对元素的选择吸收早在一个世纪以前就被人们所发现，但植物提取吸收用作污染土壤的治理还是近30多年的事［6］。

3.2 植物挥发

植物挥发是指利用一些植物吸收重金属元素，并将其转变为可挥发的形态，通过蒸腾作用将之挥发出土壤和植物表面，以降低土壤污染程度。目前，这方面研究最多的是元素Hg和Se。研究表明，硒积累植物黄芪、印度芥菜可将Se转化为挥发态的甲基硒，烟草能使毒性大的二价Hg转化为气态的零价Hg，Meagher等把细菌体中的Hg还原酶基因导入芥子科植物，获得耐Hg的转基因植物，该植物能从土壤中吸收Hg并将其还原为挥发性单质Hg［7］。植物挥发技术不需收获和处理含污染物的植物体，不失为一种有潜力的植物修复技术，但其只适用于挥发性的污染物(如Se、As和Hg等)，应用范围很小，并且将污染物转移到大气中对人类和生物有一定的风险，因此它的应用仍受到限制。

3.3 植物固定

植物固定特指某些植物通过促进重金属元素在根区沉淀等途径降低其移动性和生物有效性，减少重金属元素被淋洗到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性，使土壤重金属对生物的毒害性降低。植物本身不吸收重金属，但植物的根系分泌物如氨基酸、糖、酶等物质能促进根系周围土壤的微生物的活性和生化反应，使重金属发生沉淀或被束缚在腐殖质中。研究发现一些植物可降低Pb的生物可利用性，缓解Pb对环境中生物的毒害作用，六价铬可被还原为毒性较低的三价铬。植物固定并没有将土壤中的重金属离子去除，只是暂时将其固定，如果环境条件发生改变，重金属的生物可利用性可能又会发生改变，因此植物固定不是一种修复重金属污染土壤的有效方法。

4 螯合剂在植物修复中的应用

早在1974年，Wallace在一次偶然机会中发现土壤中添加螯合剂(EDTA和NTA)可以强化植物对重金属的吸收［8］。近20多年来，国内外一些学者开始关注各种螯合剂在土壤修复和利用中的作用，并开展了大量的研究工作。目前常用的螯合剂主要有两种类型:一类是人工合成的螯合剂，如 EDTA、DTPA、EGTA、CDTA和EDDS;另一类是天然的螯合剂，主要是一些低分子有机酸，如柠檬酸、草酸和酒石酸等。其中以人工合成的螯合剂因具有较强的活化能力而被广泛应用。螯合剂的主要作用体现在［9］:(1)增加土壤中重金属的溶解度;(2)提高了重金属根际扩散能力;(3)促进重金属自根系向地上部转运，可见施加螯合剂不但可提高某些植物对重金属的吸收，更重要的是促进了重金属在地上部分的富集，这对植物修复是非常重要的。研究发现高浓度的螯合剂如EDTA、DTPA、CDTA、EGTA、NTA和柠檬酸等处理均可以增加印度芥菜、玉米、豌豆等植物中的重金属含量。在土壤铅浓度为2500μg/g的污染土壤上种植玉米和豌豆，加入EDTA后植物地上部铅的浓度从500μg/g提高到 2500μg/g，增幅达到 5倍。研究表明［10］，向铅污染土壤中加入110g/kg的 EDTA，24h后Pb从作物根向枝干部分的转移量与对照相比，提高了120倍。但在田间应用时，螯合剂可能因使用控制不当而导致水体、土壤环境产生副作用，容易造成对水土资源的二次污染。施用有机肥是较理想的措施，既能活化土肥土壤，促进修复植物生长，又能降低环境二次污染的风险［11］。

5 植物修复的优点和局限性

5.1 优点

(1)成本较低。相对于化学、物理方法而言，植物修复不管是从经济效益、环境效益还是技术可行性方面都占有很大的优势的，而且成本低廉，只占常规处理方法费用的17% ～35%［12］。(2)操作简便。植物修复简单易行，适合大面积推广，并不需要增加多少额外的设备装置。(3)绿色环保。植物修复是一个自然更替过程，在修复过程中产生的二次污染较少。超量积累植物焚烧后的灰分一般重金属含量较高，对一些贵重金属可回收利用。(4)保持良好生境。植物修复能使土壤保持良好的结构和肥力状态，无需进行二次处理，即可种植其他植物。

5.2 局限性

(1)植物生长有其立地要求，且受病虫害袭击和遭受自然灾害时会严重影响其修复能力。(2)修复周期较长且深度有限，对深层土壤污染和深层地下水污染的修复能力较差。(3)修复重金属复合污染土壤受限，对土壤中其他浓度较高的重金属则表现出中毒症状。(4)具有一定的生态安全风险。尤其富集后的植物处置困难，若处理不当有可能导致植物中富集的有毒有害重金属元素重新释放到土壤中，造成生态环境二次污染。

6 主要研究方向

6.1 超富集植物选育

我国国土广袤，气候地理条件复杂多样、植物资源丰富，可能蕴藏着大量的超富集植物种类，为开展植物修复技术研究提供了优越的条件。目前，我国选育的超富集植物种类较少，筛选、培育、驯化超富集植物仍然是今后一个时期内植物修复研究领域的重要任务，特别是要加强木本超富集植物的选育工作。

6.2 深化基础理论研究

植物对重金属元素的超富集、转化、转移、代谢机理，根际作用以及根际微生物群落的生态学和生理学特征，根际土壤环境条件对重金属的生物有效性制约机理，植物—微生物—重金属的相互作用，重金属元素在土壤中的吸附、解析、迁移机理等一系列基础理论问题有待深入研究。

6.3 基因工程技术的应用

目前已发现的超富集植物大多存在根系浅、生物量小、生长缓慢等缺点，使植物修复技术应用受到限制。科研人员可以应用基因工程技术，将自然界中超富集植物的耐重金属、超累积基因导入到生物量大、生长速度快、抗逆性强、修复效率高的植物中去，从而获得高效的超富集植物。利用基因工程也可使植物将重金属元素富集在不可食用、易于收割的组织当中，避免修复植物被动物采食而使重金属元素进入食物链，便于修复植物的后期处理。近些年来，在Se、Hg、Cd、Zn等重金属元素转基因植物研究方面已初获成果，基因技术的应用将为植物修复广泛推广开辟新的途经。

6.4 环境友好型添加剂研发

选择合适的土壤添加剂是促进植物修复技术发展和应用的重要课题。许多研究证明向土壤施用添加剂可以提高植物对重金属的积累速率和水平，但其环境安全性也受到高度重视，因此开发环境友好型添加剂是今后的一个重要研究方向。

6.5 植物修复工艺研究

为了克服植物修复的局限性，提高修复的效率，开展植物修复工艺研究十分必要和迫切。魏树和等［13］，提出在花期收获修复植物然后再及时移栽下一茬修复植物的作法，从而在同一生长季内充分提高修复效率。另外，微生物—植物修复、螯合剂—植物修复、电压—植物修复、超富集植物炼矿修复技术和工艺也正在被国内外科研人员所关注。

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