土壤－植物系统重金属污染研究

2013-08-15王龙龙郭笃发

绿色科技 2013年6期

王龙龙，郭笃发，李桥

（山东师范大学人口·资源与环境学院，山东济南250014）

1 引言

土壤－植物系统处在地球“四大圈”的交接地带，构成陆生生态系统物能循环的枢纽，是联接有机界与无机界的桥梁，它既是地球表面最活跃的环境要素，又是珍贵的可更新资源［1］。近年来，随着工业化的不断发展和城市化进程的不断加快，工业、农业、交通运输等各种各样的人类活动将大量的重金属污染物质带入到土壤－植物系统，造成严重的土壤污染。土壤－植物系统的重金属污染一方面直接影响生态系统的结构和功能，威胁生态系统的安全，另一方面重金属作为持久性有毒物质，很难被微生物降解，会不断在生物体内富集，并且通过大气、水体、食物链等途径直接或间接地危害人类的生命健康安全。因此对土壤－植物系统重金属污染的来源、危害、迁移转化及其植物修复技术进行系统的研究具有重要的意义。另外，现代社会正在大力提倡绿色生态农业和开展生态环境建设，研究土壤－植物系统中的重金属污染状况可以为农业、生态环境的可持续发展提供准确的科学依据。

2 土壤－植物系统中重金属污染的来源

土壤－植物系统中重金属的来源主要分为两部分，一部分来源于成土母质和残落的生物物质，该种来源决定着土壤中重金属元素的含量与分布特征，但一般情况下，此种来源的含量是比较少的，因此不会对生态系统以及人类的生命健康带来危害；另一部分则为人为干扰输入，此种来源也是土壤－植物系统中重金属污染物质的主要来源。人为干扰输入重金属污染物质主要通过3种途径：一是矿产的开采冶炼、塑料、电池、电镀、化工等工矿企业不断地以“三废”的形式向土壤－植物系统中排放重金属污染物；二是农业生产中施用的化肥、农药、塑料薄膜、污水灌溉、污泥等物质引起土壤－植物系统的重金属污染；三是各种汽车燃烧产生的废气携带着固体粒子以撒播等方式将重金属粒子带入大气中而后沉降进入土壤－植物系统，引起重金属污染。

3 土壤－植物系统中重金属污染的危害

土壤－植物系统中重金属的污染危害主要分为两个方面，一方面是影响生态系统的结构和功能，威胁生态系统的安全，另一方面是通过作物直接地或通过受影响的水体和大气环境质量间接地对人体的生命健康产生影响。土壤为植物的生长发育提供养分，当土壤中重金属的含量超过一定的限制时，就会直接影响植物的正常生长、发育和繁衍，甚至引起植物群落结构的改变。某些重金属会迫使植物体内产生H2O2、C2H2等物质，从而对植物体内的代谢和酶活性产生毒害作用，以致影响植物正常的生理功能活动。如果镉与植物中巯基氨基酸和蛋白质结合，就会引起氨基酸蛋白质的失活，甚至导致植物的死亡［2］。土壤也是微生物的栖息地和能量来源，因此重金属污染会影响土壤中微生物群落的多样性。我国曾通过核酸快速提取系统提取重金属复合污染农田的DNA样本并进行了分析，结果表明，重金属复合污染导致了土壤微生物的基因损伤，影响了农田土壤生态系统的细菌丰富度，改变了土壤环境的优势菌群，从而使农田土壤微生物群落结构多样化发生变化，重金属复合污染严重的农田中土壤DNA含量较低［3］。另外，重金属还会对土壤酶产生抑制作用，破坏酶的活性基因、空间结构等，导致土壤酶的活性降低。和文祥等［4］的研究表明，Hg对脲酶的抑制作用最为敏感，当土壤中Hg的含量增加时，脲酶的活性就会随之降低。

土壤－植物系统的重金属污染除了影响生态系统以外，还会通过作物或者水体、大气的环境质量影响人类的生命健康安全。当重金属元素的含量在人体内积累到一定的程度时，便会导致人体各项生理特征的变化，从而表现出致突变性、致癌性、致畸性。研究表明，人体摄入或聚集的 Cd、Hg、Pb、Cr、As、Sn、Cu、Zn、V等重金属含量增高，会引起风湿性关节炎、骨痛病、肾炎、溃疡病、贫血、高血压、冠状动脉硬化等疾病，并引发皮肤癌、食道癌、宫颈癌、肝癌、鼻咽癌等一系列癌症以及造成慢性中毒等等［5］。因此，重金属污染的加剧已对人类的生命健康安全构成了巨大的、潜在的、严重的威胁。

4 土壤－植物系统中重金属的迁移转化

土壤－植物系统中的重金属污染物质在环境中的迁移转化行为是目前环境化学研究的热点问题。许多研究表明，由于土壤的pH值、有机质、粘土矿物、氧化还原条件等理化性质以及系统中微生物的活性、植物的生理机制和植物种类等的影响，重金属在系统中呈现不同的化学形态和迁移能力。土壤中重金属污染的严重性及其在环境中的生物有效性和迁移转化行为不完全取决于总量，而是取决于重金属的化学形态。其中土壤有机质的含量及其pH值的变化是影响重金属化学形态迁移转化最重要的因素。相关研究［6～8］发现，随着土壤中有机质含量和pH值的上升，大部分的重金属元素会因吸附或者形成络合物而导致浓度的降低，土壤重金属的生物有效性和迁移能力降低。目前，许多研究者将土壤重金属的化学形态大致分为可交换态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态4种形态。土壤环境中重金属的各种形态不是固定不变的，它们会随着土壤环境条件的变化而转变。不同化学形态重金属的生理活性和毒性均存在差异。在土壤环境中最为活跃、活性和毒性最强、易被植物吸收的是可交换态的重金属。反之，与土壤固相结合得最牢固、活性和毒性最小、最不易被植物吸收的则是残渣态的重金属，此种形态所占比例越高，重金属的生物有效性和迁移性就越小，越不容易被植物吸收。铁锰氧化物结合态与有机结合态的重金属活性和毒性居中，其生物有效性随着土壤中氧化还原条件的改变而变化。

植物通过根系毛细胞的作用吸收土壤中的重金属，然后富集在植物的根、茎、叶和果实部分。不同的植物种类从土壤中吸收转移重金属的能力有所不同，同种植物对不同重金属的转移能力也不同，例如李泽琴等［9］研究结果显示，不同种类的蔬菜对重金属的吸收富集能力依次为：莴笋茎＞空心菜＞韭菜＞茄子＞西葫芦；国外有研究表明，植物也能将土壤中不溶态的重金属活化，从而将活化的重金属通过根系运输到植物的茎、叶和果实等地上部分，提高土壤重金属的生物有效性和迁移能力，例如根袋（rhizobag）的试验研究结果表明［10］，土壤中可移动态Zn下降的含量还不到植物T.caerulescens吸收的Zn总量的10%；在复合污染条件下重金属之间的联合作用、协同与拮抗作用会引起某种重金属元素的生物活性和毒性的变化。例如Pb、Cu、Cd与Zn之间具有的协同作用能够促进小麦幼苗对Zn的吸收和累积；Pb与Cu之间的拮抗作用，随着Pb投加量的增加，Cu在麦苗中累积减少［11］。

5 土壤－植物系统中重金属污染的植物修复技术

重金属污染的植物修复是近年来发展起来的一项新兴的土壤污染高效修复技术，具有良好的社会、生态综合效益。它是依据植物对土壤中重金属的活化作用以及对重金属的耐性机制，通过植物的萃取、挥发或钝化等作用去除土壤环境中的重金属或者降低重金属毒性，从而达到清除污染、修复或治理土壤的目的。植物对重金属的耐性机制主要包括4个方面：植物根系通过改变根际的化学性状、原生质的分泌液等作用来抑制重金属离子的跨膜吸收，例如通过根际分泌螯合剂或者形成跨根际的氧化还原电位梯度和PH梯度等；植物的细胞壁与重金属离子结合，使其不能进入细胞质而影响植物细胞内正常的代谢活动；某些植物中存在保护酶活性的机制，例如某些酶的活性在受重金属污染时仍能保持正常的水平或者某些酶的活性随着重金属含量的增加而被激活，从而使植物对重金属产生一定的耐性；通过重金属诱导而在植物体内产生的金属结合蛋白质能够与进入植物体内的重金属结合形成不具生物活性和毒性的络合物，从而较低或者解除重金属的毒害作用，例如类金属蛋白质、植物络合素或者其他的未知的金属结合肽。植物的修复技术主要有3种类型：植物萃取技术、植物钝化技术、植物挥发技术。

5.1 植物萃取技术

植物萃取技术是利用重金属超积累植物从土壤中吸收重金属，然后转运到可以收割的部位，再通过传统的农业作业方式收割植物积累重金属的部位，再另作处理的方法，例如热处理，微生物、物理或化学的处理。此种方法是目前应用最多并且最有发展前途的修复方法。它主要用来处理土壤的底泥和污泥，最适合应用于重金属在25～100mg/kg的浅层受污染程度较低的土壤修复［12］。陈同斌等利用砷超积累植物—蜈蚣草在湖南进行了大面积（约1hm2）的现场修复实验，初步研究结果，在种植蜈蚣草6个月内，As污染土壤的植物修复效率可高达2.19%～7.84%［13］。Felix等［14］在被Zn污染的野外田间小区种植天蓝遏蓝菜进行试验，研究发现天蓝遏蓝菜的生物量达到1340g/m2，而Zn的最大提取量则高达34.1kg/ha。Antiochia［15］对被Cu、Pb和Zn复合污染的土壤进行盆栽实验时发现香根草中富集的Pb和Zn的含量能够达到超富集植物标准。

5.2 植物钝化技术

植物钝化技术是利用植物或者施用制剂将重金属污染物质钝化，降低重金属的生物有效性及迁移性，从而降低重金属进一步污染环境的可能性。但是此种方法的重金属污染物质仍然存在原地，具有一定的环境风险，当系统的环境条件发生变化时，重金属的生物有效性也可能随之发生改变，所以此种方法通常只作为一种暂时的处理方式。Cotter Howells等研究结果显示［16］，可以通过在剪股颖属根际施用磷酸盐的方法促使Pb形成磷氯铅矿，从而达到钝化Pb的目的。

5.3 植物挥发技术

植物挥发是利用植物吸收土壤中的重金属污染物质，然后将其转化为气态物质释放到大气中，此过程中污染物质只是从土壤经植物释放到大气中，所以存在一定的环境风险，主要适用于挥发性金属，例如Hg、Se等。Meaghcr R B［17］在研究中发现烟草能够将较大毒性的二价汞转化为气态汞。Banuelos等［18］研究显示，洋麻可以将土壤中47%的三价硒转化为甲基硒挥发到大气中得以去除。

植物修复系统可以看成是以太阳能为动力的“水泵”和进行生物处理的“植物反应器”［11］。它利用植物吸收、富集、代谢和稳定重金属污染物，从根本上解决土壤重金属污染问题，因而其在土壤重金属污染治理中具有独特的作用意义。

6 植物修复技术存在的问题与研究展望

6.1 植物修复技术存在的问题

植物修复技术的过程比较缓慢，总体效率偏低，同时又受到土壤类型、温度、湿度、营养等条件的限制，会影响超积累植物的生长，修复结束后，随着植物的死亡和凋落其生物量将回归土壤中，因此又将污染物质带回到了环境中。其次，一般一种植物只能对一种或少数几种重金属污染物有超富集作用，对于大量含有多种重金属、重金属－有机物等多种污染物系统的修复就很难发挥作用。另外，用于修复的植物与系统中的植物可能会存在竞争，影响当地的生态平衡。

6.2 植物修复技术的研究展望

（1）目前植物修复技术还不够完善和先进，存在的问题还很多，因此，如何选育超积累植物来提高富集效果，缩短修复周期，提高土壤中重金属的生物有效性则是目前最需要解决的问题。例如，筛选植物种及其变种以得到新的生物量大的超积累植物；利用植物基因技术，培育具有生物量大、生长速率快、生长周期短的超积累植物；通过其他的农艺措施优化修复环境，促进植物的修复过程，如施用肥料、调节pH值及添加螯合剂等。

（2）土壤－植物系统的重金属污染是一个比较复杂的物理化学过程，它的影响因素也是多种多样的，利用单一的植物修复技术很难改善系统的生态环境，因此，今后的研究工作中一方面应当注重发展循环经济，采用清洁生产工艺，严格控制重金属的排放途径，从源头和传播途径上防治系统的重金属污染，另一方面使植物修复技术与其他的土壤修复技术相结合，如物理修复技术、化学修复技术、微生物修复技术以及动物修复技术等，因地制宜，探求一种治理周期更短、治理效果更佳、环境危害更小、经济效益更高的综合治理方法，使受污染的土壤－植物系统得到良好的修复。

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