螯合剂辅助植物修复重金属污染土壤技术研究进展

王永奎，陈 苗，张家泉,袁 斌

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003)

螯合剂辅助植物修复重金属污染土壤技术研究进展

王永奎1,2，陈 苗1，张家泉1,2,袁 斌1

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003)

螯合剂辅助植物修复重金属污染土壤技术是一项具有良好应用前景的化学-生物联合修复技术。主要综述了该项技术的原理、影响因素及相关研究进展，并提出了今后研究工作的重点。

螯合剂；植物修复；重金属；影响因素；环境风险

近年来，由于现代农业生产中各种农药和化肥的使用、汽车尾气的大量排放、污水灌溉和垃圾处理不当以及工业“三废”的不合理排放，导致土壤中重金属含量急剧增加，土壤重金属污染日益严重。据统计，我国每年受重金属污染的粮食约为1.2×107t，经济损失达200亿元[1]，重金属进入土壤环境会对人类及生态环境造成严重的危害[2]，因此土壤重金属污染修复研究引起了研究人员的重视[3-4]。然而由于土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性、不可逆性、复杂性等特点[5]，导致其污染修复技术进展缓慢，修复效果有限。

土壤重金属污染的植物修复技术是较有发展前景的修复方法[6]，其含义是利用植物对重金属的吸收富集、稳定能力，将重金属转移到植物体内或通过植物分泌物将重金属稳定，从而达到转移土壤中的重金属或将其毒性降低的目的。根据修复的机理和过程，可以将该技术分为植物提取、植物固定和植物挥发3种类型[6]。其中研究较多的是植物提取，即利用超积累植物(hyperaccumulators)对重金属进行富集。与物理及化学修复技术相比，植物修复技术具有显著的优越性，如具有修复费用低、安全、不造成二次污染、可进行原位修复等优点，但同时植物修复技术也有一定的局限性，如具有修复过程相对缓慢、所需周期较长、超富集植物生物量小、重金属有效性差、植物修复效率不高等缺点，从而在一定程度上限制了该项技术的发展。近年来，通过施加螯合剂提高植物修复技术的效率引起了研究人员的极大兴趣[7-9]。本文主要就螯合剂提高植物修复技术效率的机理、影响因素、生态风险及相关进展作一综述，以期推动该技术在实际中的应用。

1 螯合剂提高植物修复效率机理

土壤是一个复杂的组成体系，存在表面吸附、络合作用、沉淀反应等各种物理过程及化学过程，使得重金属一旦进入土壤环境就很快被土壤中的矿物强烈吸附，导致其移动性差和生物有效性差。螯合剂对金属离子具有较强的螯合能力，进入土壤后，其通过自身含有的配位体与土壤溶液中的重金属离子结合形成金属螯合物，降低土壤液相中重金属离子的浓度，维持重金属离子在土壤液相与固相之间的平衡，减少土壤矿物对重金属的吸附，提高重金属的有效性，进而被修复植物吸收利用，从而强化土壤中重金属向植物体中的迁移[10]。这种通过施加螯合剂提高植物修复效率的方法称为螯合剂辅助植物修复技术。常见的螯合剂主要分为2类：一类是人工合成的螯合剂，如EDTA(乙二胺四乙酸)、DTPA(二乙三胺五三乙酸)等，这类螯合剂对重金属具有较强的活化能力[8-11]。研究表明，当螯合剂EDTA的用量为0.5g/kg时,可以显著增加向日葵地上部分Cd和Ni的含量，分别从34 mg/kg、15mg/kg提高到115mg/kg、117 mg/kg，大幅提高了植物修复效率[11]；另一类是天然螯合剂，如柠檬酸、草酸等，这类螯合剂对重金属的活化能力虽不及人工合成的螯合剂，但其由于易生物降解，属环境友好型螯合剂，近年来引起了研究人员的重视[9,12]，也是未来的研究方向。

2 螯合剂提高植物修复效率影响因素

影响螯合剂提高植物修复效率的主要因素有如下几点。

1)螯合剂的种类、浓度、生物降解性等性质。螯合剂的种类是影响螯合剂提高植物修复效率的重要因素，不同的螯合剂对同一金属的活化能力有明显差异。目前，研究最多的螯合剂是EDTA，其对重金属的活化能力最强[8-11,13]。Huang等[13]的研究表明，不同的螯合剂对Pb的活化能力强弱顺序为：EDTA>HEDTA>DTPA>EGTA>EDDHA。Shen等[7]通过研究加入不同的螯合剂对卷心菜富集Pb的影响也得到了类似的结论。与螯合剂EDTA、CDTA、DTPA、EGTA相比，HEIDA可以有效地提高土壤中Cu的有效性，当其用量为20mmol/kg时，植物对Cu的吸收可提高3倍[8]。

2)重金属离子的特性。重金属离子多种多样，结构各异，特性不同，导致加入同一螯合剂对不同金属的活化能力也有较大差异。如研究发现，加入螯合剂EDTA、EDDS、DTPA显著增加了Pb、Mn在小麦幼苗根部和茎叶中的富集，而对Ni和Fe的作用程度却很小[14]。Chen等[11]则发现，对于向日葵而言，加入EDTA后可以有效地增加Cd和Ni从植物根部到地上部的迁移，Cr则无效果。Anna等[15]研究6种螯合剂对土壤中Cu和Pb的活化能力，结果发现，对Cu的活化顺序为：EDTA>柠檬酸、酒石酸>组氨酸>EDDS、甘氨酸；而对Pb的活化程度顺序则为：EDTA>EDDS>酒石酸、柠檬酸>组氨酸、甘氨酸。因此在选择具体的螯合剂时，除需考虑螯合剂本身的性质外，还需考虑土壤中占优势的重金属种类。

3)土壤条件及其他因素。土壤条件包括水分、pH值、氧化还原电位、温度、共存离子、养分等[16-18]。这些因素主要通过影响重金属的有效性进而影响螯合剂提高植物修复的效率。pH值一方面可以提高土壤表面负电荷对重金属的吸附，另一方面也可以使重金属离子生成沉淀，从而降低重金属的活性。土壤中的其他共存离子，如营养成分Ca2+、Mg2+等的存在可以和重金属离子发生竞争性作用，从而降低螯合剂对重金属的活化能力[16]。土壤养分的增加可以提高植物的生物量，进一步提高螯合剂辅助植物修复效率；同时某些养分物质的存在还可以提高重金属的解吸能力，如施加氮肥NH4NO3可以提高137Cs的解析，从而增加其溶解度，提高修复效率[18]。此外，螯合剂提高植物修复效率还与植物种类[8,13]、螯合剂添加时间[17]等因素有关。

3 螯合剂的生态环境风险

螯合剂在提高重金属有效性的同时，也具有一定的风险性，主要表现在以下2个方面。

1)部分螯合剂虽然螯合能力强，但当其浓度超过一定值时，会对植物产生一定的毒性，影响作物的生长,如引起植物叶子的黄化、甚至是植物的死亡[19-20]。同时，它也可以扰乱土壤的微生物菌群，破坏土壤的微生物功能。研究表明，EDTA等螯合剂不仅会导致印度芥菜生物量的降低，而且显著抑制了土壤微生物群落的活性，对植物产生毒害作用，其对土壤微生物、土壤微型动物数量、生物多样性产生的影响不容忽视，进而可能对土壤生态系统造成不良影响[11]。

2)螯合剂在使用过程中除与重金属离子结合能力强之外，与营养元素也有较强的螯合能力，从而易造成土壤中养分的流失[21]，例如， EDTA除了与Pb2+、Cd2+等毒性较大的重金属螯合之外，还能与土壤中植物生长所必需的Ca、Mg等营养元素发生螯合作用并形成螯合物。最终导致地下水、地表水中金属螯合物浓度增高,产生二次污染[22]。

4 结论

螯合剂辅助植物修复治理土壤重金属污染有很好的应用前景，虽然目前此方面研究取得了一定的成果，但其离大规模应用还有相当长的距离，笔者认为以下几个方面的研究还有待进一步加强：

1)螯合剂强化植物修复的能力对不同的重金属污染土壤有一定的差异，研究螯合剂强化能力与重金属性质之间的对应关系对于加速该项技术的实际应用具有重要的指导意义。

2)需利用多学科知识、多种分析测试手段研究施加螯合剂对土壤微生物、土壤条件、植物根系、植物组织、植物生理(如金属硫蛋白)、重金属从土壤向植物地上部转运过程等的影响，细致、深入的研究施加螯合剂提高植物修复效率的微观机理，为加速该项技术的实际应用提供理论依据。

3)目前关于螯合剂的研究仍主要集中于人工合成的螯合剂，如EDTA等螯合剂虽可提高重金属的有效性，但其性质稳定，形成的络合物易流失、迁移，从而给地表水、地下水带来一定的安全隐患，成为制约本项技术发展的瓶颈，所以筛选出或合成出螯合能力更强、毒性更低、更易降解、价格便宜的环境友好型螯合剂，是该技术走向大规模应用需要解决的首要问题。

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(责任编辑高嵩)

Research Progress of Chelate-induced Phytoremediationof Soil Contaminated by Heavy Metals

WangYongkui1,2,ChenMiao1,ZhangJiaquan1,2,YuanBin1

(1School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Key
Laboratory of Mine Environmental Pollution Control & Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

Chelate-induced phytoremediation of heavy metals in soil is one technique that combines chemical and biological methods.This paper mainly focuses on the principle,effect factors and relevant research progress of this technique.Finally the future research directions are discussed.

chelating agents;phytoremediation;heavy metal;effect factors;environmental risk

2014-02-22

国家自然科学基金项目(项目编号41303090);湖北理工学院校级科研项目(项目编号12xjz06R)。

王永奎(1982— )，男，讲师，博士，研究方向：环境污染控制化学。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.04.008

X53

A

2095-4565(2014)04-0030-03