土壤中重金属污染的植物修复

尤惠卿

（泉州幼儿师范高等专科学校，福建 泉州 362000）

随着城市化进程的加快，城市垃圾、汽车尾气、工厂污水废物的排放等，使得重金属污染的问题越来越严重。特别是含镉大米事件后，土壤重金属污染日益引起人们的广泛重视，成为环境科学研究的热点问题。

环境具有一定的自净能力，但是土壤中的重金属污染极具隐蔽性和复杂性，重金属很难通过自净过程来消除。它们即直接影响农作物的生长，使得农作物的产量和品质降低，而且通过食物链进入人体，危害人体健康。据估计，过去50年中，全球排放到环境中的镉约达到2.20×104吨、铜约 9.39×105吨、铅约为 7.83×105吨、锌约为1.35×106吨。因此重金属污染土壤的治理已成为当前急需解决的重大课题。[1]

一、重金属污染土壤的危害性

1、破坏土壤生态系统

土壤中重金属的存在，改变了土壤中原有的物理和化学性质，抑制了生物的生化反应，打破了原有的化学平衡，影响了土壤中的生态系统。研究表明，农田受到重金属污染后，土壤中的微生物基因受到损伤，细菌总数发生变化，丧失了一些优势的菌种，使微生物群落多样性结构遭到破坏。

2、影响植物的生长和生存

有些重金属如铜、锌等，虽然是植物生长必需的微量元素，但这些重金属在土壤中的含量超过临界值时，会影响植物对水分、养分的吸收，对植物产生毒害作用；还有一些重金属如铅、镉等，属于植物生长的非必需的元素。例如土壤中含有一定浓度的镉，植物叶片的叶绿素结构被破坏，使得抗坏血酸分解，游离脯氨酸积累，硝酸还原酶活性降低。镉还使氨基酸蛋白质失活，最终使植物死亡。[2]再如铅会使植物中氧化、还原和脂肪代谢强度减弱，减少水的吸收量、增大耗氧量，导致植物生长缓慢，甚至死亡。

3、危害人类的健康

土壤是自然界中铅的最大储存库。大气中的铅可直接沉降在土壤和农作物表面，或者随降雨、下雪和落尘沉降到土壤、水和农作物中。铅是一种多亲和性毒物，人体吸收铅后会造成多器官、多系统、全身性和终生不可逆的损伤。铅具有严重的神经毒作用，特别是儿童血脑屏障成熟较晚，中枢神经系统相对脆弱，加之排泄功能不够完善，容易受到铅毒损伤；铅能使血红素合成受阻，血红蛋白水平下降引起贫血；铅还能导致细胞内钙离子的过量积聚，使血管平滑肌的紧张性和张力增加引起高血压与心律失常。总之铅可在体内长期积累而不易排出，损伤神经系统和造血系统等。再如，镉被人体吸收以后，在体内形成镉硫蛋白，蓄积在肝、肾中，引起慢性中毒；镉还能使结缔组织损伤、生殖系统功能障碍、致畸和致癌，能影响骨骼的发育、发生“骨痛病”，在广西、湖南的某些地区，曾经发现重度污染的含镉大米，某些村落已经有多名村民出现了镉中毒症状。

二、土壤植物修复的方法

改良治理被重金属污染的土壤，主要分为物理方法、化学方法和生物方法三类。比如化学法主要通过将重金属污染的土壤与化学稳定剂混合来实现重金属的稳定化，但石灰等稳定剂通常不能有长期的治理效果；热力学方法可以通过高温来使重金属玻璃化，但是成本很高。生物方法中的植物修复是比较安全，且成本较低的技术。它是利用植物来达到修复和消除土壤中的有机和无机毒物。一般选择那些易生长、易收割、具有发达的根系、能耐受重金属的植物，若能累积多种重金属的植物则更好。植物修复的类型，可以根据其过程和机理分为以下4种。[3]

1、植物提取

由于超累积植物能对重金属具有吸收和转运作用，由根部将污染物吸收，转运到地上部分，然后收割其地上部分，进行热、微生物、物理或化学的方法处理，使土壤中重金属的含量减少。研究发现能够超积累各种重金属的植物有400多种。如羊蕨属植物、遏蓝菜属的一些栽培变种的茎杆和苋科植物都对重金属具有较强的富集能力；苎麻在含镉100 mg／kg的土壤中种植5年后，镉含量降低 27.6%。

2、植物挥发

通过植物根系分泌的物质或微生物作用，使土壤中的重金属转化为毒性小的挥发态物质，或者植物将重金属吸收到体内，转化为气态物质释放到大气中，这个作用称为植物挥发。如洋麻的作用下，将硒转化为挥发性的硒；烟草能将2价汞转化为气态单质汞；海藻能吸收并挥发砷；印度芥菜能吸收和挥发硒等。

3、植物稳定

通过植物根系的一些特殊物质过滤、分解、固定和钝化作用，使重金属吸附在土壤的表面，生成毒害作用较小的物质，降低重金属对土壤的污染，这个作用称为植物稳定。这个过程需要选择能忍耐高含量污染物、根系发达的多年生常绿植物。例如，植物分泌的磷酸盐与铅结合生成难溶的磷酸铅。

4、植物转化

利用植物根部及其它部位，通过植物的新陈代谢作用，改变重金属的形态，降低重金属的危害性，这个作用称为植物转化。例如，植物将毒性大的六价铬转化为难溶的、毒性小的三价铬。

三、植物修复的局限性

1、植物的局限性

目前筛选出的超富集植物，一般具有植株矮小、生长周期较长、生物量小的特点；且多数植物只能富集某一种特定的重金属，应用范围较小，所以修复效率不够理想。

2、修复方法的局限性

首先，植物只能修复根系到达地方的土壤，无法修复土壤深处；其次，植物稳定方法并没有去除土壤中的重金属，只是暂时固定，一旦条件变化，生物可能再次吸收这些重金属；第三，吸收了重金属的植物，有的通过腐烂或落叶等途径使重金属元素重返土壤，有的可能通过“植物—动物”的食物链，使重金属再次进入自然界。

四、植物修复技术的发展前景

1、寻找更多的超富集植物

我国具有十分丰富的野生植物资源，这是寻找开发野生超富集植物极为有利的条件。中科院华南植物园夏汉平研究员等科研人员完成的一种寻找重金属超富集植物的方法，获得国家发明专利授权。此方法是利用土壤种子库筛选对重金属具有超富集特性的植物，通过重金属浓度梯度实验对其超富集特性进行验证。首先从野外采集具有丰富种子资源的土壤装盆；添加多种重金属溶液，若能萌发的种子，表明它们对重金属有较强耐性；待植物长大后，选择那些有高生物量，强重金属耐性的种类来测定其重金属含量；选择那些富集能力强的种类进行下一步重金属浓度梯度实验。该发明具有明显的优点：首先，土壤种子库里有丰富的植物种类，能够一次性提供多种植物对多种重金属的富集特性进行测试；其次，土壤种子库到处都是，实验简单易操作，方便在全球范围内寻找超富集植物。

2、建立修复技术应用示范基地

由政府部门以及研究机构互相配合，建立植物修复实验基地，将获得的经验加以推广，使之得到更广泛的应用。例如：在政府的支持下，陈同斌研究员带领他的研究组，成功筛选出一种砷超富集植物，攻克了一系列关于植物修复砷污染土壤的技术难题，建立了国际上第一个植物修复砷污染土壤的示范工程，并在广西河池和云南红河州推广应用。

3、利用生物技术进行种质创新

植物对重金属的吸收、忍耐和积累是由多个基因控制的过程，利用基因转殖的方式，将与重金属耐受性与聚积性有关的基因导入植物中，使之产生可抵抗且累积多种重金属的转殖植物，用于植物修复。基因技术的研究将是植物修复研究中的一个重要并很有价值的方向。

4、多种修复技术相结合

把植物修复方法与微生物方法、物理方法等相结合，可以使修复的效果更加明显。例如：植物修复与微生物修复相结合、表面活性剂——植物修复相结合等。菌根也能影响植物对重金属的积累和分配，使植物体内重金属积累量增加，采用菌根与金属配位体相联系，可以提高植物菌根——植物——微生物修复体系的效果。

植物修复是一种绿色的修复技术，尽管存在多种问题，但它与传统的土壤修复技术相比，具有成本低、对生态环境的破坏小等优点，因此，植物修复是行之有效的治理技术。当然，在土壤污染日益加剧的今天，更重要的是以预防为主。首先应控制各种污染物排放的浓度和总量；经常性地监测、监督农业用水，严把农田灌溉水质关；使用下水污泥、河泥、塘泥做肥料要慎重；对病虫草害的防治尽量采用生物防治和综合防治，合理施用化肥、农药，整治不规范的矿山及冶炼厂，防止重金属污染土壤和水源。只有重视土壤质量的管理和保护，控制污染源，才能有效地防止土壤污染。

[1]张蕾、杨航、鲁雪、钱宁：土壤重金属污染的植物修复［J］.东北水利水电，2013（2）58.

[2]黄国勇、历晶晶：高速公路路域土壤重金属污染及植物修复研究进展［J］安徽农业科学，2009，37（7）3216.

[3]袁梅、铁柏清、唐美珍：土壤重金属污染的植物修复及其组合技术的应用［J］.中南林学院学报，2005，25（1）81-83.