土壤的重金属污染及植物修复技术

魏治钢

(新疆环境保护科学研究院 新疆环境污染监控与风险预警重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830011)



土壤的重金属污染及植物修复技术

魏治钢

(新疆环境保护科学研究院 新疆环境污染监控与风险预警重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830011)

指出了土壤是人类赖以生存的最基本的物质之一，也是各种污染物质的最终归宿，采取措施对重金属污染土壤进行修复是必要的。植物修复作为重金属污染土壤修复技术之一，越来越多地被用于土壤重金属超标的修复治理之中，阐述了植物修复技术相关机理，并通过实例探究了植物修复技术的应用效果及面临的问题。

重金属;土壤;植物修复技术;应用

1　引言

植物修复技术通过利用植物根系吸收水分和养分的过程来吸收、转化污染土壤中的超标重金属，这样的过程可以达到清除污染和修复土壤的效果。植物修复技术在1980年提出，此后很快得到了推广[1,2,6]。研究中将阐述土壤重金属植物修复的主要机理、常规修复方法以及典型应用案例等方面内容，并就当前存在的问题进行分析及提出改善措施。

2　植物修复技术的抗性机理和富集机理

2.1植物对重金属的抗性机理

植物对土壤中重金属抵抗性具体为：如果土壤中的重金属浓度相当高时，土壤中的重金属必须通过植物根部细胞膜表面的通道蛋白与H+偶联蛋白运输而进入根部细胞进行细胞跨膜运输，此时有些植物的生存不会受到伤害或者威胁程度很低，植物可以吸收、运输营养物质。土壤重金属浓度过高时，植物根部细胞的细胞膜构成了外界环境与植物内环境之间的一个屏障，不同植物的细胞膜组成差异以及应对变化的能力决定了植物对重金属抗性的大小[2]，植物细胞可以分泌有机酸等有机物用以改变根部细胞内环境的pH值、Eh值，形成螯合物，用以减小植物所在土壤中活态重金属离子含量，重金属的跨膜运输即受到抑制。

部分植物在根部吸收了重金属后，通过内部机制可以将重金属排出体外，达到自身解毒目的，常见的排泄方式是通过植物组织脱落方式。Nies等人对植物吸收和代谢重金属的过程进行了研究，他认为植物的原生质膜可以自动地将吸收的重金属排出[2]。因此当重金属进入植物细胞时，能与细胞质中的多种物质产生反应，进而形成具有复杂结构的整体螯合物，而且在植物组织器官中区域化分布，可以和细胞内部的其他物质隔离开来，因而可以降低重金属的毒性威胁。

2.2植物对重金属的富集机理

植物对重金属的耐性是植物在土壤污染区域生存的必要条件，超富集植物具有耐土壤重金属的机理，同时也可以超量地吸收以及在体内累积重金属，不过由于研究不够深入，富集机理至今仍没有完全研究清楚[4,6]，当前的研究工作主要集中在植物修复的吸收作用、运输以及重金属累计方面。

超富集植物吸收重金属的途径是活化根际来实现的，所采用的途径是通过根系分泌的有机酸，用来调节根部的酸碱环境；这些有机酸同样有助于促进重金属物质的溶解，以及形成螯合物，土壤中的铁、锰、铜等元素通过根系细胞的高铁载体促进自身溶解；根部细胞细胞膜表面的还原酶也能将高价态的重金属离子还原成低价态低毒性的离子，继而增加了重金属离子在植物细胞内环境中的溶解程度。重金属在植物中的运输分为通过根系进入植物木质部分，在植物木质部分运输，以及木质向叶子及果实等部位的运输。3个运输过程速度受到根系压力和地表植物的蒸腾作用的影响。当土壤中的重金属进入植物的组织细胞中，呈区域化分布特点。宏观上来看，大多数位于植物皮下组织以及外表皮组织；从微观的尺度来看，吸收的重金属物质集中在液泡等非植物生理关键区。

3　重金属植物修复的方法

3.1植物提取技术

(1)持续植物提取技术。一些重金属超富集植物(如蜈蚣草、遏蓝菜、印度芥菜、东南景天、宝山堇菜等)是土壤重金属的持续植物提取技术的关键，这些植物可以在其整个生命周期吸取、运输、累积以及耐受土壤中高浓度的重金属。植物提取技术的重点在于超累积植物富集土壤重金属的能力。国外学者进行了相关的研究，Baker等在大田试验，发现了遏蓝菜(Thlaspicaerulescens)这种超积累植物在土壤含锌浓度为440 mg/kg时，地面以上部分锌含量超过了土壤全锌的大约16倍，如果把土壤含锌量降低到300 mg/kg的欧盟允许标准，只需种植遏蓝菜14次[3,4,6]。

(2)螯合剂是土壤重金属的诱导植物提取技术的关键组成因素，通过对植物施加鳌合剂使土壤固相结合的金属释放，加大土壤中重金属的浓度，可以较大幅度地增强植物对重金属的吸收和富集能力。此项技术可以用于一些在土壤中极难转移的重金属元素。相关资料显示，在玉米、豌豆上施加鳌合剂可使地面以上部的Pb浓度从小于500 mg/kg，增大为大于10000 mg/kg[5，6]。印度的芥菜、玉米、向日葵以及蚕豆等均是良好的重金属诱导植物。

3.2植物固定技术

自然界存在的一些植物，对土壤中的重金属拥有很强的富集和耐性，并且植物本身在吸收重金属的过程中也可以分泌一些物质用以转化重金属的存在形式，降解重金属的毒性，这个途径只是利用一些植物来促进重金属转变为低毒性形态的过程。在这一过程会涉及一些化学变化，如螯合、分解作用、沉淀、氧化还原等，整个过程中土壤重金属浓度并不会明显减少，只是在形态上产生了变化。Kumar等人的实验表明：当在铅含量625 mg/kg的土壤盆栽中种植印度芥菜，三周后可以使土壤淋溶液中的铅浓度从740μg/mL下降为不到22μg/ mL[5～10]。

3.3植物挥发技术

植物挥发技术的机理是利用植物根系吸收金属，将其转化为气态物质挥发到大气中，以降低土壤污染。这种技术具有一定的局限性，要求重金属物质在某些状态下要具有挥发性，目前研究来看，Hg和Se这两种重金属元素具有挥发特性，应用也相对较多。例如洋麻、紫云英、印度芥菜等植物中的ATP硫化酶可将Se3+转化成气态的CH3SeCH3+CH3Se2CH3，植物挥发技术为环境中具有生物毒性元素的去除提供了一种潜在的可能性。植物挥发时将环境中的重金属转移至大气，若从区域整体环境质量考虑，利用植物挥发修复土壤重金属污染，应以不损害大气质量为前提[11～12]。

3.4根系过滤技术

利用植物根部过滤，沉淀土壤，富集污染物。目前用于根系过滤的植物有向日葵、印度芥菜、宽叶、香蒲及烟草等。根系过滤主要用于重金属污染的土壤，也可以是放射性核素如U、Cs或Sr污染的水体。水科植物浮萍和水葫芦可有效吸收清除水体中的Cd、Cu和As等重金属。

4　结语

目前植物修复技术既修复了重金属超标土壤的污染问题，同时也在绿化环境方面优于其他修复手段。超富集植物多为野生植物，对气候条件的要求也比较严格，对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉系统等自然和人为条件有一定的要求，区域性分布较强，使成功引种受到严重限制[13～16]。因此有必要通过运用农学、工程学、植物营养学、物理、化学、生物学等手段，为修复植物提供有利的生长发育和吸收重金属的环境，增加土壤中植物可利用态重金属的数量或提升修复植物累积重金属的能力，以达到提高植物修复效率的目的。

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2016-06-26

魏治钢(1978—)，男，助理工程师，主要从事环境保护工作。

S156

A

1674-9944(2016)16-0161-02