伴矿景天修复镉污染土壤研究进展

吴正卓 刘桂华 柴冠群 吴科堰 秦松

摘 要：当今社会，土壤重金属污染已成为世界范围内面临的重要问题，采取土壤治理和修复是保证环境质量安全、人体健康和社会可持续发展的重要举措。植物修复技术是利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害的一种绿色、健康的修复技术，也是当前国内外众多学者的研究热点。其中景天科（景天属）植物——伴矿景天对重金属污染土壤的吸取修复技术在国内外产生了较大影响。本文对利用镉超富集植物伴矿景天修复重金属镉污染土壤研究进展进行分析，主要从伴矿景天对镉的耐性和富集机理、吸收及转运机制、强化措施、产后处理技术以及产物资源化利用等方面进行综述，并对基因工程在伴矿景天上的应用，吸取强化措施和产后处理技术等方面进行了展望。

关键词：植物修复;伴矿景天;镉;土壤污染

中图分类号：X53

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2018）06-0070-06 国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2018.06.012

镉（Cd）属于非必需元素，对动植物都具有较强的毒性，而且移动性强、中毒临界浓度低、具积累效应，是环境中最危险的重金属之一[1]。调查显示，我国土壤环境质量整体不容乐观，土壤区域污染较为严重，其中耕地土壤污染情况更为突出，点位超标率达到19.4%，主要重金属污染为Cd、Hg、Ni、Cu、As等。其中Cd的点位超标率最高，达到7.0%[2]。2016年国务院颁布的《土壤污染防治行动计划》，指出重点监测的土壤五大重金属，其中Cd排居首位。因此，土壤Cd污染修复治理迫在眉睫。

土壤重金属污染修复方法主要有物理方法，化学方法和生物方法。物理方法主要有换土、玻璃化和電动修复等方法。虽然能较快的转移和降低土壤重金属污染，但是这几种方法存在着一些缺点，如工程量大，成本费用高，不适用于大面积、中低浓度污染土壤，不能将重金属从土壤中提取出来等因素限制了这类技术的推广应用。化学方法主要有固化、稳定化，化学淋洗等技术，能快速灵活的应用于多种重金属污染的处理，但存在着一些不足，如成本较高，可操作性不强，大面积修复不适用以上方法，修复材料可能产生二次污染。最重要的是不能彻底的从土壤中清除掉重金属，需要进行修复后监测，防止重金属再次活化。生物方法中的植物修复技术相比较于其它技术，具有成本低、易操作、安全、可原位修复性强、废弃物产生量较少，并且可以回收重金属等优点，受到广泛关注[3]。植物修复技术不仅可应用于一些矿山、重金属污染土壤的修复与治理，还能减少水土流失，对环境影响小，是现行的污染处理技术中最为清洁的一种。本文就近些年来发现的景天科（景天属）超富集植物——伴矿景天（Sedum plumbisincicola X.H）为对象，从伴矿景天对土壤Cd富集机理、强化修复效果以及修复后植物体资源化利用等方面进行了综述，并对伴矿景天修复Cd污染土壤时存在的问题进行展望。

1 植物修复概况

植物修复指利用植物对某种或某些化学元素的耐性和超量积累为理论基础，清除土壤中污染物的一门环境污染治理技术。植物修复主要分为植物挥发、植物稳定、植物萃取三种[4]。其中植物萃取和植物稳定是现在的研究重点，是土壤修复最具前景的方法[5]。植物萃取修复技术应用的限制因素主要是修复植物的生物量、生长周期、以及重金属的耐性和富集能力。当前，国际上发现了500多种的重金属超积累植物，其中多数为专一型积累植物[6]。国内对超富集植物的筛选研究成果也有不少，谢景千等[7]通过试验得出，蜈蚣草（Pteris vittata）对As具有超强耐性和累积性，并进行了修复试验，得出地上部As的含量可达1455 mg/kg，As每年可去除15.5 kg/hm2，具有良好的修复效果。廖斌等[8]对矿山鸭跖草（Commelina communis）进行试验研究，发现在低浓度Cu情况下矿山鸭跖草反而表现出生长缓慢，生物量小，根系生长抑制等现象，但是高浓度时情况恰好与之相反，矿山鸭跖草地上部Cu的含量超过了1000 mg/kg，对Cu具有很强的富集性。薛生国等[9]通过对矿区调查，得出一种多年生的草本植物——商陆（Phytolacca acinosa）对Mn具有一定的富集能力，其叶片中Mn的含量高达19299 mg/kg，其中陆商吸收的Mn有95%被转移至地上部分，是良好的Mn修复植物。筛选成果虽然丰富，但以上超富集植物多为单一耐性和单一累积性，而现实的土壤污染多为两种或以上的复合污染，治理难度相较于单一污染更为复杂。吴龙华等[10]在浙江铅锌矿地区发现了一种景天科（景天属）植物——伴矿景天，对Zn和Cd都具有很强的耐性和富集能力，在污染土壤上单位面积的生物量可达到6.01 t/hm2，Cd修复去除率为28.1%，是修复Zn、Cd复合污染土壤的良好修复植物。

2 伴矿景天富集镉的机理

一定浓度的Cd会对植物产生毒害作用，如根系生长受阻，生物量降低等，而伴矿景天却有着很好的耐性功能，地上部富集重金属Cd能力较为理想，是研究超积累植物对Cd耐性和积累机制的重要材料。国内研究人员对伴矿景天的Cd超积累和解毒生理机制进行研究，其中包括Cd对伴矿景天生长发育的影响，以及伴矿景天对Cd的吸收转运、分布、解毒机制等。

2.1 镉对伴矿景天生长的影响

一般来说，植物组织中的Cd浓度达到5～10 mg/kg，就会对植物体造成毒害[11]。而伴矿景天地上部Cd含量能达到587 mg/kg、9609 mg/kg却未出现任何的毒害症状[12]。植物的生长发育大多需要通过根系从土壤中摄取营养元素，在这过程中就会不可避免地吸收重金属元素。因此，根系通常是受毒害作用最直接的组织部位。植物根系生长抑制也是Cd对植物毒害的典型症状之一。伴矿景天在200 μmol/L的Cd胁迫下根系能正常生长，不同浓度下根系的生物量变化不明显。Cd在植物体内会降低光合作用速率和叶绿素含量，从而抑制碳的固定，从而影响植物生物量，但有人得出，在一定浓度范围内，Cd浓度的增加，会刺激伴矿景天生物量提升，增加地上部Cd的含量，提高了其转运系数[13]。

2.2 伴矿景天对镉的解毒机制

植物中的金属硫蛋白也能通过某种特殊的方式与游离态的重金属离子结合，形成金属复合物，降低金属离子浓度，达到缓解毒害的作用。居述云等[14]从伴矿景天叶片中克隆得到两个金属硫蛋白基因，能明显的提高酵母突变体对高浓度镉的耐性。鳌合作用也是植物对金属离子解毒的主要方式，植物体内的低分子有机酸、植物络合素和金属鳌合蛋白都能将重金属转换成不具备生物活性的无毒螯合物。朱艳霞等[15]研究得出，在Cd的胁迫下，同属植物东南景天体内会分泌出一些有机酸来络合Cd2+，减少Cd2+与植物体内的重要酶发生接触的机会，降低Cd2+对植物的毒害。同时，伴矿景天的茎表皮细胞Cd的浓度是皮层的2.6倍，说明伴矿景天倾向于把Cd储存于生理活性较低的组织当中，如表皮细胞。另外植物细胞壁多糖也能起着间隔和沉淀重金属的作用，降低其浓度，减少毒害[16]。

2.3 伴矿景天对镉的吸收与转运机制

Cd在水-土壤-植物系统中具有很强的迁移能力[17]。且伴矿景天对Zn、Cd都具有一定的富集能力，但Zn、Cd之间会存在着吸取竞争关系，如伴矿景天新叶部位对Cd的吸收是受Zn浓度的影响，呈现低浓度的Zn促进Cd的吸收，高浓度则抑制的现象。另外，新叶上的Cd浓度均高于其他部位[18]，说明伴矿景天更加倾向于向地上部分累积Cd。土壤中的Cd主要是依靠质外体或共质体途径进入植物体内，而装载向地上部转运这个过程中共质体途径起着主要作用[19]。超积累植物在受到重金属胁迫时其根系可能会分泌出一些物质来活化根际土壤和非根际土壤中的重金属。第一季种植伴矿景天后，土壤中弱酸可提取态Cd显著高于未种植伴矿景天的处理[20]，说明伴矿景天对Cd具有较强的活化能力，有助于对土壤中Cd的吸取。

2.4 镉在伴矿景天的分布

研究显示[21]，水培条件下伴矿景天组织中Cd浓度为叶>茎>根，根、茎、叶最高浓度分别可达1331 mg/kg、3845 mg/kg、5764 mg/kg。超积累植物景天属的叶部是Cd的重要存储部器官[22]，伴矿景天在水培环境下新叶片Cd的浓度能达到15057 mg/kg。也能验证这个说法。对于亚细胞分布来说，伴矿景天的茎部分更倾向于将Cd存储于生理活性较低的表皮组织，叶片中则分布比较均匀。李思亮等[13]也得出伴矿景天新叶部Cd的含量均高于成熟叶片。

3 伴矿景天修复镉污染土壤的强化措施

植物吸取修复效率与土壤污染物浓度、有效性、植物富集能力、生物量有关，其中污染物浓度越高，修复效率越低[23]。因此，为促进修复植物的生长，提高修复效率，相关学者在植物吸取修复的强化措施方面进行了系统研究，包括施肥、水分管理、土壤改良、植物间套作、作物育种、栽培等农艺措施，以及添加化学调控剂和微生物强化措施等。

3.1 农艺强化

种植密度是农业生产过程中影响产量重要的技术因素。不同种植密度可能导致修复植物地上部产量存在差异从而造成重金属吸取量的差别。刘玲等[24]通过试验得出，适宜的种植密度能够增加伴矿景天地上部产量，增大地上部Cd的吸取量，有利于Cd污染农田土壤修复，但种植密度太高则对伴矿景天地上部产量和植物体内Cd浓度没有显著效果。

我国人均耕地面积较少，在污染地块实行边生产边修复就显得尤为重要。居述云等[25]研究表明，小麦和伴矿景天进行间作耕种模式，不但有效减少土壤中Cd的浓度，又能降低小麦和后茬作物体内的Cd污染风险。但也有研究发现，小麦与超积累植物间作，增大了小麦对土壤中重金属的吸收，且对后茬作物水稻地上部Zn、Cd浓度的影响较小，但水稻糙米重金属含量与前季单作小麦处理相比呈下降趋势[26]。另外，伴矿景天与丝瓜的间作系统存在着丝瓜果实中Cd浓度增加的情况，但间作时向土壤中添加固镉菌或者施加熔融含镁磷肥可将土壤中Cd的有效态含量降低，而且还有增加丝瓜结实数量的显著效果[27]。

施肥是具有提高土壤肥力而增加农产品产量的重要农艺措施。对于修复植物来说，增施肥料也能提高其修复效果。相关研究表明，施加氮肥能显著增加东南景天体内Cd的浓度，并指出铵态氮能更好的提升东南景天对Cd污染土壤的吸取修复效果[28]。但也有不同研究显示，氮肥虽能增加伴矿景天的生物量，却不利于提高地上部分重金属浓度。需要合理配施肥料，如低量氮肥和磷肥以及较高的钾肥，种植伴矿景天吸收土壤中的Cd达到最好效果[29]。另外，施用有机肥能显著增加伴矿景天的地上部分生物量和Cd含量，且对其赋存形态没有影响[30]。

伴矿景天虽属于耐旱植物，但适宜的水分会提高其修复效果。研究得出，在70%土壤最大田间持水量下，伴矿景天地上部鲜重显著高于其他处理，对Cd吸取能力最强[31]。

适宜的水肥条件是保证植物生长发育的基础之一，但一些土壤物理性质，如土壤容重或紧实度过高或者过低都会影响植株生长发育，严重时会降低产量。王丽丽等[32]得出土壤紧实度对壤黏土上伴矿景天的Cd吸取效率影响最明显，砂质黏土、黏土次之。随着紧实度的提高，虽然根系活力显著提升，而地上部分的生物量和Cd含量却呈现下降趋势。植物通过光合作用来固定有机物，从而供养植物的生长。研究得出，光照强度降低，伴矿景天生物量也随之降低，当光照强度低于400～500 μmol/m2·s时地上部分Cd吸收量显著下降[33]。

3.2 化学调控

土壤中重金属的活性，是影响植物对重金属吸取的重要因素之一。人工合成螯合剂可以改变重金属元素在土壤中的储存形态，提高其在土壤中生物有效性，进而强化修复植物对重金属元素的吸收。EDTA作为萃取剂应用到土壤中是能降低土壤对重金属的的吸附能力，有利于植物的吸收达到提高植物修复效果的作用。但EDTA具有很强的络合能力，在环境中不容易被降解，会存在着二次环境污染风险。卫泽斌等[34]采用了一种可生物降解且螯合能力与EDTA效果相差不大的螯合剂GLDA应用到东南景天的强化修复中，得出GLDA相较于EDTA的强化吸取重金属Cd能力是更为出色，同时还降低了二次污染的风險。另外，任婧等[35]得出向污染土壤中施加适宜量的硫粉能显著增加伴矿景天地上部生物量，而IDS则显著降低其上部Cd的浓度。也有研究得出表面活性剂SDBS对土壤中铁锰结合态的镉有很好的活化效果，能提升伴矿景天对镉的吸收效果[36]。同时，施加化学有机调控剂不仅能明显提升土壤中pH值和提升土壤溶液中的Cd浓度，且能够促进伴矿景天对土壤中Cd的吸收，显著提高了其对Cd污染土壤的修复效率[37]。

3.3 微生物强化

微生物在重金属污染的土壤修复方面，耐Cd微生物具有独特的作用，通过其代谢活动及产物改变土壤中重金属的赋存形态，将土壤中难为被修复植物吸收的重金属形态活化成为水溶态或交换态，提高植物修复效率[38]。周慧芳等[36]得出耐Cd菌可活化土壤中难溶态Cd，而且耐Cd菌与伴矿景天联合修复后，修复植物吸收Cd的量，修复过后土壤中的酶活性、微生物数量都远高于同属景天植物。木霉是一种优良的微生物资源，能促进植物种子萌发、植株生长，提高植物生物量等优点而备受关注[39]。马文亭等[40]研究发现里氏木霉FS10-C对Cd具有一定耐性而且还能显著促进伴矿景天的生物量以及地上部Cd的累积量。也有学者将里氏木霉FS10-C制成可湿粉剂，能显著提升伴矿景天地上部分的生物量[41]。接种宿主植物根际促生菌可增大土壤中Cd的活性，促进伴矿景天生长及对Cd的吸收，提高了伴矿景天的修复效率[42]。

4 伴矿景天产后处理

超积累植物在污染农田土壤修复方面有着广泛的应用前景，但是收获物的快速处置是急需解决的技术问题之一。目前常用的方法有焚烧法、压缩填埋法、堆肥法、高温分解、灰化法、液相提取法等。对于伴矿景天的产后收获物处理也有不同的研究。如采用压碎、压榨方法将产后的鲜样进行处理，得到的残渣进行晾干过后统一处理，浆液则用絮凝剂、重金属捕捉剂和调节pH进行处理，液体达到国家排放标准后排放[43]，但是成本相对较高。也有人将修复污染土壤过后的伴矿景天用来提取生物质原油，废渣的处理也符合国内固体废弃物的排放标准[44]。因燃烧法会产生大量的危险尾气，可能造成二次污染，薛辉等[45]提出将伴矿景天与煤混合燃烧更加有利于Cd保留在底渣当中，便于后续处理。

5 展望

我国污染土壤修复任务艰巨，伴矿景天是一项良好的修复技术，但技术实用性和成本高是限制其推广的主要因素，在以后的研究工作中可从技术的实用性，经济性方面进行研究，加大该技术的推广。目前伴矿景天修复Cd污染土壤的研究大多为盆栽和田间试验，但从技术理论到实际生产应用，需要完整的、大规模商业化应用的农艺管理措施，因此，应该加强伴矿景天的修复强化措施进行系统化的大田试验研究。修复植物的生物量和生长周期是影响修复效率的重要因素，现如今分子生物技术快速发展，从生物学和基因工程的角度开展研究，提升伴矿景天的生物量、缩短其生长周期、提高对Cd的富集能力成为可能。现行的产后处理技术中多为燃烧、碾碎等简单的处理技术，今后应该向成本低、资源再次利用率高、二次污染风险低的产后处理技进行研究。

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