多种强化技术联合植物修复重金属污染土壤机制探讨

章绍康 弓晓峰 易佳璐

摘要：近几年来植物修复技术以其低成本性、环境友好性成为了国内外重金属污染土壤修复的研究重点。本文主要论述水肥调控、农艺调控、基因工程、螯合剂、钝化剂、丛枝菌根真菌、解磷菌、根瘤菌、植物内生菌、蚯蚓等工艺和修复技术强化植物修复重金属污染土壤的发展和机制，以期为土壤重金属修复提供依据。

关键词：植物修复;重金属污染;土壤修复;机制

中图分类号： X53  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）14-0001-05

2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，耕地点位超标率为19.4%，其中以重金属污染最为突出。土壤重金属污染不同于其他污染，其具有不可降解性、潜伏性、隐蔽性等特点，能长期存在于土壤环境中，影响土壤肥力及土壤生物多样性，并能被植物和微生物富集，通过食物链传递影响人类健康[1]。在众多修复技术中，排土客土改良未能从根本上去除重金属;电动修复对重金属处理效果好，但会对土壤理化性质和土壤微生物造成较大影响[2];化学淋洗成本低且见效快，但容易造成营养元素流失甚至可能导致地下水污染[3];化学稳定法能有效控制土壤重金属活性，但土壤易受外部环境改变，被钝化的重金属随时有可能重新活化[4]。植物修复技术以其成本低、不破坏生态环境、无二次污染等优点逐渐成为国内外重金属污染土壤修复的研究重点，但植物修复周期长、普通植物重金属耐受性差、超积累植物生物量小等因素限制了植物修复的发展[5]。本文主要总结常用于强化植物修复的工艺技术的发展和机制，以期为未来土壤重金属修复提供依据。

1 植物修复重金属污染土壤

植物修复通过植物提取、植物挥发、植物固定、根际过滤、植物降解等一系列活动去除土壤中的污染物质。适用于修复重金污染土壤的植物主要分为2类：超积累植物和生物质生产植物。与普通植物相比，超积累植物的茎叶对重金属表现出更高的吸收水平，比如十字花科类植物，但生物量往往偏小;而生物质生产植物生长速度快、生物量大，但金属摄取量偏低[6]。Brooks等在1977年首先提出超积累植物[7]这一概念，随后中外学者对超积累植物进行了大量的筛选;Blaylock等研究发现，印度芥菜对Zn、Pb、Cd有着较好的富集效果[8];陈同斌等的研究表明，蜈蚣草对As有超富集能力[9]。与普通植物相比，超积累植物对重金属有更高的吸收能力，主要体现在：首先，超积累植物有着更为庞大的根系，相应根际微生物也更加丰富，能够促进其在重金属胁迫下生长;其次，超积累植物对重金属有更好的活化效果，其能分泌有机酸活化重金属、生产还原酶还原高价重金属增加重金属溶解性、生产金属硫蛋白与重金属结合[10];最后，超积累植物对重金属有更好的解毒效果，其解毒作用包括细胞壁对重金属的固定作用、液泡房室化作用、体内特有耐性基因的表达[11]。污染土壤的肥力偏低，水土保持能力较差，单一植物修复效率往往偏低，通过生物手段、化学手段、农艺调控等联合植物修复方法因此发展起来。

2 基因工程联合植物修复重金属污染土壤

基因工程主要是向植物体内植入特定的基因片段并使其表达，Gisbert等将小麦TaPCSI基因转入到烟草体内，结果发现，烟草的生物量和Pb吸收量分别是对照组的1.6倍和2.0倍[12]。金属硫蛋白能与重金属发生螯合作用，降低重金属毒性，过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）能增强植物的抗氧化性，因此可以将产硫蛋白或者CAT等基因片段植入目标植物，进而提高植物对重金属的耐受性，提高其修复效率[13]。除此之外，植入植物重金属转化相关的基因，通过改变重金属价态和活性来降低重金属对植物的毒性也被证实可行，Ruiz 等在烟草等9种植物中导入汞还原酶基因merA和汞裂解酶基因merB，结果发现，转基因植物能在高浓度汞污染土壤上正常生长[14]。

目前基因工程植物修复大部分还停留在实验室试验阶段，进入野生环境的转基因植物能否正常生长或者对当地物种是否带来风险还有待考核，Zeller 等的研究表明，水稻在导入Pm3b基因后，在温室培养条件下的生物量是未处理水稻的2倍，但在野外试验时生物量显著下降，麦角病的感染率也相对提升[15]。因此仍需加强转基因植物的大田试验以及对其生态风险的评估。3 农业调控联合植物修复重金属污染土壤

3.1 水肥调控

水分是生化反应的介质和物质传输的载体，对于矿区重金属污染土壤的植物修复是必不可少的成分。肥料是促进植物生长的重要条件。施加水肥可以显著改善土壤肥力、土壤结构以及土壤pH值，为根际微生物提供一个有利的生长条件，而微生物又能通过固氮作用、分泌有机酸、分泌酶等活动影响植物生长及对重金属的吸收。Zaccheo 等的研究表明，土壤中氨态氮能降低植物根际pH值，增加土壤中交换态Cd的含量，促进向日葵对Cd的吸收[16]。水肥调控还能显著影响土壤重金属的生物有效性，Wu等的研究表明，磷酸盐物质能与土壤中Pb、Zn发生反应生成磷酸盐沉淀，降低重金属活性[17];郑顺安等的研究发现，淹水条件能显著降低土壤中Pb的有效性，进而抑制植物吸收重金属[18]。肥料中含有大量的N、P、K等营养元素，能促进植物根、茎、叶的生长，而水胁迫也能促进植物增大根系密度，增加根系与重金属的接触面积，促进植物吸收重金属[19]。

水分含量过高会导致重金属以及营养物质下渗，降低土壤肥力，甚至会造成地下水污染;过度施肥容易造成資源浪费、抑制植物生长以及水体富营养化等。因此仍需要加强水肥调控对土壤理化性质、根际微生物影响以及植物生长转移机制等的研究。

3.2 农艺调控

农艺调控主要是通过采取适当的农艺措施并实施合理的田间管理达到提高植物生物量和促进植物对重金属吸收、缩短植物生长周期等目的。植物修复通过根系吸收土壤重金属，而大部分植物根系不能延伸到深层土壤，适当翻耕重金属污染土壤有利于将深层污染物翻到表层，提高植物对重金属的吸收量，同时能使土质疏松、改善土壤通透性。合理的育苗方式能有效减短生物周期并提高植物发芽率，定期清除杂草能减少杂草与修复植物对水分和养分的竞争。植物对重金属的摄取具有选择性，合理间作能针对复合污染土壤进行有效修复，同时不同植物的根系分泌物对植物以及土壤微生物生长有不同的促进作用，可以提升生物量。秦丽等的研究表明，土荆芥和蚕豆、玉米间作后，土荆芥、蚕豆、玉米生物量都较单作增加，修复植物土荆芥体内的Pb、Cd 含量显著增加，而农作物蚕豆、玉米体内的 Pb、Zn 含量显著降低[20]。植物拥有特定的根系分泌物及生物菌群，不同植物对养分的摄取量和种类不同，轮作能有效避免植物对养分的单一消耗，提高作物产量，增强植物抗虫害能力。杨洋等的研究表明，油菜—玉米和油菜—油葵轮作在不影响生物量的同时，大大地提高了作物对重金属的提取总量[21]。

4 化学改良剂联合植物修复重金属污染土壤

4.1 螯合剂

螯合剂指分子中含有2个或更多供电子基团的物质，能与重金属发生螯合作用形成稳定的水溶性络合物。螯合剂富含大量的氨基、羧基、羟基等能与重金属发生配位螯合作用的官能团，可活化土壤中重金属，促进植物对重金属的吸收。Lingua等对含有Cu、Zn的污染土壤进行盆栽试验，结果发现，乙二胺四乙酸（EDTA）、乙二胺二琥珀酸三钠（EDDS）、聚天冬氨酸（PASP）均有利于植物固定Cu和Zn，且效果相当[22]。植物根系对重金属有一定的吸附和固定作用，螯合剂与重金属形成的络合物往往比较稳定，不会被固定在植物根系表面，因而能进入植物体内促进植物对金属的吸收。

螯合剂施用过程也有显著缺点，人工合成的氨基多羧酸类螯合剂，如EDTA、乙二醇双（2-氨乙基醚）四乙酸（EGTA）、二丙烯三胺（DPTA）等，对重金屬的解吸和螯合能力强，但其本身往往具有毒性，且不易生物降解，容易对植物的生长产生一定的影响[24]。天然氨基多羧酸类螯合剂如EDDS、氨三乙酸（NTA）等以及天然小分子有机酸螯合剂如草酸、柠檬酸、苹果酸等，具有环境友好性和可生物降解性，但处理效果较差[25]。同时螯合剂在施用过程中会出现金属解吸速率大于植物吸收速率的现象，容易导致重金属离子渗滤，造成地下水污染。为了应对这种状况，缓释螯合剂技术迅速发展起来，通过在螯合剂表面涂抹一定包膜材料，控制包膜材料厚度来控制螯合剂释放速率的目的，进而控制土壤重金属解吸速率，达到匹配植物吸收重金属速率的目的。Li等最先在EDTA外面涂抹了硅酸盐材料来控制EDTA的释放速率，不过由于涂层材料性质原因，缓释效果不是很好[26];Xie等通过界面聚合法制备了EDTA微胶囊，在水中第1天会突释50%的EDTA，5 d 后开始缓释剩余的EDTA，且调节搅拌时间和膜厚度能控制EDTA的释放速率[27]。目前可以通过加强缓释载体材料的研发或制备缓释螯合剂工艺如离子交换法、喷雾干燥法、复凝聚法、化学交联法和乳化分散法等的开发，达到控制重金属活化速率与植物提取速率相匹配的效果。

4.2 钝化剂

土壤重金属的钝化主要是通过吸附、沉淀和络合反应使得重金属在原位钝化或固定，从而降低其生物有效性和迁移性[28]。钝化剂往往在用来保证农产品在重金属污染土壤的产量，降低农产品中重金属含量便之达到食用标准，郭彬等制备了山核桃壳与矾浆复合钝化剂，按1.0%的添加量添加到Cd污染土壤中，收获的稻米Cd含量降低了52.1%[29]。常用的钝化剂包括磷酸盐（能与金属形成磷酸盐沉淀，提升土壤pH值[30]）、含钙材料（提升土壤pH值，与重金属形成碳酸盐沉淀[31]）、有机质（对重金属具有吸附作用、螯合作用[32]）、黏土矿物（对重金属具有吸附作用、离子交换作用[33]）等。

在植物修复中，超积累植物生物量小、生长周期长，这限制了其在植物修复上的推广，部分对重金属富集效果较好且生物量大、生长周期短、环境适应性强的植物如黑麦草、狗尾草等逐渐被国内外学者作为修复植物研究起来，但在高浓度重金属污染土壤环境中，这类植物存活率低，钝化剂联合植物修复重金属污染土壤能有效降低土壤可交换态重金属含量，进而降低重金属对植物的毒害作用，促进植物正常生长，同时保证植物吸收一定量的重金属。金玉的研究表明，纳米羟基磷灰石与黑麦草联合作用能降低高浓度Pb污染土壤对黑麦草生长的影响，提升黑麦草的生物量，虽然黑麦草地上部分P6的转运系数和富集系数相对未添加纳米羟基磷灰石降低，但黑麦草对Pb的总摄取量反而提高[34]。植物修复的最大目标就是提升植物对重金属的总吸收量，因此可以尝试不同的钝化剂与植物修复组合，确定最佳搭配及投放剂量。

5 微生物联合植物修复重金属污染

5.1 丛枝菌根真菌

丛枝菌根真菌（AMF）是一类广泛存在于土壤环境中的有益微生物，可以与绝大多数高等植物形成共生体，促进植物吸收土壤中的营养元素及水分，降低植物吸收重金属的量，增强植物对重金属的耐受性[35]。丛枝菌根真菌能够有效吸附土壤中的游离态重金属，并通过体内细胞壁中的几丁质以及纤维素等把重金属固定在真菌内，同时能够分泌出磷酸根离子与土壤中的重金属发生反应，使其固定在土壤中。Janou sˇková 等研究发现，接种根内球囊霉菌（Glomus intraradice）能显著降低莴苣体内的Cd毒性，且接种后莴苣的生物量是未接种的10～20倍，虽然每单位Cd的积累量少于未接种处理，但总Cd积累量大于未接种处理[36]。重金属污染土壤往往偏酸性，丛枝菌根真菌能有效提高土壤pH值，使重金属有效性降低，同时丛枝菌根真菌与植物形成的共生体能够促进植物在不利土壤环境中吸收水分、养分及微量元素。申鸿等研究发现，接种AMF能显著提升玉米幼苗根系长度及生物量，较未接种处理分别提高108.4%、58.8%[37]。丛枝菌根真菌与植物形成菌根共生体后可促进植物分泌过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPD）、丙苯胺酸解氨酶（PAL）等，增强植物抗氧化性，减少植物在重金属胁迫下的细胞氧化，同时分泌脯氨酸（Pro）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）等，促进植物清除体内自由基，保持植物体内蛋白质活性[38]。除此之外，AMF能够影响植物体内吸收及转运重金属相关基因的表达，Ouziad等研究发现，接种AMF的番茄相比未接种的在Cd和Zn污染土壤上长势更好，且接种AMF的番茄限制了Lemt2基因的表达[39]。

为进一步提高AMF处理效果，AMF与植物根际促生菌（PGPR）的联合作用受到了学者们的广泛关注。Meyer等的研究表明，对三叶草进行恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）和AMF共接种后，其养分吸收量、根干质量、结瘤数都显著增加[40]。Nadeem等的研究表明，在重金属胁迫下，AMF与PGPR可能产生共生效应，因此对植物生长有协同作用[41]。但植物、AMF、PGPR之间的相互作用机制尚不明确。

5.2 解磷菌

解磷菌（PSMs）是土壤中一类典型的植物促生微生物，其在重金属污染土壤中具有一定的耐受性[42]。解磷菌能产生抗生素、铁载体、氰化氢、植物激素[如生长素（IAA）、赤霉素、细胞分裂素]等物质，促进植物根系生长，增强植物抗虫害能力，强化植物吸收土壤中的营养元素，同时解磷菌能溶解土壤中难溶的磷矿物，为植物提供有效磷[43]。Zaidi等添加解磷菌枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis） SJ-101 到Ni污染土壤中后发现，芥菜的生物量显著提升[44]。解磷菌在生长过程中能分泌大量的柠檬酸、草酸、苹果酸等有机酸，这些有机酸一方面能利用羧基、羟基与土壤中重金属发生螯合作用，将不溶的重金属转化为可溶的螯合态重金属，促进植物对其进行吸收;另一方面有机酸能有效溶解磷酸盐矿物产生可溶性磷酸根离子，促进植物对磷的吸收[45]。植物在高浓度重金属污染土壤中生长时会分泌大量的乙烯，过量乙烯会抑制植物根和茎的生长，而1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氢酶能将合成乙烯的ACC水解为氨以及α-酮丁酸，减少植物受乙烯的影响，促进植物生长;He等在欧洲油菜上接种能生产1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC） ，脱氢酶的拉恩氏菌（Rahnella sp.） JN6后发现，油菜的生物量显著提高，且植物根部及地上部分的Zn、Cd、Pb含量也明显提升[46]。同时解磷菌能够分泌铁载体作为植物铁元素的来源，而且铁载体能与其他重金属形成可溶的螯合物，促进植物对重金属的吸收[47]。

基于解磷菌能有效地促进磷溶解及植物生长，解磷菌与钝化剂联合植物修复重金属污染土壤的研究也逐渐开展起来，但目前该技术仍存在争议。Toplska等的研究表明，添加Pseudomonas putida会促进磷酸盐类钝化剂分解，影响钝化剂的原位固定效果[48]。与此同时，解磷菌在已有研究报道中往往是针对单一污染，且大多数研究是在室内特定温度及环境培养条件下进行的，是否能适应污染场地的恶劣环境及多种污染同时存在的环境等还有待进一步研究。

5.3 根瘤菌

根瘤菌（rhizobia）是一类存在于土壤中的革兰氏阴性杆状细菌，能与豆科类植物产生共生关系，其一方面能在豆科植物表面大量繁殖，降低病原微生物的入侵机会;另一方面能够不断向植物提供氮肥，促进植物生长[49]。赵叶舟等的研究表明，根瘤菌对重金属具有一定的抗性，并可与土壤中的胶体有效结合[50]。根瘤菌能降低自身细胞壁及细胞膜对重金属的通透性，阻止重金属进入体内，并且能通过外排作用将部分重金属排出自身体外，保持良好活性，从而源源不断给植物提供氮源，Almeida Pereira等研究发现，根瘤菌在高浓度Cd条件下也能存活，且细胞壁中的Cd含量远远大于细胞内[51]。根瘤菌与植物产生共生体后通过固氮作用能有效植的物提供生长所需氮源，并能适应各种胁迫环境，改良土壤质地（如缓解土壤酸性、降低土壤交换性铝含量）。缪福俊等的研究表明，矿区植物根瘤菌对铅、锌等重金属以及低温、酸有一定耐受性，保证了根瘤菌本身与植物能在高污染重金属土壤中的生存[52]。超積累植物大部分是十字花科类植物，而根瘤菌只能与豆科类植物共生，因而限制了其应用。

5.4 植物内生菌

植物内生菌（PGPE）是一类从植物体内分离出来的能够在其他植物组织或者器官内定殖且不改变植物表征的细菌[53]。植物内生菌可以通过固氮、溶磷、分泌植物激素、产铁载体、合成特异性酶以及与其他细菌的竞争作用抑制致病细菌入侵等活动促进植物生长，增强植物抗逆性[54]。同时植物内生菌可以诱导植物产生CAT、SOD、POD等物质来应对由重金属引起的植物氧化作用，Ma等研究发现，从芦荟中分离出的内生菌株ASS1能显著提高在Cu污染土壤中生长的三叶草体内CAT、POD、SOD活性和脯氨酸含量，增加三叶草生物量，同时增加Cu积累[55]。植物内生菌可以通过生物吸附的方式将重金属富集在体内，减少重金属对植物的影响，同时植物内生菌能够分泌物质影响土壤pH值，进而降低金属有效性，部分有机分泌物如蛋白质、多糖、氨基酸等富含氨基与羧基等官能团能与重金属发生配位作用，形成低毒性的重金属螯合物，降低重金属对植物的毒害作用部分无机化合物可以调节土壤氧化还原电位，将土壤中重金属向低毒性价位转换[56]。

6 动物联合植物修复重金属污染土壤

动物修复主要指通过虹蝴、线虫饲、蚯蚓等直接或间接吸收转化重金属，改善土壤理化性质及肥力，促进植物在重金属污染土壤上生长[57]。在土壤动物中，蚯蚓生物量占据土壤动物的2/3以上，且对环境变化具有较强的适应性，最常用于联合植物修复重金属污染土壤[58-59]。蚯蚓体内含有大量CAT、谷胱甘肽还原酶（GR）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）及SOD，对重金属具有一定的耐受性。Saint-Denis等的研究表明，蚯蚓富集的重金属能与体内磷键反应形成低毒性的磷酸钙盐，因此蚯蚓可以正常存活于重金属污染土壤中[60]。蚯蚓可以通过分泌大量富含氨基、羧基的有机胶体黏液与土壤中的重金属发生螯合、络合反应，从而增加土壤重金属有效性，促进植物对重金属的吸收。Zhang等的研究表明，蚯蚓黏液中富含大量的N、P、K和溶解性有机质（DOC），促进了西红柿的生长和Cd富集[61]。除此之外，蚯蚓可以通过肠道消化作用将养分富集，然后通过粪便的形式将养分重新释放到土壤环境中，增加土壤有机质含量，并且蚯蚓在土壤活动过程能疏松土层，增加土壤中氧气含量，促进土壤上废弃枝叶分解，同时蚯蚓死亡后能为土壤提供大量的N、P等级营养元素[62]，蚯蚓产生的排泄物具有通气性和保水性等功能可以增加土壤的孔隙度和团聚体数量[63]，这些都有利于植物在重金属污染土壤上生长。

与微生物相同，蚯蚓联合植物修复仍处于实验室模拟阶段，将其转移到场地研究可能面临更多问题，同时还需加强对蚯蚓品种的筛选，不同品种蚯蚓对重金属耐受性不同。蚯蚓对重金属的作用机制主要是蚯蚓分泌物与重金属的螯合作用，具体分泌物的化学种类及化学基团还不明确。

7 展望

综上所述，土壤重金属污染治理仍是一个艰巨的任务，且植物修复技术也需要进一步的发展和改进。因此，在今后研究过程中应重点解决以下问题：（1）超积累植物往往生物量偏低，且对重金属吸收专一性强，所以仍须在矿区进行超积累植物的筛选，寻找生物量大、同时能够吸收多种重金属的超积累植物。（2）由于超积累植物生物量小，应充分了解超积累植物的耐受和富集机制，利用生物工程、基因工程等手段提高生物量大的植物对重金属的耐受性及提取效率，进而运用到土壤重金属修复中。（3）合理地利用水肥调控和农艺调控手段，促进植物生物量增加以及缩短生长周期，从而提高植物修复效率。（4）目前强化植物修复手段往往过于单一，通常都是改良剂-植物修复、农艺措施-植物修复、微生物-植物修复等，可以尝试多种强化技术手段联用，寻找到一个改良剂-农艺措施-微生物-动物-植物修复效果最佳的工艺。（5）建立一个完整的生态系统，通过植物-土壤-动物-微生物来评估重金属污染土壤修复效果的好坏，同时加强重金属在土壤界面的迁移转化研究、植物对重金属的吸收转运解毒机制研究，为后期探索提供依据。（6）植物修复完成后加强对收获植物妥善处理技术研究，防止收获植物造成二次污染，同时，其吸收的重金属回收利用将进一步促进植物修复研究的发展。

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