镉污染土壤植物修复技术研究进展

熊梓烨，廉晶晶,2,皮 文，张宗磊，何征飞，冯佳冉

(1.长江大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430100；2.湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北 荆州 434000)

1 引言

土壤中污染物来源主要包括自然成因和人类活动[1]。目前我国土壤污染主要可分为土壤病原微生物污染、土壤有机物污染、土壤重金属污染和土壤放射性污染四类[2]。

2014年公布的首次全国土壤污染状况调查情况中，重金属污染的总超标率达到了16.1%[2]，多分布在工业区、重污染企业用地、采矿区等。据估计，我国约有1/5的耕地土壤受到重金属污染，近2000万hm2。土壤重金属污染主要来自农药与化肥的使用、城市生活垃圾的排放、“三废”(工业生产中废气、废渣、废水的排放)、矿山的开采冶炼等[3]。对于土壤而言，重金属污染具有停滞性、积蓄性、隐蔽性和不可逆性，且能够通过食物链富集，危害人体健康，因此世界各国均高度重视土壤污染问题并积极展开防治[4，5]。

土壤重金属污染的主要元素包括Hg、Cd、As、Co、Cr、Zn、Cu、Mn、Ni、Pb等，通常情况下为几种重金属的复合污染。其中，镉污染最为严重[6，7]

1.1 土壤中镉污染现状

首次全国土壤污染状况调查表明,全国土壤环境总体情况不佳,镉的点位超标率最高，超过11个省、25个区的土壤都存在镉富集的问题，40%以上的重金属复合污染的土壤被镉污染，且北方地区镉浓度低于南方地区[8，9]。从数据分析来看，我国土壤中的镉污染情况已经十分紧迫，严重影响了我国农业发展的可持续性。

1.2 不同形态镉的毒性

镉元素作为典型的重金属污染元素之一，毒性的强弱与总量和赋存形态密切相关[10]。随着土壤环境条件的变化，镉通过溶解、沉淀、络合、凝聚、吸附等一系列化学反应，在不同形态之间相互转化，在一定条件下处于相对平衡[11]。根据Tessier分类法，镉的形态可分为碳酸盐结合态、可交换态、有机结合态、残渣态和铁锰氧化态5种形态。在土壤中可交换态镉的生物利用度高，易于被生物吸收利用且移动性强，具有较强的毒性[12]。

碳酸盐与重金属发生沉淀反应后形成碳酸盐结合态。在大部分石灰性土壤中，碳酸盐结合态的镉占主导地位。由于其对pH值变化敏感，遇酸释放后，对生物产生毒害作用[13]。

当重金属以离子键的方式结合在土壤中或包裹于沉积物的外表面时形成铁锰氧化态。该形态性质稳定，不易被释放到土壤中[14]。

重金属与矿物成分结合后形成残渣态。该形态不易迁移和转化，同时难以被植物利用,是5种形态中最稳定的形态。因此残渣态的镉是不具有生物有效性的镉[15]。

1.3 镉对环境的危害

镉虽然是常见的重金属，但并不是植物生长过程中必需的元素。当镉达到一定浓度时，会对植物的生长发育与生理活动产生影响。研究表明:土壤中过量的镉会使植物叶绿素含量降低，减弱光合作用，进而影响根系的发育，造成植物的生理功能障碍。与此同时，重金属离子能够通过食物链富集进入人体内，损害人的正常生理功能，最终致畸致癌[16，17]。

研究表明:镉的临界浓度随着土壤类型和植物类型的变化而变化。当镉浓度超过一定范围，出现种子萌发和幼苗的生长受到抑制、根系活力降低、叶片缩卷发黄等现象[18]。同时，植物的光合作用和蒸腾作用等生理活动会受到不同程度的抑制，细胞膜通透性也会受到影响。由于镉离子会减少植物体中叶绿体的含量，损伤植物体内的光合系统，使得幼苗生长量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和气孔限制值(Ls)均受到一定程度的抑制，且这种抑制会随着镉离子浓度的升高而加强[17]。随镉浓度的增加，过氧化物酶、丙二醛、超氧化物歧化酶的含量以及细胞膜的通透性也会相应提高[19]。

重金属镉通过空气和食物链的富集进入人体并在人体内积累。当体内的镉积累到一定水平后，多个器官会受到不同程度的损害。肾脏、骨骼都是镉毒害的主要靶器官。镉中毒后会损伤肾小球、肾小管的正常功能，影响骨骼的正常代谢。代表性病例表现为日本的“痛痛病”。同时，镉也影响人类的生长发育和生殖。研究表明:当婴儿暴露在镉环境时，婴儿的身长、头围、体重与比正常胎儿更低，视觉听觉、动作、语言均受到影响[20，21]。

2 镉污染土壤的修复技术

重金属污染的3种治理方法包括化学修复、生物修复、物理修复。目前主要利用两种方法进行土壤的重金属修复：一种是利用超累积植物的富集作用将土壤中重金属元素转移到植物体内，然后将所富集的重金属重新利用，达到降低土壤中重金属浓度的目的。另一种方法是将土壤中活跃形态的重金属转化为较稳定形态的重金属，达到降低其生物利用度，减弱毒性的目的[16]。

2.1 物理修复

常见的物理修复方法有换土法、土壤蒸汽浸提修复、电动修复、客土法等。缺点是成本高，耗费人力[22]。

2.2 化学修复

化学修复主要包括光催化降解技术、土壤固定技术、氧化—还原技术、淋洗技术等[23]。虽然该方法修复效率高，但修复过程中容易造成二次污染，一直是较难解决的问题。

2.3 生物修复

生物修复具有成本低，对环境影响小的优点。其包括植物修复技术、动物修复技术、微生物修复技术等。但修复周期比较长，适用于增强自然衰减过程[24]。

3 镉的植物修复技术

植物修复是指利用超累积植物的富集作用将土壤中的重金属污染物进行转移、转化、容纳到植物体内，使污染物减量化、稳定化，降低毒物质浓度，进而达到修复污染土壤的目的[25]。

相较而言，植物修复利用植物根系和茎叶固定、吸收、转移、转化并降解大气、土壤、水中的污染物[26，27]，修复方法更简单，成本更低。在有效减少二次污染的同时，还能美化环境，带来一定经济效益[28，29]。

3.1 超累积植物

目前已经发现的能修复镉污染土壤的植物有龙葵[30]、遏蓝菜[31]、青葙[32]、印度芥菜[33]等(表1)。

表1 常见镉的超累积植物

3.2 植物修复辅助技术

由于重金属形态复杂多变，植物难以吸收等方面的制约，植物修复的效率略显低下，因此，利用联合修复来提高植物修复的效率是目前植物修复的重点，常见处理方法如下。

(1)通过改良农艺科学技术提升植物的生物量和富集能力。

(2)植物微生物联合修复：近年来，内生菌联合植物修复案例曾被多次报道[38～40]。在植物修复时，通过接种耐受性强的微生物菌株，能很大幅度地降低重金属镉的毒性[41]。Repetto等研究表明丛枝菌根可以增加豌豆对镉的耐受性和富集量[42]。

(3)基因工程强化修复技术。主要是将可强化修复的基因片段导入植物DNA内，进而强化该表达的修复技术。如Gisbert[43]等通过在烟草植株体内导入小麦 TaPCSI 基因来提升其生物量。

(4)化学改良剂联合植物修复。利用螯合剂可以与土壤重金属发生键合/螯合作用的原理，使重金属从不溶态转变成可溶态，形成水溶性的金属-螯合剂络合物，进而提高植物修复重金属的效率[37]。

4 讨论与展望

虽然植物修复技术有着诸多优点，但依然面临着许多难题，如大部分植物修复还存在于实验阶段、植物对金属的耐受性单一、修复周期较长、可用于修复植物种类有限、超积累植物生物量低、植物联合修复技术成熟度不够等。除此之外，对于复合型重金属污染土壤，植物修复有可能会活化其它重金属元素，提升土壤的潜在风险[44,45]。

从长远来看，植物修复技术有着很好的前景，对环境的可持续发展及土壤功能的正常发挥起着重要作用。未来展望主要包括以下几个方面[40]：①加强对新超富集植物的发现与筛选力度；②利用现代生物学手段和基因工程技术提升超富集植物对重金属的耐性和富集能力；③与其它修复技术联用；④深入研究植物富集重金属的分子机制；⑤合理利用富集重金属后的植物材料[44,46]。

植物修复技术在我国仍处于发展阶段，合理应用植物修复来推动经济发展是一条双赢的道路。修复环境的同时，如何兼顾经济的发展是值得我们思考的问题。