重金属Cd污染土壤的植物修复研究

2023-01-06徐柯凡郑培铭姚燕红

皮革制作与环保科技 2022年11期

徐柯凡，郑培铭，姚燕红

（浙江仁欣环科院有限责任公司，浙江宁波 315016）

土壤重金属污染主要包括汞、镉、钴、锌、铅、铜等元素。通常，土壤中的重金属污染属于多种重金属元素的复合污染，其中，以Cd污染最为严重，主要是因为重金属Cd具有明显的生物放大效应和生物累积效应，毒性较强，在环境中难以自然降解。因此，研究植物修复重金属Cd污染土壤具有十分重要的意义。

1 土壤重金属污染的基本情况概述

土壤是人类赖以生存的基础资源，同时也是自然生态的重要构成部分。但近年来，随着我国工业、农业不断地发展，大量工业废物的排放、农业化肥与农药的使用成为了环境污染中的关键问题之一。这些污染物造成的危害让人触目惊心，也导致土壤污染的趋势进一步加剧，特别是重金属污染呈现出了覆盖范围广、易积累、毒性强、隐蔽性强等特点，不但会严重影响植物的正常生长，导致粮食大幅减产，最终还会通过食物链对人类的身体造成损害。同时，土壤中存在的污染物也会通过地下水转移至人们的生活环境中，从而多维度地对人体健康造成危害。因此，在生态文明视域下，必须要正确认识土壤污染的问题，要注重对污染物的排放进行有效控制，做好事前预防、事中控制和事后治理相结合的协调统一，争取最大限度地规避土壤污染，尤其是土壤重金属污染问题，以保证土壤的可持续利用。

2 重金属Cd污染概述

2.1 土壤中重金属Cd污染现状

目前，我国土壤环境质量整体呈现出下降的趋势，因此，土壤污染问题十分严重。而且，近年来发生了多起与重金属Cd污染有关的食品安全事件，彻底给人们敲响了警钟，让人们逐渐认识到了重金属Cd污染的危害性。而在全国范围内对土壤污染状况进行调查的过程中发现，重金属镉的超标率最高，即有11个省和25个区存在严重的重金属镉富集问题，其中有超过40%的土壤受到了重金属镉的严重污染。经调查研究发现，我国北部地区土壤中重金属Cd的浓度略低于南部地区[1]。但总体来说，我国土壤中重金属Cd污染的问题已十分严重，所以，必须要及时采取土壤污染的治理与修复措施，避免重金属Cd污染对土壤的可持续利用造成影响，从而最大限度地保障人们身体健康。

2.2 重金属Cd污染的来源

镉元素（Cd）可以通过植物的根部迁移到表层组织，再经过食物链进入人体，最终危害人们的身体健康。因此，我国非常重视重金属Cd污染土壤的治理，但这一直是生态环境治理的难点。通常，重金属Cd污染的来源主要与人类活动、自然活动有关，即土壤污染的两个重要源头，简称人为源、自然源。其中，人为源主要与工业、农业以及人类生活密切相关，主要包括冶金、电镀、采矿、化肥、灌溉、生活垃圾填埋等；而自然源主要包括火山爆发、水土流失、矿物风化等。但需要注意的是，在有色金属资源含量较高的区域，由于重金属储量十分丰富，所以，在重金属的开采过程中会存在很大的土壤污染风险。

3 重金属Cd污染的危害

3.1 对人类的危害

重金属Cd本身是人体必需的元素之一，但过量积累就会产生一些隐患，如该物质主要是通过消化道进入人体，但却难以自行排出。若人们所处的环境比较恶劣，或没有绿色环保的意识，长期食用含有重金属Cd污染较严重地区的动植物等食品，会导致Cd元素过量进入人体。其中，不被人体吸收的部分会与血红蛋白以及低分子金属硫蛋白结合，且随着人体血液流动遍布内脏器官，最终蓄积于人体内的肾脏、肝脏当中，就会造成重金属Cd中毒症状比较严重的情况，比如慢性球体肾炎、动脉硬化性肾萎缩等。另外，摄入过量的重金属Cd还会导致人体骨质中部分Ca被Cd取代，最终导致人体骨骼变形、软化，而且发生骨折的概率较高，严重甚至会危及人们的生命。

3.2 对作物的危害

近年来，我国进一步加大了对土壤中重金属Cd的研究。通过研究证明，在重金属Cd污染土壤中不同作物的耐性存在一定差异。比如，水稻对重金属Cd的耐受性较强，不过在污染区域会导致水稻减产；而菠菜、水芹、莴苣等耐受性较差，即便土壤中重金属Cd的浓度较低，这些作物也容易受到污染。另外，重金属Cd还具有较高的毒性，在化学性质上Cd与Zn相近，且在进入植物体内后可能会取代原本的Zn元素，会导致植物缺少必需的Zn，最终对作物的正常生长造成影响，严重时会直接导致作物死亡。

3.3 重金属Cd土壤污染下的植物修复技术

在生态文明视域下，人们越来越注重对环境的保护，国内外许多专家也正积极探索在不破坏土壤环境、可以保证土壤结构以及微生物活性的情况下对重金属污染进行治理的方法，且经过多年研究已积累了比较丰富的经验。其中，植物修复主要是利用植物吸收土壤中存在的重金属元素，是一种重金属Cd污染土壤治理的有效技术。在实际应用中，是将重金属元素带出土壤，从而达到清除土壤中重金属元素的一种手段，因此，有人还将该技术称为生物修复或绿色修复。由于植物修复技术本身没有太大的成本限制，投资较少，同时，对土壤结构不会造成破坏，甚至还会改善土壤结构，并且也不会造成二次污染，整体上技术优势显著。所以，该技术目前已成为一种安全、可靠、绿色的土壤污染修复技术，受到了各国、各地区的广泛关注。

4 植物修复的基本类型

4.1 植物提取

在植物提取修复技术中，目前已经有超过500种的植物具有较强的应用价值，其中，针对土壤中重金属富集的植物主要集中在十字花科的庭荠属[2]。该技术主要是利用超积累植物逐渐富集重金属Cd，然后将其从植物根部输送到表层，最后，技术人员统一收集处理地上的植物，就可以有效去除土壤中的重金属Cd。此外，还可以将该技术用作其他领域。经实践证明，利用超富集植物对重金属Cd污染区域进行修复治理，可以在很短的时间内将原本光秃的污染土地修复成长满茂盛植被的活土，所以，植物修复技术是一种最有发展前景，且可以深入研究的技术。

4.2 植物挥发

在植物收集以及处理的过程中，应用该技术比较繁琐，而转化后的污染物对大气环境也会造成一定程度的危害，因此，在实际使用之前需慎重考虑，权衡利弊。需要注意的是，应用植物挥发技术有一定的要求，即转化后的重金属Cd的毒性要低于转化前，通过这种方式能最大限度降低重金属Cd对环境造成的危害。

4.3 植物降解

该技术主要是指，当重金属元素被超富集植物的根部吸收后，会通过植物体内的代谢活动实现过滤和降解重金属毒性的效果。比如，向日葵、印度芥菜等都会对土壤中的重金属有较强的过滤与吸附效果。目前，该修复技术被广泛地应用于不同湿地环境、水体环境的重金属污染治理中。另外，超富集植物的根系在降解重金属毒性的过程中，其根际环境在植物修复中发挥着重要作用。而植物提取、植物挥发等技术的应用几乎都与超富集植物的根系以及根际环境有密切联系。

4.4 植物稳定

在污染土壤的修复过程中，利用植物根际的一些特殊物质，可将土壤中的重金属转化为无害或毒性较小的物质，以此达到植物稳定化的目的，从而降低重金属Cd的毒性效应。有学者认为，植物稳定主要是指超富集植物在吸收、富集重金属或将重金属吸附至根表，最终在根际区域进行沉淀[3]。同时，超富集植物的根毛也可以直接从土壤中吸收重金属Cd；而且，植物的根部还可以避免重金属Cd被水侵蚀或被风侵蚀，能有效避免其在土壤中扩散、渗漏。此外，借助超富集植物的吸附、转化和降解重金属的特性，还可以降低重金属被雨水冲刷带入地上、地下水或在空气中进一步污染扩散的概率。但需要注意的是，应用植物稳定并非是彻底消除土壤中的重金属Cd，只是保证在土壤及其周边环境发生变化的情况下，避免重金属Cd重新活化或重新恢复较强的毒性，因此，该技术还存在一定局限性。

5 植物修复机理分析

5.1 根际环境的作用

根际环境主要是指植物根系与周围土壤中的微生物如细菌、真菌等相互作用而形成的特殊区域。而超富集植物可以通过根系分泌的物质改善根际环境，从而降低重金属Cd的毒性。比如龙葵就是一种典型的超富集植物，在重金属Cd污染土壤的治理中有很好的效果，这主要是因为龙葵的根和叶分泌的物质可以缓解由重金属Cd积累引起的膜脂过氧化损伤。

5.2 植物螯合态

植物螯合态是指蕴含于超富集植物内部具有解毒效果的物质，主要是由谷氨酸、甘氨酸、半胱氨酸等组成。在污染土壤的修复治理中，超富集植物是本身通过金属结合蛋白和一些有机酸分泌，实现了螯合重金属的作用。这主要是因为在缺乏铁的情况下，一些单子叶的植物可以释放出植物高铁载体，同时，超富集植物还可以分泌金属结合代表物，而作为植物的离子载体，可有效促进土壤中重金属Cd的溶解，也可以通过分泌一些化合物的方式促进土壤中重金属的溶解。

5.3 区室化作用

当土壤中的重金属进入植物内部时，主要集中在植物内部的液泡、叶表皮、胞壁连接区等部位，这样能有效避免重金属Cd对植物细胞造成的损害，最终实现在植物内的高富集。比如在油菜的液泡与细胞壁中，可以积累大量的重金属Cd。而在Cd2+的诱导下，还能够从植物细胞中分离两种Pc-Cd复合物（Cd的植物螯合态）：即贫硫的低分子量Pc-Cds复合物与辅硫的高分子量Pc-Cds复合物[4]。

5.4 植物修复辅助技术

在重金属污染土壤治理中，当前发现的高富集植物主要是以单一重金属耐受植物为主，而高富集植物普遍难以在多种重金属含量较高的土壤中生成。从土壤重金属污染的情况来看，主要是以复合型污染为主，这对于植物有较强的毒害性，同时，在外部环境如温度、湿度等因素的影响下，还会对植物修复的效果造成一定程度的影响，因此，国内对于植物修复技术的研究，以联合修复居多。这主要是由于重金属Cd的形态复杂多变，植物吸收难度大，所以，在应用植物修复技术的过程中实际治理的效率较低。因此，需要采用一定的辅助手段提高在重金属Cd污染土壤中的治理效果，以此提高植物修复的整体效率。而在选择植物修复技术的实际过程中，应综合考虑植物的耐受性和修复效果，还要考虑植物的成本和经济效益。如修复潜力大的植物可能富集能力不强，但对于重金属Cd的耐受性较强，且具有生长范围广、植株重等诸多优势。

以下为几种常见的辅助技术：（1）提高农业科技，增加植物的富集能力和生物量；（2）近年来，国内已有不少内生菌结合植物修复的成功案例。因此，在植物修复技术的实际应用过程中，通过接种耐受性强的微生物菌株，也可以有效提高植物降解重金属Cd毒性的效果。例如，丛枝菌根可以提高豌豆对土壤中重金属Cd的富集和耐受性；（3）在利用植物修复技术的过程中，可以在基因工程的支持下强化植物修复技术，将可强化修复的基因片段导入植物DNA中，强化植物修复技术。例如，可以将小麦TaPCSI基因导入烟草植物的DNA中，从而增加植物的生物量，增强植物的降解和稳定效果。（4）利用螯合剂能与土壤重金属螯合成键的机理，使重金属从不溶态转化为可溶态，从而形成水溶性金属螯合剂络合物，这样就可以提升高富集植物修复重金属Cd污染土壤的效果[5]。

6 重金属Cd污染土壤中不同植物的修复效果分析

在重金属Cd污染土壤中应用植物修复技术，需要进行不同超积累植物修复效果的对比试验。实验人员需提前准备好无植物土样、无植物无镉土样和无植物含镉土样进行对比试验，以此对不同植物的修复效果进行对比研究。其中，含镉无植物土样可根据不同植物和重金属的镉浓度进行划分。因此，在实验过程中，为了得到最准确的结果，至少需要进行三次以上重复试验，并对比每次试验结果，保证试验数据的准确性。

6.1 试验结果讨论

在菊科草本植物的试验中，与其他非高富集植物进行了比较。在实验中，由于土壤中含有的重金属Cd浓度存在一定差异，所以对植物幼苗生长的影响也有着显著差异，而对于重金属Cd，不同的植物幼苗也有着不同的敏感度。其中，部分植物受重金属Cd的抑制时间较早，所以，重金属Cd毒性的影响主要作用于幼苗生长初期；还有部分植物幼苗在生长中后期才会受到重金属Cd的显著影响。比如当土壤中重金属Cd含量为5 mg/kg的时候，种植万寿菊，其幼苗在生长的初级阶段就会受到重金属Cd的明显抑制，而在该幼苗生长的中后期重金属Cd又会起到显著的促进生长作用[6]。

6.2 植物运输重金属Cd的能力

通过计算高富集植物地上和地下部分的重金属Cd的含量，可以获得植物对于Cd元素的输送能力。这主要是因为植物地上部分重金属Cd的含量越高，植物的运输能力越强。而通常情况下，重金属Cd在普通植物地下部分的含量会高于地上部分。比如，菊科草本植物的经络输导系数通常是浓度高时较高，浓度低时较低，其总体变化趋势是先升后降。而且，升降转折点越晚，植物对重金属Cd的运输能力越强，说明植物对重金属Cd的耐受性强[7]。