重金属植物修复技术概述.doc

土壤重金属污染植物修复技术 摘 要：重金属是全球环境最重要的污染物之一，具有毒性强，不能为生物所分解，大多数也不能通过焚烧的方法从土壤中去除；能通过活性氧等的中介作用，导致植物氧化伤害，乃至死亡，而且能通过食物链在生物体内富集，进而危及人类身体健康等。本文概括了土壤重金属的来源和危害，并论述了植物修复技术的研究方向和优缺点以及未来的发展趋势。关键词：土壤 重金属污染 植物修复 土壤是自然界赋予人类的宝贵资源，是人类赖以生存的物质基础，也是人类环境的重要组成部分，具有维持系统生态平衡的自动调节功能（1）。但是随着工业的发展和农业生产现代化，土壤重金属污染问题已成为全球各国共同面临的棘手问题。从1973年Wagner KH，Siddiqi 首次发表关于土壤重金属污染问题的文献以来，到现在经过了三十多年的研究历程。近十年来有关重金属在土壤、作物中的迁移、富集及对重金属污染土壤的治理和植物修复等问题引起了全世界学者的高度重视和深入研究（23）。土壤重金属污染不会被微生物降解、迁移性小、很难被清除、易在土壤中富集，一直备受人们的关注。土壤中重金属含量超过其环境容量时，一则对土壤中的微生物起抑制毒害作用。使土壤生产力降低；二则其直接作用于植物，使植物的生长、发育、繁殖受到影响。产量降低，产品质量下降；再则可先通过吸收富集于植物体内，然后通过食物链迁移至动物和人的体内，严重威胁动物、人类的生存健康。重金属不仅以单一元素污染土壤，当多种重金属在土壤中共存时，它们之间还存在协同、拮抗作用，而且随着污水灌溉以及农药、化肥、污泥的大量施用，进一步加剧了土壤的复合污染（4）。因此，研究土壤重金属污染的来源、形态、赋存形态及转化迁移规律，积极探索更有效、经济的污染测定技术和修复技术具有重要意义。一.土壤重金属污染的现状、来源和危害1.1土壤重金属污染现状 目前，世界各国土壤存在不同程度的重金属污染，全世界平均每年排放Hg约1.5万吨，Cu为340万吨，Pb为500万吨，Mn为1500万吨，Ni为100万吨（5）。例如，日本农田土壤总污染面积为7030hm2，主要受Cd、Cu、As等重金属污染。据1993年中国环境状况公报，我国工业废水排放量为219.5108t，污灌污染农田面积为3.3106hm2。特别是Cd污染总面积己达133331hm2（6），如沈阳市张士灌区因污灌使2533hm2农田遭受Cd污染，其中严重污染面积占13%（7）。江西大余县污灌引起的镉污染面积达5500hm2（8），青岛市2.7%-9%的农田土壤分别受到Cr、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn等7种重金属的轻污染。新疆每年约有2103m3废水进入农业环境，全区污灌面积达2. 56104hm2。因此，如何调控、治理土壤重金属污染对农业持续发展就显得尤为重要。1.2 土壤重金属污染来源 土壤是人类赖以生存的主要资源之一，因此人类的生产和生活是造成土壤污染的主要原因。土壤作为一个开放体系，每时每刻与环境中其他要素进行着物质和能量的交换，重金属便通过大气沉降、污水灌溉、农药和化肥的施用以及固体废弃物排放等途径进入土壤。土壤重金属污染来源大体可以分为工业污染源、农业污染源和生物污染源。工业生产过程中排放的废气、废水、废渣是土壤中汞、铅、镉、砷等重金属污染的主要来源。在农业生产中，重金属可通过污水灌溉、污泥利用以及化肥、有机肥和农药的不合理施用等途径进入土壤。农业污染是土壤中汞、铬、砷、铜、锌等重金属污染的主要来源。在生物污染源中，主要由于生活污水和被污染的河水均含有各种致病的病原菌和寄生虫等，使用污水灌溉以及垃圾作厩肥，使土壤遭受生物污染，甚至会造成疾病蔓延。1.3 土壤重金属污染危害 土壤重金属污染具有毒性大、难降解和危害大的特点，是影响生态系统安全的一类重要污染物质，其中尤以镉、铅、铜、汞、锌及其复合污染为突出。土壤重金属污染危害包括对土壤、作物、人和动物的危害。土壤中高浓度的重金属对土壤理化性质及土壤生物学特性(尤其是土壤微生物)和微生物群落结构会产生不良影响，从而影响土壤生态结构和功能的稳定性。藤应（9）等通过核酸陕速提取系统提取了重金属复合污染农田的DNA并进行了分析，得出重金属污染使农田土壤微生物群落结构发生多样化变化的结论。并且微生物在土壤受到重金属污染时为了维持生存需要更多的能量，其代谢活性随之会发生不同程度的反应（10）。作为微生物活性反应指标之一的代谢商(qCO2)可以反映单位生物量的微生物在单位时间里的呼吸作用强度(11)，Fliepbach(12)等也认为代谢商是评价重金属微生物效应的敏感指标，它可以反映出土壤重金属污染程度。Khan(13)等则证明了重金属污染对土壤微生物生物量的影响是很明显的。土壤重金属污染不仅会对作物产量及品质产生不良影响，而且通过食物链最终会影响到动物及人类健康。镉(cd)是土壤中危害性比较大的重金属之一，世界各国对土壤重金属镉污染的治理及植物修复的报道较多。Lagriffoul(14)等通过实验发现镉污染不仅可降低玉米幼苗叶绿素的含量，而且能提高过氧化物酶的活性。在我国的一些地方的污灌区由于镉、铅污染严重使种植的稻谷不能食用。顾继光等研究发现土壤农作物受镉污染导致产生“镉米”的地区。人食用“镉米”后，人尿中镉含量增高，容易得风湿性关节炎、肾炎、溃疡病等疾病，癌症平均死亡率也会增加。人体内酶的正常活动受到镉的影响后，会造成贫血、高血压、骨痛病，其危害有时可达几十年。二.植物修复技术 植物修复(Phytoremediation)是由美国科学家Chaneyt切于1983年首次提出的，该技术的核心是利用超富集植物清除土壤重金属污染，即利用植物吸收、富集、降解或固定土壤中重金属离子或其他污染物，以实现消除或降低污染程度，修复环境的综合环境生物技术。而Baker(15)首次称这种修复为绿色修复(Green remediation)。国内外学者对植物修复技术的研究热点主要集中在以下四个方面：植物提取(Phytoextraction)、植物固定(Phytostabilization)、植物挥发(Phvtovolatilization)、植物过滤(Phytoinfiltration)。2. 1 植物修复技术的研究方向2.1.1植物提取 植物提取最早是由Chaney提出来的，它是指利用一些对重金属具有较强富集能力的特殊植物从土壤中吸取重金属，将其转移、贮存到地上部并通过收获植物地上部而去除土壤中污染物的一种方法（17）。该方法适合于从污染的土壤中去除如Pb、 Cd、 Ni、 Cu、Cr、 V或土壤中过量的营养物质如NH4NO3等（18）。植物提取是目前研究最多， 最有发展前景的解决重金属污染的技术。植物提取法的关键是寻找一些超积累植物。这些超积累植物需能从土壤中吸取、在体内积累高浓度的污染物；能同时积累多种重金属；生长快、生物量大；抗病能力强（19）。据报道，现已发现Cd、Co、Cu、Pb、Ni、Se、Mn、Zn超积累植物有45科500余种，其中73%为Ni的超积累植物（20）。近年来，各国科学家们对利用这种植物修复Zn、Pb、Cd和Ni污染土壤表现出浓厚的研究和开发兴趣。在欧洲、美国、澳大利亚和东南亚国家都启动了超积累植物积累金属生理生化机理、金属吸收效率和农艺管理等方面的研究项目。 表一.已发现的超富集植物 金 属 种 数 科 数 砷As 1 1 镉Cd 1 1 钴Co 26 12 铅Pb 5 3 锰Mn 8 5 镍Ni 277 36 锌Zn 18 8 铜Cu 24 11 表二.部分重金属的超累积植物 重 金 属 超累计植物最高含量（干物质） Pb圆叶遏蓝菜 Thlaspi.Rotundifolium 8200 Cd天蓝遏蓝菜 Thlaspi.caerulenscens 1800 （茎） Zn天蓝遏蓝菜 Thlaspi.caerulenscens 51600（茎） Cu高山甘薯 Ipomoea souarret 12300（茎） Ni九节木属 Psychotria souarrer 47500（地上部分） AS蜈蚣草 Pteris vittata L. 5000 （叶）2.1.2植物挥发 植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的污染物 （主要是Hg、Se、As）吸收到植物体内后转化为气态物质，挥发出土壤和植物表面，释放到大气中（17）。如烟草能使毒性大的Hg2+转化为毒性小得多、可挥发的单质汞Hg(O)。海藻能吸收并挥发砷，其机理是把(CH3)2AsO2挥发出体外。洋麻可以使土壤中47%的三价硒转化为可挥发态的甲基硒挥发去除，从而降低硒对土壤生态系统的毒性。也有人研究报导称可利用转基因植物降解物毒性汞，即运用分子生物学技术将细菌体内对汞的抗性基因（汞还原酶基因）转导到植物（如烟草和郁金香）中，进行汞污染的植物修复。但植物挥发法将污染物转移到大气中，对人类和生物具有一定的风险（18），采用此法时其污染物向大气挥发的速度应以不构成生态危害为限（16）。2.1.3 植物固定 植物固定指利用植物吸收和植物根际的一些特殊物质使土壤中的大量有毒金属转化为相对无害的物质，从而降低土壤中有毒金属的移动性、生物有效性，减少金属被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性，使其不能为生物所利用的一种方法。其中包括了分解、沉淀、螯合、氧化还原等多种过程。植物稳定只是一种原位降低污染元素生物有效性的途径，而非一种永久性的去除土壤中污染元素的方法（16）。而且重金属的生物有效性随环境条件的变化而发生变化，所以该法在应用中受到一定的限制。2.1.4植物过滤 植物过滤是利用植物庞大的根系过滤吸收、富集水体中重金属元素的过程（17）。目前用于植物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（18）2. 2 影响植物修复效率2.2.1植物的生物学特征 植物的生物学特征对植物蓄积污染物的影响很大，主要是影响因素有：（1）植物自身的生物学性状。它直接关系到污染环境植物修复的效率。生长速度快、生长周期短、生物量高、个体高而大、叶密、茎粗的植物往往具有较高的修复效率。（2）污染物在植物器官中的分配。不同的植物修复技术，对污染物在植物中的分配特点有不同的要求。如利用植物固化污染土壤中的污染物，应注意选用那些耐性强但对污染物搬运能力差的植物，以确保污染物大多被固定在植物根部。（3）植物抵抗各种自然灾害的能力。多数情况下，植物的耐病虫害、抗洪涝、抗酸雨、遭受自然灾害的复原等能力决定植物修复技术的成功与否。（4）植物对地理气候条件的适应能力。（5）植物对各种施肥措施的敏感性。选用对各种施肥措施敏感的植物可降低土壤植物修复的成本，敏感度高的植物容易获得更多的生物量，修复效率高。（6）与植物共生的微生物体系的发育状况。植物对某些矿质营养如的吸收可在根际微生物作用下得到加强。实验发现，根际微生物影响植物对非必需重金属元素的吸收。水培溶液实验表明，从重金属污染土壤中筛选出来的微生物能刺激植物对重金属的吸收。 2.2.2 污染物本身的物理化学性质 污染物本身的物理化学性质对植物修复效率的影响主要有以下几个因素：（1）污染物的存在形式。植物修复效率在很大程度上取决于植物能否容易得到所需的金属，因此土壤中金属的存在形式直接影响植物能否通过根系吸收到相应的重金属离子。（2）污染物浓度。污染物浓度过高会引发植物毒害，过低会引起生物可获得性低，这两种情况都不利于用植物的方法修复污染场地。 2.2.3 外部环境因素 影响污染环境植物修复技术的外部因素有很多，主要包括有：（1）物理学因素。土壤结构与污染物的赋存状态和生物可获得性有关，不同的土壤类型会影响到根际分泌物的质量和数量，从而影响植物的修复效率。（2）气候学因素。重要的气候因素包括温度、降雨量、干旱状况等，这些因素都可以影响植物的生长速率，进而影响植物修复效率。（3）化学因素。土壤 pH 控制土壤中金属离子的溶解度，降低土壤可减少土壤对重金属的吸附，增加土壤溶液中重金属离子的浓度，有利于植物对土壤中污染物的吸收2. 3 植物修复技术的特点 从世界范围来看，植物资源相当丰富，筛选修复植物潜力巨大，这就使植物修复技术有了较坚实的基础；人类在长期的农业生产中，积累了丰富的作物栽培与耕作、品种选育与改良以及病、虫害防治等经验，再加上日益成熟的生物技术的应用和微生物研究的不断深入，使得植物修复在时间应用中有了技术保障。与物理化学修复方法相比，植物修复有如下特点： 1. 植物修复以太阳能作为驱动力，能耗较低。 2. 植物修复实际上是修复植物与土壤及土壤中微生物共同作用的结果，因而微生物强化重金属污染土壤植物修复的研究，具有土壤-植物-微生物系统所具有的一般特征。 3. 植物修复利用修复植物的新陈代谢活动来提取、挥发、降解、固定污染物质，使土壤中十分复杂的修复情形简化成以植物为载体的处理过程，从形式上看修复工艺比较简单。 4. 修复植物的正常生长需要光、温、水、气等适宜的环境因素，同时也会受病冲草害的影响，也就决定植物修复的影响因素很多，具有极大的不确定性。 5. 植物修复必须通过修复植物的正常生长来实现修复目的，因而，传统的农作经验以及现代化的栽培措施可能会发挥重要作用，从而也就具有了作物栽培学与耕作学的特点。 6. 植物以及微生物的生命活动十分复杂，要使植物修复达到比较理想的效果，就要运用植物学、微生物学、植物生理学、植物病理学、植物毒理学等方方面面的科学技术不断地强化和改进，因而也有多学科交叉的特点。 2.4植物修复技术的优缺点 植物修复技术较其他物理化学和生物的方法具有更多的优点，表现在： 1. 植物修复的成本低。它仅需要传统修复技术 1/3-1/10 的成本，投资和运作成本均较低，对环境扰动少，清理土壤中重金属的同时，可清除污染土壤周围的大气或水体中的污染物。 2. 有较高的环境美化价值。生活在污染地附近的居民总是期望有一种治理方案既能保护他们身心的健康，美化其生活环境，又能消除环境中的污染物，植物修复技术恰恰能满足居民的这一心理需求。 3. 植物修复重金属污染物的过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程，被植物修复干净土壤适合多种农作物的生长。 4. 植物固化技术能使地表长期稳定，有利于污染物的固定，生态环境的改善和野生生物的繁衍，而且维持系统运行的成本低。 5. 用植物吸收一些可做微肥的重金属如Cu、Zn等，收割后的植物可用作制微肥的原材料，用这种原材料制成的微肥更易被植物吸收。 6. 植物修复技术能够永久性的解决土壤中重金属污染问题。相比之下，多数传统的重金属处理方法只是将污染物从一个地点搬到另一个地点或从一种介质搬运到另一种介质或使其停留在原地，其结果只能是延误重金属污染土壤的治理，给农产品安全和人类健康埋下“定时炸弹”。 7. 植物既可从污染严重的土壤中可萃取重金属也可以从轻度污染的土壤中吸收重金属。植物修复是近年来世界公认的非常理想的污染土壤原位治理技术，它具有物理化学修复所无法比拟的优势，但作为一项技术总有他的局限性，尤其对尚未成熟的植物修复技术来说更是如此，主要表现在以下几个方面： 1. 修复植物对污染物质的耐性是有限的。超过其忍耐程度的污染土壤并不适合植物修复。 2. 植物生长缓慢，植物修复过程通常比物理化学过程缓慢，比常规治理需要更长时间，尤其是与土壤结合紧密的疏水性污染物。难以满足快速修复污染土壤的要求。 3. 用于净化重金属的植物器官往往会通过腐烂落叶等途径使重金属重返土壤，因此必须在植物落叶前收割植物器官，并进行无害化处理。 4. 植物的发育生长需要适宜的环境条件，在温度过低或其他生长条件难以满足的地区就难以生存，因而植物修复受季节变化等环境因素的限制，尤其在北方地区更是如此。 5. 绝大多数超积累植物只能积累一种，最多两种金属，对土壤中其他浓度较高的重金属则往往没有明显的修复效果，甚至表现出某些中毒症状，从而限制了植物修复技术在重金属复合污染土壤中的治理。 6. 成功修复污染土壤需要很多环境因子的配合，包括水分供给、土壤肥力、品种选育与搭配等因素的最佳配合。三. 植物修复技术未来的发展趋势 随着人们的日常生活水平不断提高，科技发展日新月异的今天，土壤重金属来源更加趋于多样化、综合化。加上最近几年接连不断爆发的食品安全问题，人们对食品健康也越来越重视，对于人们赖以生存的物质基础-土壤，污染问题更加重视。虽然土壤重金属污染的植物修复有其局限性，但其费用较低、收效显著，具有较高的研究和实用价值，已成为世界科学研究和技术开发的前沿。本文对土壤重金属植物修复技术的未来发展趋势进行展望。3.1寻找合适的重金属富集植物目前能应用到工程化修复的超累积植物数量十分有限，所以寻找、筛选自然界中存在的超富集植物是当前植物修复研究的一项重要任务。特别是生物量大、生长比较快的植物，将是今后一段时期内的研究重点。对此我们可以充分利用中国具有广袤的国土面积和复杂多样的植物类型的有利条件，发挥植物资源丰富的优势，寻找和培育新的超富集植物。而且选择的富集植物还要能够适应进行目标修复土地的土壤性状，同时也要考虑不能破坏当地的自然生态环境。3.2 结合基因工程技术随着分子生物技术和基因工程技术的迅猛发展，逐步将二者结合起来应用于植物修复中，在提高植物修复的实用性方面必将有突破性进展。运用分子生物学的手段，育种与筛选转基因植物，将有助于深入研究植物富集重金属的机理，并有望通过改良遗传特性提高植物对重金属污染物的耐性、富集能力或提高已有超富集植物的生长速率和生物产量。例如在加深富集植物对重金属的吸收、运输、积累及其解毒机理研究的基础上，可以考虑克隆植物的相关基因，然后转移到生物量较大的植物体内，培养出新的超富集植物品种；也可以将多种需要的基因植入所选植物中，从而提高其对重金属的吸收、运输和富集；或者人工育种与筛选转基因植物，通过改良遗传特性提高植物对重金属污染物的耐性和富集能力。3.3 与传统的物理、化学的组合技术面对土壤重金属污染的复杂性、不可逆性和表聚性等特点，单一治理方法很难将其去除干净，组合修复技术是近年来研究比较火热的修复技术。螯合剂一植物修复、电压一植物修复、表面活性剂一植物修复等方法已有一些研究，这些方法比使用任何单一的方法效果要好。因为它综合了多种方法的优点，如利用含配体的溶液能提高土壤溶液中重金属的浓度，利用电流能有效地将吸附于土壤中的重金属解释，利用植物根系的巨大表面积将溶液中的金属离子或金属配位离子进行吸附、吸收和转移。但将植物修复、微生物修复等技术科学、系统地结合起来，并依据实际的土壤性状及污染状况选择、种植适宜的超积累植物，逐渐建立一个有效的修复体系，走出实验室和大田的试验研究，加强污染土壤的修复实践，这些工作还有待进一步深入，同时也能为今后重金属污染土壤修复产业化奠定基础。3.4 植物修复技术有效性的研究土壤重金属的植物有效性是土壤环境保护和污染控制修复中一项重要的基础研究工作，为土壤重金属污染物的生态风险性评价提供基础性数据，为制定土壤重金属安全含量的科学标准和土壤环境的管理提供科学依据。Hall（21）指出重金属的植物有效性是重金属对植物体的供给性，对植物有效性的重金属就是指在植物生长过程中存在于土壤中的且能被植物根吸收的重金属。有关土壤重金属对植物有效性的研究涉及重金属在植物体内的含量、储存、迁移转化等，根际土壤化学，植物有效性的评价，影响土壤重金属植物有效性的因素等。部分研究发现（22）重金属总量的高低并不能表示其对环境影响能力的大小，应将有效态含量与总量结合起来综合分析，才能准确全面的评价土壤中重金属的生态环境效应；植物的重金属含量与土壤中相应的重金属有效态含量之间显著正相关，有效态含量相对于总量来说，更能反映重金属的植物有效性。通过大量的研究，现在基本上明确了影响土壤重金属植物有效性的各种因素，建立了一批适合某些地区土壤重金属的植物有效性评估指标，但是对于复合污染条件下，土壤重金属植物有效性的变化机制；干旱区绿洲土壤的重金属植物有效性研究等，还有待进一步的发展。四. 结 语重金属元素对土壤环境日趋严重的污染和破坏作用，严重威胁着人类健康。土壤的重金属污染，越来越受到人们的关注，也日益成为科学家们研究的热点问题。当前迫切需要有成熟、低价、高效的修复技术并加以市场化应用。相对于传统的重金属污染土壤治理技术，植物修复技术是一项处于迅速发展之中的用于清除土壤重金属污染的绿色生态新技术，费用较低、收效显著，具有较高的研究和实用价值。对于植物修复技术，我们除了重视处理重金属污染的效果外，也要努力开展实用的植物的二次利用价值。特别是对于大面积农田的植物修复，如果能在修复后，那些植物能够给农民带来一定的经济价值。那么能够更好的促进当地的经济发展。相信在不久的将来，。随着理论研究、转基因技术、与传统技术的复合运用等方向的不断进步， 重金属污染土壤环境的植物修复潜力必将被进一步挖掘和发挥，得到更加广泛地推广和应用，为环境保护和治理带来更加广泛地实用前景。 （注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）