重金属铅超富集植物的研究进展_毛海立

重金属铅超富集植物的研究进展

毛海立,王　震,龙成梅,邹洪涛,钟才宁

(黔南民族师范学院化学与化工系,贵州都匀　558000)

摘　要:利用超富集植物修复重金属污染土壤是一种可靠经济安全的技术,对我国在铅超富集植物修复方面的研究进展进行分析和总结,指出目前研究中存在的问题和今后研究的方向。

关键词:铅;超富集植物;植物修复

中图分类号:X171 文献标识码:A 文章编号:1674-2389(2011)03-0050-05

A d v a n c e i n R e s e a r c h o f P b H y p e r a c c u m u l a t o r s

M A OH a i l i,W A N GZ h e n,L O N GC h e n g m e i,Z O UH o n g t a o,Z H O N GC a i n i n g

(D e p t.,o f C h e m i s t r y a n d C h e m i c a l E n g i n e e r i n g,Q i a n N a n N o r m a l C o l l e g e f o r N a t i o n a l i t i e s,D u y u n558000,C h i n a)

A b s t r a c t:T e c h n i c a l u s e o f h y p e r a c c u m u l a t o r s t o r e s t o r e t h e c o n t a m i n a t e dm i n e s o i l i s f e a s i b l e a n dr e l i a b l e c o m p a r e d w i t h t r a d i t i o n a l m e t h o d s.

A d v a n c e s i n p h y t o r e m e d i a t i o n o f H y p e r a c c u m u l a t o r a r e a n a l y z e d a n d s u m m a r i z e d i nt h i s p a p e r,m e a n w h i l e t h e c u r r e n t s t a t u s a n d p r o s p e c t s a r e e l a b-o r a t e d.

K e y w o r d s:l e a d;H y p e r a c c u m u l a t o r;p h y t o r e m e d i a t i o n

科技的进步带来了社会繁荣的同时,也伴随着人类对自然环境的开发利用程度的迅猛扩大。近几年来,人类活动如采矿、电镀、冶炼制革等许多工业排放的三废以及农田污灌,污泥农用和肥料的施用不断增加了环境中铅污染负荷,超出了环境自净能力,致使土壤、水体受到了不同程度的铅污染。据估计,目前中国受污染的耕地面积近2000万h m2,约占耕地面积的1/5,其中工业“三废”污染1000万h m2,农田污灌面积已达130多万h m2,每年因土地污染而减少的粮食产量高达1000万t,直接经济损失达100多亿元。[1]

铅是一种具柔和性的有毒物质,是一种不可降解的环境污染物,并通过进入食物链在生物体内累积,进而影响生物体正常生理代谢活动,危害动物及人体健康,更为严重的是这种污染具有隐蔽性,长期性和不可逆性的特点。铅对人体各种组织系统均有毒性危害,尤其是神经,造血系统受害最甚,对儿童的身体和智能更为严重。2003年4月以来,海口市妇幼保健院对全市6910名幼儿,8239名小学生进行了血铅含量调查,发现53.7%的幼儿和56.12%小学生的血铅含量超过100u g/L(W H O确定的铅中毒水平)。[2]影响人体血铅含量的铅主要来源于土壤和水体。被重金属污染土壤的治理一般有客土法,石灰改良法、化学淋洗法等。[3]这些方法在原理上多采用物理或化学的方法,在实际应用中存在某些局限,如因成本高,效率低,而且会破坏土壤结构,导致土壤营养流失,引起“二次污染”等原因,难以大面积应用。而超富集植物的发现和利用,为土壤修复开辟了新的途径。这种生物修复技术具有投资和维护成本低,操作简便,不造成二次污染,利用自然能源、安全、生态协调及美化环境等优点,被称之为绿色修复技术,越来越受到各国政府,科技界和企业界的高度重视和青睐,并广泛应用于土壤、水体、污泥的

基金项目:贵州省教育厅自然科学研究项目,黔教科(2008093)号。

收稿日期:2011-04-21

作者简介:毛海立(1975-),男,上海市人,黔南民族师范学院化学与化工系副教授,研究方向:分析化学。

修复处理。[3-5]

1　超富集植物与植物修复技术的概念与发展

1.1超富集植物的概念与发展

超富集植物是能够超量吸收重金属并能将其运移到地上的植物。1977年,B r o o k s提出了超富集植物的概念;1983年C h a n e y提出将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上,而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,将植物收获并进行妥善处理后可将重金属移出土体,达到治理污染与恢复生态的目的利用密集植物有500多种,广泛分布于植物界的45个科,其中铅超富集植物16种。[5,6]通常超富集植物的界定可考虑以下两个主要因素;(1)植物地上部富集的重金属应达到一定的量;(2)植物地上的重金属含量应高于根部。目前采用较多的b a k e r和b r o o k s在1983年提出的参考值,即把植物叶片或地上部(干重)中含C d有达到100u g/g,含C o、C u、N i、P b达到1000u g/g以上的植物称为超富集植物。同时这些植物还应满足S/R>1的条件(S和R分别是植物地上部和根部重金属的含量)。[6]国内学者对超富集植物的研究也在进入21世纪有了迅速的发展。2005年,聂发辉提出了生物富集量系数这个新的评价系数,将给定生长期内单位面积地上部分植物吸收的重金属总量与土壤含量之比作为超富集植物的一项评价指标。此系数的提出扩大了传统超富集植物的定义,使得富集量未达一水平,但生物量很大的植物也能作为超富集植物。[7]随着社会的发展,科学技术的进步,资源开发猛增,世界各地同时也受到重金属污染越来越严重,超富集植物的研究也逐渐增多,工程性的实验研究以及实地应用效界显示了植物修复商业化的巨大前景。

1.2植物修复技术的概念与发展

一般狭义的植物修复技术是指将某种特定的植物中在重金属污染的土壤上,而该种植物对土壤中的污染元素有特殊的吸收和吸附能力,将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收)后即可将该中重金属移出土体,达到污染治理与生态修复的目的。[8-11]这只是植物修复类型中的植物提取技术(p h y t o e x t r a c-t i o n),广义的植物修复技术还应包含将环境中挥发性污染物吸收到体内后再将其转化为毒性小的挥发态物质,释放到大气中,不需收获和处理含污染物的植物的植物挥发(p h y t o v o l a t i l i z a t i o n);植物对水体重金属和类金属通过根部对毒害性金属进行吸收、浓缩和沉淀的植物过滤(p h y t o f i l t r a t i o n);植物利用其自身的机械稳定作用和吸收沉淀作用来固定土壤中重金属的植物固定(h y t o S t a b i l i z a t i o n);利用一些根系深且发达的速生植物强大的蒸腾作用,将植物作为种生物泵来减少地表污染物下渗进入地下水或流入地表水体的技术的水力泵技术(h y d r a u l i c p u m p i n g)。[8-15]

该技术为目前面临的如何清除环境中日益加剧的有毒重金属,以及有机残留物带来的污染问题,提供了一条新思路,由于它具有投资少,成本低,不造成二次污染的优点。因此,科学工作者对这种应用与重金属污染的制植物修复技术寄予厚望。

2　我国重金属铅超富集植物筛选研究进展

我国开展重金属超富集植物筛选筛选研究比较晚,但在近十年通过科技工作者的努力下,获取得了与植物修复技术相关的不少成果。

近10年来,重金属超富集植物的筛选受到国内处科学家的广泛关注。目前,我国有关重金属铅的植物修复研究较多。刘秀梅等[16]2002年研究在温室砂培盆栽条件下对铅锌尾矿区附近生长的6种植物中,羽叶鬼针草和酸模对铅有很好的耐性,可以作为先锋植物区修复被铅污染的土壤。聂俊华等[17]在2004年对生长于铅锌尾矿区的36种植物进行了筛选,筛选出6种富集铅的植物品种,分别为香根草、绿叶苋菜、裂叶荆芥、羽叶鬼针草、紫穗槐和苍耳,它们都有较好的富集能力,虽然地上部分P b的含量并未达到超富集植物标准,但具备超富集植物的潜力,其中香根草通过A n t i o c h i a在2007年进行的组培实验中地上部分P b的含量达到2458-4069m g/k g,达到P b超富集植物标准。[18]柯文山等[19]在温室

砂培盆栽条件下对十字花科芸薹属5种植物进行重金属富集研究,认为鲁白、芥菜不仅生长快、生物量高,且其地上部铅的含量超过了1000m g/k g,迁移总量和迁移率都很高,是很好的潜在修复铅污染的材料。吴双桃等人[20]2004年通过对株洲市铅锌冶炼厂生产区的植被和土壤调查,首次报道了一种铅超富集植物土荆芥,其体内铅质量分数高达3888m g/k g。何新华等[21]在对杨梅幼苗的生长研究中发现,杨梅叶片中的P b含量超过1000m g/k g,表现出对P b的强吸收力和耐性。2005年,汤叶涛等[22]通过野外调查和营养液培养实验首次发现了P b/Z n/C d多金超富集植物圆锥南芥,富集铅的量达到2484m g/ k g。近期对铅富集植物品种的筛选的研究还有,2007年胡宗达等[23]通过对生长于四川汉源县普陀山铅锌矿区的优势草本植物种类的调查与筛选发现,小鳞苔草是一种铅超富集植物,其地上部分对铅富集含量高达1834.17m g/k g,植株对P b富集系数和转运系数分别为3.1和9.9。肖青青等[24]2009年在对云南兰坪铅锌矿区的植物研究中,报道了滇白前对铅富集量,且未观察到受害症状,具有较高的金属耐性,且生物量较高。刘月莉等[25]在2009年对四川甘洛铅锌矿区优势植物的重金属含量的研究中报道了凤尾蕨、细风轮菜、大火草、蔗茅、植物1、小飞蓬和牛茄子7种植物体内的P b含量均大于1000m g/k g,超过了超富集植物的临界标准,其中千里光、细风轮菜、长穗兔儿风、打破碗花花、牛茄子的转运系数>1,具有作为矿区土壤P b污染修复物种的巨大潜力。罗于洋等[26]2010年报道利用室内控制性盆栽试验,对密毛白莲蒿铅的富集特性进行了研究,其地上部和根系对最大铅积累量分别为2857.86m g/k g和294.17m g/k g,在矿区分布面积广,生长量丰富。同时高山漆姑草、圆叶遏蓝菜、石竹科米努草属是已报道的P b富集植物。[27,28]表1总结了国内外部分对铅富集以及超富集植物的富集特征。

表1:国内外部分对铅富集以及超富集植物的富集特征

植物名科属特征文献来源羽叶鬼针草B i d e n s a x i m o w c z i a n a菊科鬼针草属2881.2m g/k g[16]

酸模R u m r x a c e t o s a蓼科酸模属1480.1m g/k g[16]

香根草V e t i v e r i az i z a n i o i d e s禾本科香根草属540.82m g/k g[17][18]

绿叶苋菜A m a r a n t h u s t r i c o c r苋科苋属870.54m g/k g[17]

裂叶荆芥S c h i z o n e p e t af e n u i f o l i o唇形科裂叶荆芥属628.54m g/k g[17]

紫穗槐S o p h o r a j a p o n i c a豆科紫穗槐属700.09m g/k g[17]

苍耳X a n t h i u m s i b i r i c u m菊科苍耳属650.42m g/k g[17]

鲁白B.c h i n e n s i s十字花科芸薹属2205m g/k g[19]

芥菜B r a s s i c a j u n c e a十字花科芸薹属1652m g/k g[19]

土荆芥C h e n o p o d i u m a m b r o s i o i d e s藜科藜属3888m g/k g[20]

杨梅C h i n a W a x m y r t l e杨梅科杨梅属>1000m g/k g[21]

圆锥南芥A r a b i s P a n i c u l a t aL.十字花科南芥属2484m g/k g[22]

小鳞苔草C a r e x g e n t i l i s F r a n c h莎草科苔草属1834.17m g/k g[23]

滇白前S i l e n e V i s c i d u l a F r a n c h石竹科蝇子草属1129～5430m g/k g[24]

千里光S e n e c i o s a n d e n s B u c h菊科千里光属>1000m g/k g[25]

细风轮菜C l i n o p o d i u mg r a c i l e唇形科风轮菜属>1000m g/k g[25]

长穗兔儿风A i n s c i a e ah e n r y i D i e l s菊科兔儿风属>1000m g/k g[25]

打破碗花花A n e m o n e h u p e h e n s i s L e m毛茛科银莲花属>1000m g/k g[25]

牛茄子S o t a n u m S u r a t t e n s e B u r m茄科茄属>1000m g/k g[25]

凤尾蕨S p i d e r b r a k e凤尾蕨科凤尾蕨属>1000m g/k g[25]

柳叶菜科多年生草本(O n a g r a c e a e)柳叶菜科2409m g/k g[25]

密毛白莲蒿A r t e m i s i aa c r r o r u m v a r.M菊科蒿属2857.86m g/k g[26]

高山漆姑草M i n u a r i t i a V e r n a石竹科高山漆姑草属11400m g/k g[27]

圆叶遏蓝菜T h l a s p i r o t u n d i f o l i u m十字花科遏蓝菜属8200m g/k g[28]

米努草属M i n u a r t i a v e r n a石竹科米努草属>1000m g/k g[28]

上述25种植物,分属15科,其地上部分对铅富集含量超过1000m g/k g的植物有20种,其中十字花科、菊科和石竹科的植物种类所占比例较高,它们对铅蓄积较多,吸收能力强,耐性较好,大部分都属于P b超富集植物,是目前研究金属超富集植物的重点研究对象。5种植物的特征含量在国内学者的研究中虽没有达到超富集植物的标准,但肯定了其对P b污染的修复潜力,在后期的研究中其超富集的特征得到确定,香根草就是例子。

3　超富集植物的应用和选育

利用超富集植物改良土壤已已有实际应用。印度芥兰(芥菜),能把铅从根部转移到嫩枝,是目前筛选出来的生长周期短、地上植物亮大,是已确定吸收铅的最理想植物,在欧美国家已有实际应用。如美国E d e n s p a c e系统公司利用印度芥菜提取法和E D T A活化金属剂等手段在新泽西B a y o n n e修复含铅污染土壤。据报道该场地的表土(0～15c m)含铅量为1000～6500m g/k g(平均2055m g/k g),其地下15～30c m土层含铅量为780～2100m g/k g(平均为1280m g/k g)。经过植物修复后,分别降到2300～420m g/k g(表土)和1280～992m g/k g(地下15～30c m)。[27]在英国也有利用圆叶遏蓝菜进行P b污染修复的实际应用。国内在这方面的实际应用还鲜见报道。

在选育方面,国内的研究集中在野外采样研究和实验室组培实验,例如羽叶鬼针草、香根草、土荆芥、小鳞苔草以及园锥南芥等植物的报道都是通过相关实验研究报道。国外在超富集植物的研究方面目前的重点方向是利用基因工程将超富集植物对重金属的耐性与解毒机制与生长速度快、生物量大的植物相结合,解决大部分超富集植物生物量小、生长速率慢的问题,同时提高超富集植物对重金属的耐性和修复能力,以获得适用于工程应用的超富集植物。

4　前景与展望

我国现阶段是发展中国家,资源开发量大,经济迅速增长,人民生活富裕。在此同时,也给环境带来了严重污染的问题,重金属的污染越来越严重,为了解决重金属污染的问题,近十年来,国内外科学工作者们对重金属铅采取植物修复技术发展很快,超积累植物的寻找培育,植物根际微生物共存体系研究,植物对重金属的忍耐性,超量吸收及其解毒机制,现代分子生物学的发展以及转基因工程技术的应用在植物修复的工业技术方面作了不少的研究,并取得了较丰富的研究成果,但仍然存在着多方面的不足。在我国,研究表明,将超富集植物应用与矿山修复和改良污染土壤是我国重金属污染修复的重点,但目前国内的相关研究集中在超富集植物的选育方面,对植物的吸收和解毒机理、根系土壤环境条件对植物生物有效性的制约等问题研究还有待加强,同时对相关的农作和植保技术研究还需进一步加大研究力度。

目前发现的大多数应用于植物修复的超富集植物往往植株较矮小,生长速度慢,修复效率低,生物量少,根系较短,且常常位于偏远的山区,对气候有一定的要求,不宜广泛推广,而且超富集植物引人时,可能会出现生物入侵问题。对此,今后对于生物入侵物种,将其实际应用于植物修复之前进行全面的安全评价,并利用转基因技术,耦合诱导技术,植物杂交等培育出植株高大,生长快,修复率高,生物量大,根系长且粗,营业范围宽广的优势植物,培育出广谱富集重金属的植物。目前各国发现广谱超富集重金属的植株甚少,有待于增进这方面的研究。

总之,我们不仅对重金属土壤污染的植物修复加强研究,而且对重金属污染的控制要严格按照国家环保部门的规定,对不符合国家和地方规定的城市污水,坚决禁止排放,对于未经处理的城市垃圾和污泥,禁止用于农田堆肥。加强重金属超富集植物和转基因植物的研究,筛选培育超富集植物,建立相关数据资源库,通过相关多个学科交叉研究,植物修复技术将在铅污染土壤恢复治理方面发挥更大作用。

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