重金属植物修复技术概述
重金属植物修复技术概述-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
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（2~3）。
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219.5×
108t，污灌污染农田面积为3.3×106hm2。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2×103m3废水进入农业环境，全区污灌面积达2. 56×104hm2。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
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Hg 2+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(CH 3)2AsO 2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