螯合诱导植物修复技术在重金属污染土壤中的应用

土 壤(Soils), 2008, 40 (1): 16~20

螯合诱导植物修复技术在重金属污染土壤中的应用①

程国玲1,2， 胥家桢2， 马志飞2, 汪群慧1

（1哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨 150090；2东北林业大学林学院环境科学系，哈尔滨 150040）

摘要：通过向土壤中施加螯合剂促进植物对重金属的吸收是目前一项比较有发展前景的土壤修复技术。本文综合介绍了近年来EDTA等多种螯合剂在植物修复重金属污染土壤中的应用，同时介绍了一种新型易降解的螯合剂EDDS的研究进展，最后对存在的问题进行了讨论，并对未来的研究重点进行了展望。

关键词：螯合诱导植物修复；重金属；EDTA；EDDS

中图分类号： X53

土壤和径流中存在的重金属来源于自然构成和人类活动（采矿、冶炼、金属加工、污水灌溉、尾气排放等）。在欧洲，成千上万公顷的农用土壤存在不同程度的重金属污染。据报道，仅西欧大约有 1.4 × 106 km2土壤受重金属或有机物污染[1]。我国广东省地勘部门土壤调查结果显示，西江流域的 1 万 km2 土地中遭受重金属污染的面积达 5500 km2，污染率超过 50%，其中，Hg 的污染面积达到 257 km2，污染深度达到地下40 cm[2]。

Cu、Zn、Fe 等一些重金属是生命必需的元素，因为它们可以提供金属蛋白和酶，而另外一些高浓度的重金属（如 Cd、Hg）则会对生物分子的功能基产生毒害作用，更会改变生物分子的活性，对高等生物有机体和微生物也会产生毒性[3]。根据欧洲联合理事会规定，最适耕种的土壤其金属含量为 Cd 3 mg/kg、Cu 140 mg/kg、Ni 75 mg/kg、Pb 300 mg/kg、Zn 300 mg/kg、Hg 1.5 mg/kg[4]。

1 植物对重金属的吸收

重金属对生物有机体的毒性包括氧化毒性和遗传毒性，而植物则通过控制根部对金属的吸收和转运来进行自我保护[5]，植物细胞内一些蛋白质，如铁蛋白、金属硫蛋白及植物络合素，都参与超量金属的贮存和解毒。

植物吸收并积累金属是其生长和发展的本质需要，尤其对某些微量元素（如 Cu、Mn、Fe、Zn、Mo、Ni）的吸收，因此利用植物进行土壤重金属污染的修复是可行的。研究表明，植物修复技术优于其他生物修复技术，因为在生物修复实验中，土壤会有残留的污染物，微生物的物种及生物利用度会随着时间的延

长发生改变[6]，而理论上我们认为植物是可以完全清

除土壤中的金属污染物的[7]。一般情况下，利用植物

提取修复污染土壤时，修复植物应具备以下条件：①

有高的忍耐重金属毒害的能力；②能够吸收高浓度的

重金属；③有较快的生长速度；④有较发达的根系；

⑤植物在单位面积上有较高的生产力；⑥植株有较高

的吸收速率，并且运输能力强[8]。而植物吸收效率主

要依靠两个方面：较高的忍耐重金属的能力和高生物量。

利用植物提取修复土壤重金属污染目前主要有

两种方法：①植物连续吸收，主要依靠一些特异性

植物自身对重金属的超量积累能力，在植物的整个

生命周期吸收、转运、积累和忍耐高含量的重金属，其中对重金属元素的吸收量超过一般植物100倍

以上的植物称为超积累植物（Hyperaccumulator），

超积累植物积累的 Cr、Co、Ni、Cu、Pb 的含量一

般在 1.0 g/kg 以上，积累的 Mn、Zn 含量一般在10.0 g/kg 以上[9]。Robinson等[10]报道了一种高生

物量的 Ni 超富集植物B.coddii，植株平均含 Ni 量为7880 mg/kg，植株吸收提取的 Ni 总量达 168 kg/hm2；杨肖娥等[11]发现一种 Zn 超富集植物──

东南景天(Sedum alfredii Hance),其地上部分Zn 含量高达4134 ~ 5000 mg/kg，平均为 4515 mg/kg。

②螯合诱导植物修复 (Chelate-enhanced phytoreme- diation)，是指通过施入螯合剂来提高植物对重金属的

吸收能力[7]。Huang等[12]报道，施加0.2g/kg HEDTA 后，土壤溶液中Pb含量由4 mg/L增加到 4000 mg/L，玉米和豌豆地上部分Pb含量由500mg/kg 增加到

①基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（11523016）和东北林业大学优秀青年教师创新项目资助。

作者介绍：程国玲（1969─），女，黑龙江哈尔滨人，副教授，主要从事土壤生物修复研究。E-mail：chengguoling@https://www.360docs.net/doc/2411748275.html,

第1期程国玲等：螯合诱导植物修复技术在重金属污染土壤中的应用17

10000 mg/kg；他们还发现，加入EDTA 24 h 后，玉米伤流液中 Pb 含量增加了140 倍，由根向地上部的净运输量增加了120 倍。

虽然一些超积累植物可以同时积累多种重金属，但随着研究的深入，人们发现超累积植物往往植株矮小，生长速度慢，加上受气候、土壤环境的限制，使超累积植物的重金属累积量有限，很难具有实际应用价值，也不利于大面积的机械化操作。同时，某些金属的生物活性很低，能够被植物直接利用的量很少（表1）。举例来说，Pb 在一般土壤 pH 范围（中性和弱碱性）内生物活性很小[13]，尽管大多数污染土壤中 Pb 浓度很高，由于其和有机物、Fe-Mn有机物、黏土、氢氧化物和磷酸盐有很强的结合能力，导致 Pb 在土壤溶液中的浓度很低，大大限制了植物对其的吸收，因此，即使在高污染地区生长的植物，茎中Pb含量也少于1000 mg/kg[14]。植物体通常限制 Pb 从根部运输到茎，甚至一些植物，如Brassica juncea，虽然本身具有遗传性的累积 Pb 的能力，但栽植在 Pb 污染土壤中时，茎和根部的 Pb 浓度也很低[15]。由于 Pb 在土壤中的生物活性比较低，植物茎部在溶液培养实验中的金属累积量要远远超过其在土壤中栽种时的积累量，因此，当需要从溶液培养结果推断土壤中植物 Pb 累积量时应当非常谨慎。

2 螯合诱导植物修复

研究表明，向土壤中施加螯合剂(如 EDTA、柠檬酸等)能够活化土壤中的重金属，提高重金属的生物有效性，促进植物吸收。这种施用螯合剂或配位基诱导或强化植物超富集作用的方法被称为化学/螯合诱导修复技术[7]。螯合剂具有多齿状的配位基，能与单一金属离子形成杂环化学复合物，通常被作为土壤微量元素提取剂或化学肥料而使用[16]。螯合剂能够从Fe-Mn等有机物中将金属离子解吸出来，增加土壤中重金属的溶解度，促进重金属自根系向地上部转运[1]。因此，螯合是植物对细胞内重金属解毒的主要方式之一。当部分金属离子穿过细胞壁和细胞膜进入细胞后，能和细胞质中的蛋白质等形成复杂的稳定螯合物，它们能使重金属的毒性降低[17]。

考虑到在植物蒸腾作用旺盛时加入螯合剂能够促进金属的吸收，通常在植物收获的前几天向土壤中施入螯合剂，这样也可以避免施入高浓度的螯合剂引起植物中毒死亡。人工螯合剂的毒性会对土壤环境造成潜在影响，如果能对螯合剂的潜在影响加以跟踪和控制，就可以更好地完善这一修复技术。

2.1 以 EDTA 作为螯合剂诱导植物修复

EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid)是目前被广泛应用的一种螯合剂。EDTA 能够螯合主族及过渡金属，与金属离子形成 4 ~ 6 个杂环，但在土壤中很难降解，Satroutdinov等[18]指出，EDTA 与高稳定常数的金属(Cu、Fe、Pb、Zn）形成的螯合物在土壤中的降解速度远远小于其余低稳定常数金属(Ca、Mg、Mn）所形成的螯合物的降解速度。

EDTA 能使 Pb 从土壤微粒中解吸出来，增加 Pb 在土壤溶液中的浓度，并与 Pb 形成易溶解的络合体[4]，因此被大量应用到 Pb 污染土壤的螯合诱导植物修复项目中。Vassil 等[19]通过水培试验发现，经 Pb 和 EDTA 处理的印度芥菜，其地上部分能同时积累EDTA 和 Pb，且以 Pb-EDTA 的形式向上运输，植物体内 EDTA 与 Pb 的比例关系为 1:0.67。其他高生物量的农作物如玉米(Zea mays)和向日葵(Helianthus annuus) 在施入螯合剂（如EDTA）的情况下也能够累积大量的 Pb[20]。Salido等[21]的实验显示，在含Pb量为 338 mg/kg的土壤中施入10mmol/kg EDTA 后，B. juncea 能够累积大约 32 mg Pb。Gleba 等[22]向 Pb 污染土壤中施入 2.5 mmol/kg EDTA，发现B. juncea 对Pb 的累积量是其他同类野生植物的 1.3 倍，因此B. juncea是修复 Pb污染土壤比较理想的植物。其他的植物，如牵牛花（Ipomoea lacunosa），也可以考虑作为修复 Pb 污染土壤的植物[23]。Gr?man 等[4]的研究表明，向土壤中施入10 mmol/kg EDTA 后，使Brassica rapa根部 Pb、Zn、Cd 的浓度分别比对照增加了41%、71% 和 69%，植物体内 Pb、Zn、Cd 积累量分别占土壤总量的 37.9%、10.4% 和 56.3%。

Deram 等[24]研究也表明，向土壤中加入 EDTA 能显著提高 Arrhenatherum elatius对 Cu、Co 和 Ni 的积累，其中 Cu 的浓度由对照的 200 mg/kg 增加到7500 mg/kg，Co由40 mg/kg增加到175 mg/kg，Ni 由8 mg/kg 增加到 1276 mg/kg。Blaylock等[20]研究发现，土壤酸化与施加螯合剂相结合可显著提高 Pb 的吸收效率，将乙酸和 EDTA 同时施入 pH 8.3 含 Pb 1200 mg/kg 的 Pb 污染土壤后，印度芥菜植物地上部分 Pb 的浓度从对照的 28 mg/kg 增加到 1471 mg/kg。

2.2 其他螯合剂

表1 植物吸收中的金属生物活性

Table 1 Bioavailability of metals to plant 类型金属种类

高生物活性Cd, Ni, Zn, As, Se, Cu 中生物活性Co, Mn, Fe

低生物活性Pb, Cr, U

18 土壤第40卷

除 EDTA 外，还有多种螯合剂被应用到诱导植物修复的实验中，如柠檬酸、NTA、EDGA、DTPA、EDDS 等（表2）。R?mkens等[25]以 EDGA作为螯合剂使Yellow mustard对 Cu 的累积能力提高了4倍。周建民等[26]研究显示，当 NTA 添加量为 10 mmol/kg 时，Cu的提取效率和转运效率分别提高了4.75 倍和2.28倍，Zn 则分别提高了3.88 倍和 2.68 倍；这一结果表明，NTA 能显著促进玉米对土壤中 Cu 和 Zn 的吸收和积累，并且能使金属提取效率和转运效率显著提高，是一种高效的用于强化植物修复的螯合剂。

表 2 植物修复中常用的螯合剂名称

Table 2 Some chelating agents commonly used in phytoremediation

首字母缩写英文全称中文名称CDTA trans-1,2-Cyclohexanediamine

-N,N,N′,N′-tetraacetic acid 环已二胺四乙酸DTPA diethylene triaminepentaacetic acid 二乙基三胺五乙酸

EDDHA ethylenediamine-N,

N′-bis (2-hydroxyphenylacetic acid) 乙二胺-N，N’-二-（2-羟基）苯乙酸EDDS ethylenediamine succinic acid 乙二胺二琥珀酸

EGTA ethylene glyclol-bis (2-aminoethyl ether)- N,N,N′,N′-tetraacetic acid 乙二醇双(2-氨乙基醚)四乙酸HEDTA N-hydroxyethylethylenediaminetriacetic

acid 乙基乙二胺三乙酸NTA nitrilotriacetic

acid 氨基三乙酸

[S,S]-EDDS 是一种易于生物降解且低毒性的螯合剂，最初是从一种放线菌Amycolatopsis orientalis 的滤液中分离出来的[1]，具有很强的螯合能力，能够与过渡金属及放射性核素形成稳固的螯合体[27]，对土壤中的微生物和真菌的影响都比较小。从环境安全方面考虑，[S,S]-EDDS 是目前推荐的能够大量使用的螯合剂，它能够在 5 ~ 8 天内在各种环境介质中完全降解[28]。Kos等[29]在利用 EDTA、DTPA、EDDS 诱导Brassica rapa L. var. pekinensis吸收 Cu 的实验中发现，向含 Cu 162.6 mg/kg 土壤中分别施入5 mmol/kg 的 EDTA、DTPA、EDDS 后，EDDS 对植物吸收效率的影响最大，吸收率可以达到 37.8 mg/kg，实验还显示在土层中放置水平的格栅可以达到更好的修复效果。Gr?man等[27]在EDTA和EDDS的对比实验中，向土壤中施入 10 mmol/kg 螯合剂后，植物 B. rapa 茎中 Pb 浓度分别提高了94.2% 和 102.3%。翁高艺等[30]用土培试验研究了3mmol/L EDDS 和微生物菌剂的联合作用，结果表明它们可以极显著地提高海州香薷对 Cu、Pb、Zn（全量分别为 223 mg/kg、1068 mg/kg、232 mg/kg）的复合污染土壤的修复效率。Kos 和Lěstan[31]在利用 Brassica rapa 修复土壤 Pb 污染的试验中，分别施入10mmol/kg EDTA 和 EDDS 后，土壤中 Pb 的吸收量分别上升至 36.2% 和 44.2%。

3 展望

植物修复技术不能应用于修复所有的重金属污染土壤，如高浓度金属环境以及无法使植物生长的恶劣土壤环境，但它可以用于治理中、低浓度重金属污染土壤，也可以与其他修复技术联合使用，作为土壤修复的最后一个步骤，以减少成本和其他修复技术对环境造成的影响。螯合诱导植物修复是一项低耗费的污染修复技术，具有进行大范围修复污染土壤的潜能，但经过10 余年较为深入的研究之后却很少应用到商业实践中[32]。目前主要还缺乏对螯合物在植物根际周围土壤中与金属的交互作用和其在植物体内迁移并累积的机制的了解。

目前很难预知螯合诱导植物修复技术是否是最好的选择，因为所选择的植物不仅要有清除单一金属的能力，同时也要对多种重金属有较高的耐性。举例来说，重金属 Cu 和 Cd 对植物的毒性高于 Pb，如果要对 Pb 污染土壤进行植物修复，不仅需要植物对 Pb 有很高的吸收能力，同时也要对土壤中存在的 Cu、Cd 有很强的耐性。尽管 EDTA 普遍应用于 Pb 污染土壤修复中，但它并不是最理想的螯合剂[33]，这是因为：①Pb-EDTA 是一种易溶的联合体，因此很容易渗到地下水中；②Pb-EDTA 联合体不是最适合植物吸收和迁移的；③EDTA 并不是专门针对 Pb 的螯合剂，当土壤中其他金属离子浓度较高时，如 Fe3+将和Pb2+ 竞争螯合。Kos 和 Le?tan[31]指出可以在用易生物降解的螯合剂诱导修复 Pb 污染土壤的同时添加一些土壤改良剂，能够促进 Pb 的螯合物在土壤中降解，减少其对环境的影响。但他们用丙烯酰胺水凝胶作为土壤调节剂并没有取得非常显著的效果，因此对这一领域还需要更深入的研究。此外，对螯合诱导修复技术的基础研究应侧重于有针对性的研究一些具体修复方案及其可能带来的环境风险。

第1期程国玲等：螯合诱导植物修复技术在重金属污染土壤中的应用19

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Application of Chelation-Induced Phytoremediation in Heavy Metal Polluted Soils

CHENG Guo-ling1,2, XU Jia-zhen2, MA Zhi-fei2, WANG Qun-hui1

(1 College of Municipal & Environmental Engineering, Harbin University of Technology, Harbin 150090, China;

2 Department of Environmental Science, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract: Applying chelating agents into the soil to promote plant absorption of heavy metals is currently a very promising technology of soil remediation. A review was presented of application of various chelating agents, such as EDTA、EDDS, to heavy-metal contaminated soils to stimulate phytoremediation of the soil in recent years. In addition, an introduction was made to the development of a new decomposable chelating agent, EDDS, and in the last part some existing problems were discussed and foci of the future study were prospected.

Key words: Chelation-induced phytoremediation, Heavy metal, EDTA, EDDS