重金屬污染農(nóng)田植物修復：技術、特點、強化措施

環(huán)境修復網(wǎng)訊:研究背景：我國大面積農(nóng)田土壤存在重金屬含量超標情況。2014年全國土壤調(diào)查顯示，我國土壤質(zhì)量不容樂觀，污染超標地區(qū)占比達到16.1%，其中，農(nóng)田污染情況嚴重，總污染面積超過2000萬ha。污染以重金屬污染為主，占全部超標類型的82.8%。

重金屬污染農(nóng)田的治理是目前我國急需解決的環(huán)境問題之一，對于污染土壤的治理，目前常用的方法包括傳統(tǒng)物理方法(電動力學、浸出、電熱修復、玻璃化和凍土技術)和化學法(改良劑、螯合劑、抑制劑、沉淀劑)以及植物修復法。與理化方法相比，植物修復以其環(huán)保、經(jīng)濟、安全、環(huán)境擾動小等特點而備受關注。本文將圍繞土壤修復的植物修復方式，從其技術類型、適用情況等方面進行綜述，旨在為受重金屬污染的土壤修復提供高效合理的整治策略。

摘要：農(nóng)田土壤重金屬污染日益惡化，嚴重危害居民生活和作物、畜牧安全，影響經(jīng)濟發(fā)展，對重金屬污染農(nóng)田的治理成為我國目前亟待解決的環(huán)境問題之一。與傳統(tǒng)的理化方法相比，植物修復技術因其環(huán)保、經(jīng)濟、安全、環(huán)境擾動小等特點而備受關注。介紹了農(nóng)田土壤重金屬污染的來源及危害，簡述了土壤重金屬污染植物修復技術的概念和分類，并針對各種植物修復技術的修復原理、適用情況和研究實例進行詳細闡述。綜述了當前國內(nèi)外可用于提高植物修復效率的方法措施，指出了當前植物修復技術存在的修復周期及修復效果的局限性。最后，在現(xiàn)有研究分析的基礎上，對今后土壤重金屬植物修復技術的發(fā)展方向提出了幾點展望，以期為今后農(nóng)田土壤重金屬污染植物修復工作提供科學依據(jù)。

01.土壤重金屬污染的來源及危害

Hg、Cd、Pb、Cr、Zn、Cu、Ni、Co、Se、As是目前常見的土壤污染物。這些污染物的來源有諸多方面：

1)重金屬可通過大氣沉降經(jīng)雨水淋溶滲入地下，如As、Cu、Hg、Pb、Se與燃煤活動、汽車尾氣排放有關。Cd、Ni、Zn、Mo可能來源于化學燃料的燃燒等。

2)礦山開采時的采礦廢液和礦物加工后的廢棄物隨意排放直接導致土壤重金屬含量的增加，采礦后的礦渣和固體廢棄物的胡亂堆放經(jīng)雨水淋溶后進入土壤，使得礦區(qū)附近土壤中重金屬含量嚴重超標。之后由其他排污企業(yè)如礦產(chǎn)冶煉加工、塑料、化工、機械制造產(chǎn)生的工業(yè)“三廢”使得污染面積進一步擴大。3)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，不當?shù)霓r(nóng)業(yè)措施對土壤造成的重金屬污染，如農(nóng)藥化肥應用，污泥農(nóng)用及污水灌溉等。農(nóng)田施用污泥可肥田、改良土壤結(jié)構，達到增產(chǎn)效果，但污泥中都不同程度地含有工業(yè)源重金屬污染物，是農(nóng)田土壤重金屬污染的主要來源。

在土壤環(huán)境中，重金屬污染的過程具有持久、不易探明、不可逆和易擴散轉(zhuǎn)移的特性。大部分重金屬進入土壤后，會長期存在于土壤中及植物根際周圍，且很難在物質(zhì)轉(zhuǎn)化和土壤自身凈化過程中排除，隨著時間推移勢必會對土壤的結(jié)構及性質(zhì)、土壤生物及微生物特性造成不良后果，進而威脅整個土壤植物系統(tǒng)結(jié)構完整和穩(wěn)定運行。已有研究顯示，土壤中微生物的種類和數(shù)量會隨著重金屬污染情況的加重而減少。在重金屬污染土壤中生長的植物，其根系會受重金屬影響而造成代謝紊亂，根系生長受到抑制，導致植物體營養(yǎng)虧缺，使生長發(fā)育受到破壞，從而影響植物的形態(tài)及產(chǎn)量。此外，當人類通過生物鏈作用攝入含有過量重金屬的植物或生物時，重金屬會在人體內(nèi)富集，引起人體代謝紊亂，誘發(fā)疾病，器官損害等，直接危害人體健康。如當人體內(nèi)含有過量的Cd時，會使腎臟發(fā)生病變，同時會使骨骼中的鈣大量流失，造成骨質(zhì)疏松、關節(jié)疼痛等病狀。

02.植物修復技術及特點

植物修復就是利用某種或多種特定植物來揮發(fā)、固定、萃取其生長范圍內(nèi)的有毒有害物質(zhì)，以減少對環(huán)境的破壞。植物修復根據(jù)土壤修復機理可分成以下3種技術。

1.植物揮發(fā)

植物揮發(fā)即植物通過根部將重金屬吸收進植物體內(nèi)并轉(zhuǎn)變其形態(tài)為氣態(tài)，再由植物釋放到空氣中以減少土壤中重金屬的殘留。目前，有關植物揮發(fā)的研究大多為Hg和Se，這些重金屬在植物體內(nèi)通過甲基化揮發(fā)出土壤，從而降低土壤重金屬含量。該技術無須對植株進行后期回收處理，但其適用范圍小，只適用于可揮發(fā)性污染物，并且轉(zhuǎn)化成氣態(tài)污染物會進入大氣造成二次污染，再通過大氣沉降再次進入土壤，因此該技術有待進一步改進和提高。

2.植物固定

植物固定是通過植物根系中的一系列反應鈍化、穩(wěn)定和螯合重金屬，將有害污染物轉(zhuǎn)化為一種低毒形態(tài)并在植物根部固定的方法。白彥真等研究發(fā)現(xiàn)，藜和新麥草具有能夠鈍化固定Pb的能力。Salt等發(fā)現(xiàn)一些植物根系分泌的物質(zhì)可使有毒Cr6+轉(zhuǎn)化為無毒的Cr3+。植物固定可以有效地減少污染物的流動性及其生物可利用性，但未從根本上去除污染物，一旦環(huán)境條件改變會再次造成污染。

3.植物萃取

植物萃取就是利用植物依靠根的萃取作用從土壤中獲取養(yǎng)分的同時，將土壤里的污染物轉(zhuǎn)移到其地上部分，然后被適當?shù)鼗厥找詫崿F(xiàn)修復土壤的方法。該技術是當前最有發(fā)展前景，修復效果最好的植物修復技術。自20世紀70年代末，由Brooks等給出了超富集植物的定義至今，超過700余種植物被研究證實為超富集植物。它是指植物體內(nèi)含Mn、Zn不低于10000 μg/g，Cd不低于100μg/g，Pb、Cu、Cr、Co、Ni等不低于1000 μg/g。同時，植物器官中污染物含量要大于土壤中污染物含量，植物出露于地表部分的污染物含量要大于埋入土壤部分污染物含量。印度芥菜是目前最理想的Pb超富集植物，國內(nèi)富集Pb效果較好的植物還有羽葉鬼針草、香根草等。As的超富集植物如蜈蚣草、大葉井口邊草和粉葉蕨。Cd的超富集植物有寶山堇菜、東南景天和忍冬。Ni的超富集植物相對較多，主要有Berkheya coddii、李氏禾等。Zn的超富集植物有東南景天、Potentilla griffithii Hook、Thlaspi caerulescens等。Cu的超富集植物如鴨跖草和海州香薷等。Cr的超富集植物為李氏禾。Hg的超富集植物較少，但苧麻屬于宿根性多年生植物，利用其根系對重金屬不斷地提取，可逐漸減少土壤Hg含量。

03.提高植物修復效率措施

植物修復效率的高低決定了植物修復的應用，而提高植物修復效率是當前的主要研究內(nèi)容。通常采用添加劑、先進的農(nóng)藝技術、聯(lián)合微生物以及基因工程，及多種修復方法復合修復的措施以提高植物修復效率。

1.螯合劑和表面活性劑

一些特殊土質(zhì)在進行土壤整治過程中往往會不盡人意，若輔以某種特定的化學試劑即可加快根系對污染物的提取速率，以達到更好的修復效果。應用較多的化學試劑主要是絡合劑，包括EDTA、NTA、DTPA、HEDTA、EGTA和檸檬酸。將絡合劑添加到待修復土壤中，使重金屬離子形成具有環(huán)狀結(jié)構的金屬螯合物，這種螯合物更穩(wěn)定，水溶性更好，更利于根系的萃取。但施用EDTA等絡合劑時也存在爭議，由于絡合劑會使土壤重金屬可溶性增加，且對重金屬的活化作用具有非特異性，而修復植物對重金屬的提取往往具有專一性，這就會導致一些非目標重金屬元素危害到周圍環(huán)境甚至經(jīng)雨水淋溶進入地下水，造成二次污染?？紤]到上述原因，一些易生物降解，毒性小的生物源絡合劑如EDDS、LMWOAs被認為是EDTA等人工絡合劑的最佳替代品。

2.農(nóng)業(yè)技術措施

進行污染整治的過程中，超富集植物往往會受濕度、氣溫、土壤肥力等環(huán)境因素制約，使得植物生長緩慢、植株密度小。而合理的農(nóng)業(yè)措施可以解決以上問題，提高植物修復效率，具體可從增加土壤肥力、合理灌溉、優(yōu)化栽培措施幾個方面來實施。水是植物生長的必需要素，合理的灌溉可使植物保持良好的生長狀態(tài)，維持較好的修復效果，合理的水分還會改變土壤的結(jié)構及性質(zhì)，使能被植物萃取的重金屬含量最大化；合理的栽培技術可以使土地利用率最大化，提高田間單位面積植物密度，間接提高植物修復效率；磷肥不但能夠促進植物的生長，同時還可與土壤中的Pb形成難溶的磷酸鉛化合物，固定于土壤中，降低Pb的生物毒性；土壤中施用少量N肥，能夠促進小花南芥對土壤中Pb和Zn的富集作用。

3.微生物聯(lián)合修復

在重金屬污染土壤中接種特定微生物強化植物修復效果，植物根系與其周圍微生物之間存在一種互補關系，為微生物創(chuàng)造良好的生存空間并為其繁殖生長提供所需的營養(yǎng)物質(zhì)。微生物可以改善土壤質(zhì)量，使土壤環(huán)境更有利于植物修復，其作用途徑主要分為以下2種：

1)為植株在生長發(fā)育期提供有利條件，提高植株的生物量和對污染物的耐受性。如根瘤菌進行生物固氮供給植物吸收；菌根真菌可向植物根系提供所需的水分、酶類并能夠吸收轉(zhuǎn)運土里的重金屬元素，增加植物對重金屬的耐受性。2)提高植物根系周圍重金屬的活性，使更多重金屬污染物能夠被植物萃取吸收帶出土壤，如微生物能夠分泌有機酸起到對重金屬的活化作用，從而提高植物修復效率。國外已有相關研究表明，通過黃羽扇豆(Lupinus luteus)并及其內(nèi)生菌起到強化植物修復能力的效果。

4.生物技術應用

重金屬修復植物通常生長緩慢，限制了植物修復的效果和效率，導入速生植物的遺傳基因成為一種可行性措施，并且已經(jīng)成功地用于提高植物對重金屬的耐受性和積累。通過導入優(yōu)勢基因使植物的金屬螯合分子如檸檬酸、植物螯合肽、金屬硫蛋白、重金屬轉(zhuǎn)運蛋白的表達增強，促使植物對重金屬的吸收能力增強。細菌基因(merA汞還原酶和merB有機汞裂解酶)的導入還可增加植物對Hg的耐受性。γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(ECS)和谷胱甘肽合成酶(GS)轉(zhuǎn)基因印度芥菜比非轉(zhuǎn)基因型印度芥菜具有更高的富集Cd和Zn的能力，富集吸收Cd和Zn的能力提高1.5～2倍。此外，ECS轉(zhuǎn)基因植物積累Cr、Cu和Pb是非轉(zhuǎn)基因植物的2.4～3倍。

5.CO2施肥技術

CO2作為植物光合作用的底物，CO2濃度的升高會使植物光合作用增強，提高植物的水分利用率，并利于植物根系發(fā)育和根系分泌物的產(chǎn)生，對植物會產(chǎn)生積極效應，提高植物的生物量和產(chǎn)量。在重金屬脅迫環(huán)境中，隨著CO2的濃度提高，向日葵地上部的Cu含量明顯提高，高濃度CO2還會誘導藻類植物合成更多的植物螯合肽以螯合環(huán)境中的重金屬，減輕重金屬對植物的損害。目前常用的CO2肥施方法主要有化學反應法、鋼瓶法、燃燒法、有機質(zhì)生物發(fā)酵法、干冰法等。

6.電動修復輔助

在土壤中施加電場，可以誘導孔隙流體(電滲透)、離子(電遷移)和膠體(電泳)的運動，使土壤中的重金屬被遷移出土體。Acosta-Santoyo等研究了在重金屬和多環(huán)芳烴污染的土壤中電場對黑麥草種萌發(fā)和生長發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)重金屬及有機污染物會阻礙黑麥草的萌發(fā)和生長，而在土壤中施用0.2 DCV/cm的直流電場后，黑麥草的萌發(fā)率提高了75%。且電動修復有助于植物生物量的積累，從而提高植物體內(nèi)重金屬含量。肖文丹等通過在土壤中施加直流電場，顯著提高了土壤中有效態(tài)鎘含量，并且在與添加劑聯(lián)合作用下使東南景天地上部的Cd積累量得到顯著提高。

7.納米零價鐵輔助修復

納米零價鐵(nZVI)是指粒徑在1～100 nm的零價鐵顆粒，具有較強的還原性和較大的比表面積，已被應用于重金屬和有機污染物污染環(huán)境的修復。納米零價鐵通過改變重金屬的價態(tài)或者通過吸附降低重金屬在環(huán)境中的流動性，從而降低污染物毒性。這種技術可修復地下水和土壤中Pb、Cd、As和Cr等多種重金屬污染。Huang等通過盆栽試驗利用nZVI輔助黑麥草修復沉積物中的Pb，發(fā)現(xiàn)低濃度(100～500 mg/kg)的nZVI不僅可以有效地提高黑麥草中Pb的積累量，而且可以增加植物的生物量。

04.植物修復的局限性

由于植物生長活動的自然規(guī)律以及對污染土壤環(huán)境的適應性差異，植物修復技術的應用在實踐中常受到制約。大多數(shù)超富集植物一般都有地域選擇性，且植物修復一般治理周期較長。而且，受污染土壤一般為多種污染物同時超標，而修復植物往往只針對某種污染物有較好效果，因此，在選取超富集植物時既要考慮其修復效果，也要考慮其修復單一性。重金屬富集到植物地上部之后，如果不及時對植物修復的后期進行處理，植物的地上部會因自然凋謝等原因重新回到土壤。受植物根部延伸長度限制，植物修復只能進行土壤淺層修復，修復效果有限。同時，考慮到植物耐受性，對于污染濃度過高的區(qū)域，不宜采用植物修復。

05.展 望

植物修復技術因其綠色環(huán)保、經(jīng)濟實用等優(yōu)點有著極廣闊的發(fā)展前景，但目前該項技術尚未得到廣泛應用，只停留在室內(nèi)盆栽和大田試驗研究階段，走向產(chǎn)業(yè)化應用還需要大量的理論及試驗成果支撐，近期還需要進行重點研究的內(nèi)容有：

1)繼續(xù)尋找篩選抗逆性好，生長發(fā)育周期短，生物量大，能同時富集多種重金屬的修復植物。

2)繼續(xù)深入研究重金屬在土壤植物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化機理，開發(fā)新的能夠改變重金屬的形態(tài)利于植物富集且對環(huán)境污染風險小的化學試劑。

3)將先進的農(nóng)藝措施推廣到植物修復工作中去，為修復植物提供良好的生長環(huán)境，供給必要的營養(yǎng)元素、激素和酶類。

4)繼續(xù)開展微生物-植物聯(lián)合修復技術研究，通過微生物來改良土壤、提高修復植物的競爭力等，彌補植物修復工作中的不足。

5)將生物分子技術繼續(xù)擴大到植物修復工作中，通過基因?qū)氲姆绞脚嘤鲂滦偷男迯椭参锲贩N以適應不同環(huán)境、不同污染類型的場地修復工作。