水体重金属污染分布解析以湖泊生态系统为例

1、扬州工业职业技术学院实习评语成绩评定 指导教师： 年 月 日水体重金属污染分布解析苗子晗1501工业分析摘要：植物修复是一项新兴的绿色环保重金属污染物修复技术。本文在概述我国土壤重金属污染物的种类和污染现状的基础上，以湖泊生态系统为例阐述了植物修复类型与机理、植物修复影响因素、植物修复的限制因素，并提出提高修复效率的手段，最后对重金属污染物植物修复进行了展望。关键词：重金属；土壤污染；植物修复；湖泊生态系统Analysis on Distribution of Heavy Metal Pollution in Water Body - A Case Study of Lake Ecosyste

2、mmiao zi han 1501 industrial ananlysisAbstract：Phytoremediation is a new green remediation technology for heavy metal pollutants. Based on an overview of the types and pollution status of soil heavy metal pollutants in our country, this paper elaborates the types and mechanisms of phytoremediation,

3、the factors affecting phytoremediation, and the limiting factors of plant phytoremediation, and puts forward the means of improving the efficiency of phytoremediation. Finally, the phytoremediation of heavy metal pollutants is prospected.Key words： heavy metals; soil pollution; phytoremediation; lak

4、e ecosystem目 录前言41我国土壤重金属污染物来源及污染现状51. 1 土壤重金属污染物种类及来源51.2我国重金属污染现状52植物修复62.1植物修复产生与发展62.2植物修复类型与机理62.3植物修复的主要影响因素102.4 提高植物修复效率的手段113植物修复限制因素123.1限制因素123.2改进方法13总结12参考文献16致谢20前言土壤是人类和所有生物生存所依靠的物质基础。污染物利用水体、大气间接或直接步入土壤，在其积攒到相应程度、高于土壤自净化水平的时候，土壤生态服务水平下降，之后作用于土壤、动植物等的生存1。在经济全球化的大背景下，工业化和城镇化迅速发展，土壤污染日益

5、严重2。重金属是土壤重要污染物之一，其在土壤内转移，容易被植物或微生物吸纳和使用，之后通过食物链进入人体，造成多种生理功能出现变化，造成多种急慢性疾病，比如慢性中毒、致癌以及致畸等。和其余类型的污染物进行比较，重金属污染表现出隐匿性、毒性大、长久性与无法逆转性等特征3。如何防治土壤重金属污染已成为我国乃至全球的研究焦点。物理、化学及生物的方式都可以复原此类污染土壤，然而植物修复长期以来被公认为是净化水土资源的一种绿色环保的方法4，它是一种能让土壤免受扰动、绿色、生态友好的生态修复技术。近期，对此类植物修复技术的分析，尤其是耐重金属与超富集植物和其根际微生物共存系统的分析、根际分泌物在微生物群落

6、的进化选择时期的功能，根际物理化学特点分析也得到了良好的成果1。鉴于土壤重金属污染严重以及植物修复技术的重大意义，本文将从国内土壤重金属污染情况、植物修复科技和相关限制性条件三部分开展深入分析，希望为此行业的全面分析奠定基础。1我国土壤重金属污染物来源及污染现状1. 1 土壤重金属污染物种类及来源重金属表示密度超过 4. 0 的 多种种元素或密度超过 5. 0 的多种元素，一般被划分成以下几类：(1) 包含生物毒性的金属汞( Hg) 、镉( Cd) 、铅( Pb) 、铬( Cr) 、铜( Cu) 、锌( Zn) 、钴( Co) 、镍( Ni) 、锡( Sn) 、钒( V) 以及类金属砷( As

7、) 、硒( Se) 等；贵重金属如( Au) 、银( Ag) 、铂( Pt) 、钯( Pd) 、钌( u)等; ( 3) 放射性金属铀( U) 、钍( Th) 、镭( a) 、镅( Am) 等5。重金属污染物相关因素众多，国内此类污染物一般源自采矿、冶炼、金属加工等发展排放的三废以及农业领域的农药残留。国内此类污染物来源可参考表1。表 1 我国主要土壤重金属污染物及来源Tab.1 Main heavy metal pollutant and its resources主要污染物来源汞 Hg采矿业，化工业，电子工业，仪表制造业，冶金工业镉 Cd冶金业，电镀业和颜料、涂料工业铬 Cr铁路工业、耐火

8、材料工业，电镀工业，皮革工业和染料、颜料等工业铅 Pb农业砷 As采矿业和冶金业镍 Ni电镀业，采矿、冶金、石油化工、纺织、印刷业等银 Ag电镀业和照相业铜 Cu采矿业及冶金业锌 Zn采矿业，冶金业，造纸业，机械制造业等1.2我国重金属污染现状2014年4月17日，环保部与国土资源部共同制定的 全国土壤污染状况调查公报表明，国内耕地土壤环境质量不容乐观6。分析结论表示，国内土壤环境情况恶劣，少数区域土壤污染明显，耕地土壤质量较低，工矿业废弃地土壤问题更加明显。国内遭受重金属污染耕地面积不断增加，1980年污染耕地面积266.7万公顷，1988年提高到666.7万公顷，1992年则是1000万公

9、顷7。重金属逐渐变成土壤内长久无法根除的“毒瘤”，根据相关分析可知，国内每年由于土壤金属污染而亏损的粮食产量是1000万吨，直接经济亏损是2000多亿元人民币。我国环境监测总站的数据表明，当前污染最明显的是镉污染、汞污染、血铅以及砷污染。近期出现的此类污染问题较多，2006年湖南湘江株洲镉污染；2007年太湖、巢湖、滇池爆发蓝藻危机；2009年、2010年多地曝出的血铅超标事件；2012年初广西龙江镉污染；2014广西大新县重金属污染等。根据分析，国内24个省(市) 城郊、污水灌溉区、工矿等社会经济持续发展的320 个重要污染区中，污染严重的农作物种植面积是60.6 万公顷。重金属通过土壤影响

10、食品安全性，进而影响人类的生命安全，怎样修复此类污染土壤就变成加快国内农业长久稳定发展的重中之重。2植物修复2.1植物修复产生与发展“植物修复”(Phytoremediation)表示把某种对污染元素具备独特吸附功能的植物种植在相关污染土壤中,且将植物收获进而开展全面处理(比如灰化回收)之后就可以把此重金属转移出土体，最终完成污染管理和生态复原目标。1583年意大利植物专家Cesalpino第一次了解到在该国托斯卡纳“黑色的岩石”上生长的独特植物，这就是关于超富集植物(Hyperaccumulator)8的最初信息。1977年，Brooks指出超富集植物的定义( hyperaccumulato

11、r)9。1983年，Chaney第一次指出使用此植物去除土壤内重金属污染物的观点。后续的分析表示上述植物是部分地区性物种10，其地区划分和土壤内部分重金属含量表现出显著的相关性11,12。2.2植物修复类型与机理2.2.1植物修复污染土壤的途径和调控机制 基于其作用情况和机理，重金属污染土壤的植物修复技术通常被划分成三部分，接下来对其进行深入研究(表2）。（1）植物提取表示利用部分对重金属具备强大富集功能的独特植物从土壤内吸纳重金属，把其转移、储存到地上部且利用收获植物地上部而减少污染物的重要方式13。此方式一般可以从受污染土壤内去除比如Pb、Cd、Ni、Cu、Cr、V或过多的营养物质比如NH

12、4、NO3等14。利用接连种植的方式就可以把土壤内的重金属降低到安全范围内。例如，芥菜可以从土壤内吸纳Pb、Cu与Ni等重金属物质且把其转移到地上，吸纳重金属物质的量一般可以超过本身干重的1-9%15。植物提取土壤污染物的具体环节与机制主要为下面几个部分：土壤内重金属污染物释放，多种形态的土壤重金属污染物彼此影响与转换之后维持均衡状态，转换成可以被植物根系吸纳的污染物；根系对此类污染离子的吸纳；造成此类污染的离子从根开始转移到地上部；植物地上部积攒和储存此类污染离子。此方式不只可以全面减少土壤内相关污染物的含量，此外还可以重复使用金属物质，所以被当做目前最高效且安全的植物修复方式。（2） 植物

13、挥发是借助植物根系分泌的部分独特物质或微生物促使土壤内的部分重金属转变成挥发形态，或者植物把部分重金属吸纳到体内，之后把其转变成气态物质释放在空气中。分析指出，花椰菜可以吸纳土壤内的Se且将其以甲基硒酸盐的方式挥发到空中16，因此可以降低土壤内Se含量。但是上述方式只可以转变污染物存在介质，进入到大气中也会导致二次污染问题，依旧会影响人类身体健康，因此对环境安全带来相应的风险。（3） 植物稳定主要利用耐重金属植物和其根际微生物的分泌功能螯合、趁机土壤内的重金属，进而弱化生物有效性与移动性，进一步稳固、分割、阻碍重金属步入食物链，弱化对环境以及人类身体的负面影响。分析指出，Agrostis te

14、nuis与Festuca rubra可以稳定土壤内的Pb与Zn，然而在稳定的时候，土壤内重金属比值并未降低，仅仅转变了存在形态。在环境条件改变的时候，土壤内重金属也许会再次得到生物有效性。所以，此方式无法全面处理土壤内污染问题。表 2 重金属污染土壤的植物修复技术比较Tab.2 Comparison of different phytoremediation approaches植物修复技术类型优 点缺 点植物稳定降低金属流动性，从而降低生物可利用性不能彻底去除土壤中重金属离子植物挥发无须对植物进行产后处理重金属转移到空气中，造成二次污染植物提取能够积累高浓度的重金属元素，实现金属的回收利用地

15、上部分处理问题2.2.2超累积植物对污染物的富集及解毒机理（1）活化。土壤内重金属污染物一般以难溶态形式存在，因此要把其转变成可吸收态才可以被顺利吸纳。超累积植物一般利用三个方式对土壤内此类污染物实施活化：利用根系分泌的酸性物质加强植物根系对此类污染元素的活化与吸纳；植物根系分泌污染物融合蛋白等和污染物螯合；植物利用自身污染物还原酶开始复原高价重金属污染离子，提高此类污染物在土壤内的溶解性，方便植物根系的吸纳17。（2）解毒。此类污染物对植物的毒害功能一般体现在下面几个部分：污染物离子可以和酶活性或蛋白质内的巯基融合，促使细胞代谢不正常。此类污染物会影响细胞内物质的运送，且利用氧化还原效应导致

16、细胞出现氧化受损。超累积植物的解毒功能就是利用细胞壁沉积此类污染物，进而减少污染物对植物体的毒性。此部分污染物一般和植体内多种蛋白融合而出现毒性，其中超累积植物根系可以分泌和一般植物相比更多的有机酸类物质，且和相关污染物离子产生螯合物，减少污染物的毒性。此外相关分析结果表示，超累积植物利用液泡的房室化功能发挥对重金属的解毒效应18。表3某些植物种对重金属的超富集状况及其来源20Tab.1 Some plant hyperaccumulators of heavy metals and references重金属元素Heavy metals植物种Plants叶片中重金属Cont.in leave

17、s(mg/kg)发现地点Location found文献来源ReferencesZn遏蓝菜属(Thlaspi calaminare)39600德国Reeves &Brooks(1983)Cd遏蓝菜属(Thlaspi caerulescens)1800宾西法尼亚Li,et al.(1977)CuAeollanthus biformifolius13700扎伊尔)Brooks,et al.(1978）Ni叶下珠属(Phyllanthus serpentinus)38100新喀里多尼亚Kersten,et al.(1979)CoHaumaniastrum robertii10200扎伊尔Br

18、ooks(1977)Se黄芪属(Astragalus racemosus)14900怀俄明Beath,et al.(1937)Mn串珠藤属(Alyxia rubricaulis)11500新喀里多尼亚Brooks,et al.(1981) 金属在植物内的超积累属于相对繁杂的现象，由于此类植物的金属吸纳、转移与耐受分别受对应的基因控制，无法寻找到只耐受或只积累污染物的植物19。此类植物是能超量吸纳重金属且把其转移到地上部（表3）。一般此部分植物的划分需要从下面两个部分着手：植物地上部富集的重金属需要超过相应标准的量；植物地上部的重金属含量需要超过根部。因为不同重金属在地壳内的丰度和在土壤以及植物

19、内的背景值出现明显不同，所以对多种重金属，此类植物富集浓度界限也出现差异。即便当前全球已知众多类型的超富集植物，然而上述植物一般出现在生物量不高、生长较慢、地域性凸显与复原时间久等问题1。大部分专家在寻求超富集植物的时候也逐渐重视到对重金属具备耐性、适应性强、涉及范围广泛与生物量高的部分能源作物与花卉等一般植物。上述植物和超富集植物进行比较，自身重金属富集量不高，然而因为植物生物量和生长效率都超过后者，即便自身重金属含量无法满足临界含量要求，然而在相同时期内所积攒的污染物绝对量甚至比超富集植物多，对重金属污染土壤的复原功能较好。表4是现在国内外专家分析得到的部分对一个或多个重金属元素，比如铅（

20、Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）、锰（Mn）等，具备耐性、富集以及超富集效应的植物、能源作物等。表4国内外常见重金属耐性、富集和超富集植物21Tab.4 Common heavy metal tolerance and accumulation and hyperaccumulation plants at home and abroad植物名称目标金属元素植物名称目标金属元素PbZnCdCuMnPbZnCdCuAs串叶松香草桦树白三叶海州香薷中华景天油菜银杏银合欢紫茉莉东南景天全叶马兰蜈蚣草淡黄鼠李大叶井口边草吊兰紫花苜蓿德国鸢尾印度芥菜牛耳枫龙葵大叶樟伴矿景天蚊母苍耳构树凤尾蕨胜红蓟杂交狼尾

21、草2.3植物修复的主要影响因素植物对土壤内重金属物质的积攒成效和物理化学条件有关，主要包含重金属浓度、形态、土壤pH，土壤营养情况等多个部分。另外迁移速率和土壤内磷、铅等相关元素也会影响最终修复成效22。（1）土壤因素。重金属融入土壤之后迅速融合，土壤释放重金属的水平和重金属从土壤内转移到植物根部的过程影响了金属的植物可使用性。黏土矿物具备吸纳重金属离子的独特表面，进而阻碍植物对此类物质的吸纳。植物对此类物质的吸纳也会受到土壤 pH值的影响。比如Cu在土壤pH是57时活性最低，pH7.5时，溶出量增加。此外，土壤内有机质作用于植物对重金属的吸纳和使用。 （2）植物因素。不同植物对重金属的积累效

22、果与数量也不同。分析指出，庭荠属与李禾氏对Ni的吸纳成效显著，高山萤属类对土壤内Cu、Co等吸收效果显著。Banuelos等23,24分析指出，在Se与Hg污染的土壤中种植芥菜与烟草，通过挥发方式去除土壤内的Se与Hg；Meagher等25分析指出在Se污染的土壤中养殖洋麻可让Se3+转变成挥发性的甲基硒，进而减少此物质。因此基于多种污染物我们需要挑选对应的植物修复，如此才可以高效的提升修复能力。另外，即便是相同植物，重金属积累量会伴随器官的不同而发生改变。As富集植物蜈蚣草各个器官内的重金属含量是羽片叶柄根系；此外，天蓝遏蓝菜枝条内此类物质的含量明显超过根系，表示其对Zn与Ca独有的富集效果

23、。2.4 提高植物修复效率的手段提升植物修复效率的常见方式为下面几个部分，接下来我们详细进行分析。（1）农艺措施。施肥可明显加强重金属污染土壤的植物修复，加快植物成长，提升植物生物量，进而提升累积污染物的总数26。然而值得关注的是，肥料使用量要保持合适的度，过度使用化肥也许会弱化植物修复成效。比如聂俊华等27指出，少部分氮肥可以提升植物对Pb的吸纳成效，然而此吸纳能力会伴随氮肥水平提高而降低。此外，科学的植物栽种与田间监管，比如翻耕、组合种植、刈割和轮作、间作、套作等也会提升此类修复效率。Wu等28把超富集植物和一般植物搭配种植，得到较好的效果，此外减少修复费用。（2）化学方式。利用向土壤内增

24、加化学物质，进而转变土壤内污染物的形态，进一步加强去除重金属的现实成效。通过人工添加螯合剂，促使土壤固相吸附相关重金属离子被活化释放且溶解进入土壤溶液，进而提升超富集植物对污染物质的吸收富集效率29。Wu等30分析指出，在种植印度芥菜的Cu、Pb污染土壤内增加乙二胺四乙酸（EDTA）可明显提升此植物地上部分的Cu、Pb含量。Debra等31研究指出在使用印度荠菜修复Cd污染时，增加EDTA促使其内部Cd富集浓从131mg/kg提升到1283mg/kg。Zhou等32分析表示EGTA可明显加快超富集植物对Cd的吸纳。Quartacci等33得知增加NTA之后此植物地上部分Cd、Zn的浓度提升2倍

25、，Cu浓度提升3倍。 （3）微生物方式。根际微生物可利用金属的氧化复原土壤金属的生物有效性，或者利用分泌生物表面活性剂，有机酸、氨基酸与酶等来提升根际环境内污染物质的生物有效性34。赵根成等35得知，外源增加放线菌PAQ、shf2与细菌Ts37、C13可以加快蜈蚣草的生长，提升其积累As的水平。 王发园等36利用测试得知，把丛枝菌根真菌与植物共同培育，不只可以减少重金属对植物的损害，此外还能高效提升植物对此类物质的吸纳与转化效率。Tiwari等37从香蒲根际内分离出部分菌株可以高效钝化固定土壤内的Cu与Cd；马淑敏等38使用甜高粱和蚯蚓合作复原Cd污染土壤，结论指出蚯蚓可以明显提升高粱生物量和

26、对Cd的吸收量。（4）基因工程方式。基因工程科技把金属螯合剂、金属硫蛋白(MTs)、植物螯合肽(PCs) 以及重金属转运蛋白基因等全部转移到超积累植物，可以高效加快植物对金属的提取39，进而提升植物修复效率。Gisbert等40把小麦PCs合成的TaPCSI基因转移到烟草内，烟草对Pb的积累量和野生型相比增加1倍。此外，Mer A转基因烟草减少Hg的功能是一般烟草的三倍。即便使用基因工程方式提升修复效率出现部分不足41，然而其依旧是提升修复效率的重要方式。3植物修复限制因素3.1限制因素 虽然植物修复绿色环保，目前也取得了一系列修复效果，但植物修复也面临许多难题。（1） 效率低。一般植物对重金

27、属富集量较低，要达到预期修复效果一般需要较长时间。比如假定需要去除土壤内Cd 总数是4 kg·hm-2。假如植物地上部年产量是4t·hm-2(类似于一般作物比如玉米、水稻的1/542)，需要连续种植20年才能将土壤Cd浓度降低1mg·kg-1。而目前所发现的超富集植物较小，且大多数为Ni的富集植物，但所需修复的耕地大多数却是重金属的复合污染，多元胁迫下，修复时间会不断增加。接连收获植物会造成重金属有效性持续降低，植物对此类物质的吸收水平会不断降低。另外修复能力一般是实验环境中得到。但是现实情况中，超积累植物大部分是野生型稀有植物，对生物气候环境的有较为严苛的标准，

28、区域性分布明显，较为严苛的标准导致引种受到阻碍。即便顺利引种，常年种植会造成土壤养分持续降低，病原微生物增加，甚至会导致连作障碍等情况。（2）二次污染风险。在植物收获时期，富集重金属的枯枝落叶容易随风或随周围河流进入到邻近区域。假如落叶内重金属含量过高，会造成四周环境的二次污染，且延伸成面源污染。此外，落叶的时候就是重金属在多个土层的二次分配时期。土壤内部重金属利用植物吸纳转移到地上部，因此造成表层土壤汇聚大量重金属。富集重金属的植物假如被畜禽所食用，污染会转移到食物链内，导致恶劣的农产品安全风险。另外，植物修复会造成众多污染严重的残体，长久以来，专家对上述残体整体处理问题进行深入分析，比如使

29、用堆制、压缩、热解、焚烧、灰化、液萃取等方式提取上述残体内的污染物质，然而上述可以依旧是样品前处置时期。因为当前处理费用太高，怎样稳妥管理与使用上述提取的重金属到现在依旧是重要的问题。3.2改进方法 （1）超富集植物选择。国内土地资源充足，气候地理环境复杂、植物资源充足，为进行植物修复技术分析准备了良好的基础。当前，国内培育的超富集植物类型不多，选择、培养、驯化此类植物依据是此后特定阶段内植物修复分析的关键工作，尤其是关注此类植物的选育活动。 （2）加深基础理论分析。植物对重金属元素的超富集、转化、转移、代谢机理，根际功能和微生物群落的生态学与生理学特点，根际土壤环境要素对此类物质的生物有效性

30、制约机理，植物微生物重金属的彼此影响，此类元素在土壤内的吸纳、解析、迁移机理等众多相关理论知识需要我们进行后续的分析。 （3）基因工程技术的使用。当前逐渐了解到的超富集植物大部分出现根系不深、生物量少、生长较慢等不足，导致此类修复技术使用受到阻碍。分析人员使用基因工程技术，把现实世界中超富集植物的耐重金属、超累积基因导入到生物量多、生长效率高、抗逆性强、复原效率高的植物中，进而得到较好的超富集植物。使用基因工程促使植物把重金属元素富集在无法食用、容易收割的植物中，进而防止此类植物被动物食用，而导致污染元素步入食物链，方便此类植物的后续处置。近期，在Se、Hg、Cd、Zn等相关元素转基因植物分析

31、部分逐渐得到良好成效。基因科技的使用帮助植物修复全面普及寻找全新的方式。 （4）施肥技术提升。重金属污染土壤通常存在于矿区等养分较少的地区，修复时要基于具体土壤的养分情况和超富集植物的需肥属性施肥；土壤内较多的重金属元素会阻碍植物对营养元素的吸纳，甚至会发生缺素问题乃至死亡；另外，此类植物会从土壤中吸纳一定的营养元素，所以，需要利用施肥来保证此类植物修复时期的营养供给。（5）环境友好型添加剂研究。挑选符合的土壤添加剂是加快此类修复技术研发与普及的关键方式。大部分分析表示向土壤增加添加剂可提升植物对重金属的积累效率与能力，其环境安全性开始得到关注，所以全面开发此类添加剂就是此后的关键分析趋势。（

32、6）减少费用改变土地利用模式。事实上，目前植物修复技术的主要限制原因是成本问题：不能让土地撂荒，风险防控和植物残体的处置都无法得到经济效益，上述纯投入模式不能自发开展。改变污染土地的使用模式，在修复的时候，促使污染农田可以得到后续使用，可能就是最佳的植物修复方式。总结即便出现众多问题，然而绿色、生态优点促使植物修复技术变成未来处理土壤污染问题的关键方式，目前，寻找此技术的改善与优化方式逐渐变成全新的分析课题，此外为此技术寻找到全新的发展方向。为了可以将此修复方式全面使用到现实中，且全面确保较高的效率。在此后需要强化下面多个部分的分析：（1）不断寻求与研发生物量大、可以超量累积放射性重金属和累积

33、众多放射性重金属的植物；（2） 基因工程方式和科学完善的水肥管理、轮作体系、刈割等农艺举措相融合（3）施用螯合剂即便可以加快植物对污染元素的吸纳，然而其活化功能假如超过植物根系吸收范围，会导致污染问题。当前植物重金属收集技术依旧没有完成，研究多种稳定技术，避免重金属向食物链变成重要的方式。（4）全面分析重金属的源和宿问题，科学了解多种环境中此类污染阈值，进而改变污染土地的使用方式，尽早产生完善的、具备利润链条的修复体系。参考文献1 屈冉, 孟伟, 李俊生, 等. 土壤重金属污染的植物修复J. 生态学杂志, 2008, 27(4) : 626-631.2 Marques A P G C, Ran

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