土壤-植物系统重金属污染的研究进展

土壤-植物系统重金属污染的研究进展

在现代社会，绿色文明丰富了整个世界，成为21世纪的主流文化和绿色企业。在农业和食品领域,绿色食品和生态农业成为当前研究的热点。绿色食品和生态农业就是要求食品和农业产品的原料产地、加工工艺及生产成品绿色化、无害化,不危及人类健康和生态系统的良性循环。加强土壤污染的化学及生态学研究对推动绿色食品和生态农业的发展具有重要意义。重金属元素对土壤的污染及其对农业生态的危害是当前研究土壤化学和农业环境污染的热点之一。1化学作用及其应用重金属元素进入土壤后与土壤中的有机物、微生物及矿物质发生复杂的生物物理化学作用,表现出各自特殊的环境化学特性。本文所涉及的重金属元素是指Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、Cr、Se、Mn等,它们在土壤中的形态分布、迁移转化、富集累积因自身的化学性质及土壤性质和作物的差异而具特性。1.1农田生态系统重金属形态的分布。据外部分重金属在土壤中的形态是其所处能理状态的反应,与土壤中的其他物质结合而以一定的形态存在,它的迁移与传输就是在一定的形态下进行的。当重金属进入土壤后与土壤中的矿物质(主要是黏土矿物和硅酸盐矿物)、有机物(主要是植物生理代谢的产物,如腐植酸等)及微生物发生吸附、络合和矿化作用,伴随着能量的变化,导致重金属元素的赋存形式的改变以及时空迁移变化。莫争等人研究了Cu、Pb、Zn、Cd、Cr等重金属元素在土壤中的形态分布和转化规律,指出重金属元素Cu、Pb、Zn、Cd、Cr在土壤中主要以可溶态、可交换态、碳酸盐态、铁锰氧化态、有机态及残渣态的形态存在。土壤本底中不同重金属的形态分布的百分比不同。其中绝大部分是残渣态的形式存在,有机态、铁锰氧化态和碳酸盐态优于可交换态和可溶态;但当外源重金属进入土壤以后其形态会不断地发生形态转化,可溶态重金属进入土壤后转化为可交换态其浓度迅速下降;交换态和碳酸盐态重金属先微弱上升,然后迅速下降;铁锰氧化态重金属先上升,在烤田期达到最大值,然后迅速下降,成熟期又微弱上升;有机态重金属不断上升;残渣态重金属或变化不大,或先上升后逐步稳定,水稻田里的重金属主要是在铁锰氧化态、有机态及残渣态间进行积累。这种重金属形态的转化主要受植物的生理生长情况、土壤类别及作物种类影响,并伴随着迁移性和生物有效性的变化。该项研究还指出可溶态和可交换态生物有效性最强的重金属形态在土壤中存在着一个向碳酸盐态、铁锰氧化态等形态转化的过程;同时,土壤中作物根系的分泌物不断溶解碳酸盐态、铁锰氧化态重金属,使金属的迁移性和有效性增强。王新等人研究指出土壤中的Hg主要以金属Hg、无机化合态汞和有机化合态汞的形式存在;有机化合态的汞主要是有机汞(甲基汞和乙基汞等)和有机络合态的汞,且有机汞中的甲基汞易被植物吸收;土壤中的无机汞则很难被吸收;进入土壤中的Hg除一部分能被土壤迅速吸附或固定,还有一部分Hg可通过土壤侵蚀、淋溶、植物吸收及元素Hg的形式发生水、气、生物迁移。重金属元素进入农田生态系统后,Pb、Cd、Hg大部分积累于耕作层土壤,易被作物吸收,很难向下包气带迁移;而Cr等则部分积累于耕作层,其余部分向下包气带、含水层迁移,有可能污染地下水;同时作物籽实重金属元素含量与灌溉水质、土壤性质、作物根系性质等有着定量的数学关系,其在土壤植物中的迁移吸收具有一定的模式,如图1所示。1.2超量累积植物重金属元素进入土壤以后只有具有迁移性的可溶态和可交换态具有生物有效性,才能与作物发生吸附作用,并在植物体内运输和重新分布,与植物体内的特定物质反应从而引起相应的生理生态效应,表现出一定的器官选择性、生长适应性和种属特异性。苏国兴等人研究高岭矿、铜锌矿废弃尾矿堆放区的植物分布时发现:高岭土矿土仅生长狼把草,偶见一些金狗草,铜锌废弃尾矿上仅生柔枝莠竹和稗草两种植物,两矿含有Cu、Zn、Cr、Mn等重金属元素;尾矿堆积区植物种类少,长势弱,说明这些重金属元素能抑制植物生长而形成了超量累积植物的选择生长;这些元素进入植物体内主要分布在植物的地下部分,狼把草主要累积Zn、Mn,柔枝莠竹则可富积Zn、Cu、Mn等。易俗等人研究铀冶炼厂附近水稻、白菜、茶叶及柑橘食用部分中重金属含量时发现,Mn、Cd、Cr、Pb在四种作物中的含量及生物学转移参数Bv具有种属性差异。王威等人研究铬污染对植物生长影响时发现铬抑制乔木生长,而对车前、地肤等野生植物能形成超量累积选择性生长,铬在这些植物根部的含量与其在土壤中的浓度显著相关。重金属元素在作物中的分布累积具有剂量-效应关系和组织器官差异性;低剂量时累计系数高,相反高剂量时累计系数低,但累积的绝对量随剂量的增大而增大;大多数作物不同器官含量水平差异大,通常是根>茎叶>籽实;多种重金属元素共存于土壤-植物系统时还会表现出一定的协同拮抗效应,与土壤中植物根系分泌物、微生物及其分泌物等造成的土壤溶液中重金属元素的生物有效迁移态有关。刘秀梅等人研究农作物中的分布规律时发现农作物中Pb含量具有种属差异性,并且有的农作物茎叶Pb含量高于根,而有些农作物的根铅含量高于茎叶;此外还发现低浓度的铅能促进植物的正常生长,作物茎叶内硝酸还原酶活性、可溶性糖的含量、叶绿素含量均有不同程度的增加,但随着Pb离子浓度的增加,其促进作用变为抑制作用,高浓度的铅严重阻碍作物的生理活动。刘军等人从细胞级和器官级研究了药用植物中铅的形态和分布,结果发现铅的形态和分布规律与其在植物体内的迁移过程有关,与体内的细胞壁、维管的壁、蛋白质、多肽、有机酸及无机离子的化学反应有关。戈峰等人发现蚯蚓能富集硒和铜元素,可以将蚯蚓用作土壤重金属的监测指示物。2土壤重金属污染治理方法土壤被污染后,为了避免其对植物生长和通过食物链对人类造成危害,需将其从土壤中清除掉。重金属污染的土地的修复技术主要有两条途径,其一是改变重金属元素在土壤中的存在形态,使其由活化态转变为稳定态,其二就是从土壤中去除重金属元素,使土壤中的重金属元素的浓度接近或达到背景含量水平。目前采用的治理方法主要有(1)物理化学法,即热处理技术、淋滤法、洗土法及施用调控剂法;(2)生物修复技术,即植物修复及微生物修复。当前研究得最活跃的修复技术主要是植物修复及微生物修复。植物修复主要是利用植物来消除由无机废弃物造成的污染,植物修复主要包括植物提取、植物转化、植物挥发、植物固定及植物促进。其中运用最广泛的是植物吸收,主要通过寻找超高量累积重金属的植物进行播种,将土壤中的重金属元素吸收转移至植物中清除污染。应用现代基因重组技术培育超高量累积植物来实现土壤重金属的清除。微生物修复则是利用微生物对某些重金属的吸收、沉积、氧化和还原等作用,减少植物摄取,从而降低重金属的毒性。蚯蚓通过富集Se作用可生产高硒产品,作为人类食品;通过蚯蚓富铜作用可去除矿山中的有毒物质,改良土壤。3多种修复技术方案的综合运用,引起多种微生物解决土壤重金属元素的污染应加强重金属元素土壤生态化学行为和修复技术的研究,特别是应用前景