植物修复重金属土壤综述

植物修复重金属土壤综述苏州科技大学《重金属土壤植物修复技术研究综述》姓名 李顺成学业名称 环科1311指导老师 牟子平史广宇提交日期 2016年5月19日

高；（4）种植植物可提高土壤的有机质含量和土壤肥力。但是植物修复技术也有缺点，如植物对重金属污染物的耐性有限，植物修复只适用于中等污染程度的土壤修复；土壤重金属污染往往是几种金属的复合污染，一种植物一般只能修复某一种重金属污染的土壤，而且有可能活化土壤中的其他重金属；超富集植物个体矮小，生长缓慢，修复土壤周期较长，难以满足快速修复污染土壤的要求。目前，基因工程技术可以克服上述植物修复技术上的某些弱点，但采用基因工程技术培育转基因植物用于重金属污染土壤的修复尚处于比较有争议的阶段，转基因植物容易诱发物种入侵、杂交繁殖等生态安全问题[11]。2.4化学诱导植物修复技术强化修复化学诱导植物修复技术是指通过向土壤中施加化学物质，来改变土壤重金属的形态，提高重金属的植物可利用性来提高重金属的去除效果[11]。在化学诱导植物修复技术中，使用最多的化学物质是螯合剂，其余依次为酸碱类物质、植物营养物质、共存离子物质以及近年来新出现的植物激素、腐质酸、表面活性剂等。这里着重探讨螯合剂，表面活性剂对植物修复的强化作用。向土壤中添加螯合剂诱导植物修复的基本原理是扰动污染物在土壤液相浓度和固相浓度之间的平衡。当螯合剂投加到土壤后，其和土壤重金属发生螯合作用，能够形成水溶性的金属—螯合剂络合物，改变重金属在土壤中的赋存形态，提高重金属的生物有效性，进而可以强化植物对目标重金属的吸收[12-13]。常见的螯合剂种类有两类：一类是人工合成的螯合剂，主要有EDTA、HEDTA、CDTA、EGTA等；第二类是天然的螯合剂，主要包括柠檬酸、苹果酸等一些低分子量有机酸和无机化合物如硫氰化铵等。Piechalak等[14]报道在200mg/kgPb的土壤中，添加292mg的EDTA，同对照相比，豌豆对Pb的富集量增加了67%。HongChen等[15]研究的结果表明，添加EDTA、HEDTA后向日葵茎叶中Cd、Ni的含量由不添加时的34mg/kg、15mg/kg分别增至115mg/kg、117mg/kg；1.0mg/kg的HEDTA和EDTA对土壤Ni的活化效果要比0.5mg/kg的EDTA和HEDTA好。由此可见，螯合剂种类用量是影响螯合强化修复效率的重要因素。不同螯合剂对重金属有一定的选择性，根据土壤重金属污染状况，选择合适的“重金属—螯合剂”组合将会显著提高螯合强化修复的效率。表面活性剂是一种亲水亲脂性化合物，增加细胞的膜透性，它的两亲性使之能与膜中成分的亲水和亲脂基团相互作用，从而改变膜的结构和透性，促使植物对重金属的吸收。利用表面活性剂强化植物修复土壤重金属污染是建立在表面活性剂、重金属、土壤、植物四者之间的关系的基础上的。在含Cd、Cu、Zn分别为25mg/kg、30mg/kg、700mg/kg的土壤上种植莴苣与黑麦草，用表面活性剂处理后，3种重金属在地上部分的含量比对照增加了4～24倍，但生物量有所下降[16]。王莉玮和陈玉成等[17-18]研究发现，联合使用表面活性剂和螯合剂，通过二者对土壤重金属的活化作用，以及表面活性剂增强植物根系对重金属螯合物透性的作用，可以显著促进植物对重金属的吸收和向地上部转运。尽管添加螯合剂和表面活性剂具有强化植物修复的效果，但其应用还存在潜在的环境风险和不利因素。当二者施用浓度过高会对土壤微生物和植物产生毒性，抑制植物的生长，并引起重金属淋溶下渗到地下水导致地下水的污染。因此可考虑采用易降解、无毒性的表面活性剂，如生物表面活性剂。2.5基因工程技术强化修复随着生命科学理论和分子生物学技术的迅猛发展，基因工程技术被认为是改良植物对重金属耐性和富集能力的一条有效途径，并成为强化植物修复领域最具有潜力的发展方向之一。基因工程技术将金属螯合剂、金属硫蛋白（MTs）、植物螯合肽（PCs）和重金属转运蛋白基因等转入超积累植物，能有效增加植物对金属的提取，从而提高植物修复的效率。2.6农艺措施强化修复技术2.6.1土壤施肥强化修复施肥是传统农艺措施的重要组成部分，将其用于强化重金属污染土壤的植物修复，可促进植物生长，提高植物生物量，进而提高植物累积重金属总量[20]。肥料主要通过和重金属的相互作用，影响土壤对重金属的吸附解析，改变土壤重金属的形态，进而改变重金属在土壤中的活性，影响植物对其吸收、积累[21]。在施肥强化植物修复研究中常用的肥料有氮、磷、钾肥和复合有机肥以及CO2气肥等。席磊[22]研究发现CO2施肥促进了向日葵和印度芥菜的生长和发育，当CO2在1200μL/L时，向日葵与印度荠菜相比对照350μL/L地上部生物量分别增长了9.19%和53.62%。Tang等[23]通过土培实验研究也认识到：CO2浓度升高不仅有利于提高印度芥菜和向日葵抗铜胁迫能力，显著促进了其地上部生物量的提高，而且还可诱导这2种植物超积累铜，在800μL/LCO2浓度下向日葵叶部含铜量达2539mg/kg，印度芥菜含铜量高达4586mg/kg，并改变了植物的生物富集系数和植物中铜的叶/根比。宫恩田[24]实验也发现，CO2浓度升高能促进玉米的生长发育，使玉米的生长发育期提前，较早产生开花现象；抵抗Cu胁迫环境的能力增强；病虫害减少。2.6.2植物栽培与田间管理措施强化植物修复的栽培与田间管理措施主要有翻耕、搭配种植、刈割及轮作、间作、套作等[24]。在污染土壤经翻耕后，可以将深层重金属翻到土壤表层根系分布较密集区域，或适当地进行中根松土，这样既可促进根系生长发育又能改变污染物质的空间位移，促进植物与重金属的接触，从而提高植物修复效果。采取必要的搭配种植，间作或套种2种或2种以上超富集植物可缩短修复时间，提高修复效率。Wu等[25]利用锌、镉超富集植物东南景天与普通植物（玉米）进行套种，在进行重金属污染土壤修复的同时还有一定经济产出，降低了土壤修复的经济成本。国内学者温丽等[26]用黑麦草对重金属污染土壤进行90d的盆栽实验表明，刈割可以促进黑麦草对Pb的吸收，使Pb的总吸收量增加了34.12%。国外学者也发现，通过双季栽培或在花序阶段之后收割可增加龙葵生物产量，龙葵修复镉污染土壤的植物修复效率提高了9.1。3植物—微生物联合修复技术当前国内外重金属污染土壤的治理有两种不同的途径：一是固定或钝化重金属，将有效态转化为无效态，使土壤重金属的有效浓度降低到无害的水平，从而降低土壤重金属元素的生物毒性，控制重金属进入食物链和污染周边环境；二是活化重金属，通过促进生物吸收提高土壤重金属的去除效率，使土壤重金属的总量降低到无害的水平。植物-微生物联合修复体系同时具备上述两种功能，其中植物根系、根际微生物及其代谢产物在控制重金属元素形态转化中发挥重要的作用，而根际微生物的吸收、富集和向地上部分的转移决定土壤重金属的去除效率，其强化功能主要表现在以下三个方面：（1）以菌根、内生菌等方式与植物根系形成联合体，提高植物抗重金属毒性的能力，通过增强植物抗性来提高植物存活率和生长速率；（2）通过转化重金属形态优化植物根际环境，通过改善植物生存条件来促进植物生长，提高植物的生物量；（3）在协同与共生作用下，促进根系发展，增大植物根部吸收量和增强植物向其地上部分转运重金属的能力。3.1改变重金属形态与价态，增加植物对重金属吸收植物修复效率在很大程度上依赖于重金属的生物有效性，因此根际细菌、内生菌以及菌根真菌作用改变重金属形态与价态，活化土壤重金属的功能可增强植物对重金属的吸收。根际微生物的代谢可把一些大分子化合物转化为小分子化合物，这些转化产物如有机酸、铁载体和生物表面活性剂等对植物根际的重金属有显著的活化作用，微生物分泌的螯合物还可与植物体内重金属结合，改变重金属在植物体内的存在形态，促进重金属向地上部分转运。4重金属污染土壤修复实践Madejón等在西班牙Guadiamar河附近的一块污染土壤进行了6年施用生物固体堆肥、风化褐煤和糖酸盐等改良剂的大田试验，发现一些改良剂处理可显著地降低土壤中重金属的有效态含量，从而降低土壤重金属的污染风险。在矿区土壤中，采用原位化学固定技术和植物修复技术相结合的方式，可以促进这些地区植被的恢复，这些措施均可以降低土壤重金属的淋溶损失和径流损失。在加拿大的Sudbury市，受到矿产开发和冶炼的影响，约30km2土壤遭受重金属的严重污染，植被寸草不生，通过添加生石灰和有机肥，成功地使该地区植被得到较好的恢复。植物修复比常规技术治理成本低，据国外报道，对一块污染土地进行5年的治理，采用植物修复技术的费用为25万美元，而常规的治理技术需要66万美元[29]。近20多年来，发达国家纷纷围绕矿区污染土地的植物修复技术进行大量的研发工作，并且在工程应用方面也取得显著成效，使某些植物修复技术开始进入产业化推广应用阶段。2000年在北美和欧洲植物修复技术就占到4亿美元的市场，2005年仅美国植物修复技术的市场将达到25亿美元[30]。预期在不久的将来，该技术有望形成一个具有巨大增长潜力的新型环保产业。据不完全统计，我国受到Cd、As、Pb、Hg、Zn等重金属污染的耕地近2000万hm2，约占总耕地面积的1/5，其中镉污染耕地1.33万hm2，涉及11个省25个地区；被汞污染3.2万hm2，涉及15个省21个地区。国内已经在重金属污染土壤修复方面进行了一定的工作。1999年中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心陈同斌领导的研究组在中国本土发现世界上第一种砷的超富集植物———蜈蚣草后，研究开发出植物修复成套技术，包括超富集植物育种、栽培、管理、施肥、微生物和化学调控剂等配套措施或优化工艺等，在湖南郴州、浙江富阳和广东乐昌的As、Cu、Pb污染土壤上建立了3个植物修复示范工程。其中，湖南郴州砷污染土壤植物修复示范工程已稳定运行5年以上，在砷污染土壤的植物修复和砷富集技术方面取得突破[31-32]。华南农业大学吴启堂教授的研究组利用超富集Cd和Zn的植物东南景天、石灰、过磷酸钙和废料碳酸钙对农田重金属污染土壤进行植物-化学联合修复，使作物籽粒中Cd、Zn和Cu含量降低到了国家食品卫生标准允许的含量水平[33-34]。一些研究者利用苎麻对重金属污染土壤进行修复，取得了较好的效果[35-36]。5研究展望5.1植物修复技术的优缺点重金属污染土壤的植物修复技术作为一种新兴的生物修复技术，它具有物理、化学修复方法所无法比拟的优点，具体表现为治理成本低，效果永久；治理过程是原位修复，对土壤环境扰动小；修复过程一般无二次污染，某些金属元素甚至可回收利用；兼有环境美学性[37]。因此，植物修复是可靠的、环境相对安全的技术，是真正意义上的开展了大量的重金属污染土壤修复工作[38].“绿色修复技术”[38]。5.2建议（1）保护并继续寻找超积累植物（2）深入研究植物吸收、运输重金属机制。（3）对于富集过重金属的超积累植物进行加工处理，提高重金属的回收率，避免二次污染。参考文献：[1]ChenTB,WeiCY,HuangZC,etal.ArsenichyperaccumulatorPterisvittataL.anditsarsenicaccumulation[J].ChinSciBull,2002,47（11）：902-905.[2]韦朝阳,陈同斌,黄泽春,等.大叶井口边草———一种新发现的富集砷的植物[J].生态学报,2002,22（5）：777-778.[3]MarquesA,OliveiraR,SamardjievaK,etal.EDDSandEDTA-en－hancedzincaccumulationbysolanumnigruminoculatedwitharbus－cularmycorrhizalfungigrownincontaminatedsoil[J].Chemosphere,2008,70（6）：1002-1014.[4]VangronsveldJ,HerzigR,WeyensN,etal.Phytoremediationofcon－taminatedsoilsandgroundwater：Lessonsfromthefield[J].Env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