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土壤重金属污染的植物修复研究动态

作者: 吴昊,谭兴晏 时间:2017-1-13 阅读次数:2610

前言

近年来,随着工农业的快速发展和人类不合理的活动加剧,土壤重金属污染问题引起人们更多的关注。“三废”的排放、化肥和农药的施用、矿山的开采和冶炼、城市生活垃圾的排放、污水灌溉和污泥农用等都是导致土壤重金属污染的因素。土壤污染的重金属主要包括As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Zn等[1],其危害主要表现为降低土壤肥力,降低作物产量与品质,并可能通过食物链危及人类健康等。重金属污染一般为几种重金属的复合污染,很难被土壤微生物降解,在土壤中具有稳定、不易去除等特性,因此,治理非常困难[2]。传统人工修复土壤重金属污染方法有排土填埋法、稀释法、淋洗法、物理分离法和化学法等,但成本高,对环境扰动大,并不适于大规模的土壤修复[3]。

1983年,Chaney等提出运用植物去除土壤中重金属污染物的设想[4],植物修复作为一种治理土壤重金属污染的技术逐渐被人们应用。植物修复技术具有安全、易于操作等特点,同时具有一定的景观效益,可称得上“绿色修复技术”。在全球土壤重金属污染日趋严重的今天,植物修复技术得到了社会的广泛关注和期待。

1/植物修复研究动态

1.1 植物修复机制

植物修复技术是一种利用植物自身的生理特性,从环境中吸收或富集一种或多种元素及化合物,并在其体内进行正常代谢,从而达到去除环境中污染物目的的技术[5]。

根系是植物吸收养分和水分的主要部位,植物修复技术主要是利用了根系的物理、化学和生物特性来减轻土壤重金属的污染,某些植物的根系能有效吸收、转化、降解土壤重金属物质;根系分泌物可促进土壤微生物对污染物的降解、转化和生物固化等作用。

1.2 植物修复类型

根据修复植物在某一方面的修复功能和特点,可将植物修复分为植物提取、植物稳定、植物挥发和根系过滤4种类型[6]。

植物提取是指利用重金属超富集植物的根系吸收污染土壤中的有毒有害物质并运移至植物地上部,通过收割地上部物质带走土壤中污染物的一种方法[7]。要求所用植物具有生物量大、生长快和抗病虫害能力强,并具备对多种重金属元素的富集能力。

植物稳定是通过吸收、分解、氧化还原和沉淀固定等过程,降低重金属在土壤中的迁移性和毒性,防止重金属的渗滤或扩散。该技术特别适用于废弃矿区的重金属污染。

植物挥发是利用植物的吸收、积累和挥发来去除土壤中一些挥发性重金属污染物[8],主要包括Hg、Se和As。植物挥发要求被转化后的物质毒性要小于转化前的污染物质,以减轻环境危害[7]。但这一方法应用范围有限,还有可能将污染物转移到大气中。

根系过滤是利用植物根系过滤沉淀水体中重金属的过程,主要是利用水浮莲、水葫芦等水生植物的吸附i能力,减轻重金属对水体的污染程度[7]。该方法主要用于处理含放射性污染物质、重金属和其他污染物质(如N、P、K)的废水,目前实际应用较多的是人工湿地工程。

1.3 超富集植物

自1977年Brooks[8]提出超累积植物的概念以来,国内外学者对重金属超富集植物进行了大量研究,并对超富集植物提出了3个基本判定标准:(1)植物地上部分污染物含量必须大于一定的临界值;(2)污染物含量在植物地上部大于地下部;(3)植物对污染物的富集系数大于1.0[9-10]。

当前国内外发现的超富集植物达700多种,且广泛分布于50多科,并主要集中在十字花科。研究最多的植物主要为遏蓝菜属(Thlaspi)、庭荠属(Alyssums)、及芸苔属(Brassica)、九节木属(Psychotria),有的已经用于实践修复[11]。统计归纳了目前国内外发现的可以富集重金属元素的部分代表性植物(附表1)。 

1.4 影响植物修复的因素

除了植物本身的生物学特性之外,植物对土壤重金属的修复作用往往还受到其他因素影响。

Unterbrunner等[12]发现生长在矿区的柳树和欧洲山杨的叶子能积累大量Cd和Zn,还发现土壤质地是影响树叶重金属含量的主要因素之一。土壤pH值是影响植物富集Cd的最重要因素,低pH值有助于植物富集Cd,磷酸盐和Zn的存在则抑制Cd的富集[13]。植物菌根技术对土壤修复也有着良好的效果,如AM菌根可以和大多数植物的根部形成共生关系,可提高对土壤中P、Cu、Ni、Pb、Zn等微量元素吸收[14]。相关研究表明,加入一些螯合剂、营养元素等可改善植物根系的生长条件,促进植物生物量的增加,提高土壤重金属的活性和植物修复的有效性:陈玉成等[15]研究了Cd污染土壤中雪菜的生长状况,发现添加EDTA可以促进雪菜对Cd的吸收和向地上部运输;廖晓勇等[16]通过田间实例,表明适当施用磷肥明显促进蜈蚣草的生长,根系吸收能力增强,提高了植物中砷的含量。

2/评价与展望

2.1 植物修复技术评价

植物修复是一种清洁的、绿色环保型重金属污染土壤处理技术,相比其他修复方法,植物修复具有诸多优势,当然,植物修复技术目前也存在一定的局限性:已被发现的大多数富集植物生物量小,生长缓慢,修复土壤重金属的绝对能力有限;修复土壤重金属污染的时间相对较长,这是目前限制超富集植物大规模应用的主要原因之一,Baker等在英国洛桑试验站进行的植物修复工程表明,利用富锌的天蓝遏蓝菜(T. caerulescens)修复被Zn污染的土壤,土壤中Zn的浓度从444mg/kg降到330 mg/kg需13.4年[17];大多数超富集植物对重金属具有选择性,部分植物只能富集一种重金属,难以全面清除土壤中的所有超标重金属;土壤重金属修复率不高,且只能对表层土壤进行修复;植物生长受到土壤本身类型和气候条件等环境因素的影响,在筛选超富集植物或耐性植物时,只能选用本土植物或做预试验。

2.2 植物修复技术展望

植物修复技术的关键是寻找或人工培育合适的超富集植物。综合考虑可操作性、投资成本和环境效益等,对植物修复技术发展方向作一些展望:

(1)植物修复技术大规模的工程应用是当前面临的一个主要挑战,寻找开发生物量大、富集重金属能力强的超富集植物是植物修复技术走向工程应用的首要任务。

(2)一般一种超富集植物只能吸收一种重金属元素,而土壤经常遭受到两种甚至多种重金属的交叉污染,因此,针对于复合污染,超富集植物的筛选研究应作为土壤植物修复的一个重要方向;除此之外,应加强不同富集重金属、不同生态位的修复植物的优化配置,让其具有修复多种重金属污染的能力。

(3)运用分子生物学和基因工程技术,培养选育出优质、高效、富集面广的超富集植物。

(4)加强对化学试剂(络合剂、螯合剂)、微生物或土壤改良剂、酸碱调节剂等的研究与开发,通过土壤水肥调控、pH值调节等手段,以提高植物修复的综合效率。

参考文献:

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[13]Kirkham MB. 2006. Cadmium in plants     on pollutedsoils: Effects of soil factors,    hyperaccumulation, and amendments.    Geoderma,137: 19-32.

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[17]Baker A J M, McGrath S P, Sidoli C M D,    et al. The possibility of in situ heavy metal    decontamination of polluted soils using crops of   metalaccumulating paints[J]. Resources,    Conservation and Recycling, 1994(11): 41-49.

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