土壤重金属污染的4种植物修复技术

土壤中的重金属污染源来源复杂，一是来自大气沉降，大气中的重金属主要来源于能源、运输、冶金和建筑材料生产产生的气体和粉尘;二是随污水进入土壤的重金属，利用污水灌溉是灌溉农业的一项古老的技术，主要是把污水作为灌溉水源来利用，由于中国工业迅速发展，工矿企业污水未经分流处理而排入下水道与生活污水混合排放，从而造成污灌区土壤重金属的含量逐年增加;三是随固体废弃物进入土壤的重金属，固体废弃物种类繁多，成分复杂，不同种类及其危害方式和污染程度不同，其中矿业和工业固体废弃物污染最为严重，这类废弃物的堆放或处理过程中，由于日晒、雨淋、水洗重金属极易移动、以辐射状、漏斗状向周围土壤、水体扩散;四是随农用物资进入土壤的重金属，农药、化肥和地膜是重要的农用物资，对农业生产的发展起着重大的推动作用，但长期不合理施用也可能导致土壤重金属污染。在现实中关注的往往集中于几种重金属元素：Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn 及As。土壤重金属污染现在是影响人体健康和环境的重要问题之一，因此找到合适的方法治理重金属污染迫在眉睫。
中国重金属污染现状
重金属污染土壤，致使农产品质量下降、土壤中的污染物通过各种食物链，经过逐级生物富集最终对人体健康产生危害。它不仅可以通过食物链对人体健康产生直接危害，还可以通过影响水体和大气环境质量间接对人类健康造成威胁。更值得注意的是许多低浓度有毒污染物属环境激素类物质，其影响是缓慢且长期的，可能长达数十年乃至数代人。可见重金属对土壤的持续污染及土壤中污染物的长期存在，必将对人类生命安全构成巨大的、严重的、潜在的威胁。
土壤重金属污染具有形态多变、金属有机态毒性大于无机态、价态不同毒性不同、金属羟基化合物常剧毒、迁移化、形式多、物理化学行为大多具有可逆性，属于缓冲性污染、产生毒性效应的浓度范围低、微生物不能降解反而会毒害微生物或者使之有机化，增强毒性、对人体毒性的积累等特点。
中国土壤重金属污染中Hg、Cd 污染最为严重，Pb、As、Cr、Se和Cu的污染也比较严重。目前中国重金属污染的土壤面积已超过10万km2，污染的耕地约有1.0×105 km2，约占耕地总面积的10%以上，多数集中在经济较发达的地区。据统计，中国超过300 km2土地受Hg的污染，有超过100 km2土地受Se的污染，每年仅生产镉米就达5万t以上，而每年因污染而损失的粮食约1200万t，合计经济损失至少200亿元，这不仅对人体健康产生了威胁，也对国家的经济产生一定的影响。因此为了解决这一越来越严重的问题，需要采取方法从源头治理，只有将土壤中重金属的量控制住，才能从根本上解决上述问题。
植物修复技术国内外现状
国内现状
张学洪等在广西发现了铬超积累植物李氏禾(Cutgrass);杨肖娥等在浙江发现了锌的超积累植物东南景天(Sedum alfredii Hance);陈同斌和韦朝阳等在湖南发现了世界上第一种砷的超积累植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)和另一种明显富集砷的植物大叶井口边草(Pteris cretica);薛生国等在湖南湘潭发现锰的超积累植物商陆(Phytolacca acinosa Roxb)，刘威等在湖南发现了镉的超积累植物宝山堇菜(Viola baoshanensis)。最近一种超累积植物是在2013年由中国科学技术大学苏州研究院硒与人体健康重点实验室尹雪斌研究组发现的一种新型硒的超积累植物壶瓶碎米荠(Cardamine hupingshanensis)。
国外现状
Baker等首次以田间试验形式研究了Zn 和Cd 的超累积植物Thlaspi caerulescens;Ebbs等通过实燕麦对重金属Zn 的吸收效果发现有很好的效果;Blaylock等发现芥菜(Brassica juncea)可以吸收和积累Pb、Cd、Zn等多种重金属，并且菥蓂可以有效吸收Zn、Pd、Cd;Antiochia等实验发现香根草对Zn也有着较好的富集作用。此外还发现庭芥属(Alyssum bertolonii)可富集Ni;遏蓝菜(Thalspica-reulesences)可以富集Zn 和Cd。几种超累积植物及其富集重金属元素如表1所示。
表1 几种超累积植物及其富集重金属元素
超积累植物的局限性
1)由上文可见，最近的一种超累积植物发现于2013年，也就是说，超累积植物的发现仍然是一项值得探究的方面，另外因为已发现的超富集植物环境适应性差，具有富集专一性。因此寻找高效低选择性的超富集植物也具有很好的发展前景。
2)对收集的重金属的后处理。常见的处理方法有集中填埋、焚烧和堆制肥料。由于渗流及其他作用，收集的重金属仍然可能会对环境造成二次污染，因此对收集物的处理也是至关重要的环节，现在国内外仍没有很好的方法可以处理这个问题。
植物修复技术
植物修复技术的优点及其局限性
植物修复技术的优点
植物修复技术是指利用植物修复和消除由有机毒物和无机废弃物造成的土壤
环境污染，是一种利用自然生长植物或遗传工程培育植物修复重金属土壤环境的技术总称，它是通过植物系统及根际微生物群落来移去、挥发或稳定土壤环境污染物。该技术具有投资少、经济盈利、对土壤环境扰动小、治理效果永久、不破坏场地结构、不引起二次污染、美化景观、重金属可再循环和部分回收、应用面积大等优点。
植物修复技术的局限性
1)因地制宜，对不同情况的土壤采用不同的植物。按重金属污染轻重程度选取超累积植物或耐重金属植物。
2)每种植物能够积累的重金属往往只有一种或少数几种，对土壤中其他浓度较高的重金属则表现出某些中毒症状，对多种重金属污染土壤的治理存在很大的局限性。
3)用于治理重金属污染土壤的超积累植物通常生长缓慢且生物量低、修复重金属污染土地需要时间太长，经济上不合理。
4)对积累重金属后的植物再处理也是一个棘手的问题，还存在污染物及其降解产物的重新活化问题。
除了超累积植物本身的缺点之外，还有其他因素也影响植物修复的有效性，如土壤微生物活性、土壤本身的理化特性，还有污染区的气候地理条件。
植物修复技术的分类
重金属的植物修复通常有2种途径：一是通过植物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定，降低其在土壤中的移动性和生物可利用性;二是通过植物吸收、挥发，达到对重金属的削减、净化和去除的目的。按照植物修复的作用过程和机理的不同，植物修复技术可分为4类：植物提取、植物挥发、植物稳定和根系过滤。
植物提取
植物提取是目前研究最多并且最有发展前景的一种方法。1977 年Brooks 提出了超富集植物的概念，1983年Chaney提出了利用超富集植物清除土壤重金属的思想。植物提取技术利用的是一些对重金属具有较强富集能力的特殊植物，要求所用植物具有生物量大、生长快和抗病虫害能力强的特点，并具备对多种重金属较强的富集能力。重金属经植物根系吸收后，继而转移、储存到植物茎叶，然后收割茎叶，从而达到去除土壤重金属元素的目的。一般认为重金属含量超过一般植物100倍的植物属于超积累植物,具体规定为植物积累的Cr、Co、Ni、Cu、Pb等含量达到1 g/kg以上，积累的Mn、Zn含量一般在10000 mg/kg以上，积累的Cd含量一般在0.1 g/kg以上。通常，超积累植物的界定可考虑以下2个主要因素：1)植物地上部富集的重金属应达到一定的量;2)植物地上部的重金属含量应高于根部。Li研究了十字花科的超积累植物Alyssum Annrale 和Alyssum orsicum 对Ni和Cu的吸收，结果发现效果显著。
植物挥发
植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的污染物(主要是Hg、Se、As)吸收到植物体内后转化为气态物质，挥发出土壤和植物表面，释放到大气中。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。Rugh等将细菌Hg还原酶基因转导入拟南芥，获得转基因植物的耐Hg能力大大提高，且能将从土壤中吸收的Hg还原为HgO。同时表达MerA 和MerB 转基因烟叶能通过叶绿体加快对Hg 的吸收。通过转基因植物控制重金属单质挥发、促进植物提取效果是今后研究重点。
植物稳定
植物稳定是利用植物吸收和植物根际的一些特殊物质使土壤中的大量有毒金属转化为相对无害的物质，从而降低土壤中有毒金属的移动性、生物有效性，减少金属被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性，使其不能为生物所利用的一种方法。植物根系分泌物通过改变根际环境(Ph、Eh)，使重金属的形态发生化学改变，降低重金属的毒性效应。该方法适合废弃矿区的重金属污染或者放射性元素的污染的治理。Santibá?ez等研究智利铜尾矿中黑麦草对Cu、Zn、Mo 和Cd等的修复作用，发现其对重金属的累积主要集中在根部，向茎叶处转移很少。东方香蒲对土壤中As、Cd、Pb的累积主要在根部，其累积量可达31.69、35.12、87.12 mg/kg，茎叶中仅为2.06、2.83、20.18 mg/kg。因此，东方香蒲可作为As、Cd、Pb污染土壤植物稳定修复的潜在目标植物之一。目前，利用麻疯树、芦苇、芦竹、荻、五节芒、纤维大麻、芥菜和红麻等经济植物，对重金属污染农田进行植物修复，有利于实现生态、环境效益的统一。
根系过滤
根系过滤作用是利用耐性植物庞大的根系过滤和吸收功能富集水体中的重金属元素，将植物收获进行妥善处理，达到修复水体重金属污染的目的。或者通过改变根际的环境从而使得重金属形态发生改变，然后聚集在根部从而减少其在土壤中的移动。此种方法更多的应用于水体污染修复之中。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技术和生物塘工程。适用于根系过滤技术的植物，主要有水生植物、半水生植物，也有个别陆生植物，例如向日葵、印度芥菜、宽叶香蒲及烟草等。根基过滤适用于修复水体中重金属污染，且具有永久性和广泛性，研究发现水浮莲和浮萍的根都具有将强的吸附能力。Hansen等的实验表明，旧金山海湾的湿地系统可以很好的吸收通过炼油厂排放出的含硒废水，并且流出的浓度远远低于流入的浓度，仅为5 μg/L。
结论与展望
植物修复技术是一项处于发展中的具有广泛应用前景的技术，对超积累植物的发现仍值得探究。虽然植物修复具有耗费低、对土壤扰动小等特点，但在投入量产和使用的过程中仍然存在很多问题，比如修复周期长，植物生长缓慢、需要因地制宜等。
土壤修复是一项历时长久的系统工程，单一的修复技术难以达到预期的效果，因此需要寻求以植物修复为主，同时结合微生物修复和动物修复等进行联合修复，以达到更佳的重金属污染土壤修复效果。因此，联合修复将是未来最主要的修复技术之一。