如何用植物实现铅污染土壤的修复

土壤重金属污染在很大程度上危及了粮食安全、食品品质，其中土壤铅污染的危害贡献极大，如何降低铅的生物有效性是修复技术的重要环节之一。工程应用性植物的筛选及其工程应用性问题备受国内外学者关注。本文主要阐述土壤铅污染修复技术发展现状，列举国内外在工程应用层面对铅污染土壤有修复能力的植物，讨论了工程应用性植物修复铅污染土壤机制，筛选出具有工程应用潜力的植物，可分为铅地上部富集型、铅根部囤积型、铅规避型、铅指示型4类植物类型，以期为我国预防和治理土壤铅污染提供参考。
在中国，土壤污染主要类型是重金属污染。铅是黏性金属，易与土壤有机质和铁锰氧化物形成稳定物质，不易在植物体内和土壤中迁移，及其生物毒性较大而被广泛关注。铅在工业上应用广泛，主要来源于工程防腐材料老化、金属冶炼，含铅石油的使用和燃烧，逐步成为主要污染重金属之一。铅污染源具有难识别性，在土壤中分布广泛、蓄积能力强，主要分布在20厘米以上的土层，几乎不向土壤下层移动，对蔬菜种植业的影响较大，铅还可以通过大气运输、沉降等方式回到土壤中，最终通过食物链、人体呼吸等途径危害人体健康。可见铅危害之大，对土壤铅污染的修复工作刻不容缓。
铅污染土壤修复技术分为物化修复技术和植物修复技术，植物修复技术因便于操作、处理效果好等特点，可避免土壤污染重金属通过淋溶、侵蚀等对地下、周围环境造成危害的现实意义而备受土壤、环境学家关注。本文阐述了植物修复土壤铅污染机制，列举与讨论国内外具有工程应用性修复铅污染土壤潜力的植物，希望能够在预防、治理和修复土壤铅污染的事业上提供相应的理论基础和帮助。
1、铅污染土壤的植物修复机制
植物对铅的修复机制主要有4部分：根系物质活化重金属、根系吸收及转运、跨膜转运并贮存在植物细胞或组织及对重金属的耐性。
1.1根系对重金属的活化
根系是植物体直接接触土壤和吸收土壤重金属的主要器官，植物根系会分泌一些酸性物质，如乙酸、乳酸、苹果酸等，与铅形成可溶性络合物，促进铅在根际土壤中的迁移能力，降低铅在根际土壤中的有效态铅含量，减少铅害;植物根系通过与植物共生微生物自身代谢活动或分泌物来转化活性较低的赋存形态，提高铅在土壤中的生物有效性。在工程应用中，可以人为地调控根系环境及接种共生微生物，如添加pH调节剂、有机肥等有机类物质，促进植物根系对铅的活化，促进植物对铅的吸收、转运和贮存。
1.2根系对重金属的吸收、转运
根系对铅的吸收方式主要有表面吸附，而吸附能力的大小与根系的吸附表面、吸附位点、平衡浓度有关。当铅进入根系后，通过水运输到细胞壁、细胞间隙等质外体空间，或通过主动运输过程，进入共质体导管，经植物呼吸、蒸腾等作用转运到植物地上部。
1.3植物对重金属的跨膜运输、细胞贮存
铅进入植物体内后，会被贮存在根系细胞或被转运到地上部，在植物体内多以游离态为主，植物体自行或主动地将铅转入液泡中隔离铅，降低铅毒，跨膜运输到植物细胞或组织内。铅主要贮存于植物细胞间隙中，细胞壁和液泡次之，细胞质最低。铅在植物体组织器官内的分配规律为：根>茎>叶>籽粒。
1.4植物对重金属的耐性
植物对土壤铅的防卫方式有两种：一是阻止铅进入细胞或组织;二是通过植物抗氧化性避免细胞受到氧化损伤。植物通过根系分泌粘液为铅提供配位基团来沉淀铅离子或将铅离子吸附到细胞壁上，阻隔土壤铅离子进入细胞内，使植物体免受铅的毒害，还能通过细胞壁局部增厚及组分的变化来降低铅的生物毒害，与细胞壁的解毒机制有关。
2、工程性应用植物筛选现状
Brook等在1977年最早提出了超富集植物(Hyperaccumulator)的概念，一般认为超富集植物最主要的特征就是地上部的重金属含量大于地下部的含量，地上部的含铅量(干重)临界值为1 000 mg/kg，转运系数应大于1。常用筛选方法有野外采样法和盆栽模拟试验法，大多数的重金属超富集植物主要通过野外采样法发现的;盆栽模拟试验可以观察植物的生长状况及控制栽培条件等方式探究植物与污染物的反应机制及毒理反应，而富集、超富集植物大都通过生物进化或工程培育等方式形成，因生物量小、生长速度缓慢、耗时长等缺点不被广泛利用。本文参照相关文献，大致将具有修复铅能力的植物分为四大类：地上部富集型、根部囤积型、规避型及指示型，如表1所示。
铅地上部富集型植物是植物地上部富集铅含量明显高于地下部铅含量，即地上部与地下部的铅含量比值大于1。在表1中所示的铅地上部富集型植物主要有：淡黄香青、五叶草、车前、鲁白、蔗茅、笔管草、莎草、千里光、凤毛菊、凤尾蕨等10种植物。刘月莉等在四川甘洛铅锌矿区发现凤尾蕨、蔗茅中根部含铅量高达1%。
铅根部囤积型植物是植物富集铅的主要部位为地下部，有鬼针草、细毛鸭嘴草、长蒴母草、渐尖毛蕨、斑茅、毛轴莎草、木贼、东方香蒲等8种植物。鬼针草能够在高浓度铅土壤上正常生长，将土壤中的铅富集在其根部，降低铅在土壤中的含量。张树金等在三合铅锌矿发现华中蹄盖蕨能将铅大量地囤积在根部，根系最高铅含量为15542.1 mg/kg。王学礼等在三明金属矿中发现一年蓬对铅的转运系数大于1，乌蕨(Stenoloma chusana)、千金子、二歧飘拂草、柔枝莠竹、短叶水蜈蚣、狗娃花等6种植物能在研究矿区土壤上正常生长、繁殖，生物量大，可做为修复尾矿的先锋植物。
铅规避型植物是植物对铅具有高度耐性，抵制或者降低植物根系对重金属的吸收，铅基本沉淀在根系表面，只吸收少量土壤铅。在表1中有类芦、盐肤木、大叶醉鱼草、小鳞苔草、野艾蒿、裂叶喜林芋、丛毛羊胡子等7种植物。大叶醉鱼草能够在高浓度铅污染土壤中正常生长，植株含铅量为24.2 mg/kg。白杨树会隔绝对铅的吸收。
除上述三种类型植物外，还有铅指示型植物。在铅污染土壤中，对土壤铅污染最为敏感的是过氧化氢酶和脲酶活性，而马唐对过氧化氢酶、脲酶活性具有较好的恢复作用，可有效地改善铅污染对于土壤酶的破坏。马唐在土壤铅浓度为0——500 mg/kg下能正常生长，其生长状况及土壤酶的组成成分可作为制定相应的补救措施的重要依据，有效地提高补救时间效率。
工程应用性植物的基本要求是：生物量大，能正常生长，富集重金属和具有一定观赏价值。在表1中的植物中，按其生长环境、生长特点、株高、地下部铅积累和地上部分铅积累、景观价值以及是否有经济效益等 7 个指标，采用Topsis 法进行多指标综合评价。其中规定，有药用价值给2分，无药用价值1分;生长类型为多年生加2分，一年生为1分;观赏效果好的加3分，中等加2分，差加1分。从Topsis 法评价结果表明具有工程应用的植物主要有车前、斑茅、凤毛蕨、柳叶箬、毛轴莎草、木贼、鬼针草、渐尖毛蕨、千里光、五叶草等8种植物。在上述8种植物中，车前草、五叶草在每公顷干草产量分别为120——150kg、4500——10000kg，则车前草、五叶草地上部每公顷可以吸收铅量分别为0.224——0.281kg、6.129——13.62kg，五叶草每年可以刈割2——3次。
表 1植物修复土壤条件下的铅超积累植物物种
注：a：多年生;b：一年生
3、结论
本文主要根据植物不同部位对铅的富集类型及指示效应分为铅地上部富集型、铅根部囤积型、铅规避型和铅指示型植物等4种植物类型。采用Topsis 法进行多指标综合评价，得出表1中适宜修复铅污染土壤工程应用的植物有车前草、金丝草、斑茅、凤毛蕨、毛轴莎草、木贼、鬼针草、渐尖毛蕨、千里光、五叶草等8种植物。在上述植物的筛选原则中可考虑当地植物种植条件、经济效益等问题。在植物修复后期，可进一步探究植物处置方式，避免发生第二次污染，了解铅的赋存形态;还可采用质气化等方法，对铅进行回收，实现资源化利用;还可探究经济作物对铅潜在富集能力，以避免其对铅的积累和富集进入食物链。