畢亞凡,徐俊虎

(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

0 引 言

開采礦山資源為人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)提供了豐富的物質(zhì)原料、推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、帶動(dòng)了相關(guān)科技與學(xué)術(shù)研究的進(jìn)步，然而接踵而來(lái)卻是嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞.采礦活動(dòng)是土壤重金屬的主要來(lái)源，我國(guó)已經(jīng)有743萬(wàn)hm2土地因此遭受破壞，并且每年新增4萬(wàn)hm2.此外我國(guó)因礦業(yè)活動(dòng)破壞土地的復(fù)墾率僅有13．3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國(guó)家的75%.從生物化學(xué)角度看，因礦業(yè)活動(dòng)流失的土壤重金屬將會(huì)通過(guò)食物鏈等進(jìn)入生物體內(nèi)[1]，嚴(yán)重威脅著礦山周邊地區(qū)居民飲食安全、生態(tài)安全和社會(huì)和諧穩(wěn)定，因此礦區(qū)重金屬污染土壤生態(tài)恢復(fù)問(wèn)題亟需解決.植物修復(fù)成本低廉、操作簡(jiǎn)單，不會(huì)造成二次污染，符合我國(guó)目前階段的現(xiàn)實(shí)條件.另一方面植物修復(fù)周期長(zhǎng)、效率較低，在我國(guó)環(huán)保領(lǐng)域尚處于起步研究階段，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，植物修復(fù)應(yīng)對(duì)礦山重金屬土壤恢復(fù)是一種比較可行的策略.

1 植物修復(fù)的概念

植物修復(fù)(phytoremediation)是以植物忍耐、分解或超量積累某種或某些化學(xué)元素為基礎(chǔ)，利用植物及其共存微生物體系來(lái)吸收、超量積累、降解、固定、揮發(fā)及富集環(huán)境中污染物，實(shí)現(xiàn)部分或完全修復(fù)土壤污染的一門環(huán)境污染原位治理技術(shù).圖1為植物修復(fù)原理示意圖.

圖1 土壤-水-植物根系統(tǒng)及其邊界Fig.1 Soil-water-plant root system and its boundary

植物修復(fù)技術(shù)(phytoremediation)包括：植物穩(wěn)定(phytostabilization)、植物揮發(fā)(phytovola-tilization)、植物提取(phytoextraction)和根際過(guò)濾(rhizofiltration).其中植物穩(wěn)定和植物提取適合應(yīng)用于修復(fù)礦區(qū)受重金屬污染土壤.植物穩(wěn)定(phytostabilization)是利用植物根際分泌的特殊物質(zhì)將根系周圍重金屬污染物包圍使其相對(duì)無(wú)害，如利用耐重金屬植物根系分泌黏膠狀多糖類物質(zhì)，將大量的金屬離子黏附到根周圍.香蒲植物、香根草、無(wú)葉紫花苕子(vicia viuosa)對(duì)Pb、Zn具有強(qiáng)的忍耐性和吸收能力且生長(zhǎng)量大可用于凈化礦區(qū)受污染土壤.由于該類植物根系通常含較高濃度重金屬，應(yīng)盡量連根割除植物[2].英國(guó)利物浦大學(xué)Bradshaw等最早利用礦山廢棄地耐性植物對(duì)礦山土壤進(jìn)行了修復(fù)[3].植物提取(phytoextraction)是指利用耐重金屬植物從土壤溶液中吸收轉(zhuǎn)移重金屬離子，并將其轉(zhuǎn)移、貯存到地上部分，連續(xù)種植這種植物，即可不斷降低土壤中重金屬含量.

2 植物修復(fù)應(yīng)用最新進(jìn)展

2.1 植物穩(wěn)定(固定)技術(shù)

植物固定只是暫時(shí)將環(huán)境中的重金屬元素固定，使其生物毒性降低更有利于植物種群的生存，并沒有徹底解決環(huán)境的重金屬污染問(wèn)題，如果環(huán)境條件發(fā)生變化，重金屬離子依舊會(huì)進(jìn)入土壤造成危害.可添加改土劑來(lái)改進(jìn)效果和植物一起來(lái)固定重金屬，如Mench等在煉砷廠大氣降塵污染的重金屬?gòu)?fù)合污染土壤上，施用土重5%的粉煤灰(beringite)和1%的廢鐵粉，使植物固定的效果明顯提高，根瘤等生物多樣性指標(biāo)明顯改善[4].

2.2 植物提取技術(shù)

植物對(duì)重金屬的吸收隨著時(shí)間的推移往往表現(xiàn)為三個(gè)階段[5].第一階段植物對(duì)重金屬的提取吸收效率與其在土壤水溶液中的停留時(shí)間成正相關(guān)，第二階段是飽和階段，第三階段為釋放階段.釋放是因?yàn)橹参镂者^(guò)多的重金屬而中毒死亡，重金屬又回到土壤溶液中.因此應(yīng)定期收割死亡植物，以減少對(duì)土壤的二次污染.植物提取技術(shù)依賴一些特異性植物(主要指超富集植物)，超累積植物(hyperaccumu1ator)是指對(duì)重金屬元素的吸收量超過(guò)一般植物100倍以上的植物.根據(jù)積累金屬元素的種類，可以把超累積植物分類見表1.

表1 國(guó)內(nèi)外發(fā)現(xiàn)的主要重金屬超富集植物Table 1 Hyperaccumulators found at home and abroad

注： 根據(jù)Brooks，1998補(bǔ)充修改[6]

超富集植物雖然已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，大多綜合抗逆性差，很難適應(yīng)不同的氣候環(huán)境，真正可利用于某污染區(qū)的很少；植物修復(fù)的效益取決于植物地上部分重金屬含量及其生物量，目前已知的超富集植物絕大多數(shù)生長(zhǎng)慢、生物量??；此外重金屬在土壤中的生物有效性低，植物難以吸收，并且難以將重金屬由根系轉(zhuǎn)移到地上部分[7].

植物提取技術(shù)有如下改進(jìn)：

a. 螯合誘導(dǎo)的植物提取技術(shù).是指施用螯合劑或配位基來(lái)誘導(dǎo)或強(qiáng)化植物對(duì)金屬的超富集作用，此技術(shù)早已應(yīng)用于植物修復(fù)或植物采礦(phytomining)中[8].一般這種技術(shù)是在植物生物量已經(jīng)很高時(shí)加入螯合劑或配位劑，減少植物對(duì)高濃度重金屬的適應(yīng)時(shí)間，這樣植物能快速吸收較多重金屬離子，并且即使植物因毒害作用死亡也不會(huì)影響重金屬去除的效果.

b. 接種特殊微生物.如接種叢枝菌根強(qiáng)化植物修復(fù)，叢枝菌根(Arbuscularmycorrhiza)在重金屬土壤中可與植物根系共生，AM可通過(guò)減輕重金屬對(duì)植物的毒害改善植物生長(zhǎng)狀況，加快植物對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[9].此外Tyagi等利用部分微生物對(duì)重金屬的耐性使土壤酸化，加強(qiáng)重金屬的溶出，從而進(jìn)行生物淋濾(bio-leaching).目前生物淋濾只在污水污泥處理中運(yùn)用，可以考慮在土壤的植物提取中應(yīng)用[10].

c. 增加營(yíng)養(yǎng).養(yǎng)分是影響植物吸收重金屬的重要因素，施加營(yíng)養(yǎng)使超富集植物生長(zhǎng)旺盛、生物量提高、促進(jìn)植物根系發(fā)育，從而提高植物提取效率.選用生理酸性肥料，如硫酸銨、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀，可明顯增加植物提取重金屬.適當(dāng)使植物缺P，可以增加植物根系分泌有機(jī)酸，從而提高植物提取重金屬的效率[11].

d. 結(jié)合農(nóng)藝技術(shù). 超富集植物多數(shù)是野生植物，通過(guò)農(nóng)藝技術(shù)提高植物地上部生物量，將野生超富集植物馴化成栽培作物等，進(jìn)而更有效地應(yīng)用于植物修復(fù).

3 礦山重金屬污染土壤修復(fù)思路

我國(guó)礦產(chǎn)資源總量豐富，但分布過(guò)于分散導(dǎo)致貧礦多，富礦少，且成分中多含伴生礦物質(zhì).因此在礦產(chǎn)開采過(guò)程中尾礦較多，在降水淋濾作用下，尾礦中重金屬元素可長(zhǎng)期穩(wěn)定地向外釋放.硫化物往往和其他礦產(chǎn)共(伴)生，硫化物產(chǎn)生的酸性水將進(jìn)一步淋溶礦山廢棄地中的尾礦，造成更為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境危害.建議礦業(yè)廢棄地應(yīng)采用植物穩(wěn)定技術(shù)促使恢復(fù)植物生長(zhǎng)環(huán)境，針對(duì)礦業(yè)廢棄地外圍應(yīng)采用植物提取技術(shù)逐步減輕土壤中重金屬含量，在整個(gè)礦山外圍應(yīng)組合使用植物-微生物-化學(xué)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)達(dá)到徹底生態(tài)恢復(fù)的目的.

3.1 化學(xué)添加劑強(qiáng)化植物穩(wěn)定

植物穩(wěn)定技術(shù)通過(guò)減少礦山廢棄地內(nèi)部徑流侵蝕、外部風(fēng)蝕等防止重金屬元素遷移，適合于較高污染且難以運(yùn)用植物提取技術(shù)的礦業(yè)廢棄地.伴生硫化物的金屬礦業(yè)廢棄地，其酸性條件極端、重金屬元素含量過(guò)高，會(huì)直接抑制種子的萌發(fā)和植物的生長(zhǎng).通過(guò)添加化學(xué)固定劑強(qiáng)化植物穩(wěn)定降低重金屬毒性，可逐步使植物適應(yīng)、生長(zhǎng)并生存于礦山廢棄地.我們可以采取如下措施：a. 利用堿性物質(zhì)如煤渣、淤泥等改善土壤PH、提高營(yíng)養(yǎng)、降低重金屬活性[12]；b. 利用采礦細(xì)砂設(shè)置隔離層，將外界環(huán)境和礦業(yè)廢棄地隔開，能有效的阻止和固定重金屬元素.經(jīng)過(guò)土壤基質(zhì)改良并利用當(dāng)?shù)啬托灾脖桓綦x，可成功的修復(fù)一些礦業(yè)廢棄地[13].

3.2 化學(xué)添加劑強(qiáng)化植物提取

植物提取技術(shù)常運(yùn)用在重金屬污染相對(duì)較輕的礦業(yè)廢棄地周圍，通常添加化學(xué)螯合劑來(lái)強(qiáng)化植物提取效果[14].化學(xué)螯合劑活化過(guò)程涉及了多種反應(yīng)機(jī)理：a. 螯合劑通過(guò)絡(luò)合作用與重金屬結(jié)合[15]；b. 酸洗導(dǎo)致重金屬氧化物或礦物成份溶解等[16].

3.3 多因素強(qiáng)化植物穩(wěn)定和植物提取

礦山廢棄地這一特殊環(huán)境往往會(huì)造成多重金屬污染土壤，單純的植物修復(fù)技術(shù)顯然無(wú)法徹底解決.化學(xué)添加劑可影響土壤重金屬的吸附和活化等環(huán)境化學(xué)行為：添加化學(xué)固定劑降低重金屬活性可強(qiáng)化植物穩(wěn)定效果；而植物提取技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中常結(jié)合化學(xué)螯合劑強(qiáng)化植物提取修復(fù)效果[17].

證據(jù)表明土壤微生物在礦山重金屬污染土壤修復(fù)過(guò)程中起著重要的作用.如促進(jìn)植物生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)吸收，提高植物對(duì)重金屬的忍耐性[18]，與植物根系共生產(chǎn)生影響重金屬活性的特殊物質(zhì)，增強(qiáng)了植物對(duì)重金屬的吸收積累能力，提高了植物修復(fù)效率[19].

4 植物修復(fù)前景展望及建議

植物修復(fù)最顯著的優(yōu)點(diǎn)是處理成本低廉，美國(guó)Cunningham等研究表明其比物理化學(xué)處理費(fèi)用低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)[20].以植物穩(wěn)定和植物提取為核心技術(shù)分別控制物理化學(xué)、微生物等因素研究化學(xué)一微生物一植物聯(lián)合修復(fù)體系及機(jī)理，一方面可為礦山及周邊地區(qū)多金屬污染土壤修復(fù)提供實(shí)踐依據(jù)和技術(shù)支撐，另一方面能加速我國(guó)礦山廢棄地推廣和應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù).

建議結(jié)合礦山及周邊地區(qū)多金屬污染土壤的治理實(shí)踐中，闡明多金屬污染土壤條件下化學(xué)固定或活化過(guò)程與機(jī)理；加大研究不同微生物于不同類型金屬影響機(jī)制(活化與固定)及其與植物忍耐/吸收之間關(guān)系.建議我們?cè)诮窈蟮V區(qū)重金屬污染土壤的修復(fù)實(shí)踐中應(yīng)遵循生態(tài)學(xué)客觀規(guī)律，以礦山廢棄地為中心向礦區(qū)外圍劃三個(gè)圓圈，內(nèi)圈為采礦廢棄地，中圈為礦山土壤帶，外圈為礦山外圍礦區(qū)耕地.針對(duì)內(nèi)圈應(yīng)逐步改善植物的生存環(huán)境以植物穩(wěn)定技術(shù)為主體以便進(jìn)一步移植重金屬超累積植物；針對(duì)中圈應(yīng)提高重金屬超累積植物的生物量，并強(qiáng)化植物提取的效果，阻止重金屬元素的遷移；針對(duì)外圈植物生存環(huán)境相對(duì)良好、土壤重金屬含量相對(duì)較低，應(yīng)綜合運(yùn)用微生物-化學(xué)-植物聯(lián)合修復(fù)，分別調(diào)控化學(xué)添加劑、微生物等因素強(qiáng)化植物穩(wěn)定和植物提取效果，吸收/固定土壤溶液中的重金屬離子，逐步修復(fù)受重金屬污染土壤，最終徹底修復(fù)礦區(qū)生態(tài).

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