范占煌董國(guó)云

（1杭州大地環(huán)保工程有限公司 浙江杭州 310000 2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 湖南長(zhǎng)沙 410128）

重金屬污染土壤植物修復(fù)治理與農(nóng)業(yè)利用研究進(jìn)展

范占煌1董國(guó)云2

（1杭州大地環(huán)保工程有限公司 浙江杭州 310000 2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 湖南長(zhǎng)沙 410128）

從我國(guó)重金屬污染現(xiàn)狀，重金屬對(duì)植物的影響及植物修復(fù)重金屬研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并根據(jù)植物吸收重金屬的不同特性，結(jié)合基因工程，化學(xué)改良及栽培措施提出了重金屬污染土壤植物修復(fù)治理與農(nóng)業(yè)利用的展望。

重金屬；植物修復(fù)；超富集植物；耐受型植物；規(guī)避型植物

重金屬在土壤中具有隱蔽性、長(zhǎng)期性、潛伏性和不可逆性，土壤受重金屬污染后短時(shí)間內(nèi)很難消除，一旦進(jìn)入生物體內(nèi)也只能不斷地被轉(zhuǎn)移和積累，始終無(wú)法降解，從而影響土壤中動(dòng)植物及微生物的生長(zhǎng)發(fā)育[1]。當(dāng)重金屬通過(guò)食物鏈富集到人體內(nèi)時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致一系列的慢性疾病、畸形和癌癥等發(fā)生，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成嚴(yán)重威脅[2]。傳統(tǒng)的重金屬污染土壤修復(fù)采用客土法、淋濾法、浸提法等物理和化學(xué)方法。這些方法治理效果較好，但存在成本高，處理過(guò)程復(fù)雜，易造成二次污染，破壞土壤結(jié)構(gòu)等缺陷[3]。近年來(lái)，植物修復(fù)技術(shù)逐漸成為重金屬污染治理的熱點(diǎn)，具有環(huán)保、價(jià)廉、美觀等優(yōu)勢(shì)[4]。

1 重金屬污染狀況

土壤中重金屬是指原子密度在5.0g/cm3以上的45種元素[5]。我國(guó)以Pb、Zn、Cu、Cb、Cr等幾種元素最為嚴(yán)重[6]。土壤中的重金屬一部分來(lái)源于母質(zhì)，一般情況下這部分的含量較低，不會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及人類健康造成威脅；另一部分則來(lái)源于人類活動(dòng)，也是土壤重金屬污染的主要成因，主要包括采礦、廢棄排放、污水灌溉、農(nóng)藥及化肥的不合理使用等途徑。據(jù)報(bào)道，重金屬污染導(dǎo)致我國(guó)糧食減產(chǎn)超過(guò)1000×104t，每年受重金屬污染的糧食達(dá)1200× 104t，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200億元。1980-1992年，我國(guó)因工業(yè)“三廢”導(dǎo)致污染的耕地面積從266.7×104hm2增至1000×104hm2。至2002年，Cb、Se、Cr、Pb等重金屬污染的耕地面積接近2000×104hm2。2006年，環(huán)保部對(duì)國(guó)內(nèi)農(nóng)田土壤進(jìn)行抽查，結(jié)果表明重金屬超標(biāo)率達(dá)12.1%。在糧食、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品中，重金屬超標(biāo)情況也非常嚴(yán)重。1999～2000年廣東省對(duì)部分地區(qū)對(duì)水稻、蔬菜檢測(cè)，結(jié)果表明大部分農(nóng)產(chǎn)都受到重金屬污染。2001年江蘇省糧食產(chǎn)品的抽樣結(jié)果表明，Pb檢出率達(dá)88.1%，超標(biāo)率21.4%。中國(guó)科學(xué)院地理研究所對(duì)北京市生產(chǎn)的蔬菜調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其中30%重金屬超標(biāo)。2007年，潘根興等對(duì)全國(guó)6個(gè)地區(qū)大米的隨機(jī)抽查中發(fā)現(xiàn)，10%的大米樣品存在鎘超標(biāo)。2009年至今，共發(fā)生30余起重金屬污染重大事件。

2 重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

土壤中的重金屬會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生明顯的生物效應(yīng)，重金屬元素會(huì)使植物體內(nèi)蛋白等分子產(chǎn)生變形，生物酶活性降低，并阻礙其他必需元素的吸收，甚至直接破壞葉片內(nèi)的葉綠素。當(dāng)重金屬含量達(dá)到一定濃度時(shí)，就會(huì)使植物體內(nèi)的代謝過(guò)程產(chǎn)生絮亂，造成大量活性氧自由基，抑制其生長(zhǎng)發(fā)育，情況嚴(yán)重的則會(huì)造成植物死亡。重金屬對(duì)植物的影響主要體現(xiàn)在種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)及生理生化指標(biāo)上。

2.1 對(duì)種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)的影響

種子萌發(fā)是植物生命周期的起點(diǎn)，也是感知外界環(huán)境的最初階段。種子萌發(fā)的好壞對(duì)植物后期的生長(zhǎng)有著直接的影響。因而，重金屬脅迫下種子萌發(fā)及苗期的生長(zhǎng)狀況可以作為植物對(duì)重金屬耐性評(píng)判的重要指標(biāo)。呂篤康等人在Cr對(duì)小香蒲種子萌發(fā)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cr6+濃度為5mg/L時(shí)，小香蒲種子的萌發(fā)率略有促進(jìn)作用，而隨著濃度繼續(xù)增加時(shí)，種子的萌發(fā)及生長(zhǎng)受到抑制，且濃度越高抑制作用越強(qiáng)。李春燕等、邱麗莉等分別在小白菜和紫花苜蓿的試驗(yàn)中也得到了“低促高抑”的相似結(jié)論。此外，陳偉等人在重金屬對(duì)草坪草種子萌發(fā)的影響中還發(fā)現(xiàn)，重金屬對(duì)胚根的抑制作用要高于胚芽。

2.2 對(duì)生理生化指標(biāo)的影響

植物在受到重金屬脅迫時(shí)，能通過(guò)降低含水量，改變滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，產(chǎn)生抗氧化酶等一系列生理生化反應(yīng)來(lái)緩解重金屬脅迫帶來(lái)的傷害。因此，在重金屬污染條件下，植物體內(nèi)的POD、CAT、SOD、PPO活性及MDA、Pro、可溶性糖、Vc等含量均會(huì)受到一定的影響。不同植物在重金屬脅迫下生理生化變化規(guī)律各具特點(diǎn)。孟麗等研究Cb對(duì)日本楤木的影響中發(fā)現(xiàn)，POD和CAT活性隨Cb濃度增大呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，在2.5mg/kg-1時(shí)，POD活性顯著提高，這說(shuō)明，POD是日本楤木保護(hù)細(xì)胞免受氧化脅迫的傷害的主要物質(zhì)。邱麗莉等人則發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿在不同濃度Pb的脅迫下，SOD、CAT和POD活性均有升高，但CAT和POD的活性上升遠(yuǎn)高于SOD。楊麗，袁慶華在野生披堿草中發(fā)現(xiàn)，隨著脅迫濃度的增加，耐鎘性強(qiáng)和中等的材料葉片中SOD、POD和PPO的活性不斷升高，而耐性差的材料葉片中SOD和POD的活性則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。此外，在葉片中MDA和Pro的含量也有顯著的影響，不同材料間存在明顯差異。

3 植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究

“植物修復(fù)”一詞由Raskin于1994年提出。植物修復(fù)重金屬污染土壤是指利用植物根系的選擇吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和植物體自身的生物富集、儲(chǔ)存和降解，將土壤中重金屬固定于根部或轉(zhuǎn)變?yōu)榈投镜拇x產(chǎn)物。根據(jù)植物對(duì)重金屬吸收的特點(diǎn)，可以將將其分為3類：一是富集型植物，能積累大量重金屬于植物體內(nèi)，且地上部積累量大于地下部分；二是耐受型植物，在重金屬脅迫下能正常生長(zhǎng)發(fā)育，其重金屬富集能力弱于富集型植物；三是規(guī)避型植物，這些植物對(duì)重金屬吸收能力弱，體內(nèi)重金屬含量低。

3.1 超富集植物修復(fù)

“超富集植物”最早由Brook等在1977年提出，并由Chaney等在1983年提出將其應(yīng)用于重金屬污染修復(fù)。1989年Baker等提出超富集植物參考臨界值，Cd為100mg/kg，Co、Ni、Pb、Cu 1000為mg/kg，Zn、Mn為10000mg/kg。超富集植物在相同條件下地上部的重金屬富集含量一般為普通植物的100倍左右，根系、嫩枝葉的積累遠(yuǎn)高于土壤中重金屬的濃度，其富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1。

截至2010年，國(guó)內(nèi)外共發(fā)現(xiàn)超富集植物500多種，多數(shù)為Ni超富集植物。超富集植物在科屬形態(tài)上分布廣泛，從小型單年草

本植物到大型多年生灌木或林木，但多數(shù)為溫帶草本植物。在地域分布上，Zn和Cb超富集植物主要分布于歐洲中西部，Cu和Co超富集植物分布于非洲砂壩哈，Cr超富集植物分布在津巴布韋，Se超富集植物主要分布于我國(guó)。在我國(guó)，超富集植物已發(fā)現(xiàn)的數(shù)量很少。因此，發(fā)掘新的超富集植物是我國(guó)修復(fù)重金屬污染土壤急需解決的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)超富集植物的篩選取得了一定的進(jìn)展，但主要集中于礦區(qū)和冶煉區(qū)。李榜江等在極端酸性土壤通過(guò)對(duì)蜈蚣草植株體內(nèi)重金屬含量分析，得出蜈蚣草對(duì)重金屬Cb的富集系數(shù)達(dá)到5.0，可以在煤礦廢棄地作為植物修復(fù)的首選物種。何東等[4]對(duì)湖南下水灣鉛鋅尾礦庫(kù)優(yōu)勢(shì)植物重金屬含量研究發(fā)現(xiàn)，地枇杷地上部分Pb含量為正常含量上限值的4.01倍，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)達(dá)到3.91，富集系數(shù)達(dá)到14.4。侯洪波等研究紫莖澤蘭和鬼針草對(duì)重金屬鉻的競(jìng)爭(zhēng)富集作用發(fā)現(xiàn)，紫莖澤蘭和鬼針草能很好的富集Cr，分別達(dá)到2594.079mg/kg和3688.753mg/kg，富集系數(shù)均＞1，是鉻元素的超級(jí)富集植物。另外，陳一萍對(duì)我國(guó)現(xiàn)有重金屬超富集植物進(jìn)行了總結(jié)，包括圓葉遏藍(lán)菜、苧麻、東南景天、蜈蚣草、鬼針草和香附子等。

3.2 耐受性植物修復(fù)

超富集植物對(duì)重金屬污染土壤具有很好的修復(fù)效果，但大多數(shù)為野生型植物，存在著生物量低、生長(zhǎng)緩慢、植株矮小等不足，另外，對(duì)氣候條件比較苛刻，區(qū)域性分布很強(qiáng)，難以進(jìn)行引種，因而限制了修復(fù)效率。因此，國(guó)內(nèi)外專家開始尋找對(duì)重金屬耐性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、生物量大的耐性植物。重金屬耐受性植物與超富集植物相比，體內(nèi)重金屬含量很低，多數(shù)地下部富集能力大于地上部，但生物量及生長(zhǎng)速度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超富集植物，所以在相同時(shí)間內(nèi)耐受型植物體內(nèi)所積累的重金屬量反而比超富集植物高，對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)作用更大。

3.3 規(guī)避型農(nóng)作物篩選

面對(duì)我國(guó)耕地面積少，受重金屬污染比例大，農(nóng)產(chǎn)品需求日益緊張的實(shí)情，大面積重金屬污染農(nóng)田實(shí)行休耕而進(jìn)行植物修復(fù)是不現(xiàn)實(shí)的。因此，在重金屬污染土壤修復(fù)的同時(shí)如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)利用顯得非常重要，而篩選低重金屬積累的作物種類及品種是利用污染土地的關(guān)鍵所在。

楊中藝等人提出了“污染對(duì)策品種”和“污染對(duì)策育種”的概念，概念提出的依據(jù)則是不同作物及品種間吸收重金屬的差異。吳大付等人通過(guò)檢測(cè)重金屬污染地區(qū)中糧食、蔬菜、和水果中的重金屬含量發(fā)現(xiàn)，蔬菜對(duì)重金屬的吸收能力最強(qiáng)，水果最低，糧食類作物居中。趙本行等通過(guò)大豆對(duì)重金屬Cb的富集研究發(fā)現(xiàn)，大豆植株不同部位對(duì)Cb的吸收能力不同：根部＞秸稈＞葉部＞果實(shí)。曾翔等在水稻種中，不同品種種子的萌發(fā)對(duì)Cd的敏感性存在差異，粳稻＞秈稻＞雜交稻；三系不育系＞兩系不育系，并且種子萌發(fā)后對(duì)Cd的富集能力表現(xiàn)為秈稻＞粳稻，雜交稻＞常規(guī)稻。吳啟堂等在對(duì)20多個(gè)品種水稻吸收積累Cd的研究發(fā)現(xiàn)，品種間Cd含量差異在1倍以上，且同一品種中不同器官Cd積累量呈現(xiàn)出根＞莖＞葉＞籽粒的規(guī)律。由此可見，在輕度污染的土壤中，通過(guò)選擇重金屬規(guī)避型作物或品種生產(chǎn)出符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)產(chǎn)品是可行的。

4 重金屬污染土壤綜合治理及利用研究展望

植物修復(fù)技術(shù)在治理重金屬污染土壤中具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在著一些局限性。首先，植物修復(fù)是一個(gè)緩慢的過(guò)程，目前的超富集植物種類不多，植株矮小，生產(chǎn)緩慢，且一種植物往往只對(duì)某種特定的重金屬具有富集能力，總體效率不高；其次，植物在吸收大量重金屬元素之后其枯枝落葉會(huì)重新回到土壤環(huán)境中，收集的植物殘?bào)w處理技術(shù)復(fù)雜，成本昂貴；另外，植物修復(fù)易受當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤性質(zhì)等外界因素的影響，外來(lái)修復(fù)植物的引進(jìn)還可能造成物種入侵，破壞生態(tài)平衡。因此，面對(duì)我國(guó)重金屬污染面積廣，污染種類及程度復(fù)雜的現(xiàn)狀，單一的植物修復(fù)技術(shù)是不夠的。在充分利用植物修復(fù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還必須結(jié)合其他手段來(lái)實(shí)現(xiàn)重金屬污染土壤的綜合治理和利用。

4.1 因地制宜，合理選擇植物種類

不同植物吸收重金屬的種類及能力存在差異，在進(jìn)行植物修復(fù)前應(yīng)當(dāng)先掌握當(dāng)?shù)刂亟饘傥廴镜姆N類及程度，根據(jù)污染情況合理的選擇植物種類。如在重度污染地區(qū)，外來(lái)植物難以生存的條件下，應(yīng)篩選生存力強(qiáng)、當(dāng)?shù)胤植紡V泛、重金屬吸收能力強(qiáng)的超富集植物或耐受型植物，快速、大量的將土壤中的重金屬吸收并固定于植物體類，避免因雨水及人為因素?cái)U(kuò)大其污染范圍；在中度污染方便耕作的區(qū)域，可優(yōu)先選擇生物量大、生長(zhǎng)快速、重金屬含量高、遠(yuǎn)離食物鏈的能源、經(jīng)濟(jì)作物，做到污染土地治理與利用的結(jié)合；面對(duì)大面積輕度污染的農(nóng)田土地，我們可以選擇低積累的規(guī)避型農(nóng)作物，同時(shí)利用超富集植物加以套作或間作，以期來(lái)實(shí)現(xiàn)不間斷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的治理方法。然而，當(dāng)前重金屬超富集植物的種類還不多，規(guī)避型農(nóng)作物品種也稀缺。因此，發(fā)掘生物量大、生長(zhǎng)快速、適應(yīng)性廣的超富集植物與加強(qiáng)“污染對(duì)策育種”是最需要解決的問(wèn)題。

4.2 轉(zhuǎn)基因技術(shù)的利用

目前，植物基因工程技術(shù)已取得了階段性的突破。隨著植物積累重金屬機(jī)理的不斷研究，關(guān)鍵耐受基因的不斷確定，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)來(lái)提高植物對(duì)重金屬的積累及耐受能力是非常有效的。Caramina等將小麥TaPCSI基因?qū)霟煵葜邪l(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株對(duì)Pb、Cb的耐性顯著增加，在1572mg/L的Pb濃度下，重金屬積累量為野生種的2倍。周慧等將重金屬結(jié)合蛋白基因hmbp轉(zhuǎn)入擬南芥中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植物在氯化鎘處理?xiàng)l件下，其可溶性糖含量及SOD、POD活性顯著增加，MDA含量增加相對(duì)較少，葉綠素含量減少較少，hmbp轉(zhuǎn)基因擬南芥對(duì)鎘的抗逆性得到提升。

4.3 螯合劑、改良劑使用

重金屬污染土壤的修復(fù)及農(nóng)業(yè)利用主要從兩個(gè)方面入手，一是利用植物吸收土壤中的重金屬離子，減少土壤中重金屬元素的整體含量；二是利用植物對(duì)重金屬離子的規(guī)避型，減產(chǎn)土壤中重金屬元素向食物鏈中積累。因此，在利用化學(xué)手段改變土壤中重金屬離子狀態(tài)時(shí)也面臨著兩個(gè)不同的方向。

當(dāng)利用超富集植物或耐受性植物進(jìn)行重金屬富集時(shí)，需要使重金屬?gòu)慕Y(jié)合態(tài)向水溶態(tài)、交換態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，促進(jìn)植物的吸收。主要化學(xué)試劑包括EDTA、EDDS、HEDTA、DTAP、EGTA等螯合劑。Seth等發(fā)現(xiàn)，利用500ug/L的EDTA處理鉛污染土壤28天后，向日葵地上部和地下部的鉛含量分別提高了135ug/g和575ug/g，土壤中鉛毒性明顯減弱。白薇揚(yáng)等[4,5]通過(guò)生物螯合劑EDTA與非生物螯合劑EDDS聯(lián)合使用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)螯合劑的存在明顯增加了植物重金屬Pb、Cu、Cb的富集系數(shù)。

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范占煌（1980—），男，漢族，福建龍巖，碩士研究生，主要從事污染土壤修復(fù)技術(shù)研究。

國(guó)家863計(jì)劃“電子垃圾拆解場(chǎng)地重金屬-有機(jī)污染物協(xié)同控制與生物修復(fù)技術(shù)與示范國(guó)家支撐計(jì)劃”（2012AA06A203）。