土壤重金属污染植物修复研究进展
土壤学 兰兴梅 S20152806
摘要：植物修复是一项新兴的绿色环保重金属污染物修复技术。本文在概述我国土壤重金属污染物的种类和污染现状的基础上，阐述了植物修复类型与机理、植物修复影响因素、植物修复的限制因素，并提出提高修复效率的手段，最后对重金属污染物植物修复进行了展望。 关键词: 重金属；土壤污染；植物修复
土壤是人类及众多生物赖以生存发展的物质基础之一。污染物通过水体、大气间接或直接进入土壤中，当其积累到一程度、超过土壤自净化能力时，土壤的生态服务功能将降低，进而对土壤动、植物以及微生物产生影响[1]。在经济全球化的大背景下，工业化和城镇化迅速发展，土壤污染日益严重[2]。重金属是土壤重要污染物之一，它在土壤中迁移转化，易于被植物或微生物吸收利用，继而通过食物链进入人体，引起各种生理功能改变，导致各种急慢性疾病，如慢性中毒、致癌和致畸等。同其他种类的污染物相比，重金属污染具有隐蔽性、毒性大、长期性和不可逆转性等特点[3]。如何防治土壤重金属污染已成为我国乃至全球的研究焦点。
物理、化学及生物的方法都可用于修复重金属污染土壤，但是植物修复长期以来被公认为是净化水土资源的一种绿色环保的方法[4]，它是一种能让土壤免受扰动、绿色、生态友好的生态修复技术。近年来，对重金属植物修复技术的研究，特别是耐重金属和超富集植物及其根际微生物共存体系的研究、根际分泌物在微生物群落的进化选择过程中的作用、以及根际物理化学特性研究方面已经取得了重要进展[1]。鉴于土壤重金属污染严重以及植物修复技术的重大意义，本文将从我国土壤重金属污染现状、植物修复技术以及植物修复技术的限制性因素三个方面进行综述，以期为该领域的深层次研究提供参考。
1我国土壤重金属污染物来源及污染现状
1. 1 土壤重金属污染物种类及来源
重金属是指密度在 4. 0 以上的 60 种元素或密度在 5. 0 以上的 45 种元素，通常可以分为以下 3 类：(1) 具有生物毒性的金属汞( Hg) 、镉( Cd) 、铅
( Pb) 、铬( Cr) 、铜( Cu) 、锌( Zn) 、钴( Co) 、镍( Ni) 、锡( Sn) 、钒( V) 以及类金属砷( As) 、硒( Se) 等；贵重金属如( Au) 、银( Ag) 、铂( Pt) 、钯( Pd) 、钌( Ｒu)等; ( 3) 放射性金属铀( U) 、钍( Th) 、镭( Ｒa) 、镅( Am) 等[5]。重金属污染物来源广泛，我国重金属污染物主要来及采矿、冶炼、金属加工等工业排放的三废和农业上化肥和农药残留。我国主要重金属污染物来源详见表1。
表 1 我国主要土壤重金属污染物及来源 Tab.1 Main heavy metal pollutant and its resources
主要污染物 汞 Hg 镉 Cd 铬 Cr 铅 Pb 砷 As 镍 Ni 银 Ag 铜 Cu 锌 Zn
1.2我国重金属污染现状
2014年4月17日，环保部和国土资源部联合发布的 《全国土壤污染状况调查公报》指出，我国耕地土壤环境质量堪忧[6]。调查结果显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。我国受重金属污染耕地面积逐年增长，1980年污染耕地面积266.7万公顷，1988年增加到666.7万公顷，1992年增加到1000万公顷[7]。重金属已成为土壤中长期存在的“毒瘤”，据不完全统计，我国每年因土壤金属污染而损失的粮食产量达1000万吨，直接经济损失达2000多亿元人民币。中国环境监测总站的资料显示，我国土壤重金属污染中最严重的是镉污染、汞污染、血铅污染和砷污染。近年来发生的重金属污染事件很多，2006年湖南湘江株洲镉
来源
采矿业，化工业，电子工业，仪表制造业，冶金工业
冶金业，电镀业和颜料、涂料工业
铁路工业、耐火材料工业，电镀工业，皮革工业和染料、颜料
等工业 农业 采矿业和冶金业
电镀业，采矿、冶金、石油化工、纺织、印刷业等
电镀业和照相业 采矿业及冶金业
采矿业，冶金业，造纸业，机械制造业等
污染；2007年太湖、巢湖、滇池爆发蓝藻危机；2009年、2010年多地曝出的血铅超标事件；2012年初广西龙江镉污染；2014广西大新县重金属污染等。经统计，我国24个省(市) 城郊、污水灌溉区、工矿等经济发展较快地区的320 个重点污染区中，污染超标的大田农作物种植面积为60.6 万公顷。重金属通过土壤影响食品安全性，进而影响人类的生命安全，如何高效快速地修复重金属污染土壤成为了我国农业可持续发展急需解决的问题。
2植物修复
2.1植物修复产生与发展
“植物修复”(Phytoremediation)是指将某种对污染元素具有特殊吸富的植物种植在该元素污染的土壤上,并将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收)后即可将该种重金属移出土体，达到污染治理与生态修复的目的。1583年意大利植物学家Cesalpino首次发现在意大利托斯卡纳“黑色的岩石”上生长的特殊植物，这是有关超富集植物(Hyperaccumulator)[8]的最早报道。1977年，Brooks提出了超富集植物的概念( hyperaccumulator)[9]。1983年，Chaney首次提出了利用超富集植物清除土壤中重金属污染物的思想。以后的研究证明这些植物是一些地方性的物种[10]，其区域分布与土壤中某些重金属含量呈明显的相关性[11,12]。 2.2植物修复类型与机理
2.2.1植物修复污染土壤的途径和调控机制
根据其作用过程和机理，重金属污染土壤的植物修复技术可分为植物提取(phytoextraction)、植物挥发(phytovolatilization)和植物稳定(phytostabilization)三种类型(表2）。
（1）植物提取是指利用一些对重金属具有较强富集能力的特殊植物从土壤中吸取重金属，将其转移、贮存到地上部并通过收获植物地上部而去除土壤中污染物的一种方法[13]。该方法适合于从污染的土壤中去除如Pb、Cd、Ni、Cu、Cr、V或土壤中过量的营养物质如NH4、NO3等[14]。通过连续种植超积累植物即可将土壤中的重金属降到可接受的水平。比如，芥菜能够从土壤中吸收Pb、Cu和Ni等重金属物质并将其转移到地上部分，吸收重金属物质的量通常能够达到自身干重的1-9%[15]。植物提取土壤污染物的过程和机制由4部分组成：①土壤中重金属污染物的释放，不同形态的土壤重金属污染物相互作用和转换后达到平衡
状态，转换为容易被植物根系吸收的重金属污染物；②根系对重金属污染离子的吸收；③引起重金属污染的离子从根向地上部运输；④植物地上部累积重金属污染离子。植物提取法不仅能够有效降低土壤中重金属污染物的含量，而且能够实现金属物质的回收利用，因此被认为是最经济有效的植物修复手段。
（2） 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某些重金属转化为挥发形态，或者植物将某些重金属吸收到体内后将其转化为气态物质释放到环境空气中。研究表明，花椰菜能够吸收土壤中的Se并将其以甲基硒酸盐的形式挥发[16]，故能够有效减少土壤中Se的含量。然而这种方法只是改变了污染物存在的介质，释放到大气中的污染物将产生二次污染问题，仍会对人体造成伤害，故对环境安全存在一定风险。
（3）植物稳定是通过耐重金属植物及其根际微生物的分泌作用螯合、沉淀土壤中的重金属，以降低其生物有效性和移动性，达到固定、隔绝、阻止重金属进入食物链的途径和可能性，减少对环境和人类健康危害。试验证明，Agrostis tenuis和Festuca rubra能够稳定土壤中的Pb和Zn，但在稳定过程中，土壤中重金属的含量并没有减少，只是存在形态发生改变。当环境条件发生变化时，土壤中重金属可能会重新获得生物有效性。因此，这种方法不能彻底解决土壤中重金属污染问题。
表 2 重金属污染土壤的植物修复技术比较 Tab.2 Comparison of different phytoremediation approaches
植物修复技术
类型 植物稳定
优 点
缺 点
降低金属流动性，从而降低生物可利用不能彻底去除土壤中
性
无须对植物进行产后处理
能够积累高浓度的重金属元素，实现金
属的回收利用
重金属离子 重金属转移到空气中，
造成二次污染 地上部分处理问题
植物挥发
植物提取
2.2.2超累积植物对污染物的富集及解毒机理
（1）活化。土壤中重金属污染物主要难溶态形式存在，故需要将其转化为可吸收态才能被植物吸收。超累积植物主要通过3种形式对土壤重金属污染物进行活化：①通过根系分泌的酸性物质强化植物根系对重金属污染元素的活化和吸收；②植物根系直接分泌污染物结合蛋白等与重金属污染物螯合；③植物通过体内污染物还原酶将高价重金属污染离子还原，增大重金属污染物在土壤中的溶解性，便于植物根系对其吸收[17]。
（2）解毒。重金属污染物对植物的毒害作用主要表现为两个方面：①重金属污染物离子能与酶活性中或蛋白质中的巯基结合，使细胞代谢紊乱。②重金属污染物会干扰细胞中物质的运输，并通过氧化还原反应而使细胞发生氧化损伤。超累积植物的解毒机制即通过细胞壁将重金属污染物沉淀，从而降低重金属污染物对植物体的生理毒性。重金属污染物主要与植体内各种蛋白结合而产生毒性，而超累积植物根系能够分泌较普通植物多的有机酸类物质并与重金属离子形成螯合物，降低重金属的毒性。也有一些研究表明，超累积植物通过液泡的房室化作用起到对重金属的解毒效果[18]。
表3某些植物种对重金属的超富集状况及其来源[20] Tab.1 Some plant hyperaccumulators of heavy metals and references
重金属元素Heavy metals
植物种 Plants
叶片中重金属Cont.in leaves(mg/kg
)
发现地点Location found
文献来源References
Reeves
Zn
遏蓝菜属(Thlaspi calaminare)
39600
德国 &Brooks(1
983)
Cd
遏蓝菜属(Thlaspi caerulescens)
1800
宾西法尼亚 扎伊尔)
Li,et al.(1977) Brooks,et al.(1978）
Cu Aeollanthus biformifolius 13700
Ni 叶下珠属(Phyllanthus serpentinus) 38100
新喀里多Kersten,et 尼亚
al.(1979)