搜索
苏州科技大学《重金属土壤植物修复技术研究综述》姓名李顺成学号13200207112专业名称环科1311指导老师牟子平史广宇提交日期2016年5月19日摘要：目前，土壤是人类活动的基础，但是越来越多的土壤被重金属污染，同时重金属土壤引发的事故愈发频繁，严重影响公众的健康。而植物是一种安全，并且对重金属土壤修复有显著效果的途径。通过一些发表的论文及重金属物土壤的探讨，对重金属土壤植物修复技术研究作一篇综述。关键词：重金属；土壤；植物修复Atpresent,thesoilisthefoundationofhuman’sactivity,butanumberofsoilispollutedby.Meanwhileheavymetalsoilcausedaccidentsbyheavymetalfrequently,anditmakeshunman’healthbad.Butplantsisasafemetalandsoilrepairhasthesignificanteffectofheavymetals.Throughsomeofthepapersarepublishedandheavymetaliscontentedinsoil,thephytoremediationtechnologymakeareview.Keywords：soil;heavymetal;phytoremediation1前言1.1土壤重金属污染事件及治理方向近年来我国已经发生多起重大的重金属污染事件，严重威胁人民群众的生命健康。以重金属镉为例，长期接触一定剂量的镉会造成肾脏损害，进而导致骨质疏松和软化。1931年发生在日本富山县的“痛痛病”是镉中毒的典型案例。近年来，我国重金属污染事件频发，如2005年的广东北江韶关段镉严重超标事件，2006年的湘江湖南株洲段镉污染事故，2009年的湖南省浏阳市镉污染事故，2009年陕西凤翔县数百名儿童血铅超标、湖南武冈市数百名儿童血铅超标、广东清远市数十名儿童铅中毒，2011年云南曲靖铬污染事件，2012年广西河池龙江河镉污染事件等。土壤是人类一切活动的基础。我国耕地资源极为缺乏，人均占有耕地仅为世界平均水平的40％，而随着工业化、城镇化的快速推进，每年还要减少600万一700万亩。目前我国土壤已受到严重破坏，根据环保部2014年初发布的调查公告显示，受污染的耕地约有1．5亿亩，固体废弃物堆存占地和毁田200万亩，耕地退化面积占耕地总面积的40％以上，土壤有机质含量下降．严重影响了耕地产出，保护土壤刻不容缓。而植物修复技术可应用于受重金属污染的土壤修复．并且作为一种生态效益高、成本低的污染治理手段有着广阔的应用前景，显示出了较强的实用性和实效性。2植物修复技术方法广义的植物修复技术（Phytoremediation）是指利用植物提取、吸收、分解、转化和固定土壤、沉积物、污泥、地表水及地下水中有毒有害污染物技术的总称。植物修复技术不仅包括对污染物的吸收和去除，也包括对污染物的原位固定和转化，即植物提取技术、植物固定技术、根系过滤技术、植物挥发技术和根际降解技术。与重金属污染土壤有关的植物修复技术主要包括植物提取、植物固定和植物挥发。植物修复过程是土壤、植物、根际微生物综合作用的效应，修复过程受植物种类、土壤理化性质、根际微生物等多种因素控制。2.1植物提取植物提取（Phytoextraction）是指利用超积累植物吸收污染土壤中的重金属并在地上部积累，收割植物地上部分从而达到去除污染物的目的。植物提取分为两类，一类是持续型植物萃取（Continuousphytoextrac－tion），直接选用超富集植物吸收积累土壤中的重金属；另一类是诱导性植物提取（Inducedphytoexrac－tion），在种植超积累植物的同时添加某些可以活化土壤重金属的物质，提高植物萃取重金属的效率。超积累植物（Hyperaccumulator）是指相对于普通植物能从土壤或水体中吸收富集高含量的重金属，并具有将重金属从植株的地下部向地上部大量转运的特殊能力，表现出很高的富集系数。超富集植物的界定一般有3个：（1）植物地上部重金属浓度积累达到一定临界值；（2）生物富集系数（地上部重金属浓度/土壤重金属浓度）1；（3）转运系数（地上部重金属浓度/地下部重金属浓度）1。植物提取技术的关键是超富集植物的筛选，目前世界上发现超富集植物400多种。关于植物提取技术的研究近年来成为科学界的研究热点，在实际污染场地的工程应用中也得到了推广应用。凤尾蕨属的蜈蚣草（PterisvittataL.）是世界上首次发现的As超富集植物[1]，对As具有超强的富集能力，通过刈割可以提高其对砷的去除能力。陈同斌等已在湖南郴州建立了世界上第一个砷污染土壤的植物修复工程示范基地。后来相关调查和试验研究发现凤尾蕨属的大叶井口边草（PteriscreticaL.）和粉叶蕨（Pityrogrammacalomelanos）也是砷的超富集植物[2]。中科院华南植物园张杏峰等开展牧草对重金属污染土壤修复潜力的研究，发现杂交狼尾草（Pennisetumamericanum（L.）Leeke×P.purpureumSchumach）和热研11号黑籽雀稗（Paspalumatratumcv.ReyanNo.11）可作为植物提取技术的优良草种，前者可修复Cd和Zn污染土壤，后者可修复Cd污染土壤[3]。研究表明EDTA和EDDS是强化植物提取重金属的高效螯合剂，添加EDTA可导致龙葵叶部、茎部和根部Zn浓度分别提高231%、93%和81%；添加EDDS导致龙葵叶部、茎部和根部Zn积累浓度分别提高140%、124%和104%[4]。此外，天然螯合剂柠檬酸、草酸、酒石酸等也可以提高植物提取重金属的效率。2.2植物固定植物固定（Phytostabilization）是指利用植物根系固定土壤重金属的过程。重金属被根系吸收积累或者吸附在根系表面，也可通过根系分泌物在根际中被固定。此外，植物根际微生物（细菌和放线菌）通过改变根际土壤性质（如pH和Eh）而影响重金属在根际的化学形态，也有利于降低重金属对植物根系的毒性[5]。植物固定可降低土壤中重金属的移动性和生物有效性，阻止重金属向地下水和空气的迁移及其在食物链的传递。植物固定技术并非真正意义上从土壤中去除重金属，只是将重金属固定在植物根部或根际土壤中，因此开展修复土壤的长期监测是必须的。植物固定对干旱、半干旱区的尾矿堆置地修复具有广阔的应用前景，可以实现此类污染场地的植被重建[6]。串叶松香草（SilphiumperfoliatumLinn）可应用于Cd污染土壤的修复[7]。2.3植物挥发植物挥发（Phytovolatilization）是指利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的Se、Hg、As等转化为挥发形态以去除其污染的一种方法。植物挥发技术适用于修复那些Se、Hg、As污染的土壤。在Se污染土壤中种植芥菜可以通过挥发形式去除土壤Se[8]。洋麻可使土壤中三价硒转化为挥发性的甲基硒从而达到去除的目的[9]。种植烟草可以使土壤中的汞转化为气态的汞而把土壤中的汞去除[10]。气态Se、Hg、As等挥发到大气中易引发二次污染，因此要妥善处置植物挥发产生的有害气体。植物修复技术较传统的物理、化学修复技术具有技术和经济上的双重优势，主要体现在以下几个方面：（1）可以同时对污染土壤及其周边污染水体进行修复；（2）成本低廉，而且可以通过后置处理进行重金属回收；（3）具有环境净化和美化作用，社会可接受程度高；（4）种植植物可提高土壤的有机质含量和土壤肥力。但是植物修复技术也有缺点，如植物对重金属污染物的耐性有限，植物修复只适用于中等污染程度的土壤修复；土壤重金属污染往往是几种金属的复合污染，一种植物一般只能修复某一种重金属污染的土壤，而且有可能活化土壤中的其他重金属；超富集植物个体矮小，生长缓慢，修复土壤周期较长，难以满足快速修复污染土壤的要求。目前，基因工程技术可以克服上述植物修复技术上的某些弱点，但采用基因工程技术培育转基因植物用于重金属污染土壤的修复尚处于比较有争议的阶段，转基因植物容易诱发物种入侵、杂交繁殖等生态安全问题[11]。2.4化学诱导植物修复技术强化修复化学诱导植物修复技术是指通过向土壤中施加化学物质，来改变土壤重金属的形态，提高重金属的植物可利用性来提高重金属的去除效果[11]。在化学诱导植物修复技术中，使用最多的化学物质是螯合剂，其余依次为酸碱类物质、植物营养物质、共存离子物质以及近年来新出现的植物激素、腐质酸、表面活性剂等。这里着重探讨螯合剂，表面活性剂对植物修复的强化作用。向土壤中添加螯合剂诱导植物修复的基本原理是扰动污染物在土壤液相浓度和固相浓度之间的平衡。当螯合剂投加到土壤后，其和土壤重金属发生螯合作用，能够形成水溶性的金属—螯合剂络合物，改变重金属在土壤中的赋存形态，提高重金属的生物有效性，进而可以强化植物对目标重金属的吸收[12-13]。常见的螯合剂种类有两类：一类是人工合成的螯合剂，主要有EDTA、HEDTA、CDTA、EGTA等；第二类是天然的螯合剂，主要包括柠檬酸、苹果酸等一些低分子量有机酸和无机化合物如硫氰化铵等。Piechalak等[14]报道在200mg/kgPb的土壤中，添加292mg的EDTA，同对照相比，豌豆对Pb的富集量增加了67%。HongChen等[15]研究的结果表明，添加EDTA、HEDTA后向日葵茎叶中Cd、Ni的含量由不添加时的34mg/kg、15mg/kg分别增至115mg/kg、117mg/kg；1.0mg/kg的HEDTA和EDTA对土壤Ni的活化效果要比0.5mg/kg的EDTA和HEDTA好。由此可见，螯合剂种类用量是影响螯合强化修复效率的重要因素。不同螯合剂对重金属有一定的选择性，根据土壤重金属污染状况，选择合适的“重金属—螯合剂”组合将会显著提高螯合强化修复的效率。表面活性剂是一种亲水亲脂性化合物，增加细胞的膜透性，它的两亲性使之能与膜中成分的亲水和亲脂基团相互作用，从而改变膜的结构和透性，促使植物对重金属的吸收。利用表面活性剂强化植物修复土壤重金属污染是建立在表面活性剂、重金属、土壤、植物四者之间的关系的基础上的。在含Cd、Cu、Zn分别为25mg/kg、30mg/kg、700mg/kg的土壤上种植莴苣与黑麦草，用表面活性剂处理后，3种重金属在地上部分的含量比对照增加了4～24倍，但生物量有所下降[16]。王莉玮和陈玉成等[17-18]研究发现，联合使用表面活性剂和螯合剂，通过二者对土壤重金属的活化作用，以及表面活性剂增强植物根系对重金属螯合物透性的作用，可以显著促进植物对重金属的吸收和向地上部转运。尽管添加螯合剂和表面活性剂具有强化植物修复的效果，但其应用还存在潜在的环境风险和不利因素。当二者施用浓度过高会对土壤微生物和植物产生毒性，抑制植物的生长，并引起重金属淋溶下渗到地下水导致地下水的污染。因此可考虑采用易降解、无毒性的表面活性剂，如生物表面活性剂。2.5基因工程技术强化修复随着生命科学理论和分子生物学技术的迅猛发展，基因工程技术被认为是改良植物对重金属耐性和富集能力的一条有效途径，并成为强化植物修复领域最具有潜力的发展方向之一。基因工程技术将金属螯合剂、金属硫蛋白（MTs）、植物螯合肽（PCs）和重金属转运蛋白基因等转入超积累植物，能有效增加植物对金属的提取，从而提高植物修复的效率。2.6农艺措施强化修复技术2.6.1土壤施肥强化修复施肥是传统农艺措施的重要组成部分，将其用于强化重金属污染土壤的植物修复，可促进植物生长，提高植物生物量，进而提高植物累积重金属总量[20]。肥料主要通过和重金属的相互作用，影响土壤对重金属的吸附解析，改变土壤重金属的形态，进而改变重金属在土壤中的活性，影响植物对其吸收、积累[21]。在施肥强化植物修复研究中常用的肥料有氮、磷、钾肥和复合有机肥以及CO2气肥等。席磊[22]研究发现CO2施肥促进了向日葵和印度芥菜的生长和发