土壤重金属污染的植物修复

张 蕾，杨 航，鲁 雪，钱 宁

（松辽流域水资源保护局，吉林 长春 130021）

随着城市化、工业化、农业化的进程加快，城市垃圾[1]产量、汽车尾气排放、矿山开采中大量酸性矿井水的排放和尾砂矿的堆砌[2]，以及农业的集约化经营，使重金属污染环境的问题越来越受到人们的关注。特别是重金属引起的土壤污染也日益成为环境、土壤科学家们研究的热点问题。因为重金属在土壤中的自然净化过程十分漫长，一般需要上千年时间，因此其污染具有隐蔽性、不可逆性和长期性等特点，而土壤被重金属污染后，不仅直接影响作物的产量和品质，还可通过食物链影响人体健康和安全。据估计，过去50年中全球排放到环境中的 Cd 达到 2.20×104t、Cu 约 9.39×105t、Pb为 7.83×105t、Zn 为 1.35×106t[3]。因此重金属污染土壤的治理已成为当前急需解决的重大课题。

早在1983年，Chancy便提出了利用超富集植物清除土壤中重金属污染的思想，即植物修复[4]。它实际上是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上，而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收割，焚烧后回收重金属即可将该种重金属移出土壤，达到污染治理与生态恢复的目的。

重金属分为必需元素和非必需元素，某些重金属如Cu、Zn是植物生长的必需元素，但是无论是必需元素还是非必需元素，当含量超过某一数值时，都会对植物产生毒害作用，轻则植物体的代谢过程发生紊乱，生长发育受阻，重则导致植物死亡。然而，仍有一些植物能生长在富含重金属的土壤中，这些植物本身能从代谢、遗传、形态特征等方面形成一系列特定的耐性机制，以适应变化了的环境。

据统计，到目前为止，世界上已发现的超积累植物有500多种，多为十字花科植物，主要有遏蓝菜属、九节木属、蓝云英属植物。

1 植物修复机理

重金属的植物修复有两种途径：一是通过植物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定，降低其在土壤中的移动性和生物可利用性；二是通过植物吸收、挥发，达到对重金属的削减、净化和去除的目的。根据植物修复重金属污染土壤的作用过程和机理，可分为宏观研究和微观机理：

1.1 植物修复的方式

1）植物稳定。植物稳定技术指利用植物根际的一些特殊物质，使土壤中的污染物转化为相对无害物质的一种方法。

适用于固化污染土壤的理想植物应是一种能忍耐高含量污染物、根系发达的多年生常绿植物。这些植物通过根系分解、沉淀、螯合、氧化还原等多种过程，可使污染物惰性化。实际上，此种方法与植物挥发技术类似，区别在于植物挥发技术将污染物迁出土壤，而植物稳定技术只是将其转化为相对环境友好的形态。如植物通过分泌磷酸盐与铅结合成难溶的磷酸铅，使铅固化而降低铅的毒性。Cr6+具有较高的毒性，而Cr3+非常难溶，基本没有毒性。植物能使Cr6+转变为Cr3+，使其固化。目前，主要用于矿区污染土壤的修复。

2）植物挥发。植物挥发技术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某些重金属转化为挥发形态，或者植物将污染物吸收到体内后，将其转化为气态物质释放到大气中，以去除其污染的一种方法。如烟草能使毒性大的2价汞转化为气态的单质汞；一些转基因植物也能将有机汞和无机汞盐转化为气态单质汞；洋麻可使土壤中的3价硒转化为甲基硒挥发去除；海藻能吸收并挥发砷。

3）植物提取。重金属富集能力较高的植物（重金属超累积植物）通过吸收和转运的过程，将重金属富集在可收割的部位，然后将植物富集部位进行收割并经过热、微生物、物理或化学的处理，使土壤中重金属含量降低到可接受水平的一种方法。目前认为植物提取是最有效而技术上最难实施的植物修复技术。

4）植物促进。植物本身不能吸收重金属，但植物的根系分泌物如氨基酸、糖、酶等物质能促进根系周围土壤的微生物的活性和生化反应，有利于重金属的释放和微生物的吸收。也有研究显示，在植物修复过程中施加螯合剂，可以增加植物对金属的积累浓度。如EDTA和EDDS（乙二胺二琥珀酸）等，螯合剂能够显著增加Cu、Pb、Zn和Cd等重金属在土壤溶液中的溶解度。

1.2 修复机理

1）离子区隔化作用。植物能够将进入其细胞内的重金属离子屏蔽进入液泡内。在这一过程中液泡膜上的重金属离子与氢离子反向转运蛋白和依赖于ATP的质子泵起着主要的作用。

2）螯合作用。螯合作用是指植物体内的重金属离子配体(蛋白)对其具有高度特异性的亲和作用以形成复合体，从而减少自由重金属离子在植物体内的浓度和降低其毒性。

3）生物转化作用。进入植物体内的重金属离子由于被还原或被整合到有机物质中去了，从而大大的降低其毒性。

4）细胞修复机制。即植物细胞能够修复其被重金属离子破坏的细胞膜而恢复正常的生物学功能。

2 植物修复的优势与局限性

2.1 植物修复的优势

植物修复是生物治污工程中一个非常有效、独特的治理技术，与物理的、化学的和微生物的处理技术比较，有其独到的优点。

1）植物修复可在对污染的土壤进行修复的同时，也净化了空气和水体，改善周围的环境，是土壤无扰动的原位处理技术。

2）植物固化使地表长期稳定，可控制风蚀、水蚀、减少水土流失，有利于生态环境的改善和野生生物的繁衍。

3）植物修复费用比物理化学处理费用低很多。

2.2 植物修复的局限性

1）受到根系伸展深度的限制，植物修复只适用于表土或浅层地下水的污染的治理。

2）受到污染物生物有效性和污染物向地上部转运效率的限制，耗时一般较长，因而植物修复更适合于受轻度污染的土壤。

3）一种植物通常只忍耐或吸收一、两种重金属元素，对其他浓度较高的重金属可能表现出某些中毒症状，从而限制了在多种重金属复合污染土壤治理方面的应用。

4）因重金属超富集体是在重金属胁迫环境下，长期诱导和驯化下形成的适应性突变体，往往生长缓慢，植株矮小，生物量低。所以植物修复过程比物理化学过程缓慢，相应的治理的周期长、效率不高。

5）对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉系统等自然条件和人工条件有一定的要求，区域性分布较强，引种受到限制。另外，植物受病虫害袭击时会影响其修复能力。

6）用于净化重金属的植物往往会通过腐烂、落叶等途径，使重金属元素重返土壤，需要在植物落叶前收割植株，并将其及时无害化处理。

7）用于修复污染土壤的植物应尽量避免选取可食用植物，并防止植物吸收有害元素，以防止昆虫、草食性动物如牛、羊等牲畜在这些地方觅食后可能会对食物链带来的污染。

8）植物稳定只是暂时将土壤中的重金属固定，使其对生物不产生毒害作用，并不能彻底解决环境中的重金属污染问题。

9）植物挥发修复技术只限于挥发性重金属的修复，应用范围较小，而且将Hg，Se等挥发性重金属，转移到大气中有没有环境风险仍有待于进一步研究。

3 植物修复技术的展望

鉴于植物修复技术的诸多优势，尽管存在着多种局限性，它仍是一项极具发展潜力的修复技术。为了使植物修复技术更加完善，为今后的科研工作指明了方向。

1）加快超积累植物的筛选评价，建立超积累植物的配套修复技术。多种重金属超积累植物的寻找是一项有意义的基础性工作。对于已发现的超积累植物建立“超积累植物数据库”，做进一步的研究，掌握其生长习性，采取一切措施提高修复效率，进一步探索超积累植物对重金属的活化、吸收、转移、积累等机理，以利于超积累植物的性能改进。同时，与超积累植物相反的体外抗性为主导机制的重金属排异植物也应得到重视，对这种植物深入研究可以确保粮食生产安全。

2）利用转基因技术进行种质创新。随着研究的深入，人们发现超累积植物往往植株矮小，生长速度慢，再加上受气候、土壤环境的限制，很多超累积植物很难具有实际应用价值。而生长速度快、生物量大的植物往往对重金属忍耐性低，积累量不高。为了解决这个矛盾，使得普通植物具有超累积植物的优良性能，国外己有将基因技术应用于植物修复的研究，并成为今后该领域研究的一个重要方向。目前的研究认为植物对重金属的吸收、积累和忍耐是由多个基因控制的过程，并运用基因工程手段从微生物、植物、动物中陆续分离出与金属化合物形态转化有关的基因，这些基因的发现和克隆有利于更清晰地了解金属离子代谢的生物化学机制。基因技术的研究将是植物修复研究中的一个重要并很有价值的方向，包括有价值基因的筛选、基因技术、基因工程立法等研究。

3）植物修复与传统的微生物学、物理方法相结合的综合技术的研究。除发展上述几种植物修复技术外，还有一些组合技术，例如：植物一微生物修复、表面活性剂一植物修复等。这些技术都是将土壤淋洗法、生物学、基因技术和环境化学等和植物提取综合应用的结果。

4）重金属污染物的回收利用。一些重金属污染物是工农业生产的原料，研究植物体内重金属元素的回收工艺，不但可以使修复植物的生物量得到妥善处理，降低环境风险，而且还可将重金属重新回收利用，避免重金属的二次污染。

5）菌根能影响菌根植物对重金属的积累和分配，使菌根植物体内重金属积累量增加，提高植物提取的效果。所以菌根与金属配位体的联系及如何使菌根一植物一微生物修复体系达到最佳还有待研究。

近20年来，土壤重金属污染的修复技术的研究和应用，已取得一定的进展，但仍处于发展阶段，需要突破的理论和技术问题仍很多，而现阶段土壤的重金属污染已经相当严重，相应修复技术的发展远不能适应日益加剧的土壤污染，因此在开展修复技术研究的同时，必须重视土壤质量的管理和保护工作，从污染源头抓起，控制污染源，有效地防止土壤污染。

[1]侯晓龙，马祥庆.城市垃圾重金属污染及其治理研究进展[J].环境保护科学，2006（4）.

[2]李文一，徐卫红，李仰锐，刘吉振，王宏信.土壤重金属污染的植物修复研究进展[D].中国科学院上海冶金研究所，材料物理与化学（专业）博士论文.2000.

[3]Singh O V，Labana S，Pandcy G，et a1.Phytoremediati0n：an overview of metallicion decontamination from soil.Applied Microbiology and Biotechnology，2003，61：405～412.

[4]CHANEYRL.PIant Uptake of Inorganic Waste Constituents[A].In：PHJ F eds.Land Treatment of Hazadous wastes[C].Park Ridge New Jelsey，USA：Noyes Data Corporation.1983：50—76.