重金属污染土壤的植物修复技术研究进展

陈 磊，胡敏予

（中南大学公共卫生学院营养与食品卫生学系，湖南 长沙410078）

土壤的重金属污染具有隐蔽性、不可逆性和不可降解性，导致污染的土壤肥力降低、作物的品质及产量下降，并对人类健康构成威胁。全世界每年要耗费大量人力和财力来治理土壤重金属污染［1］。许多国家已将土壤重金属污染的治理问题摆在相当重要的位置，并制定出相关法律法规及治理计划。

土壤重金属污染的传统物理和化学修复方法因需要专业的设备及人员且容易带来二次污染而很难普及推广。近几年，植物修复技术作为一种新型的土壤重金属污染修复技术，成为该领域的研究热点［2］。

1 植物修复技术的分类

植物修复技术是利用特定植物吸收、富集重金属的能力，将污染土壤中的重金属移出，达到污染治理与生态修复的目的［3］。其优点是成本低、效果好、对环境无破坏作用［4］。

植物修复技术分为：植物吸取技术、植物转化技术、植物挥发技术、植物稳定技术及植物过滤技术等。

1）植物吸取技术：利用具有较强的富集土壤中重金属能力的植物，经吸收、运转将土壤中重金属转移、储存在植物根部以上部分，收获后集中处理，从而降低土壤中重金属含量。该技术被视为最具发展前景的植物修复方式［5］。

2）植物转化技术：利用植物体内的酶将土壤中的重金属毒性降低或降解成无毒的产物。

3）植物挥发技术：污染土壤中的重金属被植物吸收后转变为可挥发态，并挥发出土壤系统，无需收割即可去除污染重金属。该法仅用于挥发性的污染物，适用范围很小。Meagher［6］采用遗传工程方法治理土壤汞污染，土壤中的甲基汞经过植物吸收并降解成汞继而挥发。虽然有研究表明［7］，释放出来的挥发性元素的浓度非常低，对环境影响不大，但将污染物挥发到大气中对生态环境仍有一定风险，其应用相应受到限制。

4）植物稳定技术：通过植物的活动来降低土壤中重金属的活动性，使重金属不能被植物吸收［8］。在此过程中，土壤中的重金属含量没有减少，但有效态通过植物的活动得以减弱，从而减轻重金属污染。目前，美国、澳大利亚、新西兰等国已发现能应用该技术的植物达500多种，如田菁、燕麦、香根草等［9］。由于该法是原位减轻重金属污染，而不能永久去除土壤重金属，所以其应用也受到一定限制［10］。

2 用于植物修复技术的超积累植物

2．1 超积累植物的来源与发展

植物修复技术的关键是寻找合适的有特殊富集能力的植物种或基因型，即超积累植物。超积累植物是能够超量吸收累积重金属的植物。最早提出超积累植物这一概念的是Brooks等人，他们还发现了近50种庭芥属植物具有超富集镍的特征。与此同时，铜、锰、铅、镉、锌等的超积累植物相继被发现［11］。1983年有人提出用超积累植物来吸收富集污染土壤中重金属的想法，并将其应用于环境领域，形成了土壤重金属污染的植物修复概念［5］。目前，已发现近500种重金属超积累植物，其中，80%是镍的超积累植物［12］。

2．2 超积累植物的筛选

自然界中的超积累植物种属稀少、地域分布局限，且大多生物量小、生长缓慢、适应性差，因此，植物修复技术的核心是超积累植物的筛选。筛选超积累植物的常用方法包括野外采样分析法、标本馆植物微量取样法［13］。

另外，研究人员还通过计算筛选系数来筛选重金属超积累植物。Baker和Whiting于2002年提出了TF值（transfer factor），描述植物对重金属污染的修复能力［14］。研究表明，不同的植物在植物修复技术中的TF值不同，如TF值较高［5］，超富集砷的能力较强；TF值小于1，富集砷的能力有限［15］。此外，重金属在植物体内的浓度可以用BCF值（bioconcentration factors）来描述［16］。

Li等［17］于2011年筛选铀、钍、钡、镍、锶和铅的超积累植物时，在综合了植物富集重金属能力和生物量及植物根系所处重金属浓度基础上，首次提出了PF值（phytoremediation factor，植物对污染土壤中重金属的总吸收富集率）。结果表明：对于铀、钍、钡、镍和铅，芦苇（Phragmites australis）的 PF值最高；对于镍，五节芒（Miscanthus floridulus）的 PF值最高；对于锶，构树（Broussonetia papyrifera）和五叶地锦（Parthenocissus quinquefolia）的PF值最高。即芦苇可用来修复土壤的铀、钍、钡、镍和铅污染，五节芒可用作镍的超积累植物，构树和五叶地锦可用来富集土壤中的锶。PF值拓展了传统的超积累植物的定义，并很容易获得。即使某种植物对污染土壤的重金属元素富集浓度达不到超积累植物的标准，若其有较高的生物量则仍可用于植物修复。因此，PF值可作为修复由大规模放射性核元素和重金属污染的土壤和尾矿的植物的筛选标准，并能评估植物对环境的适应力。

2．3 超积累植物的应用

目前，植物吸取修复技术和植物稳定修复技术是应用最多的植物修复技术。其中，前者主要应用于污染程度不高的土壤；后者则主要应用于重金属污染较严重的生态恢复，也是植物固碳技术和生物质能源生产技术，易于推广应用［18］。

2．4 植物修复技术的植物资源

作为吸取修复技术的植物应具备：在含有较高浓度重金属的土壤中能够正常生长且植物的收获部分能够富集较高浓度的重金属；生长收获周期短；能收获较高生物量；植物根系丰富［19］。除了超积累植物，还可应用高生物量的另一类积累植物，有学者曾在旱作的条件下，用具有较强富集镉能力的杂交稻品种进行田间试验，当秸秆中镉的质量比达20～50mg·kg－1时，能够很好地去除土壤中的重金属镉［20］。近年来，关于植物吸取修复技术应采用何种植物争议较大，其中较为激烈的是应采用低生物量的超积累植物还是高生物量的非超积累植物。Chaney等认为超积累植物的富集能力及对重金属污染物的耐力比高生物量更重要，并指出相比于植物残留物昂贵的处理，焚烧灰中重金属的再回收利用更具有商业价值，且富集的重金属浓度越高，残留物或焚烧灰质的处理费用越低。

但也有研究表明，受重金属种类、土壤和环境条件影响，一些非超积累但生物量大的植物比超积累植物能吸收更多的重金属［21］。如天蓝遏蓝菜（T．caerulescens）就适合应用于植物修复，其大量的收获部分在被焚烧获取有商业价值的灰质同时可以产能［22］。因此，超积累植物的选择还有待于深入的研究。

除超积累植物以外，经济类植物能够在修复重金属污染土壤的同时，与生态环境和社会经济效益相统一［23］，具有较大开发应用价值。

3 发展趋势

植物修复技术是新兴高效的生物修复途径，有良好的经济和生态综合效益，应用前景广阔。但因技术不成熟，仍处于实验开发和探索阶段，能够应用于田间试验的植物更是少之又少。目前，在培育转基因植物方面取得了一些突破［24］。为加快植物修复技术的进一步发展，今后应着重在以下几方面进行更为深入的研究：寻找更为迅速有效的筛选超积累植物的方法；系统研究如何提高超积累植物生物量；将植物修复技术与传统修复技术相结合，以植物修复为核心加快重金属污染土壤修复的进程；回收焚烧富集重金属的植物，开展处理灰分中贵重金属的提取研究；将先进分子生物学技术应用于植物修复技术；对于涉及食品安全（如油菜等）、有富集镉能力的农作物，着重研究如何将重金属控制在根部、限制进入食物链。

虽然目前土壤重金属污染的植物修复技术还不是很成熟，但可以预料，随着研究的不断深入，植物修复技术必将成为改善和提高环境质量的重要修复途径。

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