重金属污染土壤植物修复治理与农业利用研究进展

范占煌董国云

（1杭州大地环保工程有限公司 浙江杭州 310000 2湖南农业大学 湖南长沙 410128）

重金属污染土壤植物修复治理与农业利用研究进展

范占煌1董国云2

（1杭州大地环保工程有限公司 浙江杭州 310000 2湖南农业大学 湖南长沙 410128）

从我国重金属污染现状，重金属对植物的影响及植物修复重金属研究现状进行了综述，并根据植物吸收重金属的不同特性，结合基因工程，化学改良及栽培措施提出了重金属污染土壤植物修复治理与农业利用的展望。

重金属；植物修复；超富集植物；耐受型植物；规避型植物

重金属在土壤中具有隐蔽性、长期性、潜伏性和不可逆性，土壤受重金属污染后短时间内很难消除，一旦进入生物体内也只能不断地被转移和积累，始终无法降解，从而影响土壤中动植物及微生物的生长发育[1]。当重金属通过食物链富集到人体内时，则会导致一系列的慢性疾病、畸形和癌症等发生，对生态系统和人类健康造成严重威胁[2]。传统的重金属污染土壤修复采用客土法、淋滤法、浸提法等物理和化学方法。这些方法治理效果较好，但存在成本高，处理过程复杂，易造成二次污染，破坏土壤结构等缺陷[3]。近年来，植物修复技术逐渐成为重金属污染治理的热点，具有环保、价廉、美观等优势[4]。

1 重金属污染状况

土壤中重金属是指原子密度在5.0g/cm3以上的45种元素[5]。我国以Pb、Zn、Cu、Cb、Cr等几种元素最为严重[6]。土壤中的重金属一部分来源于母质，一般情况下这部分的含量较低，不会对生态系统及人类健康造成威胁；另一部分则来源于人类活动，也是土壤重金属污染的主要成因，主要包括采矿、废弃排放、污水灌溉、农药及化肥的不合理使用等途径。据报道，重金属污染导致我国粮食减产超过1000×104t，每年受重金属污染的粮食达1200× 104t，经济损失达200亿元。1980-1992年，我国因工业“三废”导致污染的耕地面积从266.7×104hm2增至1000×104hm2。至2002年，Cb、Se、Cr、Pb等重金属污染的耕地面积接近2000×104hm2。2006年，环保部对国内农田土壤进行抽查，结果表明重金属超标率达12.1%。在粮食、蔬菜等农产品中，重金属超标情况也非常严重。1999～2000年广东省对部分地区对水稻、蔬菜检测，结果表明大部分农产都受到重金属污染。2001年江苏省粮食产品的抽样结果表明，Pb检出率达88.1%，超标率21.4%。中国科学院地理研究所对北京市生产的蔬菜调查发现，其中30%重金属超标。2007年，潘根兴等对全国6个地区大米的随机抽查中发现，10%的大米样品存在镉超标。2009年至今，共发生30余起重金属污染重大事件。

2 重金属对植物生长的影响

土壤中的重金属会对植物产生明显的生物效应，重金属元素会使植物体内蛋白等分子产生变形，生物酶活性降低，并阻碍其他必需元素的吸收，甚至直接破坏叶片内的叶绿素。当重金属含量达到一定浓度时，就会使植物体内的代谢过程产生絮乱，造成大量活性氧自由基，抑制其生长发育，情况严重的则会造成植物死亡。重金属对植物的影响主要体现在种子萌发、幼苗生长及生理生化指标上。

2.1 对种子萌发、幼苗生长的影响

种子萌发是植物生命周期的起点，也是感知外界环境的最初阶段。种子萌发的好坏对植物后期的生长有着直接的影响。因而，重金属胁迫下种子萌发及苗期的生长状况可以作为植物对重金属耐性评判的重要指标。吕笃康等人在Cr对小香蒲种子萌发试验中发现，当Cr6+浓度为5mg/L时，小香蒲种子的萌发率略有促进作用，而随着浓度继续增加时，种子的萌发及生长受到抑制，且浓度越高抑制作用越强。李春燕等、邱丽莉等分别在小白菜和紫花苜蓿的试验中也得到了“低促高抑”的相似结论。此外，陈伟等人在重金属对草坪草种子萌发的影响中还发现，重金属对胚根的抑制作用要高于胚芽。

2.2 对生理生化指标的影响

植物在受到重金属胁迫时，能通过降低含水量，改变渗透调节物质，产生抗氧化酶等一系列生理生化反应来缓解重金属胁迫带来的伤害。因此，在重金属污染条件下，植物体内的POD、CAT、SOD、PPO活性及MDA、Pro、可溶性糖、Vc等含量均会受到一定的影响。不同植物在重金属胁迫下生理生化变化规律各具特点。孟丽等研究Cb对日本楤木的影响中发现，POD和CAT活性随Cb浓度增大呈现出先增后减的趋势，在2.5mg/kg-1时，POD活性显著提高，这说明，POD是日本楤木保护细胞免受氧化胁迫的伤害的主要物质。邱丽莉等人则发现，紫花苜蓿在不同浓度Pb的胁迫下，SOD、CAT和POD活性均有升高，但CAT和POD的活性上升远高于SOD。杨丽，袁庆华在野生披碱草中发现，随着胁迫浓度的增加，耐镉性强和中等的材料叶片中SOD、POD和PPO的活性不断升高，而耐性差的材料叶片中SOD和POD的活性则呈现下降趋势。此外，在叶片中MDA和Pro的含量也有显著的影响，不同材料间存在明显差异。

3 植物修复重金属污染土壤的研究

“植物修复”一词由Raskin于1994年提出。植物修复重金属污染土壤是指利用植物根系的选择吸收、运转和植物体自身的生物富集、储存和降解，将土壤中重金属固定于根部或转变为低毒的代谢产物。根据植物对重金属吸收的特点，可以将将其分为3类：一是富集型植物，能积累大量重金属于植物体内，且地上部积累量大于地下部分；二是耐受型植物，在重金属胁迫下能正常生长发育，其重金属富集能力弱于富集型植物；三是规避型植物，这些植物对重金属吸收能力弱，体内重金属含量低。

3.1 超富集植物修复

“超富集植物”最早由Brook等在1977年提出，并由Chaney等在1983年提出将其应用于重金属污染修复。1989年Baker等提出超富集植物参考临界值，Cd为100mg/kg，Co、Ni、Pb、Cu 1000为mg/kg，Zn、Mn为10000mg/kg。超富集植物在相同条件下地上部的重金属富集含量一般为普通植物的100倍左右，根系、嫩枝叶的积累远高于土壤中重金属的浓度，其富集系数及转运系数均大于1。

截至2010年，国内外共发现超富集植物500多种，多数为Ni超富集植物。超富集植物在科属形态上分布广泛，从小型单年草

本植物到大型多年生灌木或林木，但多数为温带草本植物。在地域分布上，Zn和Cb超富集植物主要分布于欧洲中西部，Cu和Co超富集植物分布于非洲砂坝哈，Cr超富集植物分布在津巴布韦，Se超富集植物主要分布于我国。在我国，超富集植物已发现的数量很少。因此，发掘新的超富集植物是我国修复重金属污染土壤急需解决的问题。目前，国内对超富集植物的筛选取得了一定的进展，但主要集中于矿区和冶炼区。李榜江等在极端酸性土壤通过对蜈蚣草植株体内重金属含量分析，得出蜈蚣草对重金属Cb的富集系数达到5.0，可以在煤矿废弃地作为植物修复的首选物种。何东等[4]对湖南下水湾铅锌尾矿库优势植物重金属含量研究发现，地枇杷地上部分Pb含量为正常含量上限值的4.01倍，转运系数达到3.91，富集系数达到14.4。侯洪波等研究紫茎泽兰和鬼针草对重金属铬的竞争富集作用发现，紫茎泽兰和鬼针草能很好的富集Cr，分别达到2594.079mg/kg和3688.753mg/kg，富集系数均＞1，是铬元素的超级富集植物。另外，陈一萍对我国现有重金属超富集植物进行了总结，包括圆叶遏蓝菜、苎麻、东南景天、蜈蚣草、鬼针草和香附子等。

3.2 耐受性植物修复

超富集植物对重金属污染土壤具有很好的修复效果，但大多数为野生型植物，存在着生物量低、生长缓慢、植株矮小等不足，另外，对气候条件比较苛刻，区域性分布很强，难以进行引种，因而限制了修复效率。因此，国内外专家开始寻找对重金属耐性强、适应性广、生物量大的耐性植物。重金属耐受性植物与超富集植物相比，体内重金属含量很低，多数地下部富集能力大于地上部，但生物量及生长速度均远远大于超富集植物，所以在相同时间内耐受型植物体内所积累的重金属量反而比超富集植物高，对重金属污染土壤的修复作用更大。

3.3 规避型农作物筛选

面对我国耕地面积少，受重金属污染比例大，农产品需求日益紧张的实情，大面积重金属污染农田实行休耕而进行植物修复是不现实的。因此，在重金属污染土壤修复的同时如何实现农业利用显得非常重要，而筛选低重金属积累的作物种类及品种是利用污染土地的关键所在。

杨中艺等人提出了“污染对策品种”和“污染对策育种”的概念，概念提出的依据则是不同作物及品种间吸收重金属的差异。吴大付等人通过检测重金属污染地区中粮食、蔬菜、和水果中的重金属含量发现，蔬菜对重金属的吸收能力最强，水果最低，粮食类作物居中。赵本行等通过大豆对重金属Cb的富集研究发现，大豆植株不同部位对Cb的吸收能力不同：根部＞秸秆＞叶部＞果实。曾翔等在水稻种中，不同品种种子的萌发对Cd的敏感性存在差异，粳稻＞籼稻＞杂交稻；三系不育系＞两系不育系，并且种子萌发后对Cd的富集能力表现为籼稻＞粳稻，杂交稻＞常规稻。吴启堂等在对20多个品种水稻吸收积累Cd的研究发现，品种间Cd含量差异在1倍以上，且同一品种中不同器官Cd积累量呈现出根＞茎＞叶＞籽粒的规律。由此可见，在轻度污染的土壤中，通过选择重金属规避型作物或品种生产出符合食品安全标准的农产品是可行的。

4 重金属污染土壤综合治理及利用研究展望

植物修复技术在治理重金属污染土壤中具有众多优点，但仍存在着一些局限性。首先，植物修复是一个缓慢的过程，目前的超富集植物种类不多，植株矮小，生产缓慢，且一种植物往往只对某种特定的重金属具有富集能力，总体效率不高；其次，植物在吸收大量重金属元素之后其枯枝落叶会重新回到土壤环境中，收集的植物残体处理技术复杂，成本昂贵；另外，植物修复易受当地气候条件、土壤性质等外界因素的影响，外来修复植物的引进还可能造成物种入侵，破坏生态平衡。因此，面对我国重金属污染面积广，污染种类及程度复杂的现状，单一的植物修复技术是不够的。在充分利用植物修复技术优势的同时，还必须结合其他手段来实现重金属污染土壤的综合治理和利用。

4.1 因地制宜，合理选择植物种类

不同植物吸收重金属的种类及能力存在差异，在进行植物修复前应当先掌握当地重金属污染的种类及程度，根据污染情况合理的选择植物种类。如在重度污染地区，外来植物难以生存的条件下，应筛选生存力强、当地分布广泛、重金属吸收能力强的超富集植物或耐受型植物，快速、大量的将土壤中的重金属吸收并固定于植物体类，避免因雨水及人为因素扩大其污染范围；在中度污染方便耕作的区域，可优先选择生物量大、生长快速、重金属含量高、远离食物链的能源、经济作物，做到污染土地治理与利用的结合；面对大面积轻度污染的农田土地，我们可以选择低积累的规避型农作物，同时利用超富集植物加以套作或间作，以期来实现不间断农业生产的治理方法。然而，当前重金属超富集植物的种类还不多，规避型农作物品种也稀缺。因此，发掘生物量大、生长快速、适应性广的超富集植物与加强“污染对策育种”是最需要解决的问题。

4.2 转基因技术的利用

目前，植物基因工程技术已取得了阶段性的突破。随着植物积累重金属机理的不断研究，关键耐受基因的不断确定，利用转基因技术来提高植物对重金属的积累及耐受能力是非常有效的。Caramina等将小麦TaPCSI基因导入烟草中发现，转基因植株对Pb、Cb的耐性显著增加，在1572mg/L的Pb浓度下，重金属积累量为野生种的2倍。周慧等将重金属结合蛋白基因hmbp转入拟南芥中发现，转基因植物在氯化镉处理条件下，其可溶性糖含量及SOD、POD活性显著增加，MDA含量增加相对较少，叶绿素含量减少较少，hmbp转基因拟南芥对镉的抗逆性得到提升。

4.3 螯合剂、改良剂使用

重金属污染土壤的修复及农业利用主要从两个方面入手，一是利用植物吸收土壤中的重金属离子，减少土壤中重金属元素的整体含量；二是利用植物对重金属离子的规避型，减产土壤中重金属元素向食物链中积累。因此，在利用化学手段改变土壤中重金属离子状态时也面临着两个不同的方向。

当利用超富集植物或耐受性植物进行重金属富集时，需要使重金属从结合态向水溶态、交换态进行转化，促进植物的吸收。主要化学试剂包括EDTA、EDDS、HEDTA、DTAP、EGTA等螯合剂。Seth等发现，利用500ug/L的EDTA处理铅污染土壤28天后，向日葵地上部和地下部的铅含量分别提高了135ug/g和575ug/g，土壤中铅毒性明显减弱。白薇扬等[4,5]通过生物螯合剂EDTA与非生物螯合剂EDDS联合使用，结果发现螯合剂的存在明显增加了植物重金属Pb、Cu、Cb的富集系数。

[1]W JWalker,R PMcNutt,CK Maslanka.The potential contribution of urban runoff to surface sediments of the Passaic River:Sources and chemicalcharacteristics[J].Chemosphere,1999,39,363-377.

[2]JKelluy,IThornton,PR Simpson.Urban Geochemistry:A study of the influence ofsoils in traditionally industrialand non-industrialareas ofBritain[J].1996,11,363-370.

[3]闻静.重金属耐性植物芒草金属累积能力的研究[J].北方环境, 2013,25(8):117-119.

[4]何东,邱波,彭尽晖,等.湖南下水湾铅锌尾矿库优势植物重金属含量及富集特征[J].环境科学,2013,34(9):3595-3600.

[5]LIYingzhong(李应忠),The problemsofagriculturalenvironmentno

optimism-the speech in the symposium of theWorld EnvironmentDay [J].JournalofChina AgriculturalResourcesand RegionalPlanning(中国农业资源与区划),1999,20(3):50-54(in Chinesewith English abstract).

[6]何兰兰,角媛梅,王李鸿,等.Pb、Zn、Cu、Cb的超富集植物研究进展[J].环境科学与技术,2009,32(11):120-123.作者简介

范占煌（1980—），男，汉族，福建龙岩，硕士研究生，主要从事污染土壤修复技术研究。

国家863计划“电子垃圾拆解场地重金属-有机污染物协同控制与生物修复技术与示范国家支撑计划”（2012AA06A203）。