浅谈土壤砷污染及生物修复技术

姚志杰

（新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049）

浅谈土壤砷污染及生物修复技术

姚志杰

（新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049）

砷(As)因具有较强的毒性，也比较容易被生物吸收，全世界对砷污染问题重视程度也越来越高。本文根据国内外相关研究成果，介绍了土壤砷污染的来源和现状；详细介绍了土壤砷污染的植物修复技术和其对砷污染土壤的影响及其自身吸收砷和解毒机理；在修复过程中微生物和蚯蚓的作用。提出以植物—蚯蚓—微生物复合生物修复技术是今后研究和推广的重点。

砷；植物修复；污染土壤；微生物；蚯蚓

1 土壤砷污染现状

1.1 土壤砷污染来源

砷(As)是一种在自然界中分布很广泛的类金属，土壤中砷的浓度通常较低，翁焕新等[1]的调查显示，我国自然土壤样本砷含量在0.01～626mg/kg之间，其中95%的土壤样品为 2.5～33.5mg/kg。土壤中天然砷主要来源于地壳中各种含砷矿物的风化，自然环境中的各种作用可连续地将砷化物分散到土壤环境中。然而，长期以来由于人类活动包括、砷化物的开采与冶炼及砷化物的广泛利用使得砷污染现象越来越严重。

1.2 土壤砷污染的危害

砷是一种有毒并致突变、致畸、致癌的化学元素。砷化物是主要的有毒物质，可从呼吸道、食物或皮肤接触进入人体，干扰人体代谢过程，导致中枢神经系统发生紊乱。长期暴露在砷的污染环境下可导致慢性砷中毒，甚至造成肝癌、皮肤癌等流行性地方病，严重损害人体健康[2]。

砷对植物的危害主要是阻碍植株内水分的运行，影响植物对水分和营养的吸收。磷肥是植物的根肥，磷肥的缺乏会导致植物根部发育不良，植株矮小。砷通过影响磷的代谢使植物生长发育受到抑制，砷还能造成叶绿素的破坏。

砷的不同价态对植物萌发期形态变化和生理变化的毒性不同。As污染明显抑制黄豆种子萌发、幼茁生长、对作物种子萌发时的呼吸强度、酶活性有显著的抑制作用，且随着 As浓度的增加，抑制作用增强。水培条件下，砷的含量在50 mg/L以上和盆栽添加砷100 mg/kg以上，都会对小麦的根产生影响。

土壤砷浓度小于 40 mg/kg时对青菜生长有刺激作用，大于40mg/kg时青菜生长受抑制；土壤砷浓度大于 40mg/kg时施磷肥可加重砷对青菜生长的抑制作用。向土壤中施加50mg/kg或者100 mg/kg的砷，可显著提高蜈蚣草地上部的生物量，砷的浓度为200 mg/kg时，对蜈蚣草有轻微的抑制作用，浓度为500 mg/kg时，地上部生物量减少64%。可见不同植物对砷的耐受限度不一样。

1.3 土壤砷污染现状

中国是砷污染问题最严重的国家之一，自1956～1984年共发生30余起砷污染事件[3]。自古以来，湖南、广西、广东、云南等省就有开采和冶炼砷的历史，炼砷区土壤、植被和水体遭受严重的污染，对人类的生存环境带来极大的危害。王振刚等对石门雄黄矿附近的三个村调查发现，其生产环境大气中As2O3的含量最高达34mg/m3，土壤砷含量为 84～296mg/kg，土壤己受到不同程度的砷污染。另外，部分国家和地区由于砷的背景值较高也引起了砷的毒害。

2 土壤砷污染的修复

目前，国内外已经发表了一系列砷污染的土壤修复技术，主要包括物理、化学、植物和微生物等方法。其中，植物和微生物的方法近年来得到了特别的重视，并取得了显著进展。

2.1 超富集植物的修复

超富集植物是指能够大量吸收并在体内累积重金属的一类特殊植物。超富集植物富集重金属大都具有专一性和极强的重金属富集能力，一般来说，超富集植物只对一种或有限的几种重金属具有植物体内重金属含量高于土壤中重金属含量的富集的能力。同时，重金属从根转运到地上部的能力很强，即TF转运系数＞1。从而通过直接收割植物地上部就能达到修复土壤的目的。一般超富集植物还具有极强的耐受重金属毒害的能力，其体内可以忍受很高的特定重金属含量。

砷通过根系运转器以及其它途径进入植物细胞后, 通过螯合作用被固定以降低其生物毒性是植物对细胞内砷解毒的主要方式。植物中已经发现的螯合物质主要有植物硫蛋白(MTs)、有机酸(Organic acid) 以及氨基酸(Amino acid)。

目前针对超富集植物对砷的耐性及富集机理研究尚无定论，学术界普遍接受的假设是As首先在根部转变成As(V)，接着在细胞质中还原成As(III)，As(III)再与植物体内的络合剂螯合以避免As(III)的细胞毒性，络合物最终进入液泡储存起来。

2.2 超富集植物修复存在的问题

随着As超富集植物—蜈蚣草的发现，掀起了使用超积累植物修复As污染的研究热潮。能超富集As的植物主要集中于蔗类植物蜈蚣草、大叶井口边草。蕨类植物吸收As的机理研究选用较多的是蜈蚣草和大叶井口边草。但目前的研究通常是在比较理想的条件下行进的，根据土壤溶液中实际As含量而开展的研究还不多。As在土壤中的活性受很多因素如土壤质地、矿物的属性和组分、氧化还原电位、微生物、动物及植物的复合影响。因此，试验室内砂培或水培，对认识植物的吸收或超富集AS的机理带来很大便利，但对植物在实际修复As污染土壤中的作用的认识还有较大缺陷性。

另外，砷的超富集植物蜈蚣草作为多年生蕨类，属于喜阴植物，其分布具有较强的区域性。若将其移栽到污染土壤，与当地植物相比处于竞争劣势；蜈蚣草在污染地区可能还属于外来品种，存在外来物种入侵的危险。同时，蜈蚣草前期生长缓慢，也限制了其在生产上的大面积推广应用。

3 微生物和蚯蚓对土壤砷污染植物修复的影响

3.1 微生物对植物修复砷污染土壤的影响

1981 年，Bradley等发现石楠菌根降低植物对过量重金属Cu和Zn的吸收以后，对菌根与重金属的研究也就日渐成为热点。丛枝菌根(AM)是一类古老的共生体，其在植物磷素吸收方面有突出作用，而磷与砷是同族元素，因此丛枝菌根真菌在砷污染土壤的修复中受到广泛的关注。

AM真菌促进宿主植物对土壤养分尤其是磷元素的吸收、改变植物根形态和根际的氧化还原作用等，促进植物的生长，或将砷固定在菌丝和根际土中从而增加植物对砷的耐性[23]。对耐砷的植物接种As污染矿区和非污染区分离到的AM真菌后，发现来自污染矿区的 AM真菌能显著提高该植物的耐砷特性，并降低了植物对砷酸盐的吸收量。接种菌根使植物能吸收充足的磷素营养，但是明显的减少了AS从根部向茎的转移，从而降低了茎中砷的浓度。

3.2 蚯蚓对植物修复砷污染土壤的影响

蚯蚓对AS有着很强的耐受性，在含砷53000mg/kg的矿业废渣土壤中仍能大量存活、其通过穴居和翻动作用保持土壤较高的疏水和通气能力，有利于土壤中As：以AS(V)存在，AS(V)是植物吸收As的主要价态。如果将蚯蚓接种于AS污染土壤，可能会对植物吸收AS、进而对AS污染土壤的植物修复具有积极的意义[4]。

4 小结

土壤健康与粮食的安全息息相关，通过生物技术进行修复As污染土壤将有较好的应用前景。但是它在实际应用于治理砷污染土壤中还需要进一步的研究和探索。

下一步研究中，可以将植物-微生物-蚯蚓复合系统技术应用到修复土壤 As污染的实践中，研究三者间协同或共生作用下对As的吸收及解As毒效应。深入研究砷超累积植物修复污染土壤的过程及其调控机理，包括土壤中砷的形态与植物根际环境变化的关系，施肥、增施改良剂等措施对植物修复过程的影响等，以进一步用于指导砷植物修复的研究和发展，并为这一领域的发展提供动力。

[]翁焕新，张霄宇，邹乐君，等.中国自然土壤中砷的自然存在状况及其成因分析[J].浙江大学学报(工学版)，2000，l:54～55

[]顾兴平，顾永作.环境砷污染与健康[J].四川环境，1999，15(3):1～7

[]张国祥，杨居荣，华璐. 土壤环境中的砷及其生态效应[J]. 土壤, 1996, 2:64一68

[]成杰民，俞协治，黄铭洪. 蚯蚓一菌根在植物修复砷污染土壤中的作用[J]生态学报, 2005, 25(6):1256～1263

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1007-6344（2015）09-0086-01