李氏禾修复土壤重金属铬污染的研究进展

熊 超，李建军，马晓文，张洪伟

(四川大学建筑与环境学院，成都 610065)

铬是人和动物新陈代谢过程中所必须的微量元素，少量的铬可促进动植物的生长，但过量的铬对动植物均有很强的毒害作用，并且具有一定的致癌性[1]。在铬的各种形态中，主要以铬酸根和重铬酸根形式存在的Cr(Ⅵ)毒性最强。土壤中铬最初主要来源于岩石风化，在自然因素作用下转移到成土母质和土壤中。随着工业化的不断推进，电镀、制革及制药等涉及铬排放的工业逐渐发展，部分铬污染源所产生的含铬粉尘、铬渣及被铬污染的地下水可通过多种途径进入土壤，进而对土壤环境造成破坏[2]。铬易在土壤中积累，通过食物链进入人体，从而对人体健康造成危害。同时，这种不可降解性和累积性使铬污染土壤的治理变得十分困难[3]。

植物修复技术是治理土壤重金属污染的有效手段之一[4]。土壤植物修复指直接利用植物把受污染土地的重金属、有机物等转移或分解[5]。超富集植物对特定重金属元素有超强的吸收能力，与普通植物相比，其对某种重金属的富集能力高于一般植物的100倍以上。由于超富集植物在重金属污染植物修复领域的应用价值和在植物逆境生理研究中的学术价值，逐渐成为相关领域的研究热点[6]。

李氏禾起初作为田间杂草备受关注，其侵入可导致水稻的减产，甚至绝收[7]。2006年，张学洪等[3]在某电镀厂周围进行野外调查时，首次发现了湿生铬超富集植物—李氏禾，该植物中叶片内平均铬含量高达1 787 mg/kg。由于其对重金属铬的超富集特性，以及其抗旱、耐淹、耐贫瘠等特性，逐渐引起了重金属污染防治领域研究者的关注[8]。目前，关于李氏禾在土壤重金属铬污染植物修复上的研究主要包括：第一，不同生长条件下，李氏禾对铬的超富集性能研究；第二，李氏禾对多种重金属的共富集特性研究；第三，李氏禾对铬富集的耐性机制研究；第四，李氏禾生物炭研究及末端处理技术研究。本研究对李氏禾的研究进展进行了综述，并对其今后发展进行了展望，以期为该植物的推广应用提供参考。

1 不同生长条件下李氏禾的超富集特性

李氏禾在不同生长条件下对铬的富集能力有所区别，研究最适宜李氏禾生长的环境条件，不仅可以增加李氏禾单株生物量，也可以进一步提高其对土壤中铬的吸收能力，从而有效降低土壤中铬的含量。

关于李氏禾生长的环境条件的研究，主要包括水分、光照强度、温度、肥料及外源物质等方面。郝文佳等[9]进行了不同水分梯度的盆栽实验，以研究水分对李氏禾生长的影响。结果表明，李氏禾在80%和50%水分梯度下生长状况最好，积累的生物量最多，最大根系长度最长，而在50%和30%水分条件下生长速度最快。因此确定了50%的水分梯度为李氏禾最佳灌溉量；蔡湘文等[10]研究了光照强度和温度对李氏禾生长的影响，结果表明，光照强度达到3 000 Lx以上时，李氏禾生长表现最好，生长速度最快，且李氏禾最适宜的生长温度为25℃。

蔡湘文等[11]指出，在中光照强度和适当追肥的共同作用下，李氏禾生长速度变快，且施肥可以增加李氏禾的分蘖数和最大根系长度[11]。张学洪等[12]进一步研究了不同形态的氮肥(硫酸铵、硝酸铵和硝酸钙)对李氏禾富集铬的影响，结果表明，硫酸铵处理后李氏禾的根、茎、叶中的铬浓度最大，而硝酸铵处理的李氏禾生物量相对其他处理较高；LIU等[13]研究了李氏禾从土壤中富集铬的潜力以及肥料、乙二胺四乙酸(EDTA)对李氏禾摄取铬的影响，结果表明，李氏禾对土壤中铬富集能力较强，其芽中铬浓度最高高达1 844 mg/kg，施加肥料及EDTA等可以增强李氏禾对铬的摄取。WU等[14]发现磷能够增强李氏禾对铬的吸收，而且李氏禾吸收铬和磷是协同作用，而非抑制作用。

闫研等[15]研究表明，施加EDTA和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)可促进 Cr(Ⅵ)从根部向地上部分运输及积累，使总体铬含量大幅度提高。而水杨酸对Cr(Ⅵ)的吸收和运输无显著影响；程志刚等[16]认为亚硫酸钠和腐植酸能明显提高李氏禾对铬的吸收和富集能力，促进铬从李氏禾根向地上部分转移。王文萍等[17]研究认为，添加乙醛酸可以促进李氏禾体内草酸的合成，使铬更易与草酸结合生成不溶性的草酸铬络合物，进而提高植物对铬的耐性和富集能力。

2 李氏禾对多种重金属的共富集特性

李氏禾除对Cr有很强的富集特性外，对其他重金属(如Cu、Ni)也表现出较好的富集能力[18～21]，研究李氏禾的对多种重金属的共富集特性有利于重金属的协同控制。张学洪[22]研究表明，李氏禾对土壤中的铜也有较强的富集能力，当土壤铜含量达2 000 mg/kg时，根、茎、叶中铜含量分别为500.33 mg/kg、335.81 mg/kg和307.89 mg/kg。此外，张学洪指出[23]，李氏禾可将淤泥和水体中的铜运输到地上部，叶中铜平均含量高达1 717.85 mg/kg，根和茎中铜平均含量为 533.42 mg/kg，叶中铜含量与水和淤泥中铜含量之比分别为291.88和14.01，进而证明李氏禾是一种优良的修复铜、铬等重金属污染的植物。张学洪等[24]进一步研究了李氏禾对镍的富集能力，发现李氏禾对镍也有很强的富集能力，营养液培养条件下叶中镍的含量最高达到2 926 mg/kg，叶的生物富集系数最高达到156.5。

陶笈汛等[25]研究了李氏禾对土壤中Cr、Cu、Ni复合污染的耐受和富集能力。结果表明，100%电镀污泥中，李氏禾体内Cr、Cu、Ni含量分别达到588.21mg/kg、345.49mg/kg、355.06mg/kg。因此，李氏禾对较高浓度重金属复合污染土壤中的Cr、Cu、Ni有较强的耐性和积累能力，在重金属复合污染土壤的植物修复方面具有一定的潜力。朱昱豪等[19]研究了腐殖酸对李氏禾生物量、铜和镍累积量及转运系数的影响。表明高浓度腐殖酸将抑制李氏禾对铜、镍的吸收，低浓度腐殖酸可促进李氏禾对铜、镍的吸收并提高其对铜、镍的转运系数。且在铜、镍共同培养的环境下，李氏禾以吸收铜为主。

3 李氏禾对铬富集的耐性机制

关于李氏禾对Cr的耐性机制研究相对较少，其研究主要包括Cr胁迫下李氏禾体内结构变化、李氏禾吸收Cr的动力学特征及Cr的转运机理等方面。

罗亚平等[4]研究了李氏禾在Cr胁迫下的显微结构变化，结果表明，受铬污染的李氏禾根和叶的组织结构与对照组无明显差异，但茎的维管束明显缩小。王文萍等[26]研究表明，在一定 Cr(Ⅲ)浓度胁迫下，添加 Ca2+能有效缓解铬对李氏禾的毒害，并且可提高植物体内不溶性草酸的含量，进而促进植物富集并增强对铬的耐性。韩文等[2]从李氏禾根部分离出一株具有较强 Cr(VI)抗性的内生细菌 G04，研究表明G04 菌株具有较好的应用潜力，既有可能直接用于土壤和水环境中铬污染的修复，也有可能作为修复铬污染的后备菌株，此外可为深入研究李氏禾的铬积累机制提供参考依据。

LIU[27]研究表明，李氏禾摄取Cr(Ⅲ)满足米-门方程，米氏常数为129.9 mol/L。铁(Ⅲ)对Cr(Ⅲ)摄取有拮抗作用，且李氏禾对Cr(Ⅲ)的摄取可能通过植物中的铁(Ⅲ)离子通道进行。卢媛媛等[28]通过盆栽试验，研究了李氏禾根系对 Cr(Ⅵ)的吸收特征。结果表明，偶联剂2,4-二硝基苯酚、ATP 酶抑制剂(Na3VO4)和低温处理(5℃)均能显著抑制李氏禾根对 Cr的吸收，并指出李氏禾根部对 Cr的吸收可能与硫酸根吸收体系有关。

4 李氏禾生物炭研究及末端处理技术

由于李氏禾对Cr具有超富集特性，部分研究者尝试利用李氏禾的叶片和茎制备生物炭(BLLH)以研究其对铬的吸附效果。LI等[29]研究了BLLH吸收Cr(Ⅲ)和Cr(VI)的动力学参数及部分机理，结果表明，李氏禾对Cr的吸附过程非常迅速，且吸附过程满足Langmuir和Freundlich吸附等温方程。LI等[30]利用X射线电子能谱(XPS)研究了BLLH将Cr(VI)转化成Cr(Ⅲ)过程中电子转移机理，研究发现，含氧基团的质子化作用产生对Cr(VI)的静电吸附能力，含氮基团在“还原-吸附过程”中充当电子供体。ZHANG等[31]研究表明，采用BLLH吸附溶液中的Cr(Ⅵ)，红外光谱结果显示OH、-CH2、C=C和C-O官能团对铬的去除起主要作用，该吸附剂在适宜条件下对Cr(Ⅵ)的去除效率可达99.65%，其饱和吸附量为24.91 mg/g，因此证明了BLLH是一种有效的低成本生物吸附剂。吴炽珊等[32]以BLLH为修复材料，研究发现BLLH对尾矿砂中的Pb 和Zn具有良好的钝化效果，可促进 Pb、Zn的弱酸提取态向残渣态转化，降低其在尾矿砂中的迁移性和生物有效性，并且BLLH添加量为分别为0.2%和0.4% 时的处理钝化效果最佳。

关于李氏禾富集重金属后的末端处理报道相对较少。文先彬[33]通过对比焚烧法和热解法评价李氏禾的产后处置方式，发现在减量化和底灰铬回收率两个方面，焚烧法比热解法更具优势，且焚烧法最高可以减重90.6%，添加沸石可使焚烧法中底灰中Cr的回收率最高达到93.3%。

5 展 望

李氏禾对Cr、Cu、Ni等重金属都具有较强的富集能力，若将其应用在土壤重金属治理领域，从技术上和经济上是可行的[34]。目前关于李氏禾的工程应用案列较少，采用李氏禾对湿地系统的铬污染进行修复已有部分小试研究，且具有较好的修复效果[35-36]。李氏禾在工程上的应用也有一定的局限性，主要表现在：

第一，李氏禾虽然具有生长快速，整体上生物量较大等优势，但单株李氏禾生物量较小，因此单株植物对重金属的富集量不高。若从基因工程方面入手，改善其生长特性，提高单株生物量，可进一步提高其富集重金属的能力。第二，李氏禾多适宜生长于热带及亚热带地区，在北方较寒冷地区难以正常生长，这一性质给李氏禾推广应用造成了局限，可从提升李氏禾耐寒性能方面开展适当研究。第三，目前关于超富集植物的研究，多集中于植物对重金属的富集的环境条件、富集量、耐性及积累机理等方面，但对于修复植物的后期处理问题关注不多，且技术尚未成熟。第四，虽然李氏禾中Cr(Ⅲ)的摄取机制已有部分研究，但对毒性较强的Cr(Ⅵ)的摄取机制仍不清楚，有待研究。若从以上方面开展针对性研究，将有利于促进李氏禾的推广和应用。