土壤中重金属污染的植物修复强化技术概览

何军良，祝亚平，朱 密，周 旋

(武汉工程大学化学与环境工程学院，湖北 武汉 430037 )

近年来，随着农业、重工业的不断发展，过量排放的重金属对野生动物、植物和人类的健康产生了严重的危害，同时也使部分耕作土地失去了农用价值[1]。据报道，重金属会引起人体心脑血管疾病，损伤皮肤，破坏骨骼和肝肾，致癌等[2]。据环境保护部和国土资源部2014年4月发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国当前土壤重金属含量的超标率达16.1%，其中耕地区的土壤点位重金属含量的超标率更是达到19.4%，可见土壤重金属污染形势十分严峻。因此，对重金属污染土壤进行修复和处理是目前研究的热点与难点之一。目前土壤中重金属污染的主要修复技术包括物理方法、化学方法和生物方法，其中生物方法又包括植物修复、微生物修复、动物修复以及植物联合微生物修复等技术。植物修复是一种很有潜力、发展迅猛的土壤污染绿色修复技术，包括针对植物修复的强化技术措施，这些强化技术措施的适用范围广泛、应用价值大。但是目前针对土壤中重金属污染的植物修复技术的报道还比较分散，且缺乏对相关技术的适用范围、优缺点、修复机理等的研究报道，本文基于此进行了对比与归纳，以期为该领域的研究者提供参考。

1 土壤中重金属的来源

在受污染土壤中，最常见的重金属是Pb、Cr、Zn、Cd、Cu和Hg等，分为天然来源和人为来源[3]。

土壤中重金属污染的天然来源一般是指通过基岩的风化作用使土壤中自然产生的重金属。地壳中自然产生的重金属及其化合物又会被各种人类活动释放到土壤中[4]。在地壳岩石中，重金属是以不同的化学形式被发现的，这些重金属作为矿物被收集利用。在矿石中，重金属通常以Pb、Co、Fe、Ag、Ni、As、Se、Al、Mn和Sb的氧化物形式存在。因此，这些重金属一般在土壤中通过还原作用，形成氧化物和硫化物矿石[3]。在土壤中，一般的金属硫化物(如As、Hg、Pb、Cd)与Cu的硫化物(黄铜矿)和Fe的硫化物(黄铁矿矿石)一起自然共生。因此，这些重金属大多数都是在高温冶金过程中作为废气的一部分产生的，或者是在采矿后金属精炼过程中产生的副产品，例如Cd主要是作为Zn精炼过程的副产物，因为Cd与Zn矿石闪锌矿共存。每年有大量的重金属进入地球外壳的含水层，然后再重新分配到不同的环境中(包括水、空气和土壤等)。因此，土壤中重金属浓度较高的母质土壤自然呈现出较高的重金属浓度[1]。

土壤中重金属污染的人为来源包括矿石开采，农药、电池、制革、化肥、造纸生产，固体废弃物处理和车辆废气排放[4-5]。在这些采矿和加工活动中重金属重新被释放到环境中时，主要以化合物和元素的形态释放，在某些情况下这些过程中排放的重金属在活动结束很长一段时间后仍会在土壤和其他环境中积聚[4]。

2 植物材料的筛选

植物修复，也被称为营养修复、绿色修复或农业修复，包括利用植物来补救污染损害的技术。它也是一种环境友好型、成本低廉以及绿色美观的修复方式[6]。植物修复的效率取决于植物类型和土壤环境等因素，如土壤的理化性质、土壤中重金属的生物利用度、微生物和植物的分泌物，以及植物对重金属的吸收、积累、贮存、转运和解毒能力。

研究人员选育的野生植物普遍具有对重金属的吸收、转运、储存能力以及快速生长能力或是对重金属具有较强的耐受性。但是任何一种植物都有其各自的优缺点(见表1)，有的植物生物量低、生命力较弱，有的植物达不到理想的重金属富集能力和缺乏足够的对重金属的吸收、转运能力，有的植物缺乏长时间的择优育种，无法筛选优良性状，这些都是选用野生植物的弊端。另外，许多土壤污染现场的实际情况较复杂，可能掺杂有多种重金属，单一种类的植物修复可能会因为某些重金属的存在导致活性被抑制甚至失活，或是因为目标土壤中重金属浓度区域性的差异而使得植物修复处理情况良莠不齐[18]。考虑到目前土壤中重金属污染的严峻形势，所以必须采取一些有效的强化措施来摒弃单一植物修复技术的弊端。因此，一些研究者基于系统工程的原理开发了许多植物联合修复处理方法。如Wan等[19]研究了As超积累植物蜈蚣草和桑树间作的修复能力，结果发现：与单一种植相比，间作处理下蜈蚣草中As浓度显著增加，而桑树中As浓度则显著降低；对不同处理条件下土壤中As的空间分布分析显示，不论单作或间作处理，蜈蚣草根周围土壤中As浓度都较低，而且在间作处理下桑树叶中As浓度符合国家饲料标准的要求。与此同时，为了达到目标处理的效果，越来越多的植物修复强化技术应运而生。

表1 各种类型植物的优缺点及其处理能力示例

3 植物修复强化技术

Agnello等[20]通过盆栽试验比较了自然衰减、用苜蓿进行植物修复、用铜绿假单胞菌进行生物强化、生物强化辅助植物修复4种生物修复策略，用于修复试验污染土壤中主要污染物Cu、Zn、Pb和石油烃，试验结果表明：生物强化辅助植物修复可去除污染土壤中68%的石油烃，其次是生物强化(59%)、植物修复(47%)和自然衰减(37%)，其处理能力的差异明显。

很多时候受限于土壤中重金属的浓度和有效性，以及可能过长的修复周期或者过小的植物生物量等原因，单一的植物修复方法对土壤中重金属并不能起到较好的处理效果。因此，为了提高植物修复的效果，越来越多的强化调控措施被应用到植物修复技术中，例如化学、生物、农艺及基因工程等强化措施。

3. 1 化学措施强化植物修复技术

3.1.1 螯合诱导强化植物修复技术

螯合诱导强化植物修复技术主要是针对植物提取，通过向污染土壤中添加有机配体，包括天然螯合剂或合成螯合剂，如二乙基三胺五乙酸(DPTA)、乙二酸四乙酸和苹果酸等[21]，从而强化植物对土壤中重金属的提取效果。近十年间，螯合物辅助植物修复污染土壤中的金属已经成为重要的土壤修复技术[22]。电位修正剂如元素硫、铵肥、低分子量有机酸、EDDS、乙二胺四乙酸(EDTA)、次氨基三乙酸(NTA)、羟基乙二胺三乙酸(HEDTA)和氨三乙酸等[6,23]，这些螯合剂的添加能增强植物对土壤中Pb、Cd、Cu、Zn和Ni的提取效果[23]。

Hu等[24]对氨三乙酸和烷基糖苷联用强化蔍草Ephemera修复Cd和Pb污染土壤时发现：在单一污染条件下，氨三乙酸使蔍草根对Cd或Pb的吸收都增加了;在两者复合污染条件下，氨三乙酸使蔍草根对Pb的吸收增加了9.7倍，而对Cd的吸收增加了1倍，这是因为在氨三乙酸的存在下，烷基糖苷使更多的目标重金属富集在植物根表面，从而强化了植物对重金属的吸收。合成螯合物主要通过将金属从土壤固体释放到土壤溶液中来移植金属，从而提高植物对重金属去除的有效性。这是由于金属螯合物带中性电荷，它们不会与带负电荷的细胞壁成分(如多糖或根状茎的羧基)结合[25]，但金属螯合物可以被大多数植物特别是蓄积植物捕获。

研究表明，在合成螯合物存在的情况下，污染土壤中Pb、Cd、Ni、Cu和Zn的积累显著增加[26]。Arsenov等[27]研究了外源施加螯合剂(柠檬酸)对植物提取在酶活性层面的具体影响和抗氧化防御的作用，该研究以受Cd污染的土壤中生长的柳树物种[柳属(Salixviminalis)、银白杨(S.alba)和马桑属(S.matsudana)]为研究对象，土壤中Cd的浓度为6 mg/kg；柠檬酸作为一种外源螯合剂，用于提高Cd在土壤中的溶解性，增强植物对Cd的吸收，柠檬酸浓度为20 mM/kg土。结果显示：柠檬酸在积累Cd从根部向枝条和叶片的迁移中起到了积极作用；柠檬酸的添加可以帮助植物克服氧化应激，其螯合特性和抗氧化酶活性可以减轻Cd的毒性；通过改变抗氧化酶如过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APx)和愈创木酚过氧化物酶(GPx)的活性，对于暴露于Cd的植物的幼叶和成熟叶分别表现出不同的保护策略，而且添加柠檬酸还有利于减少Cd胁迫对光合作用的负面影响。此外，在一定的试验条件下将柠檬酸与EDTA复配淋洗重金属污染的土壤，对复合重金属(Zn、Cu、Pb、Cr、Ni)的去除效果有明显的提升，并可以很好地将土壤中重金属从稳定态向不稳定态转化，进而使得土壤中重金属得以去除[28]。

虽然螯合物辅助的植物修复土壤中重金属的去除具有一定的有效性，但是由于螯合物具有不易分解、极易污染地下水、对土壤中微生物有害以及螯合物在土壤中的高浸出风险、相对较低的效率以及较高的成本等缺陷，所以目前实际应用的并不多。

3.1.2 植物激素强化植物修复技术

植物激素是由植物自身代谢产生的一类有机物质，能从产生部位移动到作用部位，并在极低浓度下就具有明显生理效应的微量物质，也被称为植物天然激素或植物内源激素。利用植物激素可以提高植物的生物量，增强植物的抵抗能力。已知的植物激素主要有生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸和乙烯5类。而油菜素甾醇也逐渐被公认为第六大类植物激素[29]。植物激素通过促进植物生长、调节植物的生理代谢或与重金属螯合，从而达到大量吸收重金属或降低重金属的毒性等机理来提高植物的修复效果。Ji等[30]研究表明，赤霉素(GA3)在1 000 mg/L时使龙葵生物量增加 56%，Cd的浓度在龙葵茎中增加了16%；López等[31]研究发现，在0.2 mmol Pb的培养液中加入100 μmol吲哚3-乙酸(IAA)和0.2 mmol的EDTA时，非超富集植物紫苜蓿Medicagosativa叶片中Pb的含量比未添加任何物质和仅添加EDTA时分别增加了28倍和6倍。因此，针对一些超富集植物发芽率低、生长缓慢和生物量低等缺点，利用植物激素打破修复植物的种子休眠，促进其发芽和快速生长,对提高超富集植物的修复效率具有一定的意义。

3. 2 生物措施强化植物修复技术

生物措施强化技术是指利用微生物诱导土壤中重金属的吸收、沉淀、氧化和还原，帮助植物在金属污染条件下正常生长，保护植物免受重金属的有害影响，甚至可以增加超积累植物的金属吸收[32]。植物修复效果通常受到金属浓度、吸收、易位和生物量等因素的限制；而利用生物辅助修复，通过生物吸附、细胞内聚集、生物浸出、生物矿化、酶催化转化、氧化还原反应等多种机制可以克服这些因素的限制，从而提高植物对重金属污染土壤的修复效果。

生物辅助强化植物修复的方式主要是通过菌根或接种植物内生菌的方式与植物根部联合，增强植物对于重金属的耐受性，促进植物根部吸收从而加强植物根部向其茎、叶输送重金属的能力等[33]。Sobariu等[34]应用基于人工神经网络(ANN)和差分进化(DE)的方法，证实了植物促长根际细菌(PGPR)刺激独行菜Lepidiumsativum的平均发芽效率增加了7%，该联合体对于Cr(VI)和Cd(II)混合溶液也有着明显的耐受性，且平均根长增加了22%，平均茎长增加了34%，干生物量增加了53%;Burges等[35]利用假定内生菌群进行了一种内生植物辅助植物修复试验，在控制条件下，分别用天蓝遏蓝菜Noccaeacaerulescens和酸模Rumexacetosa(单独和组合方式)进行了植物提取试验，结果表明：天蓝遏蓝菜和酸模的生长分别增加了41%和16%，同时增加了植物对Zn的提取能力、土壤微生物生物量和功能多样性；即使植物内生菌群的接种不会导致植物对重金属吸收量的升高，但它通过将叶绿素和类胡萝卜素含量分别增加28%和36%，从而提高了宿主植物的生理状态，减少了植物的压力。同时，内生菌的接种对土壤性质及其微生物群落都有着有利的影响，主要反映在生物多样性、养分循环、水流调节、水净化、污染控制、害虫控制、生育维持和碳储存能力等方面，该方法较之传统的基因工程强化技术更为便捷和温和，避免了基因工程技术的环境安全性和基因逃逸等问题，而且内生菌接种在宿主植物内，可以克服被污染土壤中土著微生物竞争失活的情况。因此，生物措施强化植物修复技术具有较强的应用潜力。

菌根真菌可增强宿主植物对重金属的耐受性，影响植物对重金属的吸收、转运和累积，以达到强化植物修复的效果。Shi等[36]研究发现，来自植物根部的具有金属抗性的内生真菌可以提高宿主植物的植物修复功效。该研究从生长在污染土壤中油菜的根和茎中分离得到3种具有类似植物生长促进特性的真菌,从油菜根中分离得到的青霉属的CBRF65和镰刀菌属的 CBRF44显著提高了油菜的生物量，且促进了油菜对Pb和Cd的提取效果;而从油菜茎中分离得到的链格孢属的CBSF68对植物修复没有增强作用。然而，植物地上部分的内生真菌对宿主植物的影响是未知的，这也可能是未来该领域需要深入研究的方向。

3. 3 农艺措施强化植物修复技术

农艺措施作为植物修复强化技术可有效提高植物对土壤中重金属污染的修复效率，这些措施具体包括施加肥料、水分调控、作物育种技术和改良耕作技术等。其中，施加肥料可改良或改变土壤的营养环境、pH值和氧化还原电位，促进植物生长，提高植物的生物量，从而增加植物对重金属的吸收；水分调控对于植物的苗期和花期非常重要，过量灌水会导致植物烂根，灌水不足则会导致植物蔫萎，都会抑制植物生长；作物育种技术同样可以强化植物修复效果，尽管很多新兴的修复植物是野生植物，并没有成熟的栽培模式和育种技术，但是可以通过不断选择重组方法来去除植物的劣势性状，保留其优势性状，这其中植物根系的表面积大小、根系的分布情况、根系的分泌方式，发达的茎组织，休眠期、生育期以及抗倒抗虫病等能力都是需要着重考虑的因素，一旦有了这些明确的培养目标，通过杂交育种等方式进行连续几代的优中选优，最终得到生命力强、生长迅速、生物量大的优良修复植物；改良耕种技术也可以达到某种强化植物修复效果的作用，具体形式为中耕松土、增加种植密度[37]、搭配种植和防霜防虫害等，亦或是通过物理方法促进植物生物量的提高，例如去除植物的顶端优势，增加植物的枝条数目，从而增加其富集能力[38]。Liu等[39]针对Cd超积累植物青葙CelosiaargenteaLinn，研究了在不同程度污染土壤上“去顶”和“不去顶”处理对植物生物量和对Cd积累性的影响，结果表明：相对“不去顶”处理，“去顶”处理使该植物的根生物量增加了75%～105%，茎生物量增加了108%～152%，叶生物量增加了80%～107%；在不同污染土壤中，“去顶”处理后植物地上部分中Cd的浓度为“未去顶”处理的2.5～2.8倍，这也是一种十分有效的植物修复强化方式。

另外，针对大范围的污染区可以通过调整当地的耕种制度来保证土壤的养分均衡，从而提高植物对重金属的耐受性，也可以通过快速施肥影响根际微生物的密度和组成来强化宿主植物对重金属的吸收、转运和耐受性，还可以用污泥改良目标土壤，这些农艺措施强化植物修复技术都具有操作简单、环境友好、效果明显、技术成熟等一系列的优势，有着广阔的应用前景。未来农艺措施强化植物修复技术的研究可能会以强化复合金属的处理能力和筛选优势性状的植物为主。

3. 4 基因工程强化植物修复技术

基因工程强化植物修复技术是将对重金属污染土壤有修复作用的异源目的基因转入植物材料，如金属螯合剂、金属硫蛋白(MTs)、植物螯合肽 (PCs)和重金属转运蛋白等基因，继而在植物体内有效地表达并参与重金属吸收、转运、转化、隔离、络合及挥发等过程[40]，从而提高植物修复的效率。相比传统育种方法而言，通过基因工程强化植物修复技术可获得生长速度更快和生物量更大的目标植物,同时能够从其他物种引入新基因使得不需要通过传统的育种方法就可以获得转基因植物新特征成为可能。如Meagher[41]通过基因工程强化植物修复技术，将汞还原酶(mer A)和汞裂解酶 (mer B)转入拟南芥Arabidopsisthaliana中表达，比非转基因的植株对汞的耐受性提高了50倍；Nagata等[42]研究发现，利用基因工程手段构建含有汞运载体(mer T)和表达超积累汞的多聚磷酸盐激酶基因(poly P)的表达载体，通过转化获得的转基因烟草极大地加强了其对Hg的吸收和积累。由此可见，基因工程强化植物修复技术是改良超富集植物对重金属耐受性和富集能力的有效途径，具有十分广阔的应用前景。

4 植物修复强化技术存在的弊端

植物修复技术作为原位修复技术，相比较化学修复具有成本低、二次污染易于控制，以及植被形成后具有保护表土、减少侵蚀和水土流失，且可大面积应用于矿山的复垦、重金属污染场地的植被与景观修复等优势的同时，也有着耗时长、见效慢、易受自然因素干扰的缺点[43]，而且存在污染物通过“植物—动物”的食物链进入自然界的可能[44]。目前针对植物修复的强化技术如化学措施、生物措施、农艺措施和基因工程强化技术等，也存在着一些弊端，即存在着一系列亟待解决的问题，如：投入与产出不平衡，相比于所达到的效果，成本过于高昂[45]；未能统筹兼顾生态环境的影响，在强化修复的同时造成了二次污染；只对土壤理化性质、植物根系、植物生物量或某一与修复相关的生理活动进行强化与调节，没有形成对整个植物修复过程的综合性强化；强化修复的重金属种类单一，复合污染环境下的强化修复研究薄弱。此外，这些强化技术也存在着各自的局限性：化学措施强化技术向土壤施加的化学物质会影响土壤的理化性质，但是由于其不易分解，极易污染地下水，使污染扩散，易产生二次污染，也会对土壤中微生物造成不利影响，而且由于螯合物在土壤中的高浸出风险以及相对较低的效率和较高的成本，在实际应用中受到了一定的限制；生物措施强化技术虽然安全有效，但是一些高效的强化修复措施仅限于特定的微生物群落和土壤环境，缺乏微生物与植物、土壤的适应性研究，在异位修复时有着一定的障碍，不能作为普遍通用的强化修复技术；农艺措施强化技术的研究和应用都较少，许多技术都还停留在实验室水平，缺乏长时间在自然条件下的应用研究，并且一些农艺措施中使用的化肥和农药也会造成土壤环境的二次污染；基因工程强化技术虽然在试验中显示出植物修复效率得到了加强，但在实际应用中转基因植物存在潜在的环境威胁，可能会诱发食物链的破坏，另外如果这些外源基因由于“基因漂流”而非人为地转入其他有机体，则会造成自然界基因库的混杂或污染。上述这些原因都制约了植物修复强化技术的推广与应用。

5 结论与展望

土壤环境是一个十分复杂的生态系统，土壤重金属污染又是一个世界性的严峻课题。植物修复是一种安全、环境友好和成本低廉的修复技术，而且可以大规模地进行种植修复。同时，针对植物修复存在的某些不足，不断地对植物材料进行优势性状筛选，并对其进行技术性能强化是今后该领域研究的重点。许多研究者论证了重金属在土壤体系中的归趋行为与一般植物修复的弊端，进而研究和发展了一系列的植物修复强化技术，并分为化学措施、生物措施、农艺措施和基因工程等不同方式，本文就植物修复技术讨论了植物材料的筛选和植物修复强化技术，且对这几种植物修复强化技术的作用机制、研究现状和优缺点等做了详细讨论。另外，指出未来植物修复土壤重金属污染的研究重点主要集在以下几个方面：性状优良的超积累植物的培育；生物强化技术中根际微生物的作用效应与植物体内重金属储存解毒累积分子的控制机制；基因工程强化技术的作用机制；农艺措施强化技术的实际应用和作用机理等。