重金属污染土壤植物修复研究现状与展望

任海彦 胡健 胡毅飞

摘要：近年来，重金属污染土壤的情况日益严重，植物修复技术以其低廉、环保等优势成为研究热点。已知的大多数超富集植物由于生物量、根茎类型等生物学特性和生理特征不同而具有一定修复重金属污染土壤的能力。根据植物的重金属富集指数（BCF），即植物体内重金属含量与土壤中重金属含量的比值，将植物修复能力分为较强（BCF>1）、中等（0.1 关键词：土壤污染;重金属;植物种;植物修复

中图分类号： X53 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）01-0005-07

土壤环境质量的改善与修复一直以来是国内外普遍关注的热点问题。欧洲及美、日、澳等国家近年来都逐步制定了土壤修复计划，重点研发土壤修复技术，使这项技术与相关产业得到了快速发展。我国对土壤修复的研究则相对落后，但已日趋成为国家关注的重点。2016年5月28日国务院发布的《土壤污染防治行动计划》显示，计划到2020年，我国受污染耕地的有效利用率可以达到90%左右，污染地块的有效利用率达到90%以上。盐碱地和重金属等污染土壤的修复手段和方法已经成为当前我国的研究重点。已知传统的物理、化学、工程措施等修复方法因成本高、效率低、破坏土壤生态平衡等劣势不宜被采納[1-3]，而运用植物修复污染土壤则以修复潜力大、低成本、原位修复、保护环境等优点受到广泛关注[4-7]。作为绿色生物技术，植物修复技术利用植物及其根系微生物群落吸附土壤中的污染物，通过植物降解（phytodegradation）、植物促进（phytostimulation）、植物稳定（phytostabilization）、植物提取（phytoextraction）、植物过滤（rhizofiltration）5个途径达到修复土壤的效果[8-13]。究竟如何将具备修复污染土壤能力的植物种分类以及对其修复能力进行定量分析还知之甚少。本文根据植物耐性、抗性和富集不同重金属的能力，概括总结了目前常见的具有重金属污染土壤修复功能的植物，以期为进一步有效合理地利用植物修复污染土壤提供参考和依据。

1 我国土壤重金属污染现状

我国当前土壤环境质量恶化，土壤污染形势严峻。当土壤中的有害物质量超过其自净能力，导致土壤结构、功能以及微生物组成和多样性等改变，影响到地上部分种植的作物，进而被人体间接吸收，危害到人体健康时，即为土壤污染。最新统计结果表明，全国土壤污染总超标率为16.1%，重金属污染耕地占总耕地面积的20%左右，部分地区农产品的农药残留超标率近20%[14]。土壤污染类型多样，原因复杂，根据污染物种类分为四大类：重金属污染（镉、铅、砷、镍等）、放射性污染（铯、锶等）、无机污染（酸、碱、氯等）和有机污染（有机农药、酚类、苯并芘等）[15-17]。其中，重金属污染和有机污染因其污染程度高、面积大而倍受关注，其土壤中污染物的含量和背景值如表1所示。其中，重金属镉和多环芳烃的点位超标率分别达到了7.0%和1.4%。土壤污染的主要来源为大气干湿沉降、工业三废（废渣、废水、废气）的排放、化肥与农药的过量使用等[2，13]。

2 重金属污染土壤植物修复现状

植物修复技术通过选用重金属元素耐性和抗性较高的超富集植物种植于土壤污染地以实现改良土壤的效果[19-20]。理想的可选植物通常具备以下几个特点：生长速度较快，周期较短;生物量较大;抗虫抗病能力强;对高浓度的污染物忍耐性强，一般不会发生植物毒害现象[21]。影响植物吸收重金属的因素主要有土壤温度和水分、化学元素、有机酸、土壤酸碱度等[22-24]。植物修复有2种途径，一种是改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定，降低其在土壤中的移动性和生物可利用性;另一种是通过植物根部吸收、地上部挥发达到对重金属的消减、净化、去除的效果。植物修复的方式有植物稳定、植物挥发、植物提取、植物促进。植物稳定即通过植物根部特殊物质使得污染物转化为相对无害物的方法;植物挥发指通过植物根部或根部微生物使其形态转变为气态挥发，或植物将重金属吸收到体内后转变成气态物质释放到空气中;植物提取指通过超富集植物积累重金属后对富集部位进行刈割等处理使土壤中重金属减少[25-26];植物促进则是植物本身不能吸收利用重金属，但其根部分泌物可以促进根部微生物吸收或释放土壤中的重金属[19-20，27-28]。

植物修复技术有很多优点，相比于其他物理、化学、微生物的修复技术而言，此项技术可以在修复土壤的同时净化空气与水体，改善环境，而且有利于生态环境，它的成本比物理化学修复方法要低很多。当然植物修复也存在不少问题，如修复周期长、修复植物对污染源的强选择性、可选植物有限等。

我国在植物修复筛选方面的研究工作虽晚于国外，但也取得了不少成果，本文统计出了当前国内外研究较多的重金属污染土壤的超富集植物（表2），总结了近年来发现的常见土壤修复植物及其基本修复特征（表3）。不同植物种类对土壤的修复效果不同，其修复能力可根据富集系数（BCF）来判断，富集系数的高低对应植物种修复能力的高低[29-32]。以重金属富集植物为例，重金属富集系数等于植物体内重金属含量与土壤（或沉积物）中重金属含量的比值，小于0.1的为较低修复能力，大于1的为较强修复能力，大于0.1且小于1的为中等修复能力[33]。图1比较了不同物种对同种土壤中重金属铅和镉含量的富集能力，对于铅污染土壤而言，物种富集能力排序为高山漆姑草（Herba saginae Japonicae）>柳叶箬（Isachne globosa）>香根草（Vetiveria zizanioides）>小鳞苔草（Carex gentilis），对于镉污染土壤而言，物种吸附能力排序为叶芽阿拉伯芥（Arabidopsis halleri）>天蓝遏蓝菜（Thlaspi caerulescens）>宝山堇菜（Viola baoshanensis）>印度芥菜（Brassica juncea）。由表2可知，重金属（镉、镍、铜、砷、汞、铅、锌）超富集植物多分布在禾本科、十字花科、豆科、菊科等。其中，比较有代表性的植物有东南景天（Sedum alfredii）、小鳞苔草、苎麻（Boehmeria nivea）、酸模（Rumex acetosa）、乳浆大戟（Euphorbia esula）、天蓝遏蓝菜、紫花苜蓿（Medicago sativa）等。其他可改良土壤的植物如具有水土保持功能的鸭茅（Dactylis glomerata），耐土壤盐碱化的毛苕子（Vicia villosa）、翅碱蓬（Suaeda australis）、芨芨草（Achnatherum splendens）等均能够从不同角度改良土壤。修复植物中的牧草，如紫花苜蓿、红三叶草（Trifolium pratense）、菊苣（Cichorium intybus）、披碱草（Elymus dahuricus）、香根草等因对土壤贫瘠、干旱、盐渍化等恶劣环境具有更高的抗性而倍受青睐。尤其在生态修复方面，禾本科牧草和豆科植物经常被用于退耕坡地的水土保持、小流域治理、沙漠化防治以及干旱地盐渍化改善等[34-36]。具有多种修复功能（修复多种重金属元素或有机、无机污染源等）的植物种通常都是具有较强修复能力的重点研究对象。此外，植物修复技术还扩展了多个研究方向，包括络合诱导强化修复、不同植物套作联合修复、修复后植物处理处置的集成技术等[27，37-40]。

植物本身的功能群类型、多样性、植物基因组成和根系的发展对土壤及土壤微生物有着重要的影响。例如有研究结果证实了重金属锌超富集性状的调控基因受管家（housekeeping）基因控制[27，41-43];土壤修复植物通常根系发达，根毛稠密，根系分泌物中都含有大分子有机酸，如柠檬酸、苹果酸，与重金属结合会降低重金属对植物体毒性，促进植物吸收重金属等方式来吸收土壤中的污染物质[15，44-46]。在大量理论研究的基础上，如何提高植物修复效率、减少修复成本、扩展修复植物种群等问题是目前植物修复技术需要解决的难点和重点。其中，运用微生物与其共生植物的互作关系强化植物修复功能是新兴的一项行之有效的技术创新。微生物菌分泌的抗生素、生长调节剂等多种物质能够大大增强植物的抗性[43，47-48]。其关键环节是筛选降解能力强的菌根真菌和共生植物。在植物筛选过程中，能同时兼备2种以上修复能力的物种（如同时修复2种或2种以上重金属）对修复土壤起到至关重要的作用。開发和培养具有多方面抗性的普适种进而挖掘复合型污染土壤的治理方法，并深入探索其土壤修复机制成为国内外科研工作者面临的挑战。

对于修复污染土壤的植物，可以将其作为饲料饲喂畜禽，如修复铜锌污染土壤的植物可以用作饲料饲喂动物来补充动物生长所需微量元素铜锌含量[33，49-50];还有研究显示，为了恢复污染土壤种植一些无直接使用价值的植物会引起农民抵触，而种植油葵、油菜等产油、高产的经济作物，既可以在一定程度上恢复土壤，又可以带来一定经济收入，还不会对人体健康造成影响[51-52]。

3 研究方向展望

根据目前国内外植物修复技术研究现状，其应用和发展具有很大的前景。本文认为以下几个方面的研究应予以加强和深入：（1）深入植物修复土壤的机制研究，加强复合型修复植物的筛选工作。植物物种抵御性强，对土壤污染源具有较强的选择性，很难在多种污染地上应用，但土壤环境多为多种污染源复合污染，因此具有复合功能的植物筛选研究有待进一步开发。（2）加强现有土壤修复植物的育种和驯化，提高其生物量和生长速率，加快其修复效率。（3）结合分子生物学的转基因技术，将修复植物的耐受基因和超富集性状的调控基因转入普通植物体内[44]，改善植物生长特性，最终杂交得到修复型基因工程植物。（4）开展多种植物联合修复，乔木灌木草本优化搭配，修复植物和农作物通过农业措施合理配置，构建高效的生态修复群落。（5）开展对修复植物的回收利用、安全填埋和资源化利用方面的研究，使其最大程度地发挥功效，避免二次污染。（6）研究微生物联合植物修复，探索植物根圈、根际微生物对植物修复的作用。关键环节是筛选降解能力强的菌根真菌和共生植物。有效运用能促进植物生长的根际细菌或真菌与植物的结合，实现根际强化技术和微生物-植物协同修复技术的创新。（7）植物型土壤修复剂的开发与应用。植物根系分泌物的有机酸、螯合剂等能够合成添加剂以修复土壤。城市污泥、橄榄油废渣等也是很好的植物修复材料[27，39-40]。充分利用植物特性，开发可生物降解的螯合剂具有相当大的发展潜力。

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