土壤重金属污染及植物修复技术

姜婧

（河北省保定生态环境监测中心，河北 保定 071000）

近年来，环境污染和生态破坏形势日趋严峻，严重影响到人类的健康和生存，其中重金属元素对环境的污染和破坏作用尤为严重，重金属是一类毒性很大，具有潜在危害的无机及污染物，可在土壤和生物体内富集，造成土壤和农作物污染，对作物生长、产量和品质均有较大危害，特别是它们还能被作物富集吸收进入食物链，具有损害人和动物健康的潜在危险。这种污染的特殊性在于它不能被土壤微生物降解而从环境中彻底消除，当其在土壤中积累到一定程度就会对土壤-植物系统产生毒害和破坏作用，更为严重的是这种污染具有隐蔽性、长期性和不可逆的特点，且难降解、易积累、毒性大，是影响生态系统安全的一类重要污染物质，如世界著名的日本水俣病、骨痛病就是典型的例证。因此说土壤重金属污染已成为全球面临的一个严重的环境问题[1]。

由于重金属不能被微生物降解，进入土壤后很难消除，且多为过渡元素，有可变的价态，在不同条件下其存在的形态和价态不一样，其活性和毒性也不同。重金属在土壤中容易生成氟化物、氢氧化物、硫化物、碳酸盐、磷酸盐等形式的沉淀物，在土壤中累积，他们不易迁移也不易被生物吸收。但它们易作为中心离子与水、羟基、氨、有机酸等配位体生成配合物，也可能与土壤有机质中的某些分子形成螯合物，这些配合物和螯合物在水中的溶解度较大，易于在土壤中迁移和被植物或微生物吸收利用，在通过食物链进入人体。重金属进入人体后，不易排泄，逐渐积累，当超过人体的生理负荷时，就会引起生理功能改变，导致急慢性疾病或产生远期危害：(1)慢性中毒(2)致癌作用(3)致畸作用(4)变态反应(5)对免疫功能会产生影响。

本文对土壤中的重金属的重金属形态、生物有效性、污染评价方法以及土壤修复方法进行了总结和评述。

1 土壤中重金属的形态及影响植物从土壤吸收重金属的因素

1.1 土壤中重金属的形态

土壤中重金属离子形态的划分方法有很多，但目前比较通用的划分方法为Tessier的五分法，即将土壤中的重金属分为离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机硫化物结合态、残留态等5种形态：（1）离子交换态。离子交换态的重金属在土壤环境中活性大，毒性强，易被植物吸收，也易被植物吸附、淋失或发生反应转为其他形态。（2）碳酸盐结合态。碳酸盐结合态受土壤条件影响，对敏感值升高会使游离态重金属形成碳酸盐共沉淀，当值下降时易重新释放出来进入环境。(3)铁锰氧化物结合态。土壤中的铁锰氧化物占有效态比例较大，正常情况下可利用性不高[2]。(4)有机硫化物结合态。有机硫化物结合态以重金属离子为中心离子，以有机质活性基团为配位体的结合或是硫离子与重金属生成难溶于水的物质，在氧化条件下，部分有机物分子会发生降解作用，导致部分金属元素溶出，对环境可能会造成一定的影响。(5)残留态。残留态的重金属与土壤结合最牢固。它的活性最小，毒性最小，几乎不能被植物吸收，一般存在于硅酸盐、原生和次生矿物等土壤晶格中。

1.2 影响植物从土壤吸收重金属的因素

土壤-植物系统中影响重金属生物有效性的因素很多，主要有土壤性质、重金属的复合污染、有机质和根际环境等。

1.2.1 土壤性质

土壤的pH值主要是通过影响金属化合物在土壤中的溶解度来影响重金属行为。当土壤上升时，大部分微量元素通常会发生吸附作用或形成络合物，土壤对重金属的吸附量增加，重金属的生物活性下降。此外，土壤的pH值会影响土壤胶体的荷电。通常，在酸性条件下土壤胶体带正电，在碱性条件下带负电，在等电点时胶体不带电，pH值的改变会影响土壤胶体的电荷密度，导致其对金属离子的吸附能力的变化[3]。

1.2.2 复合污染

复合污染是指两种或两种以上不同种类、不同性质的污染物，或同种污染物的不同来源，或两种及两种以上不同类型污染在同一环境中同时存在所形成的环境污染现象。土壤生态系统中的重金属，在它们对生命组分发生危害后，其相互之间还要发生交互作用，导致其对生态系统的毒性发生改变。多种重金属之间可能存在着加和拮抗或协同作用。

1.2.3 有机质的活化作用

有机质可改变溶液重金属的存在状态，或改变吸附体的表面性质而影响重金属的吸附，能增加或抑制重金属的吸附，或对吸附不产生明显作用。有机质中的腐殖酸、富里酸等具有空间球状结构，内部空隙中可大量吸附重金属离子。有机质具有很强的鳌合能力，具有与金属离子牢固鳌合的配位体[3]。

1.2.4 根际环境

根际是土壤或沉积物中受植物根系及其生长环境影响的微域环境。根际环境由于根分泌物作用的存在，致使其养分状况、微生物等有异于土体，因而重金属在根际环境中有其特殊的化学行为，重金属在根际和非根际中的含量和分布也出现差异。一般认为，根际活动能活化根际中的重金属，促进其生物有效性[4]。由于土壤-植物生态系统的复杂性，重金属生物有效性的影响因素也很复杂。除了以上几种因素外，由于重金属的种类、浓度、元素组合、相对浓度比例等多种环境因素的影响，重金属与养分元素交互作用，植物种类和生长特性，同种植物的不同部位吸收重金属的能力，不同形态重金属的生物有效性与植物吸收途径等都有关系[5]。

2 植物修复方式和超积累植物的特性

2.1 植物修复方法

目前利用植物改良土壤环境的方法主要有根部过滤技术、植物萃取技术、植物挥发技术和植物稳定技术等4种。

2.1.1 根部过滤技术

通过耐性植物根系吸收重金属并保持在根部。此法多用于水体污染修复。

2.1.2 植物萃取技术

又称植物提取技术。重金属经植物根系吸收后，继而被转移、贮存到植物茎叶，然后收割茎叶，从而达到去除土壤重金属元素的目的[6]。植物萃取技术利用的是一些对重金属具有较强富集能力的特殊超积累植物。

2.1.3 植物挥发技术

利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的污染物被植物吸收和转化，以挥发状态排出植物体外，从而去除土壤污染。植物挥发要求污染物被转化后的毒性要小于转化前的污染物质，以减轻环境危害。

2.1.4 植物稳定技术

植物稳定是利用耐重金属植物降低土壤中有毒金属的移动性，从而减少金属被淋滤到地下水或通过空气扩散，进一步污染环境的可能性[7]。植物在植物稳定中主要有两种功能：一是保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏来防止重金属污染物的淋移。二是

通过金属在根部积累和沉淀或根表吸附来加强土壤中污染物的固定。

2.2 超积累植物的特性

Vergnano首次测定植物叶片中含Ni量达7900g/kg；Brooks等在1977年首先提出重金属超积累植物的概念。

超积累植物一般应具有以下特征：（1）即使在污染物浓度较低时也有较高的积累速率，尤其在接近土壤正常重金属含量水平即非污染情况下，植株仍有较高的吸收速率，且须有较高的运输能力（2）能在体内积累高浓度的污染物，对某种重金属的累积量较普通作物多10～500倍以上（3）能同时积累几种金属（4）生长快，生物量大（5）具有抗虫抗病能力。根据野外采集样本的分析，全球大约发现了400种超积累植物，而最重要的超积累植物主要集中在十字花科。目前国外研究的最多的植物主要为芸苔属（Brassica）、庭芥属(Alyssuns)及遏蓝菜属(Thlaspi)[8]。我国在这方面研究起步较晚，但也取得了一定的成果。

3 植物修复技术的发展趋势

植物修复是一项处于迅速发展之中，具有广阔应用前景的新技术“植物修复以太阳能为驱动能源，适用于中、低强度污染的治理，成本较低，具有良好的社会、生态、综合效益。易被公众所接受，特别适合在发展中国家使用。该技术的发展趋势大致有以下几方面：

（1）寻找、筛选和培育超积累植物，进行全国超富集植物资源调查，了解其分布并建立超富集植物的数据库。（2）加强植物修复的实践性环节，创建植物修复重金属的示范基地，继续对超富集植物的机理和作用进行研究。（3）基因工程的应用。目前，基因技术应用于植物修复才刚刚起步，但已有的成果表明基因技术将成为该领域研究的重要方向，有可能导致植物修复的革命性突破。其研究包括有价值基因的筛选、转基因植物对环境的影响、转基因植物遗传性能等。(4)超富集植物体内重金属的回收再利用。对于收获物的处理上，研究的人较少，目前仅对灰分中重金属含量为10%-40%的植物采用冶炼回收。对于不能回收利用的收获物如何避免二次污染还需要进一步研究。（5）植物修复与传统的物理、化学方法相结合的综合技术的研究。电化学、土壤淋洗和植物提取法各有优缺点和适用范围，若能将这些方法综合应用于重金属污染土壤的修复中，可能会获得更好的处理效果[9]。

植物修复技术虽然还有很多方面需要深入研究，但其低耗费优点多的特点将使其在未来得到迅速发展并开拓出更为广阔的应用前景。