土壤重金属污染的植物修复及其组合技术的应用

第25卷　第1期中　南　林　学　院　学　报V o l.25　N o.1　2005年2月JOU RNAL O F CEN TRAL SOU TH FOR ESTR Y UN I V ER S IT Y Feb.2005　Ξ[文章编号]1000-2502(2005)01-0081-05

土壤重金属污染的植物修复及其组合技术的应用

袁　敏,铁柏清,唐美珍

(湖南农业大学资源环境学院,湖南长沙410128)

[摘　要]　植物组合修复技术是近年来兴起的一种新型修复技术.阐述植物修复的基本内容,并重点介绍了植物组合技术在螯合剂——植物修复、基因工程——植物修复、电压——植物修复、化学改良剂——植物修复中的应用.由于植物组合技术能很大程度地清除土壤中的重金属,并且投资省、组合修复周期短、操作程序简单,因此与传统的单一修复技术相比,它更能充分利用各种修复技术的优点来弥补单一技术的不足,能更好地达到修复重金属污染土壤的效果.

[关键词]　环境科学;重金属污染;植物修复;植物组合修复技术

[中图分类号]　X53　　　　[文献标识码]　A

Appl ica tion of Phyto-rem ed i a tion and Its Com b i na tion Technology

to Rem ed i a ti ng Heavy-m eta l Con tam i na ted So il

YU AN M in,T IE Bo2qing,TAN G M ei2zhen

(Co llege of R esources and Environm ent,H unan A gricutural U niversity,Changsha410128,H unan,Ch ina)

Abstract:T he basic contents of phyto2rem ediati on and its com binati on techno logy of using p lants and o ther m eans to rem ediate heavy2m etal contam inated so il are introduced in th is pared to conventi onal single rem ediati on techno logy,th is com binati on techno logy can take better advantage of the good po ints of vari ous m eans to enhance the effect of removing heavy2m etal contam inati on from so il.

Key words:environm ental science;heavy2m etal contam inati on;phyto2rem ediati on;p lant com binati on techno logy

土壤中的重金属污染源于采矿、冶炼、城市垃圾、化肥杂质和污水沉积物等.重金属在土壤中的高富集直接影响谷物的产量并使其品质下降[1].即使重金属富集程度不高,亦可能阻碍土壤中微生物群体的多样性和活力,从而严重影响作为营养循环和持续农业基础的土壤的生物量和肥力[2].因此,去除土壤和水体中的重金属已经成为了人类亟须解决的问题.传统的土壤重金属污染治理方法主要有:基于机械物理或物理化学原理的工程措施,包括客土换土法、清洗法、热处理法、电化学法等[1];基于污染物土壤地球化学行为的改良措施,如加入改良剂、抑制剂降低土壤污染物的水溶性和生物有效性,以减轻污染物对生态环境的危害[1].这些传统的方法具有快速高效的去污效果,但由于其费用昂贵和对土壤扰动大,从而限制了它的大面积应用.随着人们对边缘科学的探索,将生态学、土壤学、植物学和环境工程学综合、扬弃,为植物修复技术的提出和应用提供了可能.它成为了如今污染整治的重要手段之一,亦是目前仅见的一种土壤污染治理的环境友好技术[3,4].但研究表明,应用于植物修复的植物往往有植株矮小、生长速度慢、生物量少等缺点.针对以上各种修复技术的不足,不少科学家将植物修复与传统的修复方法综合形成组合修复技术,这就克服了上述各种修复技术的不足,为最大限度地去除土壤中的重金属和短期内进入实际应用推广提供了可能.

Ξ[收稿日期]2004206207

[基金项目]中日合作丰田基金项目Toyo ta Fund D01-B3-010.

[作者简介]袁　敏(1980-),男,湖南衡山人,硕士研究生,主要从事环境毒理学和矿区植被重建方面的研究工作.

表1　已发现的超富集植物[11]

Table 1　The d iscovered hype -raccu m ula tors up to da te 金属

种数

科数

砷A s 11镉Cd 11钴Co 2612铜Cu 2411铅Pb 53锰M n 8

5

镍N i 27736

锌Zn

185

1　植物修复技术

植物修复(p hyto rem ediati on )技术是指利用植物修复和消除由有机毒物和无机废弃物造成的土壤环境污染[5]

.根据植物整治重金属污染土壤的作用过程和机理,重金属污染土壤的植物修复可分为以下4种类型.①植物提取(Phytoex tracti on )是指利用超累积植物对重金属的吸收作用,结合土壤改良技术,把污染物由地下转移到地上部分,随后收割其地上部分进行集中处理,以达到降低土壤中重金属含量的目的.目前,已发现400多种植物能够超积累

各种重金属.一些超累积植物能同时积累多种重金属[6],如羊蕨属植物和具有

富集重金属特性的苋科植物对土壤中重金属的吸收率达到100%.在以硫酸

盐和磷酸盐为肥料的情况下,遏蓝菜属的一些栽培变种的茎杆对重金属具有较强的富集能力[7],苎麻以及一些藻类对重金属具有较强的吸收能力.因此,利用超累积植物处理重金属污染区是一种比较理想的方法.②植物挥发(Phytovo lalizati on )是指土壤中重金属通过植物作用产生毒性小的挥发态物质,如硒在植物的作用下产生

挥发性的硒.湿地上某些植物可清除土壤中的硒,其中单质占75%,挥发态占20%～25%[8].印度芥菜有较高的吸收和积累硒的能力,在种植这一植物的第1年和第2年可使土壤中全硒量减少48%和13%[9].③植物稳

定(Phyto stab ilizati on )是指植物通过根系过滤、

固定和钝化使重金属吸附于土壤的表面,从而降低重金属在土壤中的有效态,达到减轻重金属污染的效果.目前Co tter 2How ells 和Capo rn [10]

报告施磷酸盐可以促使Pb 在

A g rostis cap illa ris 根际土壤中形成磷氯铅矿,但形成机理目前仍不清楚

.④植物转化(Phyto tran sfo rm ati on )是指利用植物根部及其它部位通过新陈代谢作用改变重金属的形态,从而降低其危害性.为了提高植物修复效

果,可采用如下措施:①积极发现新的超累积品种.目前,世界上共发现有400多种超富集植物[12],并且多在欧洲开展[13].其中N i 的超富集植物277种[11].表1为目前已发现的超富集植物数,表2为一些典型的重金属累积植物,这些植物将提供丰富的基因资源.②关于诱导植物的提取研究.目前,已发现具有高生物量的可用于诱导植物提取的植物有印度芥菜、玉米和向日葵等.印度芥菜可积累中等含量的重金属,在水培条件下,植株上部

Zn 和Cd 含量分别达2000m g kg 和40m g kg [9].诱导植物提取研究为培养合理的

表2　部分重金属的超累积植物[11,14～16]　　　Table 2　Hyperac cu m ula tors of so m e popular heavy m eta ls m g

kg 重金属超积累植物最高含量(干物质)

Pb

圆叶遏蓝菜T h lasp i .R otund if olium 8200Cd 天蓝遏蓝菜T h lasp i caeru lenscens 1800(茎)Zn 天蓝遏蓝菜T h lasp i caeru lenscens 51600(茎)Cu 高山甘薯Ip o m oea alp ine 12300(茎)N i 九节木属P sy chotria souarret 47500(地上部分)A s 蜈蚣草P teris v ittata L .

5000(叶)

超积累植物提供了理论基础和技术前

提.③超累积植物突变体研究.目前,已从植物南芥中分离出一些重金属超累积或敏感型突变体,其中有铜敏感型、镉敏感型、锰敏感型等多种突变体.M u rp hy 等[17]提出了超积累和敏感型突变体筛选比较有效的方法.进行此种研究将有利于扩大植物修复的研究范畴.

2　植物组合技术的应用

2.1　植物组合技术

研究表明,超累积植物往往植株矮小、生长速度慢,再加上受气候、土壤环境条件的限制,这些植物很难具有实际的应用价值[18].而一些生长速度快、生物量大的普通植物对重金属耐性低,因此组织中的累积量不高.为解决这一问题,Sco tt Cunn ingham 等认为,组合技术可弥补单一技术的不足,对现有各种重金属污染治理技术进行综合利用而形成的所谓的植物组合技术将成为今后土壤污染植物修复的一个重要研究领域[19].2.2　植物组合修复技术的类型

2.2.1　螯合剂-植物修复　土壤中的重金属不是在液相中,而是在固相上,并常被土壤牢固的结合.所以,植

物对金属的修复能力不仅与其从土壤中提取重金属速率有关[20],而且与土壤中重金属的有效性相关.并且有许多高产作物不具有富集植物自然富集重金属的特点,所以必须向土壤中加入移动剂来增加土壤溶液中重金属的浓度,只有这样,才能促进植物对重金属的吸收和富集.向土壤中施用螯合剂(如ED TA 、D T

PA 、EGTA 、

28中　南　林　学　院　学　报第25卷

柠檬酸等)诱导或强化植物超富集作用被称为螯合诱导修复技术(Chelate 2induced p hytoex tracti on )[21～23].这种修复作用的机理可能在于以下2个方面.①土壤溶液中的重金属离子通过与螯合剂相结合,降低了土壤液相中的金属离子浓度,为维持金属离子在土壤液相中和土壤固相中的平衡,重金属从土壤颗粒表面解吸,由不溶态转变成为可溶态,从而为植物的吸收提供了条件.因而无论是普通植物还是富集植物,通过螯合剂的施用,均可增强植物对土壤中重金属的吸收能力.H uang 研究了H ED TA 在提高作物吸取Pb 效率中的作用[24].在作物采集前期Pb 污染土壤(2500m g kg )中加入H ED TA 7.2mm o l kg ,使玉米中的Pb 浓度大幅度提高(由原来的16.7Λm o l kg 增加到19000Λm o l kg ).在H ED TA 处理过的土壤中玉米植株的死亡,也许是由于Pb 或

H ED TA 的危害之故[24].就植物提取修复而言,这种危害效应是不重要的,因为作物地上部的生物量已足够

大,残体可从修复场所移走.W enzel 用一系列螯合剂对污染土壤中的Pb 进行活化,其强弱顺序为ED TA >

H ED TA >D T PA >EGTA >EDDHA [25].螯合剂不但能活化Pb ,对其它重金属如Cu 、Zn 、Cd 、N i 也有很强的活

化能力.据B lay lock 等报道,一些人工合剂如ED TA 、D T PA 、EGTA 、CD TA 及柠檬酸有明显促进印度芥菜

B rassica juncea 对镉和铅吸收的效果,其实验结果与H uang 等的结果一致[26]:D T PA 和ED TA 在增加植物吸

Pb 量方面最有效,而EGTA 则对Cd 最有效,在含Cd 100m g kg 和含Pb 600m g kg 的土壤中,当螯合剂的使用量为5mm o l kg 或更高时,植株地上部的Cd 和Pb 的浓度可达到2000m g kg 和10000m g kg .吴龙华等也发现,在印度芥菜收获前10d ,向Cu 污染土壤中加入ED TA (3.15mm o l kg )后,水溶态Cu 由对照土壤的

0.18m g kg 增加到22.5m g kg ,增加幅度达125倍,土壤交换态Cu 也增加了10.9倍[27].Stanhop e 等研究表

明,随着ED TA 浓度的增加,土壤中Cu 、Zn 、Cd 、Pb 、N i 可溶态金属的含量占总重金属含量的比例呈线性提高.L uo 等研究了在超累积植物十字花科遏蓝菜属植物收获前2周(生长70d )加入ED TA (5mm o l kg )对土壤溶液和植物中Zn 、Cu 、Cd 浓度的影响

.结果表明,加ED TA 可大幅度地增加土壤溶液中这些金属的浓度[28].②土壤中的重金属与施入土壤中的螯合剂相结合,不但提高了土壤中重金属的浓度,并能促进植物对螯合剂与重金属所形成的络合物的吸收.V assil 等通过水培试验发现,经Pd 和ED TA 处理的印度芥菜,其地上部分能同时积累Pd 和ED TA ,且以Pd 2ED TA 的形式向上运输.植物体内ED TA 与Pd 的比例为1∶0.67[29].Ep stein 后来的土培试验也得出了相同的结论[30].D ream 等研究也表明,向土壤中加ED TA 能显著提高A rrhena thenc m ela tius 对Cu 、Co 、N i 的积累,其中Cu 的浓度由对照的200m g kg 增加到7500m g kg ,Co 由40m g kg 增加

到175m g kg ,N i 由8m g kg 增加到1276m g kg [31].施加螯合剂不但提高了一些植物对重金属的吸收,更重

要的是促进了重金属向地上部分的转移,这一点对于植物修复是否成功至关重要.H uang 等研究表明,在没有ED TA 施用情况下,豌豆和玉米中的Pb 从根向地上部分的转移低于30%,加入0.5g kg 的H ED TA 后,豌豆和玉米中的Pb 的转移分别达到88%和72%[24].而且,H uang 还发现向Pb 污染土壤中加入ED TA (1g kg )24

h 后,Pb 在玉米木质中的浓度提高了140倍[24].与对照比较,Pb 从根部向地上部分的净转移提高120倍[24].这

些说明了螯合剂促进了重金属向地上部分的转移.

2.2.2　基因工程-植物修复　利用基因重组技术将具有金属累积特性的基因导入到生物量大且易收获的植物中,并利用该植物特定的受体细胞与载体一起得到复制和表达,使受体细胞获得新的遗传特性,最后将转基因植物进行田间试验,以确定是否达到目的[32].这种技术称为基因工程-修复技术.据报道,日本长谷川教授将遗传基因(CU P I )植入菜花中,以检验转基因菜花的抗镉性,其结果表明:对照组在镉浓度为25Λm o l L 的溶液中能够生长,当镉浓度达到50Λm o l L 就几乎枯死;与此相反,转基因种到了400Λm o l L 仍能正常生长,是

对照组的16倍[33].另外,研究发现,具有汞离子还原酶基因(m erA )的细菌不仅能还原H g 3+,对A u 3+、A g +也

有一定的还原能力.B izily S P 等将m er A 引入到A rabid op sis tha liana ,发现了转基因植物抗汞能力提高了3～4倍,并提高了对汞的吸收能力,这种植物对A u 3+抗性也得到了提高[34].M u rp hy 等将细菌中的12氨基环炳烷212羧酸脱氨基酶基因引入西红柿L y cop ersicon escu len tum 后,分别在启动子35S 、ro I D 和PRB 21b 的控制下,西红柿具有了Cd 、Co 、Cu 、N i 、Pb 和Zn 的耐性,并分别不同程度地提高了这些重金属在植物组织中富集,特别是在PRB 21b 启动子的控制下,与对照组对比,对Cd 、Cu 富集能力分别提高35倍、

3倍,在叶子中分别达到35、53m g kg (湿重)[17].

2.2.3　电压—植物修复　在电压作用下,电极附近土壤溶液发生电化学元素反应,改变土壤中的氧化还原电位、pH 值等理化性质,加快土壤固体上重金属的解吸,提高土壤溶液中重金属的浓度,从而强化植物的吸收、积累的方法称为电压—植物修复.陈志良等提出在阴极和土壤间保持一定溶液,从而使聚集作用在溶液中发38第1期袁　敏等:

土壤重金属污染的植物修复及其组合技术的应用

卷48中　南　林　学　院　学　报第25生,保证土壤中的酸性环境,有利于污染物的去除[1].实验结果表明,在沙土内Pb2+、C r3+等重金属离子去除率达90%以上,而且所需时间大大地缩短.

2.2.4　化学改良剂-植物修复　在土壤中加入土壤改良剂(包括磷酸盐、石灰、硅酸盐等)调节土壤营养及其物理化学条件.廖敏等[35]研究表明:在低石灰条件下,土壤中有机质的主要官能团羟基和羧基与O H-反应促使其带负电,土壤可变电荷增加,土壤有机结合态的重金属比较多.另外,Cd2+与CO32-离子结合生成难溶的CdCO3,且随着pH值的增高,CdCO3含量增加.

3　植物组合技术展望

植物组合修复技术是近年来兴起的一种新型修复技术.由于它能很大限度地清除土壤中的重金属,并且投资省,相对于单一修复方法,组合修复周期有较大的缩短并操作程序简单.估计以下几个方面将会是今后比较活跃的研究领域.

(1)寻找、筛选和培育超累积植物以及对超累积机理的研究.目前能应用到工程化修复的超累积植物数量十分有限,所以寻找、筛选和驯化自然界中存在的超累积植物是当前植物修复研究的一项重要任务.我国野生植物资源丰富,矿区类型众多,因而开展寻找、开发野生植物用于植物修复必将取得重大的发现.目前在中国境内发现的超累积植物有以下4种:中国科学院陈同斌等人在境内发现的砷超累积植物-蜈蚣草P teris v itta ta L.[16];-东南景天S ed um a lf red ii H ance[36];中科院韦朝阳等人在湖南发现砷超累积植物-大叶井口边草P teris cretica L.[37];薛生国等人在湖南省发现的锰超累积植物-商陆P hy tolacca acinosa Roxb[38].目前对于超累积植物富集重金属及解毒机理、根际土壤环境条件对重金属生物有效性约束机理等系列基础理论问题有待深入研究.其成果可推动植物修复技术的发展.上述各种植物组合技术都是基于生物学、土壤学、植物学、基因技术和环境化学等各学科的基础理论应用发展的,因而加强超累积植物基础理论的研究是很有必要的.

(2)正确选用螯合剂,避免因其使用不当而造成生态环境的破坏.螯合剂的使用活化了土壤中的重金属,增加了重金属在土壤中的移动性,提高了植物修复的效率.但同时在降水或灌溉条件下,重金属向下迁移或随水流失都可能会导致重金属对地表水和地下水的污染.当前所使用的螯合剂基本上都属于非专性的,螯合剂在活化重金属的同时也活化了土壤中的其它微量元素,如Fe、M n、Ca、M g等,造成这些元素的淋失,有可能导致植物营养的不足,因此有必要开发新的螯合剂来克服当前螯合剂的使用风险.理想的螯合剂应具有以下特点:

①专一性靶络合金属;②促进植物对重金属的吸收和转移;③降解快,无残留毒性[39].

(3)基因工程和分子生物学技术的进一步研究.其主要工作是利用转基因工程技术培育出具有实际应用价值的转基因累积植物,以克服天然超累积植物的不足,从而提高植物修复的实用性.同时,进行基因技术研究也会面临一些问题,如转基因植物的环境可容性;转基因植物性状稳定性;公众对转基因植物的态度等.因此,必须加强转基因植物对环境的影响、转基因植物遗传性能以及相关立法等方面研究[12].

(4)植物修复与传统的微生物学、物理方法相结合的综合技术的研究.除上述主要的4种植物组合修复技术外,还有一些组合技术,如植物-微生物修复、表面活性剂-植物修复等.这些技术都是将土壤淋洗法、生物学、基因技术和环境化学等与植物提取综合应用的结果.研究表明:这些方法比使用任何单一的方法效果要好,因为它综合了多种方法的优点,如利用含配体的溶液能提高土壤溶液中重金属的浓度,利用电流能有效地将吸附于土壤中的重金属解释,利用植物根系的巨大表面积将溶液中的金属离子或金属配位离子进行吸附、吸收和转移.因此可见,植物组合修复技术将更可能在短期内将植物修复技术运用到实际中.因而随着各种植物组合技术的不断涌现,必将更加丰富土壤修复的研究内容和推动植物修复的发展.

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[本文编校:胡曼辉]5

8第1期袁　敏等:

土壤重金属污染的植物修复及其组合技术的应用

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