植物对土壤重金属污染修复的研究.doc

植物对土壤重金属污染修复的研究进展摘要：当前,土壤受重金属污染状况在国内外都很严重,受到了越来越多的关注。植物修复技术是新近发展起来的一项用于处理土壤重金属污染的生态技术,其机理主要是通过某些植物对重金属元素的吸收、积累和转化,达到减轻重金属污染土壤的目的。与传统的处理土壤污染方法相比,植物修复技术具有经济、简单和高效等优点。简要介绍了植物修复的几种类型,论述了当前国内外植物修复技术的研究进展。重点涉及了其中的植物提取和植物稳定两种修复类型,当它们与其他诸如稳定同位素标记技术、基因工程技术等相结合时,可以提高植物的修复效果。而超积累植物由于其独有的生理特性非常适用于大规模应用。最后探讨了植物修复技术在土壤污染治理中的一些不足、发展趋势和研究重点。关键词：植物修复; 重金属; 土壤; 引言土壤是人类赖以生存的重要自然资源之一，也是人类生存环境的重要组成部分随着城市化、工业化、矿产资源的开发利用以及大量化学产品的广泛使用，土壤重金属污染日趋严重，威胁着人类的生存和发展土壤中的重金属污染物不仅具有隐蔽性、不可逆性等特点，而且可经水、植物等介质进入人体，最终影响人类健康因此，如何控制和减轻土壤重金属污染及其危害已成为了一个日益突出的问题也正由于土壤重金属污染治理和恢复的难度大，迄今仍未找到理想的方法1重金属在土壤中的自然净化过程十分漫长，一般需要上千年时间采用物理与化学治理技术(如客土法、淋溶法、施用化学改良剂等)，不仅费用昂贵、需要特殊的仪器设备和培训专门的技术人员，而且大多只能暂时缓解重金属的危害，还可能导致二次污染，不能从根本上解决问题通过种植超富集植物或一些对重金属抗性强、具有一定吸收富集能力且生物量大的特殊植物逐步提取土壤中的重金属元素，进而修复污染土壤的方法 植物修复技术，已成为人们研究的热点，且被认为具有巨大的商品化前景。 1 土壤重金属的来源及污染概述1.1 土壤重金属污染的特点随着工业生产的发展，重金属污染日趋普遍，几乎威胁着每个国家。土壤中的重金属污染物大部分残留于土壤耕层，少移动2、难降解、毒性大，导致土壤一旦受污染很难恢复。而且被重金属污染的土壤无色无味，很难被人的感官察觉，一般要通过植物（作物）进入食物链积累到一定程度时才能反映出来3，所以重金属是影响生态系统安全的一类重要污染物质。1.2 土壤重金属的来源土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于原有含量，并造成生态环境质量恶化的现象。土壤重金属污染主要来自灌水（特别是污灌）、固体废弃物、农药和肥料、大气沉降物等。1.3 土壤重金属的污染现状随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，土壤重金属污染日益严重。目前，全世界平均每年排放H g 约1.5 万吨，Cu 约340 万吨，Pb 约500 万吨，Mn 约1 500 万吨，Ni约100 万吨。据我国农业部进行的全国灌区调查结果显示，在约140 万公顷的污水灌区中， 遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8% ，其中轻度污染土地占46.7% ，中度污染占9.7% ，严重污染占8.4% 。1.4 土壤重金属污染的危害以各种化学状态或形态存在的重金属，在进入环境或生态系统后就会存留、积累和迁移，从而造成危害。被重金属污染的土壤会直接影响植物（作物）的卫生品质，导致味道变差、易烂，甚至出现难闻的异味，以致使农产品的贮藏和加工品质也不再能够满足深加工的要求。土壤重金属污染危害人体健康。污染物在植(作)物体内积累，并通过食物链富集到人和动物体中，危害人畜健康，引发癌症等疾病，如水俣病、骨痛病等都是典型例证4。且复合污染条件下，不同重金属的协同和加合作用可加剧对农作物的危害5。土壤重金属污染也会导致其他环境问题。土地受到污染后，含重金属浓度较高的污染表土易在风力和水力的作用下分别进入到大气和水体中，导致大气、地表水、地下水污染和生态系统退化等其他生生态环境问题6。2 植物修复技术的概述植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的一门环境污染治理技术。广义的植物修复技术包括利用植物修复重金属污染土壤、净化水体和空气、清除放射性核素以及利用植物与其根际微生物共存体系净化环境中有机污染物等。包括植物净化，通过叶片吸收及根系的滤除作用来清洁污染空气和水体；植物降解，利用植物根系分泌物和特有的酶系的转化和降解作用去除土壤中的有机污染物；根际圈生物降解是利用根际圈内菌根真菌、细菌等微生物的新陈代谢活动来软化和降解有机污染物狭义的植物修复技术主要指利用植物清洁污染土壤中的重金属、放射性核素和有机污染物植物修复是一种利用自然生长或遗传培育植物修复重金属污染土壤的技术7 。该技术成功与否取决于植物从土壤中吸取金属以及向地上部运输的能力8。2.1 植物修复技术的分类2.1.1 植物提取植物提取最早是由Chaney 提出来的，它是指利用一些对重金属具有较强富集能力的特殊植从土壤中吸取重金属，将其转移、贮存到地上部并通过收获植物地上部而去除土壤中污染物的一种方法9。该方法适合于从污染的土壤中去除如Pb、Cd、Ni、Cu、Cr、V或土壤中过量的营养物质如NH4NO3等10。植物提取是目前研究最多，最有发展前景的解决重金属污染的技术。植物提取法的关键是寻找一些超积累植物。这些超积累植物需能从土壤中吸取、在体内积累高浓度的污染物；能同时积累多种重金属；生长快、生物量大；抗病能力强11。目前已发现400多种植物能超量积累土壤中的Cd，Co，Cn，Pb，Ni，Se，Mn和Zn等重金属，超量积累植物中最高重金属含量(干物质量)分别为Cd l80 mgg Co 1020 mgg，Cn 240 mgg ，Cr 1350 mgg，Ni 4750 mgg，Pb 820 mgg，Mn 5180 mgg和Zn 3960 mgg。不断扩大寻找其他超量积累植物资源，改良超量积累植物品种，包括常规育种和转基因育种。这也是近年生物修复技术研究的重要内容，如豌豆突变株是单基因突变，所积累的Fe比野生型高l0100倍，拟南芥属(Arabidopsis)突变株积累比野生型高l0倍。基因工程是获得超量积累植物的新方法，通过引入金属S蛋白(Metallothioneins)基因或引人编码MerA(汞离子还原酶)的半合成基因，可增加植物对金属的耐受性。转基因植物拟南芥属可将汞离子还原为可挥发HgO，使其对Hg耐受性提高。耐受机制还包括植物螯合肽(Phytochelatins)和金属结合肽的改变，需要促进金属由根部向地上部转移通过发根土杆菌(Agrobacterium rhizogenes)转化作用改变根的形态，可以加强不易迁移的污染物吸收。2.1.2 植物挥发植物挥发是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（主要是Hg、Se、As）吸收到植物体内后转化为气态物质，挥发出土壤和植物表面，释放到大气中9。如烟草能使毒性大的Hg2+转化为毒性小得多、可挥发的单质汞Hg(O)12。海藻能吸收并挥发砷，其机理是把(CH3)2AsO2挥发出体外11。洋麻可以使土壤中47%的三价硒转化为可挥发态的甲基硒挥发去除，从而降低硒对土壤生态系统的毒性13。也有人研究报导称可利用转基因植物降解生物毒性汞，即运用分子生物学技术将细菌体内对汞的抗性基因（汞还原酶基因）转导到植物（如烟草和郁金香）中，进行汞污染的植物修复。但植物挥发法将污染物转移到大气中，对人类和生物具有一定的风险10，采用此法时其污染物向大气挥发的速度应以不构成生态危害为限14。2.1.3 植物稳定植物稳定(Phytost0bilizavtion)是利用植物吸收和沉淀来固定土壤中大量有毒金属，以降低其生物有效性等，防止其进入地下水和食物链，从而减少其对环境和人类健康的污染风险。Berti和Cunningham等(1995)研究植物对环境中土壤Pb的固定发现。一些植物可降低Pb的生物有效性，缓解Pb对环境中生物的毒害作用。CotlerHoweNs和Capom研究表明施酸盐可促使Pb在Agrostis Capilari、根际土壤中形成磷氢铅矿。较好地解决了土壤中Pb的磷酸矿物难溶问题。CotterHowells和Capom研究表明施磷酸盐可促使Pb在Agrostis capiHafis根际土壤中形成磷氯铅矿，但其形成机理尚不明晰。Cr具有较高毒性，而Cr非常难溶且基本无毒性。植物固定并未将环境中重金属离子去除，仅暂时将其固定而使其对环境中的生物不产生毒害作用，这并未彻底解决环境中重金属的污染问题。若环境条件发生变化，重金属的生物有效性可能会发生改变，因此植物钝化并非是理想的去除环境中重金属的方法。2.1.4 根系过滤根系过滤是利用植物庞大的根系过滤吸收、富集水体中重金属元素的过程9。目前用于根系过滤的植物有向日葵、印度芥菜、宽叶香蒲及烟草15等。根系过滤主要用于重金属污染的土壤，也可以是放射性核素如U、Cs或Sr 污染的水体10。综上所述，植物吸取是一种具永久性和广域性于一体的植物修复途径，是去除土壤内重金属的重要方法，也是最能彻底地、最有发展潜力的解决重金属污染的技术。植物钝化只是一种原位降低污染元素生物有效性的途径，而不是一种永久性的去除土壤污染元素的方法。植物挥发仅是去除土壤中一些可挥发的污染物，并且还可能造成大气污染。根系过滤也只是部分植物多拥有的的功能。目前对重金属污染植物修复的研究主要是植物提取16,17 。3 植物修复技术存在的问题螯合剂的负面效应。如用EDTA等广谱型螯合剂时,易将与目标金属伴生其他金属溶解出来。过量施用螯合剂时，不但不能增加植物吸收，还可能导致重金属淋溶引起地下水污染。 将转基因技术应用于植物修复，先挑选对重金属具有耐性和隔离机制明确的植物，但目前被发现的植物为数不多，大多数转基因植物从微生物中被提供对重金属具有耐性的遗传基因，该过程要考虑转基因植物对植物群落影响以及扩散到其他地方引起的环境问题。金属超富集植物农作和植保技术没有形成，需要实践经验积累逐渐发现问题和解决问题。重金属在植物体内的存在形式、植物对重金属超量吸收和积累及解毒机制、超富集植物与根际微生物共存体系的作用以及根际土壤环境条件对重金属的生物有效性制约机理等一系列基础理论问题，有待于进一步探索。超富集植物体内重金属的回收再利用方面应加强研究，对于收获物的处理研究较少，目前仅对灰分中重金属质量分数比较高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，还需进一步探索。4 植物修复技术的前景展望 土壤污染的植物修复技术是一项非常有前途的新技术，与其他修复技术相比其费用较低，适于发展中国家采用。但其理论体系、修复机理和修复技术等方面尚有许多不完善之处，需做大量的基础理论研究和应用实践工作，如超量积累和耐性去污植物资源的筛选以及植物分解、富集和稳定污染物的机制，污染物在植物土壤体系中的作用规律，特定植物的生理特性、栽培特性、生物化学、遗传学、分子生物学和遗传工程；实际应用方面包括选择植物种类，各种植物搭配，工程设计规范和工程治理标准，提高去除效率和减少费用，克服生物修复局限性，扩大生物修复应用范围以及如何有效与其他修复技术综合利用等问题。提高植物修复效率，关键是采取适当措施增大修复植物生物量和体内重金属的浓度。针对已知的绝大多数超富集植物生物量小、生长缓慢和修复率低等缺点，以我国丰富的杂草资源为对象进行筛选，将会取得一定的突破。还应该加强排异植物的筛选，如果将重金属排异基因转移到作物体内，则排异作物便可以在重金属污染土壤上正常生长，既保护了环境又开发利用了污染土壤，一举两得。土壤重金属污染大部分是属于复合污染，不仅重金属元素之间、重金属元素与土壤中其他组分之间也存在交互作用，从而对植物的生长和超积累特性产生影响。因此，需要进一步深入研究其作用机理，更好地发挥植物修复技术在土壤重金属污染修复中的优势随着生物技术的迅猛发展，逐步运用分子生物学和分子遗传学的技术手段，加强对不同植物重金属耐性型和敏感型突变体筛选的研究，加强对