土壤重金属污染植物修复研究报告现状与发展前景.doc

土壤重金属污染的植物修复研究现状与发展前景2007-05-27 17:08土壤重金属污染的植物修复研究现状与发展前景作者】 桑爱云。 张黎明。 曹启民。 夏炜林。 王华。 【英文作者】 SANG Aiyun1） ZHANG Liming1） CAO Qimin1） XIA Weilin1） WANG Hua2） 张黎明1 曹启民1 夏炜林1 王华2(1 中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所海南儋州571737。2 华南热带农业大学农学院海南儋州571737摘要重金属污染是土壤污染中危害极大的一类, 重金属污染的防治及其修复是目前国际上研究的热点之一。综述了土壤重金属污染及其植物修复的方法, 概述了超富集植物的概念、植物修复的机制和方式, 系统阐述植物修复的应用前景和今后的研究方向。关键词重金属污染。 植物修复。 超富集植物分类号X53Resear ch Advances and Development Prospect of Phytor emediationin Heavy Metal Contamination SoilSANG Aiyun1 ZHANG Liming1 CAO Qimin1 XIA Weilin1 WANG Hua2(1 Tropical Crops Genetic Resources Institute, CATAS, Danzhou, Hainan 571737。2 College of Agronomy, SCUTA, Danzhou, Hainan 571737Abstr act Heavy metal contamination is extremely harmful in soil contamination. It is one of theresearch priorities in the world to control and remedy heavy metal contamination. Heavy metalcontamination in soil and its phytoremediation are reviewed in this paper. At the same time, the definitionof hyper-accumulated plants and the mechanism and measures of phytoremediation are described in detail.The perspectives in research and application of phytoremediation were expounded systematically.Keywords heavy metal contamination 。 phytoremediation 。 hyper-accumulator热带农业科学CHINESE JOURNAL OF TROPICAL AGRICULTURE2006 年2 月第26 卷第1 期Feb. 2006 Vol.26, No.1 科技基础性工作和社会公益研究专项( 2004DI B3J073 资助。收稿日期: 2005- 07- 25责任编辑/ 孙继华ht t p: / / r dnk. chi naj our nal . net . cn/ E-mai l : r dnkchi naj our nal . net . cn 桑爱云( 1981 , 女, 在读硕士研究生。E-mai l : ayun728126. com。随着工业的发展和农业生产的现代化, 土壤污染日益严重, 而重金属污染是其中危害极大的一类。重金属在土壤中积累到一定限度时, 就会对土壤- 植物系统产生毒害, 它不仅导致土壤退化、农作物产量和品质降低, 而且通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水, 恶化水文环境, 并可能通过直接接触、食物链等途径危及人类的生命和健康。因此, 土壤系统中的重金属污染和防治一直是国际上研究的难点和热点。目前, 土壤重金属污染的治理技术主要有物理法、化学法和生物法。但是采用物理方法或化学方法来治理土壤重金属污染, 不仅成本昂贵, 而且还会破坏土壤结构以及土壤微生物,也可能造成“二次污染”。而采用植物对重金属的忍耐和超量积累能力并结合共生的微生物体系来实现对重金属污染环境的修复即植物修复技术是一种新兴的绿色生物技术, 能在不破坏土壤生态环境,保持土壤结构和微生物活性的情况下, 通过植物的根系直接将大量的重金属元素吸收, 收获植物地上部分来修复被污染的土壤1。因此, 自20 世纪90年代以来, 植物修复成为环境污染治理研究领域的一个前沿性课题。1 土壤重金属污染土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属加到土壤中, 致使土壤中的重金属含量过高, 并造成生态环境质量恶化的现象。在低浓度时, 土壤中的- 75 -2006 年2 月热带农业科学第26 卷第1 期富集植物具有清洁金属污染土壤和实现金属生物回收的实际可能性, 这种植物具有与一般植物不同的生理特性6 , 在工业废物或污泥使用而引起的重金属污染土壤上, 连续种植几茬超富集植物, 就能去除土壤中的( 有毒 重金属, 特别是生物有效性部分,从而复垦和利用被重金属污染的土壤7 , 也就是我们现在常说的植物修复。植物修复的前提是找到对某种( 些 重金属具有特殊吸收富集能力的植物种或基因型, 即重金属的“超富集植物”。超富集植物是指能超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物。通常, 超富集植物的界定可考虑以下2 个主要因素: 植物地上部富集的重金属应达到一定的量。 植物地上部的重金属含量应高于根部。由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异, 因此, 对不同重金属, 其超富集植物富集质量分数界限也有所不同。目前采用较多的是Baker 和Br ooks 提出的参考值, 即把植物叶片或地上部( 干质量 中Cd 含量达到100 mg/ kg, Co、Cu、Ni 、Pb 含量达到1 000 mg/ kg, Mn、Zn 含量达到10 000 mg/ kg以上的植物称为超富集植物。同时, 这些植物的转运系数S/ R( S 和R 分别指植物地上部和根部重金属的含量应大于16。目前, 世界上共发现有400 多种超富集植物8。已发现的部分典型的超累积植物物种以及植物体中最大重金属含量见表1。2. 2 植物修复重金属污染的机制植物可通过根部直接吸收水溶性重金属。重金植物, 这是有关超富集植物的最早报道。1814 年, Desvaux将其命名为Alyssum bertoloniiDesvaux ( 贝托庭芥 。 1848 年,Mi nguzzi 和Ver gnano 发现, 该植物叶片中Ni 含量达7 900mg/ kg。1977 年, Br ooks 提出超富集植物的概念4 。 1983 年,Chaney 提出利用超富集植物清除土壤中的重金属污染5 , 即植物修复。英国Shef f i el d 大学Baker 博士是介绍植物修复的概念的首批科学家之一, 提出超植物物种名称干茎叶中重金属文献中文名称学名( 拉丁名 种类含量来源高山薯Ipomoea alpina Rendle Cu 12 300 9天蓝遏蓝菜Thlaspi caerulescens J. & C. Presl Cd 1 800 9高山漆姑草Minuartia verna (Linnaeus Hiern Pb 11 400 10天蓝遏蓝菜Thlaspi caerulescens J. & C. Presl Zn 51 600 9毒鼠子Dichapetalum gelonioides (Roxburgh Engler Zn 30 000 10短瓣遏蓝菜Thlaspi brachypetalum Linn. Zn 15 300 10芦苇堇菜Viola calaminaria Linn. Zn 10 000 10东南景天Sedum alfredii Hance Zn 19 674 12铁芒萁Dicranopteris dichotoma ( Thunberg Bernhardi Re 3 000 11蜈蚣草Pteris vittata Linn. As 5 000 13大叶井口边草Pteris cretica Linn. As 694 14线蓬Sutera fodina Wild Cr 2 400 10尼科菊Dicoma niccolifera Wild Cr 1 500 10表1 一些典型的超富集植物体中最大重金属含量单位: mg/ kg某些重金属元素( 如Zn、Cu 对植物而言是必需元素,但过量时就会对生物产生毒害作用。常见的对土壤造成污染的重金属包括Zn、Cu、Cr 、Ni 、Pb、Cd、Hg、As 等元素。在我国, 土壤重金属污染主要由采矿、冶炼、电镀、化工、电子、制革、燃料等工业产生的“三废”以及污灌、农药化肥的不合理施用等农业措施引起的。尤其是近年来由于城市和工业的迅速发展, 工业废弃物、城市固体废弃物、农业灌溉水污染、肥料和农药的施用, 和城市污水处理厂污泥及大气污染物的沉降, 使污染从城市向周围蔓延。据估测, 目前中国受污染的耕地近2 000 万hm2, 约占耕地总面积的1/ 5, 其中工业“三废”污染达1 000 万hm2, 农田污染面积已达130 多万hm2。每年因土壤污染而造成粮食减产1 000 万t ,直接经济损失达100 多亿元2。2 植物修复植物修复( Phytoremediation 是指将某种特定的植物种在受重金属污染的土壤上, 而该种植物对土壤中的污染元素有特殊的吸收和吸附能力, 将植物收获并进行妥善处理( 如灰化回收 后即可将该种重金属移出土体, 达到污染治理与生态修复的目的。在该定义中所说的某种特定的植物种, 是指耐性植物中的超富集( 超积累 植物(Hyperaccumulator 3。2. 1 超富集植物的概念和特征1583 年, 意大利植物学家Cesal pi no 首次发现在意大利托斯卡纳“黑色的岩石”上生长的特殊- 76 -桑爱云等土壤重金属污染的植物修复研究现状与发展前景属在土壤中向植物根部的迁移途径有2 种。 质体流作用。在植物吸收水分时, 重金属随土壤溶液向根系流动到根部。 扩散作用。由于根表面吸收离子, 降低根系周围土壤溶液离子浓度, 引起离子向根部扩散。到达植物根系表面的重金属离子被植物吸收、浓缩, 其生理过程可能为2 种方式, 一种是细胞壁质外空间对重金属的吸收。 另一种是重金属透过细胞质膜进入植物细胞。Wi er zi bi ka 指出, 从溶液中吸收的Pb, 首先沉积在根系表面,然后以非共质体进入根冠细胞层。重金属离子可以在膜内以较高浓度存在, 这与蛋白质与重金属离子的亲和性很强有关, 同时也取决于膜内的电负性。通常膜内外的电位差可达50100 mV, 这就使Cu、Zn、Mn 等二价离子因离子电位差而被浓缩100 倍以上。这种机制, 就可以使植物非常有效地吸收、富集重金属。在植物根际, 重金属常有一些特殊的化学行为。由植物根、土壤微生物以及土壤所构成的根际环境, 其pH值、Eh、根系分泌物及微生物、酶活性、养分状况等, 均与周围土体不同。重金属进入根际土壤, 受pH值影响或发生溶解。当土壤pH值为7. 6 时, 50 mg/ kg 的Cd2+ 就会形成沉淀, pH值每升高1 个单位, Cd 的浓度就下降100 倍。Xi an报道, 当土壤pH值从7. 0 下降至4. 55 时, 交换态Cd 增加, 碳酸盐结合Cd 减少, 铁锰结合态稍有减少, 有机结合态和残余态不受影响。根际土壤的Eh 和还原性分泌物可使多价态的重金属如Cr 、Hg、As 的价态和形态发生改变, 影响其毒性效应。根际土壤中的有机酸, 可通过络合作用影响土壤中金属的形态。重金属可与酸性基团形成络合物, 在pH5. 5 时, 稳定常数为Cu Pb Zn。络合作用使一些金属离子的活性增加。根际中微生物对重金属甲基金属化合物的动态影响, 无疑会影响植物的吸收及毒性。微生物对土壤中重金属的固定与活化有着明显的影响。Bal i ka 发现, 大麦根际中有较多的酸化细菌, 使其对重金属的毒性更敏感, 微生物可通过分解有机物质而释放出原先固定的重金属,并可产生H2S, 与重金属形成难溶性硫化物。根际与非根际土壤中重金属的吸附、解吸行为也有差异。植物的根毛可直接从土壤颗粒上交换吸附重金属。玉M根际土壤中有效态Pb 和As 的含量均高于非根际土壤。根际中重金属的酸- 碱反应、氧化-还原行为, 将使重金属的形态发生变化, 从而改变其生物有效性和生物毒性15。2. 3 植物修复方式植物对重金属污染位点的修复有3 种方式, 即植物固定、植物挥发和植物吸收。植物通过这3 种方式去除土壤环境中的重金属离子。植物固定是利用植物使土壤环境中的重金属流动性降低, 生物可利用性下降, 使重金属对生物的毒性降低。Cunni ngham等研究了植物对环境中土壤Pb 的固定, 发现一些植物可降低Pb 的生物可利用性, 缓解Pb 对环境中生物的毒害作用, 还有研究表明六价铬可被还原为毒性较低的三价铬9。然而植物固定并没有将环境中的重金属离子去除, 只是暂时的固定, 如果环境条件发生改变, 金属的生物可利用性可能发生改变。因此, 植物固定不是一个很理想的去除环境中重金属的方法。植物挥发是利用植物去除环境中的一些挥发性污染物, 即将植物污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质逸出土体后再回收处理。过去, 人们发现微生物能促使土壤中的Se 挥发, 最近研究表明,植物对Se 的挥发有着同样的功能。如印度芥菜 Brassica juncea ( Linnaeus Czernajew et Cosson 能使土壤中的Se 以甲基硒的形式挥发去除16。还有的研究表明, 烟草(Nicotianal Linn. 能使毒性大的二价汞转化为气态的零价汞17。Rugh 等将细菌的汞还原酶基因转入拟南芥Arabidopsis thaliana( Linnaeus Heynhold 中, 发现该植物对HgCl 2 的抗性和将Hg2+ 还原为Hg 的能力明显增强18。植物挥发只适用于挥发性的污染物( 如Se、As 和Hg 等 , 应用范围很小, 并且将污染物转移到大气中对人类和生物仍有一定的风险, 因此它的应用仍受到限制。植物吸收是目前研究最多并且最有发展前景的植物修复方式, 它是利用耐受并能积累重金属的植物吸收土壤环境中的金属离子, 将它们输送并贮存在植物体的地上部分。这类植物有2 种, 一是具有超耐性的植物, 二是营养型超富集植物。超耐性植物能够较普通植物累积10500 倍以上的某种重金属。非生理毒害情况下, 天蓝遏蓝菜( Thlaspi- 77 -2006 年2 月热带农业科学第26 卷第1 期caerulescens J. et C. Presl 和鼠耳芥Arabidopsishalleri ( Linn. OKane et Al- Shehbaz 能在茎内富集30 000 mg/ kg 的Zn, 而大多数作物的临界值是500mg/ kg, 并且通过109Cd 示踪技术证明这2 种植物体内有强大的Cd 运输机制19。实验还证明高山漆姑草Minuartia verna ( Linnaeus Hiern 对铅具有超耐性10 。 蜈蚣草( Pteris vittata Linn. 、大叶井口边草( Pteris cretica Linn. 对As 具有超耐性1314。营养型富集植物指天生就超量地喜欢某种或某些重金属元素, 并以这些元素作为其自身生长的营养需求的植物, 它们往往在元素正常浓渡下难以适存。3 植物修复的应用前景及主要研究方向由于植物修复技术适用于中、低强度的大范围污染治理, 对治理现场扰动小, 绿色环保, 社会生态综合效益良好且易为公众所接受, 尤其是治理费用比传统技术低一至几个数量级, 并且对重金属污染土壤的治理成效具有永久性。因此, 植物修复概念提出后很快成为环境领域的世界性、前沿热点研究课题, 普遍认为植物修复技术将成为环保领域的朝阳产业。然而, 由于该项技术起步时间不长, 在基础理论、修复机理及技术工艺方面, 还需进行大量研究。植物修复的近期研究工作主要集中于以下几个方面20。 寻找、选培育超累积植物寻找、筛选自然界中累积、超累积植物, 培育驯化以满足实际应用需要, 仍然是今后一个时期内植物修复研究的重要任务。我国野生植物资源十分丰富, 经过初步调查已发现了一批超累积植物2123 。 通过系统的调查研究有可能取得重大发现。 深化应用基础理论研究植物对重金属的超量吸收和积累及其解毒机理、根际作用以及根际微生物群落的生态学和生理学特征、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深入研究, 以指导基因技术、根际土壤处理和调控技术、合理耕作技术的应用。 分子生物学和基因工程技术的应用应用转基因工程技术, 将自然界中超累积植物的耐重金属、超累积基因移植到生物量大、生长速率快的植物中去, 以克服天然超累积植物的缺点, 提高植物修复效率使其实用化。近些年来, 在Se、Hg、Cd、Zn 等重金属元素转基因植物研究方面已初获成果,预期基因技术的应用将为植物修复技术的突破带来机遇。 组合修复技术螯合剂- 植物修复, 向土壤中施用螯合剂提高土壤溶液中重金属的含量, 从而强化超积累植物对重金属的吸收。 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反应, 改变了土壤的理化性质, 加快土壤固体上重金属的解吸, 提高土壤溶液中重金属的含量, 有利于超积累植物的吸收, 积累, 加快修复过程。在此基础上种植适宜的超富集植物, 可以更有效的修复被重金属污染的土壤。参考文献1 蔡美芳, 刘玉荣, 党志. 植物修复重金属污染土壤的研究进展. 重庆环境科学, 2003, 25( 11 : 1741762 韦朝阳, 陈同斌. 重金属超富集植物及植物修复技术研究进展. 生态学报, 2001, 21( 7 : 1 1961 2043 王艳杰, 傅桦. 晚近10 年来土壤重金属污染植物修复研究. 首都师范大学学报( 自然科学版 , 2004, 25( 增刊 : 1411454 Br ooks R R, Lee J , Reeves R D, et al . 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