土壤重金属污染的植物修复及超富集植物的研究进展

1、土壤重金属污染的植物修复及超富集植物的研究进展陈婧1,林振景2,孟媛媛1,王博1,宋瑜1(1. 中国环境管理干部学院,河北秦皇岛066004;2. 河北农业大学海洋学院,河北秦皇岛066000摘要:土壤重金属污染的植物修复是污染整治的重要手段之一。近年来对植物修复的研究日益增加,工业、农业和交通是土壤中污染物的三大主要来源。目前重金属污染土壤植物修复主要包括植物稳定、植物提取和植物挥发。由于超富集植物存在生物量小、生长缓慢的缺点,更应该关注具有高生物量的重金属耐(抗性植物。关键词:重金属;土壤污染;植物修复;超富集植物中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1008-813(201101

2、-0069-03收稿日期:2011-01-10基金项目:重金属污染土壤超富集植物的筛选及其对Cd 胁迫的响应(2010167作者简介:陈婧(1982,女,河北秦皇岛人,毕业于河北科技大学环境工程专业,硕士,主要研究土壤污染修复。土壤重金属污染是由于废弃物中重金属在土壤中过量沉积而引起的土壤污染。污染土壤的重金属主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素,以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。这些重金属主要来自农药、废水、污泥和大气沉降等,如:汞主要来自冶金工业、火力发电等过程中排放的含汞废水,镉、铅污染主要来自冶炼排放和汽车废气沉降,砷则被大量用作杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂和除草剂。在我国,

3、由于乡镇城市化和工农业的快速发展,有相当数量土壤受到农用化学品和工业三废的污染,土壤质量日趋下降。尤为严重的是,重金属在土壤中所Research Progress on Phytoremediation for Heavy MetalContamination in Soil and HyperaccumulatorsChen Jing 1,Lin Zhenjing 2,Meng Yuanyuan 1,Wang Bo 1,Song Yu 1(1.Environmental Management College of China,Qinhuangdao Hebei 066004;2.Ocean

4、College of Hebei Agricultural University,Qinhuangdao Hebei 066000Abstract :Phytoremediation for heavy metal contamination in soil is one of the important methods of pollution treatment.The research on phytoremediation is increasing in recent years.The three main factors of soil pollution are industr

5、y,agriculture and transportation.At present,the main phytoremediation methods contain phytostabilization,phytoextraction and phytovolatilization.Because hyperaccumulation have shortcomings,such as small biomass and slow growth,we should pay more attention to heavy metal resistance plant with high bi

6、omass.Key words :heavy metal ;soil contamination ;phytoremediation ;hyperaccumulator第21卷第1期2011年2月中国环境管理干部学院学报JOURNAL OF EMCCVol.21 No.1Feb. 20112011年2月中国环境管理干部学院学报产生的污染过程具有长期性、隐蔽性和不可逆性,所以对其防治就显得尤为困难和重要。治理重金属污染的途径主要有两种:一种是将重金属从土壤中转移走,一种是改变重金属在土壤中的存在形式,使其稳定。就目前的技术来说,控制和治理重金属污染土壤的方法包括物理方法和生物方法。物理法是利用物

7、理和工程的手段将重金属从土壤中除去,主要包括淋滤法、客土法、吸附固定法。化学法是通过向土壤中加入一些化学试剂,使重金属得以稳定,主要包括生物还原法、络合物浸提法等。物理方法见效缓慢,化学方法快,但易带来二次污染。在倡导绿色技术的今天,对土壤重金属污染进行无污染的绿色修复已显得十分必要。所以作为一种廉价的绿色治理技术植物修复就是在这种形式下应运而生的,并成为国际研究的一个热点,同时一些能够在地上部分大量富集污染物的特殊植物超富集植物就成为学术界研究的热点1。1 植物修复技术的定义及研究进展依据美国国家环保局的定义2,广义上的植物修复技术是指利用植物吸收、降解、挥发、根滤等作用固定土壤、沉积物、污

8、泥或地表、地下水中有毒有害污染物的技术。根据其作用过程和机理,植物修复可分为植物稳定、植物提取和植物挥发三种方式。狭义的植物修复是指植物提取,它是目前研究最多并且最有前景的植物修复方法。植物稳定是利用耐性植物机械稳定性和吸收沉淀作用来固定土壤中的重金属,通过这些过程可以降低重金属的生物有效性和毒性,防止其进入水体和食物链,降低其对环境的污染风险。植物稳定技术对废弃的重金属污染和放射性元素污染尤为重要,目前这项技术主要应用于矿山废弃地、城市垃圾填埋场和污水处理厂等土壤修复。但是植物稳定并不能彻底消除土壤中的重金属,而是暂时将污染物固定,使其不毒害环境中的生物,一旦环境条件发生变化,重金属的生物有

9、效性很可能会发生改变,从而危害环境中的生物。植物提取是利用超富集植物的吸收和转运作用,将土壤中的一种或几种重金属转移到植物的地上部分,通过收获地上部分并集中处理的方法达到降低土壤中重金属含量的目的3,这种修复技术要求植物生物量大、生长快、适应性强。它具有很多优点,如治理成本低,基本不会造成二次污染,可回收利用重金属等。目前对植物提取的研究主要集中在对超富集植物的研究上。植物挥发是指利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中某些重金属转化为挥发形态,达到去除重金属的一种方法。这种方法主要适合于去除金属Hg和非金属Se。这种方法应用范围比较小,而且植物挥发的方法会将土壤中的污染物转移到大气中,所以具有

10、很大的环境风险。2 超富集植物的定义及吸收重金属的机理不管是植物稳定、植物提取,还是植物挥发作用,污染治理最关键的问题还是植物本身的特性。因此,寻找与筛选适宜的超富集植物成为植物修复研究的关键问题。超富集植物是指能超量吸收重金属并将其运移到地上部分的植物。对于超富集植物的界定主要考虑两个因素:一是植物地上部富集的重金属应达到一定的量;二是植物地上部的重金属含量应高于根部。目前,世界上共发现有400多种超富集植物,其中主要是镍的超富集植物。5虽然我国在超富集植物的研究起步较晚,近年来也取得了一系列的成果。黄会一6报道某种旱柳品系可富集镉高达47.19mg/kg。韦朝阳等7发现了一种大叶井口边草,

11、对As有很好的富集作用,其地上部分最大含As量可达694mg/kg。柯文山等8在温室砂培盆栽条件下对鲁白、芥菜几种植物进行铅吸收和耐性实验,发现鲁白、芥菜不仅生长快,且地上部分铅含量超过1000 mg/kg,迁移总量和迁移率都很高,是很好的修复土壤铅污染的富集植物。唐世荣9发现鸭跖草是Cu的超富集植物。杨肖娥、龙新宪等10通过野外调查和温室栽培发现天然条件下东南景天的地上部分Zn平均含量为4515mg/kg,是很好的Zn超富集植物。我国目前还没有发现Hg的超富集植物,但田吉林等11通过研究发现大米草对汞有很好的积累作用,同时可以把有机汞转化为无机汞,这些研究在环境污染的植物修复方面将会有重要价

12、值。表1简单介绍了几种常见金属超富集植物。表1 部分超富集植物九节木属Psychotha圆叶遏蓝菜Thlaspi rotundifolium大叶井口边草Pteris nervosa商陆Phy tolacca acinosa天蓝遏蓝菜Thlaspi caerulescens镍铅砷锰锌积累的重金属含量/g·g-147 5008 20041819 29951 600超富集植物累积的重金属环境监测与污染防治702011年第1期超富集植物被发现以后,最初的研究重点放在植物对重金属的积累量、耐受性及其应用价值上,近年来主要针对植物对重金属超富集的机制方面进行研究,并形成了一些假说。有人认为植物超

13、积累重金属特性与根部提取功能有关。有文献显示许多代谢物质,例如金属转运蛋白12、植物螯合素、组氨酸、重金属组合蛋白和肽13等,都参与了重金属在超富集植物体内的运输、积累以及解毒过程。3 展望超富集植物为修复重金属污染土壤提供了一个理想和绿色的方法,然而目前许多已知的超富集植物都普遍存在着生长速度慢、生物量小的特点,而且绝大部分属于金属Ni超富集植物。目前发现的其他重金属的超富集植物种类很少,同时这些超富集植物大部分仍难以在实际修复中有效应用,能够应用的植物种质资源缺乏,进一步的筛选则需要相当长的过程。因此,人们在致力于寻找新的超富集植物的同时,对于具有高生物量的重金属耐(抗性植物也产生了浓厚的

14、兴趣。结合我国的实际情况,提出土壤重金属污染植物修复技术发展与研究的趋势:(1筛选更加优秀的超富集植物,尽快建立中国植物修复植物筛选网上数据库,达到数据共享的目的。(2进一步研究超富集植物对重金属的作用机理,更好地发挥植物修复技术在重金属污染修复中的优势。(3土壤重金属污染的修复是一项系统工程,单一的植物修复技术很难达到预期效果,需要以物理、化学和微生物等为辅助手段,提高植物修复的综合效率。(4对于超富集植物体内重金属的回收再利用方面应加强研究,避免产生不能回收利用的收获物造成二次污染。(5目前对土壤重金属植物修复技术的研究多数集中在小试和中试阶段,如何采用各种行之有效的办法,将土壤重金属污染

15、修复的技术应用到实际中是重金属修复技术发展的关键。参考文献1 聂发辉. 关于超富集植物的新理解J. 生态环境,2005,14(1:136-138.2 USEPA. Introduction to PhytoremediationR. Washington D C,2000.3 丁佳红,刘登义,储玲,等. 重金属污染土壤植物修复的研究进展和应用前景J. 生态学杂志,2004,21(4: 6-9,20.4 Baker A J M,brooks R R,Pease A J,et al. Studies on copper andcobalt tolerance in three closely re

16、lated taxa with in the genus Science L. from ZaireJ. Plant and Soil,1983,(73: 377-385. 5 REEVES RD. Tropical hyperaccumulators of metals and theirpotential for phy-toextractionJ. Plant and Soil,2003,249(1:57 - 65.6 黄会一,蒋德明. 木本植物对土壤中镉的吸收,积累和耐性J.中国环境科学,1989,9(5: 323 - 330.7 韦朝阳,陈同斌,黄泽春,等.大叶井口边草一种新发现的富

17、集砷的植物J. 生态学报,2002,22(5: 777 - 778.8 柯文山,陈建军,黄邦全,等. 十字花科芸薹属5种植物对Pb的吸收和富集J. 湖北大学学报(自然科学版,2004,26(3: 236-238,269.9 唐世荣. 重金属在海州香薷和鸭跖草叶片提取物中的分配J.植物生理学通讯,2000,36(2: 128-129.10 杨肖娥,龙新宪,倪吾钟,等. 东南景天(Sedum alfredii H一种新的锌超积累植物J. 科学通报,2002,47(13: 1003-1006.11 田吉林,诸海焘,杨玉爱,等. 大米草对有机汞的耐性、吸收及转化J . 植物生理与分子生物学学报,2004,30(5: 577-582.12 CHANEY R L,MAL IKM,L IY,et al. Phyto