土壤重金属污染及植物修复技术研究

1、 土壤重金属污染及植物修复技术研究郭 彬 1, 李许明 1, 陈柳燕 1, 李福燕 1, 仝 霞 2, 魏志远 1, 漆智平 13(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. 福建农林大学资源与环境学院 , 福建福州 350000摘要 从重金属的概念及污染土壤的特点出发 , 概括了我国土壤重金属污染的现状及危害 , 论述了重金属污染土壤的植物修复技术原 理、 类型、 研究现状及优缺点 , 并对植物修复技术的研究趋势及在我国的发展前景进行了展望。 关键词 污染土壤 ; 重金属 ; 植物修复技术 中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 0517-6611

2、(2007 33-10776-03Soil Contaminated by H eavy M etal and R esearch on its Phytorem ediation T echnology GU O Bin et al (T ropical Crops G enetic Res ources Institute ,C A T AS ,Danzh ou ,H ainan 571737 Abstract In this article the heavy m etal concept and the pollution s oil characteristic were intro

3、duced ,the present situation and the harm of s oil contam i 2nated by heavy m etal in China were summ arized. T he plant repair techn ology and principle ,the ty pe ,the research s present situation of the s oil contam inat 2ed by heavy m etal were elab orated and the research tendency and developm

4、ent prospects of the phytorem ediation techn ology in our C ountry were forecasted. K ey w ords C ontam inated s oil ;H eavy m etal ;Phytorem ediation techn ology基金项目 科技部科技基础性工作和社会公益研究专项 (2004DI B 23J073 。作者简介 郭彬 (1982- , 男 , 河南焦作人 , 硕士研究生 , 研究方向 :土壤与植物营养。 3通讯作者 , 博士生导师 , 研究员 , E 2mail :guob2005163.

5、 com 。收稿日期 2007206226 重金属是在工业生产和生物学效应方面均具有重要意 义的一大类元素 , 在化学概念上 , 虽然还没有十分满意的定 义 , 但是目前还是有了广为接受的概念 , 那就是元素的密度 大于 6g/cm 31, 有的学者认为大于 5g/cm 32, 也有的学者将 其定义为具有金属性质 (延展性、 导电性、 稳定性、 配位特性 等 , 且原子数目大于 20的元素 3。 铅、 铜、 锌、 银、 锡等。 (222+、 Fe 2Ni 2+和 C o 2+等 量则具有相当毒性 4镉、 铅、 铬以及类金属砷 , 还包括具 有毒性的重金属锌、 铜、 钴、 镍、 锡、 钒等 5。

6、土壤一旦受到外界污染就相当难治理 , 通常具有以下几 个特点 6: 累积性 ; 隐蔽性和滞后性 ; 不可逆转性。1 土壤重金属的危害及污染现状1. 1 土壤重金属污染的危害 土壤被污染后 , 部分污染物质可以通过土壤本身固有的生物化学作用或通过挥发而减 轻外 , 大部分污染物质能较长时间存在于土壤环境中 , 难以 消除 , 特别是重金属化合物 , 残留时间长 , 危害作用大 , 经作 物吸收后进入食物链危害人类健康。 因此 , 土壤污染较之于 大气和水体污染 , 一般污染暴露的时滞效应较长 , 易被人们 所忽视 , 造成更大的危害 7-8。1. 1. 1 土壤污染直接导致严重的经济损失。 对于

7、各种土壤污染造成的经济损失 , 目前尚缺乏系统的调查资料。 仅以土 壤重金属污染为例 , 全国每年因重金属污染而减产粮食 1000万 t , 被重金属污染的粮食多达 1200万 t , 合计经济损失至少200亿元 9。1. 1. 2 土壤污染导致食物品质不断下降。 我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的污染 , 有许多地方粮食、 蔬菜、 水果等食物中镉、 铬、 砷、 铅等重金属含量超标或接近临界 值。 据报道 ,1992年全国有不少地区已经发展到生产 “ 镉米” 的程度 , 每年生产的 “ 镉米” 多达数亿千克。 仅沈阳某污灌区被污染的耕地已多达 2500hm 2, 致使粮食遭到严重的镉污

8、染 , 稻米的含镉浓度高达 0. 41. 0mg/kg (这已经达到或超过 诱发 “ 44%的耕 , 6。, 也明显地影响到农 农产品的储藏和加工品质也不 能满足深加工的要求。1. 1. 3 土壤污染危害人体健康。 土壤污染会使污染物在植 (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。 如世界公害事件 日本的水 俣病是含汞废水污染了水俣海域 , 鱼贝类富集了水中甲基 汞 , 人和动物食用后引起中毒 , 造成 1004人中毒 ,206人死 亡 ; 骨痛病是当地铝厂排放的镉废水引起土壤及水环境污 染 , 造成近 100人死亡 , 都是典型例证 10。1

9、. 1. 4 土壤污染导致其他环境问题。 土地受到污染后 , 含重金属浓度较高的污染表土容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 态系统退化等其他次生生态环境问题。 如北京市的大气扬 尘中 , 有一半来源于地表。 表土的污染物质可能在风的作用 下 , 作为扬尘进入大气中 , 并进一步通过呼吸作用进入人体。 这一过程对人体健康的影响可能有些类似于食用受污染的 食物。 上海川沙污灌区的地下水检测出氟、 汞、 镉和砷等重 金属。 成都市郊的农村水井也因土壤污染而导致井水中汞、 铬、 酚、 氰等污染物超标 6。1. 2 土壤重金属污染现状 当前我国区域

10、农业环境恶化与农产品重金属污染现象十分严重 , 特别是在一些经济发达地 区。 据统计 ,1980年我国工业三废污染耕地面积 267万 hm 2,1988年增加到 667万 hm 2,1992年增加到 1000万 hm 211。 目前 , 全国遭受不同程度污染的耕地面积已接近 2000万 hm 2, 约占耕地面积的 1/5, 每年因重金属污染导致的粮食经济损 失至少 200亿元。 据农业部环境监测系统调查表明 , 我国 24个省 (市 城郊、 污水灌溉区、 工矿等经济发展较快地区的 320个重点污染区中 , 污染超标的大田农作物种植面积为 61万hm 2, 占调查总面积的 20%, 其中重金属含

11、量超标的农作物种安徽农业科学 ,Journal of Anhui Agri. Sci. 2007,35(33 :10776-10778,10781 责任编辑 孙红忠 责任校对 李菲菲 植面积约占污染物超标农作物种植面积的 80%以上 , 尤其是 铅、 镉、 汞、 铜及其复合污染最为突出 12。 当前我国大多数城 市近郊土壤都受到了不同程度的污染 , 其中镉污染较普遍 , 污染面积近 1000万 hm 2, 其次是铅、 镉、 铜、 汞等 ; 有许多地方 粮食、 蔬菜、 水果等食物中镉、 铬、 砷、 铅等重金属含量接近临 界值和超标 , 其中多数是由于工业污水灌溉造成的 13, 如广 州郊区老污灌

12、区 , 土壤中镉的含量最高达 228. 0mg/kg , 平均 含量为 6. 7mg/kg ; 沈阳张士灌区有 2533hm 2土地遭受镉的 污染 , 其中严重污染的占 13%14。 湖南省株洲市清水塘地 区农田土壤镉平均超标 25. 7倍 , 最高 135. 3倍 ; 汞平均超标2. 6倍 , 最高达 8. 4倍 15。 2 重金属污染土壤的植物修复技术2. 1 植物修复的基本概念 重金属污染土壤的植物修复 (Pyhtoremetiation 是指通过植物系统及其根系移去、 挥发或稳定土壤环境中的重金属污染物 , 或降低污染物中的重金属毒 性 , 以期达到清除污染、 修复或治理土壤为目的的一

13、种技术。 对重金属污染土壤的修复方法包括 16:其一机械处理填埋 方法。 其二使用一些物理和化学的方法。 这两种方法可实 现程度低 , 且成本高 , 效果不理想。 其三生物学修复 (Biore 2mediation 改良方法 , 污染的土壤进行修复。 因而 , 2. 2 (1 从图 1可见 , 植物修种类型 , 植物净化主要是通过叶片 吸收及根系的滤除作用来清洁被污染的空气和水体 ; 植物降 解是利用植物根系分泌物和特有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转化和降解有机污 染物 ; 植物提取、 植物挥发、 植物

14、固定主要是利用植物的吸收 积累、 挥发及根系分泌物的螯合沉淀作用来去除和固定重金 属。 其中利用超富集植物的提取作用去除土壤中超量重金 属被认为是最有前途的植物修复技术 17-18 。图 1 植物修复的主要方式2. 3 植物修复技术的研究历史与发展 植物修复技术的研究历史可以大致分为两个方面 :一方面是耐重金属植物对忍 耐重金属、 超积累植物超量积累重金属的机理研究 ; 另一方 面是利用植物进行污染土壤修复的应用研究 19-20。 植物学 家很早就发现了在富含重金属环境条件下生长着一些特殊 植物 , 其中一些植物能积累超高含量的重金属 , 远远超过了 土壤中重金属的含量 , 有关超积累植物的研

15、究可以追溯到 19世纪 , 如 Baumann 在 1885年就报道了遏蓝菜属 (Thlaspicalami 2nare 植物茎叶 (灰分 中的 ZnO 含量达 17%, 此后 M inguzzi 等 在 1948年报道了一种布氏香芥 (Alyssumberbolonii 植物干物 质中 Ni 的含量高达 1%, 灰分中达 10%。 早期的探矿者曾利用寻找指示植物的方法比地质学家更早发现特定的矿床所 在 , 而植物指示法在美国和俄罗斯发现铀矿中曾起着重要的 作用 , 许多硒、 硅、 镉和钴的富集性植物远在植物修复概念出 现以前就已为某些科学家所知。 1977年 Brooks 等首次提出 了 “

16、 hy peraccumulator ” 这一概念 , 当时是定义地上部分 Ni 含量 大于 100mg/kg (DW 的植物。 后来 , 随着其他重金属超积累 植物 的 陆 续 发 现 , 一 些 学 者 对 此 定 义 作 了 修 改 , Brake 等 21-22在 1989年重新定义了 “ hy peraccumulator ” , 是指对重金 属元素的积累量超过一般植物 100倍以上的植物 , 即为超富 集植物。 超富集植物积累的钴、 镍、 铜、 铬和铅的含量一般在1mg/kg (DW 以上 , 而积累的锰和锌含量一般在 10mg/kg (DW 以上 , 现这一定义已被广泛接受。 利

17、用植物进行环境修复这一理论思想很早就存在了 , 人们早就认识到一些水生 或半水生维管植物 (如水葫芦、 浮萍等 能够吸收污水中铅、 铜、 镉、 铁、 汞 , 但直到 20世纪 90年代 , 随着大量超富集植物 的发现及其对超积累机理的深入研究 , 人们才充分认识到超 富集植物在环境修复中的作用 22-23随后有关这方面的研 , , 相继 , 年以来在 NA T URE ,1999年 CRC 开始出版 “ 植物 近几年我国科技界也不失时机地开展了超 富集植物的筛选、 超富集植物机理与超富集植物修复重金属 污染土壤的前期研究 24-25。以美国环保局公布的植物修复参考书目 (Phytoremedi

18、a 2tionbibliography 为例 ,1977年有关植物修复的文献 7篇 , 到 1997年 已 增 长 到 每 年 214篇 11。王 效 举 等 利 用 JST 和 Pubmed 科学论文检索系统 , 以植物修复为关键词对近年来全世界发表的有关植物修复的论文进行了检索 , 结果表明 ,20世纪 90年代后半期开始 , 发表的相关论文数量显著增加 (图2 , 显示了植物修复领域的研究得到了迅速的开展 , 并受到全世界各国的高度重视和普遍关注 7 。图 2 近 10年世界发表的以植物修复为关键词的论文2. 4 植物修复的优缺点2. 4. 1 植物修复技术的优点。 植物修复技术较其他物

19、理、化学和生物的方法更受到社会的欢迎。 该技术成本低 ; 对环 境扰动少 ; 清理土壤中重金属污染物的同时 , 可以清除污染 土壤周围的大气或水体载体中的污染物 ; 有较高的美化环境 价值 , 易为社会所接受 ; 植物修复重金属污染物的过程也是 土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程 , 被植物修复过的干 净土壤适合于多种农作物的生长 ; 植物固化技术能使地表长7770135卷 33期 郭 彬等 土壤重金属污染及植物修复技术研究期稳定 , 有利于生态环境改善和野生生物的繁衍 , 而且维持 固化的成本低。 从表 1中可以很清楚地看到不同修复技术 的优缺点 26。 表 1不同修复技术的比较性质 填埋法

20、 化学洗脱 微生物 植物修复 废物转运量 对土壤的振动度 对植物分布的影响 污染物淋失潜力 对毗邻土壤的潜在损害 对位点条件的敏感性 对污染物的敏感性 技术复杂程度 注 : 高 , 中等 , 低。2. 4. 2 植物修复技术的局限性。(1 要针对不同污染状况的土壤选用不同的生态型植 物。 重金属污染严重的土壤应选用超积累植物 , 而污染较轻 的土壤应栽种耐重金属植物。(2 一种植物往往只吸收 12种重金属元素 , 对土壤中 其他浓度较高的重金属则表现出某些中毒症状 , 从而限制了(3生物量低、 生长缓慢、 , 济上不一定合理。(4题 , 还存在污染物及其降解产物的重新活化问题。除了超积累植物本

21、身的缺点之外 , 还有其他因素也影响 植物修复的有效性 , 如土壤微生物活性、 土壤本身的理化特 性 , 还有污染区的气候地理条件 27-28。3 植物修复重金属污染土壤的研究趋势及发展前景 3. 1 植物修复重金属污染土壤的研究趋势(1 寻找、 筛选和培育对重金属具有超积累能力的植物 , 进行超积累植物资源调查 , 了解其分布 , 收集并建立超积累 植物的数据库。 我国的野生资源十分丰富 , 开发野生植物在 植物修复中的应用具有较大优势。(2 基础理论和应用研究并举。 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其解毒机制 , 超积 累植物与根际微生物共存体系的作用以及根际

22、土壤环境条 件下对重金属的生物有效性制约机理等一系列基础理论问 题仍有待于进一步探索。(3 现代生物技术在植物修复中的应用。 当前的研究热 点是如何将能使植物生物量增大、 生长加快和生长周期缩短 的基因转移到超积累植物中并使之得到相应的表达 , 使其不 仅能克服自身的生物学缺陷 , 而且能保持原有的超积累特 性 , 提高植物修复重金属污染土壤的效率。(4 植物修复技术的工艺研究。 作为一种原位处理技 术 , 确保植物的良好生长并具有较高的治理效率是取得成功 的前提。 通过应用化学试剂 (络合剂、 螯合剂 、 微生物或土 壤改良剂、 酸碱调节剂等增加目标重金属的生物有效性 , 提 高植物吸收速率

23、 ; 采取合理种植 , 科学施肥 , 深耕等耕作管理 措施与技术 , 提高植物生物量或增加收割次数 , 从而提高植 物修复的效率。(5 耐重金属和超积累植物及其根际微生物共存体系的 研究。 前景看好的研究领域包括与超积累植物根际共存的 微生物群落的生态学和生理学特征研究 , 根际分泌物在微生 物群落的进化选择过程中的作用与地位 , 根圈内以微生物为 媒介的腐殖化作用对表层土壤中重金属的生物可利用性影 响等。 研究这些问题不仅可以更好地揭示逆境中植物生存 的奥秘 , 而且可以为充分利用植物及其共生的根际微生物清 除污染土壤中的有毒化学污染物提供理论依据。(6 超富集植物体内重金属的回收再利用。

24、对于收获物 的处理上 , 研究较少 , 目前仅对灰分中重金属含量为 10% 40%的植物采用冶炼回收 8, 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。(7 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 ,中 ,(1 我国地理地质条件复杂多样 , 有着丰富的植物资源 , 因而可能蕴藏着大量超富集植物 , 为我国开展有关研究提供 了良好的基础。(2 在植物修复方面已进行过探索与初步尝试 , 如国内 外有关人士对土壤重金属含量的研究等 , 为土壤重金属污染 植物修复提供了大量的基础性数据及参考资料。(3 与传统的物

25、理、 化学和工程修复等技术手段相比 , 植 物修复具有投资和维护成本低、 操作简便、 不造成二次污染 且易于后处理、 具有潜在或显在的经济效益等优点。 同时也 可修复土壤恢复土地使用功能 (如耕地等 , 改善居民生活环 境 , 社会、 环境和经济效益显著。(4 大量土壤重金属污染有待修复 , 我国黑色金属矿山 每年排放剥离岩土量达 2. 0亿 t , 有色金属直属矿山每年排 放固体废物 0. 6亿 t , 占用各类土地达 2万 km 2。 我国受重金 属污染的耕地面积近 20万 km 2, 约占耕地总面积的 1/529。 (5 由于植物修复更适应环境保护的要求 , 因此植物修 复是目前重金属污

26、染土壤修复最有发展前途的一种方法 , 受 到世界各国政府、 科技界和企业界高度重视和青睐。 无论从 投资成本还是管理等多方面考虑 , 采用植物修复都是一条非 常适合我国国情的治理污染土壤的途径。参考文献1A L LOW AY B J. H eavy m etals in s oilsM.2nd ed.Lond on :BlackieAcadem ic & Pro fessional ,1985.2CS UR OS M ,CS UR OS C. Env ironm ental sam pling and analysis for m entalsM. B oca Raton :CRCPr

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