植物修复技术在重金属污染土壤中的应用
2008/3/1 来源:新疆农业科技 作者:马宁远 刘鲁新 蔺彩霞 王 俊 侯 洪


  引言
  
  由于现代工业的快速发展及农药的广泛使用,大量的汞、镉、铅等重金属造成土壤污染日趋严重。全世界每年排放Hg约1.5万t,Cu40万t,Pb500万t,Mn1500万t,Ni100万t。据我国农业部的调查,我国遭受重金属污染的土地面积占污水灌区总面积的64.8%,一些地方生产的粮食、蔬菜水果等食物中重金属含量超标或接近临界值。这些农产品中的重金属通过食物链富集到人或动物体中,危及人类的生命和健康,同时导致大气、水体污染和生态系统退化等其他次生生态问题。土壤重金属污染已引起许多国家的高度重视,各种土壤修复技术陆续出现。植物修复技术是成本低、效果好、无二次污染的绿色技术,较之传统的修复方法更符合可持续发展污染治理模式,有着很好的发展前景。
  
  1 土壤重金属污染的植物修复技术
  
  治理土壤重金属污染的原理大致有两种,一是改变重金属在土壤中的存在形态,使其固定,降低其在环境中的迁移性和生物可利用性,二是从土壤中去除重金属。
  为了降低和消除重金属的危害,常用治理重金属的方法有物理法,即电化法、玻璃化技术和提取法等;化学法,即添加土壤改良剂、淋洗法等;农业生态工程法,即客土法、排土法和水洗法;植物修复法等。本文主要对植物修复技术进行探讨。
  
  2 植物修复技术
  
  植物修复是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上,该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,将植物收获并进行妥善处理(如灰化处理)后即可将该重金属从土体中去除,达到治理污染与生态修复的目的。
  
  2.1 植物修复技术分类
  2.1.1 植物提取
  利用重金属富集能力较强的植物,通过吸收和运转将重金属转移并储存在地上部分,最终通过收获地上部分集中处理来达到减少土壤重金属含量的目的。植物提取的关键要求所用的植物能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。
  2.1.2 植物稳定
  利用植物吸收和植物根际作用使土壤中污染物转化为相对无害物质。土壤重金属的含量并不减少,但由于降低了在土壤中的有效态,从而达到减轻污染的效果。
  2.1.3 植物挥发
  通过植物的吸收促进某些重金属转为可挥发态并将之挥发出土壤和植物表面。目前这方面研究最多的是类金属汞和非金属元素硒、砷。
  2.1.4 根际过滤
  利用植物庞大的根系和巨大的表面积过滤吸收、富集水体中重金属元素。
  
  2.2 修复机理
  2.2.1 植物固定作用
  植物通过生化过程使污染基质中金属的流动性降低,生物可利用性下降,从而减轻有毒金属对植物的毒性。S.D.Cunningham等在研究植物对土壤中Pb的固定时发现一些植物可以降低Pb的生物可利用性,缓解Pb对环境中生物的毒害作用。
  2.2.2 植物吸收和挥发
  植物在吸收营养的过程中,由于某些重金属元素与营养元素具有相似的化学结构会被植物吸收到植物体内,如As与P相似。进入植物体内的金属污染物到达表皮层后,或被植物代谢掉,或成为植物的成分之一,或通过气孔挥发到大气中。
  2.2.3 植物根系活动
  植物根系活动能活化土壤中的重金属,提高其生物有效性。有研究表明:Cd、Pb、Cu、Zn、As5种元素交互作用能促进Cd、pb、Cu的活化,增加植物对它们的吸收。
  
  3 植物修复技术在重金属污染土壤中的应用
  
  目前,利用植物修复被重金属污染的土壤在国内外均有成功的应用。汤叶寿等经过野外调查和营养液培养试验表明,圆锥南芥具有超量富集Pb/Zn/Cd的能力,是国内首次发现的Pb/Zn/Cd多金属超富集植物。陆引罡等表明车前草对重金属Ni有忍耐作用,土壤中Ni含量达到近150mg/kg时,车前草仍然能正常生长,生物量并未显著下降。印度芥菜是目前筛选出的一种生长快、生物量大的Cd、Zn、Pb忍耐一富集型植物。栽种了印度芥菜的沙地含铅量只有22ug/mL,而对照沙地竟高达740Dg/mL。C.LP,ugh等成功地把细菌的Hg2+还原酶基因导入拟南芥植株,使植株耐Hg能力大大提高,植株对Hg的耐受性提高到1001zmol/L,且Hg2+被转基因植物还原可以促进Hg从土壤中的挥发。
  
  4 植物修复技术的发展趋势
  
  植物修复是一项处于迅速发展之中,具有广阔应用前景的新技术。植物修复以太阳能为驱动能源,适用于中一低强度污染的治理,成本较低,具有良好的社会、生态、综合效益。易被公众所接受,特别适合在发展中国家使用。该技术的发展趋势大致有以下几方面:
  (1)寻找、筛选和培育超富集植物,进行全国超富集植物资源调查,了解其分布并建立超富集植物的数据库。
  (2)加强植物修复的实践性环节,创建植物修复重金属的示范基地,继续对超富集植物的机理和作用进行研究。
  (3)基因工程的应用。目前,基因技术应用于植物修复才刚刚起步,但已有的成果表明基因技术将成为该领域研究的重要方向,有可能导致植物修复的革命性突破。其研究包括有价值基因的筛选、转基因植物对环境的影响、转基因植物遗传性能等。
  (4)超富集植物体内重金属的回收再利用。对于收获物的处理上,研究的人较少,目前仅对灰分中重金属含量为10%~40%的植物采用冶炼回收。
  (5)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,若能将这些方法综合应用于重金属污染土壤的修复中,可能会获得更好的处理效果。