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重金属污染农田植物修复及强化措施研究进展

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  • 标签:重金属; 土壤; 植物修复; 强化措施
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: 农田土壤重金属污染日益恶化,严重危害?#29992;?#29983;活和作物、畜牧安全,影响经济发展,对重金属污染农田的治理
成为我国目前亟待解决的环境问题之一。与传统的理化方法相比,植物修复技术因其环保、经济、安全、环境扰动小等
特点而备受关注。介绍了农田土壤重金属污染的来源及危害,简述了土壤重金属污染植物修复技术的概念和分类,并
针对各种植物修复技术的修复原理、适?#20204;?#20917;和研究实例进行详细阐述。综述了当前国内外可用于提高植物修复效
?#23454;?#26041;法措施,指出了当前植物修复技术存在的修复周期及修复效果的局限性。最后,在现有研究分析的基础上,对
今后土壤重金属植物修复技术的发展方向提出了几点展望,以期为今后农田土壤重金属污染植物修复工作提供科学
依据。
关键词: 重金属; 土壤; 植物修复; 强化措施
DOI: 10. 13205 /j.hjgc.201905006
RESEARCH PROGRESS OF PHYTOREMEDIATION AND STRENGTHENING MEASURES
FOR HEAVY METALS CONTAMINATED FARMLAND
LIU Wei,ZHANG Yong-bo,JIA Ya-min
( College of Water Resources Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)
Abstract: Heavy metal pollution situation in farmland soil is increasingly deteriorating,seriously endangering residents’life,
crops and animal husbandry and affecting economic development. The treatment of heavy metal contaminated farmlands has
currently become one of the urgent environmental problems in China. Compared with traditional physical and chemical
methods,phytoremediation technology has attracted much attention due to its advantages such as eco-friendly,lowcost,safety,
and small environmental disturbance etc. This paper introduces the source and harm of heavy metal pollution in farmland soil,
and briefly introduces the concept and technical composition of phytoremediation technology for heavy metal pollution of soil.
The principles,application and research examples of various phytoremediation technologies are described in detail. The
methods and measures that can be used to improve the efficiency of phytoremediation globally are reviewed. The limitations of
phytoremediation cycle and effects of the current phytoremediation technology are pointed out. Finally,based on existing
researches and analysis,some prospects for the future development of phytoremediation technology for heavy metal pollution of
soil are put forward,in order to provide a scientific basis for the future phytoremediation of heavy metal pollution in farmland
soil.
Keywords: heavy metal; soil; phytoremediation; strengthening measure
* 山西省应用基础研究项目( 201701D221223) ; 国家重点研发项目“煤
矿水分级高效低耗处理技术与装备”( 2018YFC0406403) 。
收稿日期: 2018-06-09
0 引 言
工业的飞速进步和城市化脚步的迈进,?#29575;?#25105;国环
境污染问题愈加严重,大面积农田土壤存在重金属含量
超标情况。2014 年全国土?#36182;?#26597;显示
[1]
,我国土壤质量
不容乐观,污染超标地区占比达到 16. 1%,其中,农田污
染情况严重,总污染面积超过 2000 万 ha
[2-3]
。污染以重
金属污染为主,占全部超标类型的 82. 8%。
重金属污染农田的治理是目前我国急需解决的
环境问题之一,对于污染土?#36182;?#27835;理,目前常用的方
法包括传统物理方法( 电动力学、浸出、电热修复、玻
璃化和冻土技术) 和化学法( ?#29287;技痢?#34735;合剂、?#31181;?#29615; 境 工 程 第 37 卷
剂、沉淀剂) 以及植物修复法。与理化方法相比,植
物修复以其环保、经济、安全、环境扰动小等特点而备
受关注
[4-5]
。本文将围绕土壤修复的植物修复方式,
从其技术类型、适?#20204;?#20917;?#30830;?#38754;进行综述,旨在为受
重金属污染的土壤修复提供高效合理的整治策略。
1 土壤重金属污染的来源及危害
Hg、Cd、Pb、Cr、Zn、Cu、Ni、Co、Se、As 是目前常见
的土 壤 污 染 物。这些污染物的来源有诸多方面:
1) 重金属可通过大气沉降经雨水淋溶渗入地下,如
As、Cu、Hg、Pb、Se 与?#27982;?#27963;动、汽车尾气排放有关。
Cd、Ni、Zn、Mo 可能来源于化学?#21058;系?#29123;烧等
[6]
2) 矿山开采时的采矿废液和矿物加工后的废弃物随
意排放直接导致土壤重金属含量的增加,采矿后?#30446;?
渣和固体废弃物的胡乱堆放经雨水淋溶后进入土壤,
使得矿区附近土壤中重金属含量严重超标
[7]
。之后
由其他排污企业如矿产冶炼加工、塑料、化工、机械制
造产生的工 业“三 废”使得污染面积进一步扩大。
3) 在农业生产过程中,不当的农业措施对土壤造成
的重金属污染,如农药化肥应用,污泥农用及污水灌
溉等。农田施用污泥可肥田、?#29287;?#22303;壤结构,达到增
产效果,但污泥中都不同程度地含有工业源重金属污
染物,是农田土壤重金属污染的主要来源。
在土壤环境中,重金属污染的过程具有持久、不
易探明、不可逆和易扩散转移的特性。大部分重金属
进入土壤后,会长期存在于土壤中及植物根?#25163;?#22260;,
?#28082;?#38590;在物?#39318;?#21270;和土壤自身净化过程?#20449;?#38500;,随着
时间推移势必会对土?#36182;?#32467;构及性?#30465;?#22303;壤生物及微
生物特性造成不良后果,进而威胁整个土壤植物系统
结构完整和稳定运行。已有研究显示,土壤中微生物
的种类和数量会随着重金属污染情况的加重而减
[8]
。在重金属污染土壤中生长的植物,其根系会
受重金属影响而造成代谢紊乱,根系生长受到?#31181;疲?
导致植物体营养亏?#20445;?#20351;生长发育受到破坏,从而影
响植物的形态及产量
[9]
。此外,当人类通过生物链
作用摄入含有过量重金属的植物或生物时,重金属会
在人体内富集,引起人体代谢紊乱,诱发疾病,器官损
害等,直接危害人体健康。如当人体内含有过量的
Cd 时,会使肾脏发生病变,同时会?#26500;趨乐?#30340;钙大量
流失,造成骨?#36866;?#26494;、关节疼痛等病?#30784;?
2 植物修复技术及特点
植物修复就是利用某种或多种特定植物来挥发、
固定、萃取其生长范围内的有?#23621;?#23475;物质,以减少对
环境的破坏。植物修复根据土壤修复机理可分成以
下 3 种技术。
2. 1 植物挥发
植物挥发即植物通过根部将重金属吸收进植物
体内并转变其形态为气态,再由植物释放到空气中以
减少土壤中重金属的残留。目前,有关植物挥发的研
究大多为 Hg
[10-11]
和 Se
[12]
,这些重金属在植物体内通
过甲基化挥发出土壤,从而?#26723;?#22303;壤重金属含量。该
技术无须对植株进行后期回收处理,但其适用范围
小,只适用于可挥发性污染物,并?#26131;?#21270;成气态污染
物会进入大气造成二次污染,再通过大气沉降再次进
入土壤,因此该技术有待进一步改进和提高。
2. 2 植物固定
植物固定是通过植物根系中的一系列反应钝化、
稳定和螯合重金属,将有害污染物转化为一?#20540;?#27602;形
态并在植物根部固定的方法。白彦真等
[13]
研究发
现,藜和新麦草具有能够钝化固定 Pb 的能力。Salt
[14]
发现一些植物根系分泌的物质可使有毒 Cr
6+
化为无毒的 Cr
3+
。植物固定可以?#34892;?#22320;减少污染物
?#29287;?#21160;性及其生物可利用性,但?#21019;?#26681;本上去除污染
物,一旦环?#31243;?#20214;改变会再次造成污染。
2. 3 植物萃取
植物萃取就是利用植物依靠根的萃取作用从土
壤中获取养分的同时,将土壤里的污染物转移到其地
上部分,然后被?#23454;?#22320;回收以实现修复土?#36182;?#26041;法。
该技术是当前最有发展前景,修复效果最好的植物修
复技术。自 20 世纪 70 年代末,由 Brooks 等
[15]
给出
了超富集植物的定义至今,超过 700 余种植物被研究
证实为超富集植物。它是指植物体内含 Mn、Zn 不低
于 10000 μg /g,Cd 不低于 100μg /g,Pb、Cu、Cr、Co、Ni
等不低于 1000 μg /g。同时,植物器官中污染物含量
要大于土壤中污染物含量,植物出露于地表部分的污
染物含量要大于埋入土壤部分污染物含量。印度芥
菜是目前最理想的 Pb 超富集植物
[16]
,国内富集 Pb
效果较好的植物还有羽叶鬼针草
[17]
、香根草
[18]
等。
As 的超富集植物如蜈?#30142;?
[19]
、大?#27602;?#21475;边草
[20]
和粉
叶蕨
[21]
。Cd 的超富集植物有宝山堇菜
[22]
、东南景
[23]
和忍冬
[24]
。Ni 的超富集植物相对较多,主要有
Berkheya coddii
[25]
、李氏禾
[26]
等。Zn 的超富集植物
有东 南 景 天
[27]
、Potentilla griffithii Hook
[28]
、Thlaspi
caerulescens
[29]
等。Cu 的超富集植物如?#20943;?#33609;
[30]
海州香薷
[31]
等。Cr 的超富集植物为李氏禾
[32]
。Hg
03第 5 期 刘 伟,等: 重金属污染农田植物修复及强化措施研究进展
的超富集植物较少,但苎麻属于宿根性多年生植物,
利用其根系对重金属不?#31995;?#25552;取,可逐渐减少土壤
Hg 含量
[33]
3 提高植物修复效率措施
植物修复效?#23454;?#39640;低决定了植物修复的应用,而提
高植物修复效率是当前的主要研究内容。通常采用添
加剂、先进的农艺技术、联合微生物以及基因工程,及多
种修复方法复合修复的措施以提高植物修复效率。
3. 1 螯合剂和表面活性剂
一些特殊土质在进行土壤整治过程?#22411;?#24448;会不
尽人意,若辅以某种特定的化学试?#33391;?#21487;加快根系对
污染物的提取速率,?#28304;?#21040;更好的修复效果
[34]
。应
用较多的化学试剂主要是络合剂,包括 EDTA、NTA、
DTPA、HEDTA、EGTA 和柠檬酸。将络合剂添加到待
修复土壤中,使重金属离?#26377;?#25104;具有环状结构的金属
螯合物,这种螯合物更稳定,水溶性更好,更利于根系
的萃取
[35-37]
。但施用 EDTA 等络合剂时也存在争议,
由于络合剂会使土壤重金属可溶性增加,且对重金属
的活化作用具有非特异性,而修复植物对重金属的提
取往往具有专一性,这就会导致一些非目标重金属元
素危害到周围环境甚至经雨水淋溶进入地下水,造成
二次污染。考虑到上述原因,一些?#21672;?#29289;降解,毒性
小的 生 物 源 络 合 剂 如 EDDS、LMWOAs 被 认 为 是
EDTA 等人工络合剂的最佳替代品
[35]
3. 2 农业技术措施
进行污染整治的过程中,超富集植物往往会受湿
度、气温、土壤肥力等环境因素制约,使得植物生长缓
慢、植株密度小。而合理的农业措施可以解决以上问
题,提高植物修复效率,具体可从增加土壤肥力、合理
灌溉、优化栽培措施几个方面来实施。水是植物生长
的必需要素,合理的灌溉可使植物保持良好的生长状
态,维持较好的修复效果,合理的水分还会改变土壤
的结构及性质,使能被植物萃取的重金属含量最大
化; 合理的栽培技术可以使土地利用?#39318;?#22823;化,提高
田间单位面积植物密度,间接提高植物修复效率; 磷
肥不但能够促进植物的生长,同时还可与土壤中的
Pb 形成难溶?#29287;?#37240;铅化合物,固定于土壤中,?#26723;?
Pb 的生物毒性
[38]
; 土壤中施用少量 N 肥,能够促进
小花南芥对土壤中 Pb 和 Zn 的富集作用
[39]
3. 3 微生物联合修复
在重金属污染土壤中接种特定微生物强化植物
修复效果,植物根系与其周围微生物之间存在一种互
?#26500;?#31995;,为微生物创造良好的生存空间并为其繁殖生
长提供所需的营养物?#30465;?#24494;生物可以改善土壤质量,
使土壤环境更有利于植物修复,其作用途径主要分为
以下 2 种: 1) 为植株在生长发育期提供有利条件,提
高植株的生物量和对污染物的耐受性。如根瘤菌进
行生物固氮供给植物吸收; 菌根真菌可向植物根系提
供所需的水分、酶类并能够吸收转运土里的重金属元
素,增加植物对重金属的耐受性
[40]
。2) 提高植物根
系周围重金属的活性,使更多重金属污染物能够被植
物萃取吸收带出土壤,如微生物能?#29615;?#27852;有机酸起到
对重金属的活化作用,从而提高植物修复效率
[41-42]
国外已有相关研究表明,通 过 黄 羽 扇 豆 ( Lupinus
luteus) 并及其内生菌起到强化植物修复能力的
效果
[43]
3. 4 生物技术应用
重金属修复植物通常生长缓慢,限制了植物修复
的效果和效率,导入速生植物的遗传基因成为一种可
行性措施,并且已经成功地用于提高植物对重金属的
耐受性和积累。通过导入优势基因使植物的金属螯
合分子如柠檬酸
[44]
、植物螯合肽
[45]
、金属硫蛋白
[46]
重金属转运蛋白
[47]
的表达增强,促使植物对重金属
的吸收能力增强。细菌基因( merA 汞还原酶和 merB
有机汞裂解酶) 的导入还可增加植物对 Hg 的耐受
[48-49]
。γ-谷氨酰半?#35013;?#37240;合成酶( ECS) 和?#20837;?#29976;
肽合成酶( GS) 转基因印度芥菜?#30830;?#36716;基因型印度芥
?#21496;?#26377;更高的富集 Cd 和 Zn 的能力,富集吸收 Cd 和
Zn 的能力提高 1. 5 ~ 2 倍。此外,ECS 转基因植物积
累 Cr、Cu 和 Pb 是非转基因植物的 2. 4 ~ 3 倍
[50]
3. 5 CO2 施肥技术
CO2 作为植物光合作用的底物,CO2 浓度的升高
会使植物光合作用增强,提高植物的水分利用率,并
利于植物根系发育和根系分泌物的产生,对植物会产
生积极效应,提高植物的生物量
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