环境与可持续发展 ２０１３年第５期 ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ ＡＮＤ ＳＵＳＴＡＩＮＡＢＬＥ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ Ｎｏ５，２０ １ ３ ．重金属污染土壤的植物修复研究 卫三平 李永杰 （１．山西省吕梁市水利局，山西吕梁０３３０００；２．山西水利职业技术学院，山西运城０４４００４） 【摘要１本文在论述土壤重金属污染来源及危害的基础上，综述了植物修复原理、植物修复分类、植物修复的优点和 局限性，提出了今后的重点研究方向。 【关键词１重金属；土壤污染；植物修复 中图分类号：Ｘ５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—２８８Ｘ（２０１３）０５—００７０—０３ 植物修复集永久性和广域性于一体，是一种新兴的 绿色生物技术，能在维护土壤结构和微生物活性的情况 下对重金属污染土壤进行修复，因此越来越受到世界各 国的高度重视和青睐。２Ｏ世纪９Ｏ年代以来，植物修复 已成为土壤环境重金属污染治理研究领域的一个前沿性 课题。 万ｈｍ 以上 。目前，全国遭受不同程度污染的耕地面 积接近２ ０００万ｈｍ ，约占耕地总面积的１／５ Ｅ３］。每年 因重金属污染减产粮食１０００万ｔ以上，被重金属污染的 粮食每年也多达１２００万ｔ，经济损失至少２００亿元…。 ２植物修复原理 重金属在土壤中的自然净化过程十分漫长，一般需 １ 土壤重金属污染来源及危害 土壤重金属污染物的来源途径主要包括：采矿、冶 要上千年时间，其污染具有隐蔽性、不可逆性和长期性 等特点，就目前技术条件而言，土壤污染治理仍然是国 际性难题 Ｊ。１９７７年Ｂｒｏｏｋｓ提出超富集植物的概念”Ｊ， １９８３年美国科学家Ｃｈａｎｅｙ首次提出利用超富集植物清 除土壤中重金属污染物的设想，即植物修复 炼、化工、电子、制革、燃料等工业产生的“三废”； 城镇建设等排放的固体废弃物，城乡生活垃圾、污水 等；农业污水灌溉、化肥和农药的不合理施用；重金属 以气溶胶的形态进入大气，经过自然沉降和降水进入土 壤等。 （Ｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ）。英国Ｓｈｅｆｆｉｅｌｄ大学Ｂａｋｅｒ博士提出 超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。 某些重金属元素（如ｚｎ、ｃｕ）对植物而言是必需元 素，但重金属在土壤中积累到一定限度时，就会对土壤 一植物修复是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学 元素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系，包 括植物对污染物的吸收与富集、根系分泌物以及土壤微 植物系统产生毒害作用，不仅导致土壤退化、土壤生 态结构和功能紊乱、植物的生长发育异常、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 下水而恶化水文环境，更为严重的是这些重金属物质可 生物对污染物的降解等综合因素，清除环境中污染物的 一种治理技术 Ｊ。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，即重金属的“超 以在土壤中留存几十年、几百年，通过植物可食部分的 富集植物”。通常，超富集植物的界定主要考虑两方面 的因素：植物地上部分富集的重金属应达到一定量；植 物地上部分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，因此对不同重金属而言，其富集系数植物富集质量 分数界限也有所不同。目前采用较多的是Ｂａｋｅｒ和 富集吸收进入食物链危害人畜生命和健康。研究表明： 受重金属污染的土壤，其微生物生物量比正常使用粪肥 的土壤低得多，并且减少了土壤微生物群落的多样 性…。随着工业的发展和农业的现代化，重金属污染问 题越来越突出，部分地区土壤重金属污染状况已经非常 严重。据估测，目前全世界平均每年约排放Ｈｇ １．５万 ｔ，Ｃｕ ３４０万ｔ，Ｐｂ ５００万ｔ，Ｍｎ １５００万ｔ，Ｎｉ １００万ｔ， Ｂｒｏｏｋｓ提出的参考值 Ｊ，即把植物叶片或地上部分（干 质量）中ｃｄ含量达到１００ｍｇ／ｋｇ，Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ含量 达到１０００ｍｇ／ｋｇ，Ｍｎ、Ｚｎ含量达到１００００ｍｇ／ｋｇ以上的 这些物质均由人类的生活、生产活动排放于自然界中， 最后绝大多数通过各种各样的途径进入土壤 。据统 计，１９８０年我国工业“三废”污染耕地面积２６６．７万 ｈｍ２，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分别指植物地上部分和根部重金属的含量）应大 于ｌ。目前已发现有４００多种超富集重金属的植物，以 １９８８年增加到６６６．７万ｈｍ ，１９９２年增加到１０００ 项目资助：吕梁市科技攻关项目（ＮＹ２ｏｏ７ｏｏ８） 作者简介：：ＺＳ－－Ｔ－，研究生，高级工程师，主要从事水土保持生态建设方面的研究 卫三平 等：重金属污染土壤的植物修复研究 ・７ｌ・ 十字花科植物居多 。由于土壤一植物系统自身的特 点，土壤重金属污染必须以预防为主，尽可能减少重金 属污染物的输入。 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，六价铬可被还原为毒性较低的三价铬。植 物固定并没有将土壤中的重金属离子去除，只是暂时将 ３植物修复分类 重金属的植物修复有两种途径：一是通过植物作用 改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定，降低 其在土壤中的移动性和生物可利用性；二是通过植物吸 收、挥发，达到对重金属的削减、净化和去除的目的。 其固定，如果环境条件发生改变，重金属的生物可利用 性可能又会发生改变，因此植物固定不是一种修复重金 属污染土壤的有效方法。 ４螫合剂在植物修复中的应用 早在１９７４年，Ｗａｌｌａｃｅ在一次偶然机会中发现土壤 根据其作用过程和机理，重金属污染土壤的植物修复技 术可分为以下三种类型。 ３．１植物提取 植物提取是目前研究最多、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，将它们大量地输送并贮存在植物体 的地上部分，然后收割植物并进行集中处理，连续种植 这些植物，即可达到降低或去除土壤重金属污染物质的 目的。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 １０—５００倍以上的某种重金属元素。营养型超富集植物 以某种或某些重金属元素作为其自身生长的营养需求， 它们往往在这些元素正常浓渡下难以正常生长发育。植 物对元素的选择吸收早在一个世纪以前就被人们所发 现，但植物提取吸收用作污染土壤的治理还是近３０多 年的事 。 ３．２植物挥发 植物挥发是指利用一些植物吸收重金属元素，并将 其转变为可挥发的形态，通过蒸腾作用将之挥发出土壤 和植物表面，以降低土壤污染程度。目前，这方面研究 最多的是元素Ｈｇ和Ｓｅ。研究表明，硒积累植物黄芪、 印度芥菜可将ｓｅ转化为挥发态的甲基硒，烟草能使毒 性大的二价Ｈｇ转化为气态的零价Ｈｇ，Ｍｅａｇｈｅｒ等把细 菌体中的Ｈｇ还原酶基因导入芥子科植物，获得耐Ｈｇ 的转基因植物，该植物能从土壤中吸收Ｈｇ并将其还原 为挥发性单质Ｈｇ［７］。植物挥发技术不需收获和处理 含污染物的植物体，不失为一种有潜力的植物修复技 术，但其只适用于挥发性的污染物（如ｓｅ、Ａｓ和如 等），应用范围很小，并且将污染物转移到大气中对人 类和生物有一定的风险，因此它的应用仍受到限制。 ３．３植物固定 植物固定特指某些植物通过促进重金属元素在根区 沉淀等途径降低其移动性和生物有效性，减少重金属元 素被淋洗到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可 能性，使土壤重金属对生物的毒害性降低。植物本身不 吸收重金属，但植物的根系分泌物如氨基酸、糖、酶等 物质能促进根系周围土壤的微生物的活性和生化反应。 使重金属发生沉淀或被束缚在腐殖质中。研究发现一些 中添加螫合剂（ＥＤＴＡ和ＮＴＡ）可以强化植物对重金属的 吸收 Ｊ。近２０多年来，国内外一些学者开始关注各种 螯合剂在土壤修复和利用中的作用，并开展了大量的研 究工作。目前常用的螯合剂主要有两种类型：一类是人 工合成的螯合剂，如ＥＤＴＡ、ＤＴＰＡ、ＥＧＴＡ、ＣＤＴＡ和 ＥＤＤＳ；另一类是天然的螯合剂，主要是一些低分子有 机酸，如柠檬酸、草酸和酒石酸等。其中以人工合成的 螯合剂因具有较强的活化能力而被广泛应用。螯合剂的 主要作用体现在 Ｊ：（１）增加土壤中重金属的溶解度； （２）提高了重金属根际扩散能力；（３）促进重金属自根 系向地上部转运，可见施加螯合剂不但可提高某些植物 对重金属的吸收，更重要的是促进了重金属在地上部分 的富集，这对植物修复是非常重要的。研究发现高浓度 的螯合剂如ＥＤＴＡ、ＤＴＰＡ、ＣＤＴＡ、ＥＧＴＡ、ＮＴＡ和柠檬 酸等处理均可以增加印度芥菜、玉米、豌豆等植物中的 重金属含量。在土壤铅浓度为２５００１ｘｇ／ｇ的污染土壤上 种植玉米和豌豆，加人ＥＤＴＡ后植物地上部铅的浓度从 ５ｏｏ￣ｇ／ｇ提高到２５００ｔｘｇ／ｇ，增幅达到５倍。研究表 明 …，向铅污染土壤中加入ｌｌ０ｇ／ｋｇ的ＥＤＴＡ，２４ｈ后 Ｐｂ从作物根向枝干部分的转移量与对照相比，提高了 １２０倍。但在田间应用时，螯合剂可能因使用控制不当 而导致水体、土壤环境产生副作用，容易造成对水土资 源的二次污染。施用有机肥是较理想的措施，既能活化 土肥土壤，促进修复植物生长，又能降低环境二次污染 的风险 。 ５植物修复的优点和局限性 ５．１优点 （１）成本较低。相对于化学、物理方法而言，植物 修复不管是从经济效益、环境效益还是技术可行性方面 都占有很大的优势的，而且成本低廉，只占常规处理方 法费用的１７％～３５％ 。（２）操作简便。植物修复简 单易行，适合大面积推广，并不需要增加多少额外的设 备装置。（３）绿色环保。植物修复是一个自然更替过程， 在修复过程中产生的二次污染较少。超量积累植物焚烧 后的灰分一般重金属含量较高，对一些贵重金属可回收 利用。（４）保持良好生境。植物修复能使土壤保持良好 的结构和肥力状态，无需进行二次处理，即可种植其他 ・７２・ 环境与可持续发展 ２０１３年第５期 植物。 将为植物修复广泛推广开辟新的途经。 ５．２局限性 ６．４环境友好型添加剂研发 （１）植物生长有其立地要求，且受病虫害袭击和遭 选择合适的土壤添加剂是促进植物修复技术发展和 受自然灾害时会严重影响其修复能力。（２）修复周期较 应用的重要课题。许多研究证明向土壤施用添加剂可以 长且深度有限，对深层土壤污染和深层地下水污染的修 提高植物对重金属的积累速率和水平，但其环境安全性 复能力较差。（３）修复重金属复合污染土壤受限，对土 也受到高度重视，因此开发环境友好型添加剂是今后的 壤中其他浓度较高的重金属则表现出中毒症状。（４）具 一个重要研究方向。 有一定的生态安全风险。尤其富集后的植物处置困难， ６．５植物修复工艺研究 若处理不当有可能导致植物中富集的有毒有害重金属元 为了克服植物修复的局限性，提高修复的效率，开 素重新释放到土壤中，造成生态环境二次污染。 展植物修复工艺研究十分必要和迫切。魏树和等¨ ， ６主要研究方向 提出在花期收获修复植物然后再及时移栽下一茬修复植 物的作法，从而在同一生长季内充分提高修复效率。另 ６．１超富集植物选育 外，微生物一植物修复、螯合剂一植物修复、电压一植 我国国土广袤，气候地理条件复杂多样、植物资源 物修复、超富集植物炼矿修复技术和工艺也正在被国内 丰富，可能蕴藏着大量的超富集植物种类，为开展植物 外科研人员所关注。 修复技术研究提供了优越的条件。目前，我国选育的超 富集植物种类较少，筛选、培育、驯化超富集植物仍然 参考文献： 是今后一个时期内植物修复研究领域的重要任务，特别 ［１］薛美香土壤重金属污染现状与修复技术［Ｊ］．广东化工，２００７．３４（８）： 是要加强木本超富集植物的选育工作。 ７３—７５． ［２］杨科璧中国农田土壤重金属污染与其植物修复研究［Ｊ］世界农业，２９０７， ６．２深化基础理论研究 （８）：５８～６１． 植物对重金属元素的超富集、转化、转移、代谢机 ［３］桑爱云，张黎明，曹启民，等土壤重金属污染的植物修复研究现状与发展 前景［Ｊ］热带农业科学，２００６，２６（１）：７５—７９ 理，根际作用以及根际微生物群落的生态学和生理学特 ［４］陈晓英，唐胜群．土壤污染治理中的植物修复技术［Ｊ］福建农业科技， 征，根际土壤环境条件对重金属的生物有效性制约机 ２００７，（２）：７５～７７ 理，植物一微生物一重金属的相互作用，重金属元素在 ［５］姚超英，田晖土壤重金属离子污染的植物修复技术［Ｊ］ 浙江化工， ２００６，３７（１０）：１７～１９． 土壤中的吸附、解析、迁移机理等一系列基础理论问题 ［６１蒋先军，骆永明，赵其国．土壤重金属污染的植物提取修复技术及其应用前 有待深入研究。 景［Ｊ］．农业环境保护，２０００，１９（３）：１７９一Ｉ８３． ［７］叶盂杰．土壤中重金属污染的修复技术［Ｊ］ 黑龙江环境通报，２００６，３０ ６．３基因工程技术的应用 （３）：８３—８４． 目前已发现的超富集植物大多存在根系浅、生物量 ［８］陈柳燕，张黎明，李福燕，等．螯合诱导植物修复技术在土壤重金属污染治 理中的应用［Ｊ］．华南热带农业大学学报２００７，１３（３）：１８—２３ 小、生长缓慢等缺点，使植物修复技术应用受到限制。 ［９］Ｍｃｇｒａｔｈ Ｓ Ｐ，Ｚｈａｏ Ｆ Ｊ，Ｌｏｍｂｉ Ｅ Ｐｌａｎｔ ａｎｄ ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ ｐｍｃｅｓｓｅｓ ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ 科研人员可以应用基因工程技术，将自然界中超富集植 ｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄ ｓｏｉｌｓ Ｐｌａｎｔ ａｎｄ Ｓｏｉｌ，２００１． 物的耐重金属、超累积基因导入到生物量大、生长速度 ［１０］Ｈｕａｎｇ Ｊ Ｗ，Ｃｈｅｎ Ｊ，Ｂｅｒｔｉ Ｗ Ｒ，ｅｔ ａｌ Ｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｅａｄ—ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄ ｓｏｉｌ：ｒｏｌｅ ｏｆ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｃｈｅｌａｔｅｓ ｉｎ ｌｅａｄ ｐｈｙｔｏｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ 快、抗逆性强、修复效率高的植物中去，从而获得高效 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９７，３１（３）：８００—８０５． 的超富集植物。利用基因工程也可使植物将重金属元素 ［１１］龙安华，倪才英，曹永琳，等．土壤重金属污染植物修复的紫云英调控研究 ［Ｊ］．土壤，２００７，３９（４）：５４５～５５０ 富集在不可食用、易于收割的组织当中，避免修复植物 ［１２］沈振国，陈怀满．土壤重金属污染的生物修复研究进展［Ｊ］．农村生态环境， 被动物采食而使重金属元素进入食物链，便于修复植物 ２０００，１６（２）：３９—４４． ［１３］Ｗｅｉ Ｓ Ｈ，Ｚｈｏｕ Ｑ Ｘ，Ｋｏｖａｌ Ｐ Ｖ Ｆｌｏｗｅｒｉｎｇ ｓｔａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃａｄｍｉｕｍ 的后期处理。近些年来，在Ｓｅ、Ｈｇ、Ｃｄ、Ｚｎ等重金属 ｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｏＳｌａｎｕｍ ｎｉｇｒｕｍ Ｌ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ ｔｏ ｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ［Ｊ］ 元素转基因植物研究方面已初获成果，基因技术的应用 ＳＣｉｅｔｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｏｔａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．２００６．３６９．４４ｌ一４４６． Ａｄｖａｎｃｅ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｍｅｔａｌ Ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄ Ｓｏｉｌ ＷＥＩ Ｓａｎｐｉｎｇ ＬＩ Ｙｏｎｇｊｉｅ （１．Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｉｎ Ｌｖｌｉａｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，０３３０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｘｉ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｙｕｎｃｈｅｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，０４４０４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ Ｏ１３．ｓｏｉｌ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ｈａｚａｒｄｓ，ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｓｐｅｃｔｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ；ｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ；ｓｏｉｌ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ