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重金属污染农田植物修复:技术、特点、强化措施

(来源:环境工程      原创 刘 伟 张永波 贾亚敏等   太原理工大学 水利科学与工程学院)
 
研究背景
        我国大面积农田土壤存在重金属含量超标情况。2014年全国土壤调查显示,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。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,对于污染土壤的治理,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(改良剂、螯合剂、抑制剂、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。本文将围绕土壤修复的植物修复方式,从其技术类型、适用情况等方面进行综述,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。
 
摘  要
        农田土壤重金属污染日益恶化,严重危害居民生活和作物、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、适用情况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率的方法措施,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。
 
01 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与燃煤活动、汽车尾气排放有关。Cd、Ni、Zn、Mo可能来源于化学燃料的燃烧等。
        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,采矿后的矿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。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、改良土壤结构,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际周围,且很难在物质转化和土壤自身净化过程中排除,随着时间推移势必会对土壤的结构及性质、土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少。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,根系生长受到抑制,导致植物体营养亏缺,使生长发育受到破坏,从而影响植物的形态及产量。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,同时会使骨骼中的钙大量流失,造成骨质疏松、关节疼痛等病状。
 
02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毒有害物质,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。
        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和Se,这些重金属在植物体内通过甲基化挥发出土壤,从而降低土壤重金属含量。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,并且转化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.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种低毒形态并在植物根部固定的方法。白彦真等研究发现,藜和新麦草具有能够钝化固定Pb的能力。Salt等发现一些植物根系分泌的物质可使有毒Cr6+转化为无毒的Cr3+。植物固定可以有效地减少污染物的流动性及其生物可利用性,但未从根本上去除污染物,一旦环境条件改变会再次造成污染。
        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,然后被适当地回收以实现修复土壤的方法。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,国内富集Pb效果较好的植物还有羽叶鬼针草、香根草等。As的超富集植物如蜈蚣草、大叶井口边草和粉叶蕨。Cd的超富集植物有宝山堇菜、东南景天和忍冬。Ni的超富集植物相对较多,主要有Berkheya coddii、李氏禾等。Zn的超富集植物有东南景天、Potentilla griffithii Hook、Thlaspi caerulescens等。Cu的超富集植物如鸭跖草和海州香薷等。Cr的超富集植物为李氏禾。Hg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断地提取,可逐渐减少土壤Hg含量。
 
03提高植物修复效率措施
        植物修复效率的高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。
        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中往往会不尽人意,若辅以某种特定的化学试剂即可加快根系对污染物的提取速率,以达到更好的修复效果。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,使重金属离子形成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。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,一些易生物降解,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。
        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率最大化,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形成难溶的磷酸铅化合物,固定于土壤中,降低Pb的生物毒性;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。
        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补关系,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质。微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。
        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,如微生物能够分泌有机酸起到对重金属的活化作用,从而提高植物修复效率。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。
 
        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、植物螯合肽、金属硫蛋白、重金属转运蛋白的表达增强,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的耐受性。γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(ECS)和谷胱甘肽合成酶(GS)转基因印度芥菜比非转基因型印度芥菜具有更高的富集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。
 
        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,提高植物的生物量和产量。在重金属胁迫环境中,随着CO2的浓度提高,向日葵地上部的Cu含量明显提高,高浓度CO2还会诱导藻类植物合成更多的植物螯合肽以螯合环境中的重金属,减轻重金属对植物的损害。目前常用的CO2肥施方法主要有化学反应法、钢瓶法、燃烧法、有机质生物发酵法、干冰法等。
 
        6.电动修复辅助
        在土壤中施加电场,可以诱导孔隙流体(电渗透)、离子(电迁移)和胶体(电泳)的运动,使土壤中的重金属被迁移出土体。Acosta-Santoyo等研究了在重金属和多环芳烃污染的土壤中电场对黑麦草种萌发和生长发育的影响,发现重金属及有机污染物会阻碍黑麦草的萌发和生长,而在土壤中施用0.2 DCV/cm的直流电场后,黑麦草的萌发率提高了75%。且电动修复有助于植物生物量的积累,从而提高植物体内重金属含量。肖文丹等通过在土壤中施加直流电场,显著提高了土壤中有效态镉含量,并且在与添加剂联合作用下使东南景天地上部的Cd积累量得到显著提高。
 
        7.纳米零价铁辅助修复
        纳米零价铁(nZVI)是指粒径在1~100 nm的零价铁颗粒,具有较强的还原性和较大的比表面积,已被应用于重金属和有机污染物污染环境的修复。纳米零价铁通过改变重金属的价态或者通过吸附降低重金属在环境中的流动性,从而降低污染物毒性。这种技术可修复地下水和土壤中Pb、Cd、As和Cr等多种重金属污染。Huang等通过盆栽试验利用nZVI辅助黑麦草修复沉积物中的Pb,发现低浓度(100~500 mg/kg)的nZVI不仅可以有效地提高黑麦草中Pb的积累量,而且可以增加植物的生物量。
 
04植物修复的局限性
        由于植物生长活动的自然规律以及对污染土壤环境的适应性差异,植物修复技术的应用在实践中常受到制约。大多数超富集植物一般都有地域选择性,且植物修复一般治理周期较长。而且,受污染土壤一般为多种污染物同时超标,而修复植物往往只针对某种污染物有较好效果,因此,在选取超富集植物时既要考虑其修复效果,也要考虑其修复单一性。重金属富集到植物地上部之后,如果不及时对植物修复的后期进行处理,植物的地上部会因自然凋谢等原因重新回到土壤。受植物根部延伸长度限制,植物修复只能进行土壤浅层修复,修复效果有限。同时,考虑到植物耐受性,对于污染浓度过高的区域,不宜采用植物修复。
 
05展 望
        植物修复技术因其绿色环保、经济实用等优点有着极广阔的发展前景,但目前该项技术尚未得到广泛应用,只停留在室内盆栽和大田试验研究阶段,走向产业化应用还需要大量的理论及试验成果支撑,近期还需要进行重点研究的内容有:
        1)继续寻找筛选抗逆性好,生长发育周期短,生物量大,能同时富集多种重金属的修复植物。
        2)继续深入研究重金属在土壤植物系统中的迁移转化机理,开发新的能够改变重金属的形态利于植物富集且对环境污染风险小的化学试剂。
        3)将先进的农艺措施推广到植物修复工作中去,为修复植物提供良好的生长环境,供给必要的营养元素、激素和酶类。
        4)继续开展微生物-植物联合修复技术研究,通过微生物来改良土壤、提高修复植物的竞争力等,弥补植物修复工作中的不足。
        5)将生物分子技术继续扩大到植物修复工作中,通过基因导入的方式培育出新型的修复植物品种以适应不同环境、不同污染类型的场地修复工作。
 
来源:刘伟,张永波,贾亚敏.重金属污染农田植物修复及强化措施研究进展[J].环境工程.2019,37(5):29-33,44