城市河流底泥中重金属污染的植物修复技术研究

周润娟，张 明，孙俊伟

(安徽工程大学 a.电气工程学院; b.建筑工程学院,安徽 芜湖 241000)



城市河流底泥中重金属污染的植物修复技术研究

周润娟a，张 明b，孙俊伟b

(安徽工程大学 a.电气工程学院; b.建筑工程学院,安徽 芜湖 241000)

城市河流污染现象越来越严重，底泥中各种污染物，尤其是重金属含量超标，对水体及人类健康造成严重危害.从植物修复角度出发，对城市河流底泥重金属污染现状、重金属植物修复技术及国内外底泥重金属修复现状进行了分析，旨在对河流底泥中的重金属进行植物修复，筛选出对重金属有超量积累功能或具有耐性的植物，对淤泥中重金属进行吸附、吸收及分解，从而达到去除的目的.并对淤泥重金属植物修复技术的前景进行了展望.

底泥；重金属；植物修复；超积累植物

随着城市化进程的加快，城市污染现象愈来愈严重，其中城市河流污染尤为严重[1].河流底泥沉积物中多种污染物质超标，其中以难降解的有机物质和重金属最为严重，如汞、铜、铅、锌、铬、镉等，通过食物链传递给人和动物，对环境及人类健康造成严重威胁，如世界闻名的日本骨痛病、水俣病就是典型的重金属污染造成危害的例子[2-3].目前对于河流底泥植物修复方法，仍以物理化学修复为主，但其投资较大，且易造成二次污染，给环境带来更大的威胁[4].因此，近些年来很多学者将研究重点集中于采用植物修复技术修复污染的重金属，取得了较好的研究成果.植物修复重金属技术是以自然界中存在或人工培育的植物能够超量积累水体、土壤中重金属的技术，达到降低或去除重金属的目的[5].修复河流底泥重金属，也可采用自然界或人工培育的植物，通过吸附、氧化还原等作用，降低或去除河流底泥中的重金属，成本低、效果好，且可起到美化环境的作用[6-7].

1 城市河底底泥污染国内外研究现状

为了解河流底泥国内外污染现状，笔者通过关键词“底泥，重金属，污染”和“sediment,heavy metal pollution”，对CNKI和Springer Link两个数据库进行搜索，搜索结果如图1所示.图1显示，近15年来，CNKI与Springer Link数据库中对底泥重金属污染研究方面的文章篇数呈现逐年增长趋势，可见研究者们对底泥重金属污染重视程度呈逐年提高趋势，究其原因可能是随着城市化进程速度的加快，城市河流底泥污染情况较严重，引起了学者们对底泥重金属污染现象的关注.

从所检索的文章内容来看，目前研究主要集中在两方面：(1)底泥重金属污染评价方面的研究；(2)底泥重金属污染治理方面的研究.对于治理技术方面，近年来侧重于生物修复以及生物修复与物理化学修复联合的技术.在生物修复技术中，植物修复技术因其修复成本低，易操作，且不易形成二次污染等优点，被越来越多的研究者们重视.

图1 2000—2015年CNKI与Springer Link数据库上河流底泥重金属污染文章篇数

植物修复技术，也称为植物生物修复或绿色修复技术，通过种植一些对污染物具有耐性和超量积累的植物，利用上述植物及与其共生的微生物，达到去除污染物的一种修复技术.植物修复具有治理效果永久性、治理成本较低、环境美化效果好、后期处理较简单等特点，已成为修复水体、土壤及大气中重金属污染研究领域的一项新兴技术，已成为国内外研究的热点.

2 重金属污染植物修复技术

重金属植物修复技术主要包括：植物提取(萃取)、植物挥发、植物固化及根际过滤等.

(1)植物提取

植物提取，一般也称为植物吸收或积累技术，是植物修复中最主要的修复技术，即利用对重金属富集能力较高的植物对重金属进行吸收和转运，将重金属集中到植物的地上部分，通过连续种植和收割植物，达到降低或去除重金属的目的[8].目前常用的植物包括大部分的野生植物和少量高产的农作物，如印度芥菜、油菜、芝麻等.在植物提取方面比较有代表性的植物为超富集植物，它们对重金属有很强的积累能力，与一般植物相比，超富集植物能从土壤中富集大量的重金属元素.植物提取技术的关键是要求所种植的植物具有生长快、抗病虫能力强、生物量大等特点，更重要的是需具备较强的重金属积累能力.但超积累植物对重金属具有选择性，而且在一般条件下，该种植物生长慢、生物量小、不易进行机械操作，不适于进行大面积种植.

(2)植物挥发

植物挥发是指通过植物的吸收作用，促进部分重金属或其他类金属转化为可挥发态，从土壤或河流底泥和植物表面挥发出来，然后散发到大气中的过程.此技术仅适合具有挥发作用的重金属，如汞(Hg)、砷(As)等.具体来说，植物在吸收自身需要的营养物质过程中，某些与所需营养元素具有相似化学结构的重金属元素也会被植物吸收到体内，这些重金属进入植物体内后，到达表皮层后被植物代谢或成为植物的成分之一，或通过气孔挥发到空气中[9-10].较常见的具有植物挥发作用的植物有花椰菜、胡萝卜、水稻等.虽然植物挥发技术修复的重金属种类比较单一，但随着现代分子生物技术和基因工程的介入，植物挥发技术较快的进展，越来越多的转基因植物具有植物挥发能力.但植物挥发技术将污染物释放到大气中，对人体和其他生物造成很大的威胁，所以在使用方面要注意应用范围.

(3)植物固化

植物固化，又称为植物稳定，指利用一些植物的根际作用，即通过植物根系的吸收沉淀或还原作用，改变土壤的物理、化学、生物特性，在一定程度上降低重金属的活动能力，使这些重金属污染物转变为低毒形态或惰性化，或者使重金属产生沉淀、吸附在腐殖质上，在一定程度降低有毒重金属对植物的毒害作用，减少这些重金属污染物对环境和人体及其他生物构成的威胁.

植物固化技术中的主体植物在该技术中主要有两种功能：(1)使得被污染的土壤不受侵蚀，增加对被污染土壤的保护作用，降低土壤的渗漏量，防止重金属的迁移；(2)重金属通过根部的积累和沉淀或根系吸收等作用来加强土壤中污染物的固定[11].植物固化技术对废弃的重金属污染物和放射性核元素污染物最为重要，一般采取原地固定，这种做法在一定程度上可以降低污染风险，更重要的是在一定程度上降低异地污染.适用于固化技术的修复植物，可选用一些耐性较高、根系发达的多年生常绿植物，如高山甘薯、九节木薯等.目前，植物固化技术已在一些矿区的重金属污染修复中使用，并取得了一定的效果[12].但是，植物固化作用并未彻底消除重金属，而只是将其固定，暂时稳定住这些重金属的毒性，重金属仍然以沉淀的形式存在于土壤中，属于治标不治本的处理方式，不能从根本上解决重金属的污染问题.植物固化作用可能随着环境条件的改变而发生变化.

(4)根际过滤

根际过滤技术又可称为植物过滤技术，主要指利用具有庞大的根系和较大的表面积特征的植物，过滤、富集、吸收介质中的重金属污染物后，通过收割植物，从而达到治理介质中重金属污染物的目的.

适用于根际过滤技术的植物主要有一些水生植物、半水生植物，以及少部分的陆生植物，如水生植物中的浮萍和水葫芦能有效地吸收和清除水体中的Cu和Se[13].具有根际过滤功能的植物根部能分泌出多种可降解有机化合物或对有毒重金属起固定作用的有机化学物质，包括氨基酸、维生素、黏液等，这些物质具有两方面的作用，一是能促进有毒重金属污染物由根部向茎叶输送，增加这些污染物的生物利用性；另一方面其能将根系周围的土壤有毒重金属等污染物转变为无毒或低毒的形态，从而减少重金属污染物向地下水的迁移和淋溶.

根际过滤技术较适用于河流底泥重金属污染的原位修复.因根际过滤技术中合适的植物主要为水生植物及半水生植物.在实践中，根际过滤技术已经很广泛的应用在人工湿地、生物塘等工程中，已修复底泥中的污染物质如放射性物质、重金属等.

3 河流底泥重金属污染植物修复现状研究

近年来，土壤重金属污染植物修复技术发展较快，特别是随着超富集植物以及富集植物的引入，使得土壤重金属污染植物修复技术日益成熟.但多集中于矿区及矿区周围农田等功能性地区的土壤重金属修复，对河流底泥的重金属污染植物修复的研究较少，主要包括如下研究内容：

国外对底泥重金属污染植物修复技术的研究工作开展时间较早，研究重点多集中在植物对底泥中重金属的富集和吸收方面.Jones[14]采用水生植物芦苇对底泥重金属污染进行修复，结果发现，芦苇体内Cd、Cr、Cu、Hg等重金属含量较高.研究表明，芦苇一方面可以作为水体底泥重金属污染的修复技术，同时也可以作为水体重金属污染的指示植物.Sivaci A等[15]采用沉水植物狐尾藻，对Cu、Zn等重金属污染的底泥进行原位修复，发现狐尾藻能有效去除上述重金属离子，去除率分别达到74%和81%.实验结果证明，狐尾藻可作为Cu、Zn污染底泥的原位修复植物.Andrades-Moreno等[16]选用超富集植物米草对重金属污染底泥进行修复，结果表明，米草对重金属具有较强的耐性，能在高浓度的重金属，尤其是Cu污染土壤上生长，是一种有效的修复重金属底泥污染的植物.

国内对底泥重金属污染修复技术研究较国外起步晚，但近年来，研究成果较显著.李红霞等[17]选择自然界中存在的重金属超积累和耐性植物，对受重金属和有机物污染的天津大沽河底泥进行修复，研究中选取了自然界中较容易获得的黑麦草，对河流底泥进行异位修复，取得了较好的效果.潘文宏等[18]对黑藻、金鱼藻等水生植物吸收底泥中Cu、Cd、As、Zn及Pb等重金属能力进行了研究，研究结果显示黑藻等植物对上述重金属，均具有较强的吸收和富集能力，可作为底泥重金属的修复植物使用.李思聪等[19]研究了不同植物对重金属污染沉积物的修复，结果显示植物的不同对重金属的去除效果差异较大，且在植物种植后，沉积物中重金属的总含量和存在形态均发生了较大变化，重金属总量呈下降趋势，同时发现腐殖酸的投加，也会导致重金属含量发生类似变化，说明选取合适的腐殖酸和最佳投加量，也是研究植物修复重金属的重要方面.赵爽等[20]研究了浑河抚顺段底泥重金属污染修复，认为香蒲、戟叶蓼等对底泥中的重金属有较高程度的吸收，可用于底泥的植物修复.

虽然国内外目前对底泥重金属污染植物修复方面研究较多，但存在着一些不足，需要进一步深化研究.因此，对于底泥重金属污染植物修复技术仍然是将来重金属修复方面的一个重要研究方向.

4 展望

目前，利用植物对重金属污染的土壤修复技术研究较多，有很多已应用于实际工程实践中，并取得了较好的去除效果.但很多研究仍处在初级阶段，需要进一步探究，具体体现在：

(1)修复植物的筛选

用于修复河流底泥重金属污染的植物，首先需要很强的重金属耐性.虽然自然界中存在很多这样的植物，但筛选起来很麻烦，而且很多植物生长环境比较独特，不一定适用在底泥上生长.因此，迫在眉睫的任务是筛选出有效的修复植物，如利用具有抗性植物的组织培养技术、转基因技术等来增强植物的抗性，这些将是未来修复植物筛选技术的研究热门.

(2)修复方式

河流底泥与其他土壤有区别，因其同时具有土壤与水双重性质，因此在修复过程中，修复方式与矿区及其他地方的土壤有差距，河流底泥在原位修复和异位修复方式上更为重要.选择原位修复方式需选择适应与水生环境的植物进行修复，而对于异位修复，在打捞过程中相对于其他土壤来说较为复杂.因此，对于培育适应水生环境的植物将是今后河流底泥重金属污染植物修复技术的一个研究方向.

(3)实际工程应用

任何一项治理技术，最终的走向都是实际工程应用，重金属植物修复技术也不例外.目前，对于重金属植物修复技术在实际工程中的应用较好，但仍然有不少缺点，如生长周期过长，植物成熟后清除工作较繁琐等.所以，对于如何有效的将植物修复技术应用实际工程中，仍需要进一步系统的研究.

在今后的研究过程中，应充分发挥当地环境优势和生物多样性特点，采取传统的和现代植物育种技术相结合，大力发展环保育种，培育出更多抗重金属污染的植物.采用生态修复的手段进行环境污染的治理，这也将成为未来环境治理方面一个较重要的研究方向.

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[2] 张继舟,王宏韬,袁磊,等.重金属污染土壤的植物修复技术研究[J].中国农学通报,2013,29(14):134-139.

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[19]李思聪.不同植物对典型重金属污染沉积物的修复及效果评价[D].天津：天津大学,2013.

[20]赵爽,薛阳,姜虎生,等.浑河底泥重金属污染评价及植物筛选[J].环境工程,2015(10):104-107,162.

[责任编辑 王新奇]

Research on the Phytoremediation Technology of Heavy Metal Pollutionin Urban River Sediment

ZHOU Run-juana,ZHANG Mingb, SUN Jun-weib

(a.College of Electrical Engineering; b. College of Civil Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

The pollution of the city river are more and more serious. Contents of all kinds pollutions are exceed, especially heavy metal. All of those would have serious harm to water body, and even for human’s health. In this paper, the heavy metal pollution in urban river sediment, the remediation technology of heavy metals and the status of heavy metal remediation at home and abroad are analyzed from the point of view of plant restoration. The research aims to dislodge the heavy metal in sludge of river sediment, to screen the plants which have function of excess accumulate or resistance to heavy metal, to absorb and resolve the heavy metal, so as to achieve the purpose of removal. And the prospect of phytoremediation technology of heavy metals in sludge was discussed.

sediment; heavy metal; phytoremediation; hyper accumulation plant

1008-5564(2016)04-0072-05

2016-02-20

安徽工程大学青年科研基金(2013YQ38);安徽省高等学校省级质量工程项目(2014jyxm180);安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqZD2016127)

周润娟(1984—)，女，安徽太湖人，安徽工程大学电气工程学院讲师，博士研究生，主要从事环境污染综合治理研究； 张 明(1983—)，男，安徽巢湖人，安徽工程大学建筑工程学院副教授，博士，主要从事水资源与环境系统工程研究.

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