重金属污染土壤植物修复技术及其强化措施

郑黎明， 袁 静

（安徽师范大学生命科学学院， 安徽 芜湖 241000）

0 引言

《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤重金属污染中Cd污染最为严重，点位超标率(指土壤超标点位的数量占调查点位总数量的比例)达到7.0%，Hg，As，Cu，Pb，Cr，Zn，Ni 7 种无机污染物点位超标率分别为 1.6%，2.7%，2.1%，1.5%，1.1%，0.9%，4.8%[1]，全国每年出产受重金属污染的粮食多达1 200万t[2]。日本曾出现的“水俣病”和“骨痛病”正是因为Hg和Cd污染引起。可见，有效修复受重金属污染的土壤意义重大。

目前，用于治理重金属污染土壤有传统的理化法如玻璃化、热解吸、电动力以及土壤冲洗等，以及近些年兴起的生物法如植物修复法[3]。普遍认为植物修复法具有环保、廉价、美观等传统方法难以比拟的优势，是一项很有应用潜力的技术，但也存在着一些不足，因其修复效率不高，阻碍了大规模实际应用的推进，寻找强化措施以提高修复效率成为当前研究的重点和热点。

1 植物修复技术概述

1.1 植物修复和超富集植物的基本概念

植物修复技术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清除环境中污染物的一项环境治理技术。重金属污染的植物修复主要包括植物过滤、植物挥发、植物钝化及植物提取等4种类型，而通常所说的植物修复技术是指利用超富集植物的提取作用清除污染土壤中的重金属，植物提取被认为是解决土壤重金属污染问题理想方法之一，但修复效率不高一直是摆在环境科学界面前的难题。

目前，关于超富集植物的鉴定标准主要包括2个：①临界值特征，即植物地上部（干质量）中ω（Au）为 1 mg/kg，ω（Cd）为 100 mg/kg，Pb，Cu，Ni和 Co 的质量分数分别为1 000 mg/kg，Zn和Mn的质量分数分别为10 000 mg/kg；②转移特征，即植物体地上部（主要指茎和叶）某种重金属含量大于其根部同种重金属含量。可以通过在重金属浓度较高的地区如尾矿废弃地、矿山周围等地发现一些植物并加以试验，确定是否为超富集植物。

1.2 植物修复的局限性

植物修复与物理的、化学的和微生物的治理方法相比，有其独有的优点，主要包括：治理成本低、治理过程原位（对环境扰动小）、治理效果永久、可大面积开展以及可净化与美化环境等。但在实际应用中，也存在一些局限性[4]。

（1）有些情况下无法利用超富集植物有效修复污染土壤；包括：①环境条件（如气候类型、土壤类型等）不适于特定超富集植物生长的地区（当然也可以选用本土植物，但修复效率可能不高）；②重金属浓度过高的污染场地。植物对重金属有一定的耐受范围，超过耐受极限，植物生长受到抑制甚至会死亡，超富集植物亦是如此；③深层污染场地。超富集植物根系一般较浅（30 cm以内），通常只对浅层污染土壤（90 cm以内）有修复效果。

（2）即使可采用植物修复法，仍存在其他一些缺点；包括：①大多数超富集植物都有重金属选择性，往往只能积累某种特定重金属，但污染土壤通常是重金属复合性的；②已知的超富集植物多为野生型，个体矮小、生物量低、生长缓慢，因此植物修复比传统理化法耗时久，治理周期长；③超富集植物提取的重金属会因为植物器官凋谢等原因重返土壤，降低了修复效率。植物病虫害及修复植物的后期处理等问题也需要加以考虑。

修复效率高低是植物修复技术能否得以推广应用的关键。主要可从3个方面来提高修复效率：①提高修复植物的生物量；②提高土壤中植物有效性重金属含量；③提高植物对重金属的吸收、转运能力。

2 植物修复技术的强化措施

2.1 改良修复植物性能-基因工程技术

基因工程技术提高植物修复能力主要体现在以下3个方面：①通过增加修复植物生物量来促进其对重金属的积累。研究报道，将小麦TaPCSI基因转入烟草体内，表达后发现其茎比野生品种增加了1.6倍，转基因植物生长在Pb质量浓度为1 572 mg/L条件下，其重金属积累量是野生品种的2倍[5]；②通过导入与重金属转化相关的基因，降低重金属对植物的毒性，提高耐性。如某些细菌中存在由merB基因编码的有机汞裂解酶，它可将高毒的甲基汞转化为毒性稍低的Hg2+和CH4，由merA基因编码的汞离子还原酶，可以将Hg2+进一步还原为汞原子，因此可以利用转基因技术通过植物表达merA及merB基因，达到净化汞污染土壤的目的[6]。研究表明，转merA基因的金盏菊具有良好的抗汞污染能力，普通植株在HgCl2质量分数为30 mg/kg条件下逐渐死亡，而转基因植株在HgCl2质量分数为50 mg/kg条件下依然能生存，显示其具有较强的抗性[7]；③通过转入与重金属螯合相关的基因，减轻毒害，提高耐性。如金属硫蛋白的巯基可以螯合Cd，Cu和Zn等多种重金属。研究报道，采用水培实验，比较了转枣树金属硫蛋白基因拟南芥与对照组拟南芥对Cd的吸收情况。实验表明:经0.1 mol/L Cd分别处理24和48 h，转枣树MT基因拟南芥根部对Cd的吸收量分别为227和323 mg/L，地上部分为513和667 mg/L，明显超过对照组 (根部93和107 mg/L；地上部分323和437 mg/L)[8]。

2.2 调节修复植物根际环境

（1）施加螯合剂、表面活性剂

螯合剂可以与土壤溶液中重金属结合，形成水溶性的重金属-螯合剂螯合物，提高了土壤中植物有效性重金属含量，同时也增加了修复植物对重金属的提取量。常用的螯合剂大致可分为2类：①人工合成螯合剂， 如 EDTA，EGTA，HEDTA，DTPA，CDTA等；②天然的螯合剂，主要是一些低分子量的有机酸，如柠檬酸、草酸、苹果酸等。研究报道，在玉米盆栽试验中，添加EDTA后玉米体内Pb含量分别是相应 对 照 的 4.3，6.5，6.0，5.4 倍 (地 上 部 ) 和2.5，3.9，3.6，3.6 倍(根部)[9]。EVANGELOU 等[10]研究表明，小分子酸尤其是柠檬酸，对活化土壤中Cu的能力最强，使用62.5 mmol/kg的柠檬酸，烟草地上部Cu浓度比对照提高了2倍。使用螯合剂能有效提高修复效率，但同时也存在一定的环境风险，主要表现在土壤中自由重金属含量增加，植物未必能充分吸收，这就有可能导致地下水受到污染。SATROUT-DINOV 等[11]研究表明，EDTA 与 Cu，Fe，Pb 和 Zn 等形成的金属螯合物很难降解，一些水溶性较高的EDTA－金属螯合物会迁移污染地下水。为此，可采用“少量多次”加入方式，也可以采用低毒易降解但价格较高的螯合剂如EDDS等。

表面活性剂是一种亲水亲脂性化合物，它的两亲性使之能与膜中成分的亲水和亲脂基团相互作用，从而改变膜的通透性，促进植物对重金属的吸收。在含 Cd，Cu，Zn 质量分数分别为 25，30，700 mg/kg土壤中种植莴苣与黑麦草，添加表面活性剂一段时间后，3种重金属地上部含量比对照增加了4～24倍[12]。表面活性剂与螯合剂联合使用，既能增加土壤中活性重金属的含量，又能强化植物的提取能力，能显著提高修复效率。但表面活性剂有一定的毒性，使用它可能会抑制植物生长或是带来一定的环境风险。为此，可以采用易降解、无毒或低毒的生物表面活性剂。如在Pb污染土壤中种植油菜并接种能够产生生物表面活性物质的菌株J119，结果表明油菜地上部Pb质量分数增加了31.0%[13]。

（2）调节土壤 pH 值、Eh值

通常情况下，降低土壤pH值会提高土壤溶液中重金属的含量。这是因为H+浓度增加能促使部分难吸收态及交换态重金属溶解，成为植物可吸收态重金属[14]。当然，并不是说土壤pH值越低越好，应当存在一个最佳pH值，在这个酸度下植物生长发育不受影响而且土壤中活性重金属含量比较高。试验表明，在pH值为5.84时，遏蓝菜对Zn与Cd的吸收达到最大，随着pH值升高或降低，二者在遏蓝菜中积累量均下降[15]。降低pH值可采用直接加酸法和施肥法，还可以考虑加入有机酸如柠檬酸、苹果酸等，有机酸不仅可以降低pH值还可以起到螯合作用且自身易降解，提高pH值可以采用施加生石灰等碱性物质的办法。

通常情况下，当土壤氧化还原电位提高时，土壤溶液中重金属浓度都会有不同程度的增加，这是由于Eh值提高改变了重金属的化学价态，使重金属的生物有效性发生了变化。比如Cr6+水溶性比Cr3+强，Eh值升高可将Cr3+氧化成Cr6+。但也有一些重金属在Eh值降低时才会被活化，比如As（As3+比As5+易溶）。调节土壤Eh值大小的方法一般是通过灌水和晾田进行，此外，增加土壤有机质可以降低Eh值。

（3）接种微生物

微生物可以通过与重金属相互作用或者与根分泌物协同作用，影响土壤重金属的生物有效性。菌根是土壤真菌与植物营养根结合形成的一种互利的共生体，菌根表面的菌丝体向四周延伸，增加了植物根系的表面积，增强了植物的吸收能力，菌根分泌物（有机酸、蛋白质、氨基酸等）可以调节根际环境，活化重金属，提高土壤溶液重金属含量。赵根成等[16]通过室内盆栽试验研究表明,施放线菌PSQ，shf2，和细菌Ts37，C13处理能明显促进植物修复砷污染土壤，15，30，45 d 4组微生物处理砷修复效率均高于同期对照组，其中45 d施shf2的修复效率为11.3%，是同期对照的2.36倍。但也有一些研究得出接种微生物并没有强化作用的结论。接种AM真菌导致Zn－Cd－Pb超富集植物T.praecox地上部生物量下降了17%，地上部重金属积累量最大下降幅度分别为13%，25%和31%[17]。这可能是因为接种的微生物与修复植物不匹配，因此筛选出具有“强化”作用的微生物是应用此法的关键。

2.3 田间管理及农艺措施

通过对修复植物进行田间管理并采取适当农艺措施可以达到提高其生物量及缩短生长周期等目的。主要从以下6点加以考虑：①污染土壤的翻耕和整平。翻耕可将深层污染物质翻到土壤表层，利于修复植物吸收，翻耕的深浅程度要根据土壤污染情况而定。整平是将结块土壤打碎，能起到保墒作用，也有利于后期田间管理；②育苗问题。不同育苗方式对修复植物的育苗速度、发芽率等都有影响，恰当的育苗方法对缩短修复周期有很大帮助；③搭配种植。大多数重金属污染土壤都是复合性的，而修复植物往往只对某些重金属有较强提取作用，因此可以考虑间作或套作多种超富集植物以缩短修复时间[18]；④植株密度。研究表明在10 cm×10 cm，20 cm×20 cm，10 cm×40 cm与40 cm×40 cm 4个种植密度下，利用蜈蚣草对砷污染土壤进行了2 a的田间实际修复，综合考虑修复过程中的收获方式、经济成本与可操作性，在4个密度处理中密度20 cm×20 cm为蜈蚣草的最佳栽培密度[19]；⑤水肥需求。超富集植物地上部生物量的大小是影响植物效率的一个重要因素，水分和肥料是促进植物生长的重要条件，但过度施加不仅会导致资源浪费甚至还会抑制植物生长，因此掌握修复植物水肥需求规律非常重要。试验表明，当施磷量为320 kg/hm2时，蜈蚣草对As提取量最大，是对照组的2.4倍，当施磷量增加到600 kg/hm2时，提取量减少至对照组的1.2倍[20]；⑥植物生长素。植物生长素是植物自身产生的调节物质，极低浓度时就能促进种子萌发和植株快速生长，因此外施植物生长素对于缩短修复周期有帮助。研究报道，向生长在0.2 mmol Pb培养液中的Medicago sativa施加100μm IAA和0.2 mmol EDTA，叶片中Pb的累积量是未加任何物质的28倍，是只加0.2 mmol EDTA的6倍[21]。有研究表明植物生长素能与重金属螯合，从而起到缓解重金属毒害的作用[22]。

3 结论

植物修复思想提出至今已有30多年时间，期间不乏成功的田间试验案例，但鲜有大规模商业化应用报道，这主要是因为植物修复技术修复效率偏低，但我们也要看到其原位、经济、绿色等优点。未来该领域研究需要在以下3方面寻求突破：①筛选超富集植物。到受重金属污染的地方寻找超富集植物是一条捷径。此外，要运用基因工程、育种工程等技术手段培育出生物量大、富集能力强、提取多种重金属的超富集植物。建立超富集植物特性记录库及种子资源库，为培育出性能更好的超富集植物作准备；②开发修复剂。大量研究表明修复剂如螯合剂、表面活性剂等能显著提高修复效率，但其毒性较高、不易降解、价格较贵。因此很有必要开发出安全、高效、经济的修复剂；③掌握修复植物生长特性。合理的田间管理和农艺措施是比较容易操作的技术手段，可以达到提高修复植物地上部生物量、缩短生长周期的效果。掌握修复植物的生长习性是实施该措施的前提，因而很有必要对超富集植物生长特性进行系统研究，进而采取恰当的田间管理措施。