重金属铅污染土壤的植物修复技术

重金属铅污染土壤的植物修复技术

环境二班

摘要：随着社会工业化的发展，土壤重金属污染问题日益突出。铅是一种污染性较大的重金属元素，对动植物都有较严重的危害。植物修复技术是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上，该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收) 后即可将该种重金属移出土体，达到污染治理与生态修复的目的。

关键字：重金属；铅污染；土壤；植物修复技术

改革开放三十年来，随着社会工业化的发展，土壤问题日益严重，尤其近几年土壤重金属污染问题突出，已经引起世界的重视。在自然情况下，土壤中重金属主要来源于母岩与残落的生物物质，一般情况下含量比较低，不会对人体及生态系统造成危害。而人为活动作用才是造成土壤遭受重金属污染的重要原因，在金属矿床开发、城市化建设、固体废弃物堆积以及为提高农业生产而施用化肥、农药、污泥和污水灌溉过程中使土壤中的微量有害元在土壤中的含量超过背景值，过量沉积而引起的含量过高。由于重金属在土壤中不会被微生物降解，而且会在土壤中长期累积，并通过生物、植物富集由食物链进入人体，因而危害更大。 1 土壤污染的特点与修复方法

1.1土壤污染的特点

（1）隐蔽性或潜伏性。水体和大气的污染比较直观，严重时通过人的感官即能发现；而土壤污染则往往要通过农作物包括粮食、蔬菜、水果或牧草以及摄食的人或动物的健康状况才能反映出来，从遭受污染到产生后果有一个逐步积累过程，具有隐蔽性或潜伏性。

（2）不可逆性和长期性。土壤一旦遭受到污染后极难恢复，重金属元素对土壤的污染是一个不可逆过程，而许多有机化学物质的污染也需要一个比较长的降解时间。

（3）后果的严重性。一旦土壤遭受污染，生物多样性、生物循环和水循环（包括水质和水循环过程）等也就必然受到相应的影响。另一方面，由于土壤污染的隐蔽性（或潜伏性）以及不可逆性（或长期性），因而往往通过食物链危害动物和人体健康。

1.2土壤污染修复方法

目前，常用的土壤污染修复方法有物理法、化学法和生物法(如客土法、淋溶法、施用化学改良剂等) ，大多只能暂时缓解重金属的危害，还可能导致二次污染，不能从根本上解决问题。近年来出现的植物修复技术由于成本低、效果良好、环境友好等优点，正成为环境科学领域研究和开发的热点。

2 植物修复技术

2.1植物修复技术的概念

在英文中，植物修复一词为“phytoremediation ”, 它由希腊词”phyton ”（植物）和拉丁词“remediare ”（修复）两词合成，意指一个系统中某些植物与土壤微生物联合作用将污染物转化成一种无害的、通常是有价值的形态。

2.2植物修复技术的机理

植物修复技术是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上，该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收) 后即可将该种重金属移出土体，达到污染治理与生态修复的目的。根据机理不同分以下4 种：植物萃取、植物稳定、植物挥发和植物转化。

2.3 Pb植物修复机理

Pb 元素从根部向茎部迁移主要受两个过程的制约：一个过程是进入根部木质部的运动；另外一个过程是通过叶部叶肉细胞随着蒸腾作用吸收重金属。在富集植物体内，可能存在较多的离子运输通道或者蛋白通道。在生物体对重金属的吸收和迁移上，细胞壁和胞外糖对重金属离子的钝化作用(immobilization)以及细胞对重金属离子的排除作用(exclusion)等方面研究较多。大量的Pb 沉淀在植物细胞壁上，阻止了重金属对细胞内溶物的伤害，不能进入细胞质影响细胞内的代谢活动，从而使细胞表现出对重金属的耐受性。

在组织平面上，Pb 元素主要分布在表皮细胞、亚表皮细胞和表皮毛中。细胞水平上，重金属主要分布在细胞壁和液泡中。烟草(Nicotianatabacurn L)在Pb 胁迫下叶肉原生质中几乎所有的Pb 和PCs(植物螯合剂) 结合后都积累在液泡中。除了细胞壁像吸附过滤器一样吸收大量Pb 元素外，植物质膜是原生质体的最外层，也是重金属毒性的第一目标。细胞膜对植物重金属解毒机制涉及两个方面：首先是通过细胞膜防止或者减少重金属进入细胞；其次通过活跃的金属离子流出机制维持重金属的体内平衡 。膜结构中还具有多种蛋白，如Nramps 家族、Zip 家族、CNGC 、ABC 运输体等都参与细胞体内重金属元素解毒 。在细胞体内，

主要是细胞活性氧防御酶系(POD、S0D 、CAT 等) 、植物螯合素(Phytochelatins，PCs) 、植物细胞液泡的区间隔离(Compartmentalization)、金属硫蛋白

(Metallothioneins，MT) 、逆境蛋白(Stress proteins)、逆境乙烯(Stress ethylene) 以及有机酸等的调控作用研究。

3 超富集植物及铅超富集植物的筛选

3.1超富集植物

超富集植物是指那些能够超量富集重金属的植物, 也称超积累植物。由

Brooks 等[ 1] 在1977 年首先提出, 当时用以命名茎中Ni 含量( 干重) 大于1000mg/ kg 的植物。超富集植物是一些古老的物种, 是在长期环境胁迫下诱导、驯化的一种适应突变体, 生长缓慢, 生物量小。

3.2铅超富集植物的筛选

目前常用的超富集植物的筛选方法有野外采样分析法和盆栽模拟法。野外采样分析法方便快捷, 大多数超富集植物都是采用这种方法发现的; 而室外盆栽模拟实验可以对植物整个生长期进行观察和记载, 与长期生长在金属矿区土壤环境的植物相比, 被驯化的时间短, 有利于根据植物对污染物的响应研究植物本身具有的特性, 从而找到其抵抗重金属毒害的遗传基因。铅具有较高的负电性, 被认为是弱Lewis 酸, 易与土壤中的有机质和铁锰氧化物等形成共价键, 不易被植物吸收, 所以目前已见报道的铅超积累植物并不多, 而且主要都是在铅锌矿区发现的。

4 植物修复技术的研究内容及未来发展趋势

4.1植物修复技术的研究内容

植物修复技术的本质是通过植物的光合作用，将分散在土壤和水介质中的污染物泵吸出来，转移到植物地上茎叶部位，最后通过收获植物地上器官并处理这些器官达到环境治理、变废为宝的目的。研究内容包括：

（1）积累植物、超积累植物和耐性植物的筛选及其在污染土壤和水体修复方面的应用潜力评估。

（2）各种化学的、物理的和生物的因素对植物修复污染土壤和水体的影响研究，包括土壤学和土壤化学、土壤微生物学、农业化学、气候、灌溉及病虫害等因素对植物修复技术的影响。

（3）积累植物和超积累植物-微生物共存体系研究。

（4）积累植物和超积累植物根系微生物生态特征及其对植物修复效率的影响。

（5）植物积累土壤和水体中污染物的生物学机制研究，包括根部吸收机制、体内运输机制及抗性机制研究。

（6）农业生物环境工程措施在污染土壤和污染水体植物修复中的应用。

（7）分子生物学及基因工程技术对植物生物学性状的改良及其应用。

（8）各种先进的物理与化学分析手段在植物修复与植物过滤技术中的应用。

（9）植物系统发育特征的探讨与生物多样性的应用。

4.2植物修复技术的未来发展趋势

（1）寻找更多的野生超积累植物，并将它们用于矿山复垦、重金属污染土壤的修复、水体净化和污染物固化等。

（2）建立更多的植物修复技术示范性基地，获得经验后加以推广。

（3）开展应用研究的同时，深化应用基础理论研究，包括植物中金属的存在形式研究、植物积累或超积累金属的机制研究、土壤学和土壤化学因子对增加金属的生物可利用性的调控机制研究等。

（4）土壤有机污染物的植物修复研究，包括杀虫剂、除草剂等植物修复研究。

（5）耐重金属和超积累植物及其根际微生物共存体系的研究。

（6）分子生物学和基因工程技术的应用。

（7）农业生物环境工程措施在污染土壤和污染水体植物修复领域内的应用。

（8）先进的物理与化学分析技术在植物修复与植物过滤领域内的广泛应用，如同步辐射技术的应用。

（9）植物系统发育特征与植物蓄积重金属的关系研究。

（10）植物对环境的适应方式即生态策略与植物蓄积重金属的关系研究。 6 展望

植物修复技术属于原位修复技术, 可以保护水土, 不破坏生态环境, 成本低, 操作简便, 是一项很有发展前景的工作, 但也有许多问题尚未解决。首先, 要进一步寻找、开发和培育生物量大的Pb 超富集植物, 因为目前发现的Pb 超富集植物生长缓慢, 生物量很少; 其次, 已经发现的Pb 超富集植物多数是在矿区、成矿作用带的地表土壤中, 生态适应性较窄, 如何提高其生态适应能力值得深入研究; 再者, 国际上关于超富集植物吸收重金属的生理和分子机制只是集中在Zn 和Ni 的超富集植物, 对Pb 等其他重金属的研究尚无明显进展, 因

为Pb 在植物体内吸收和运输的形态及调控是进行分子遗传机制突破的关键, 所以, 应加强植物对Pb 在体内吸收、运输、积累及解毒的生理生化机制方面的研究; 再次, 对于已经发现的超富集植物, 如何提高其富集效果值得深入研究。 土壤污染的植物修复研究已经成为当前国内外的热点问题和前沿领域。在深入了解植物生物学特性与植物修复关系的基础上, 采用土壤污染修复技术的综合应用也是必不可少的。通过植物生理学、土壤学、遗传学、环境科学和生物工程等多个学科交叉研究, 植物修复技术将在铅污染土壤恢复治理方面发挥更大作用。

参考文献

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