土壤重金属污染的植物修复技术

云南环境科学　第22卷　增刊　2003年3月

土壤重金属污染的植物修复技术

祖艳群, 李　元

(云南农业大学资源与环境学院生态环境研究所, 云南昆明650201)

摘　要:土壤重金属污染的植物修复技术是土壤重金属污染治理的重要方法。分析了土壤重金属污染植物修复的必要性、土壤重金属污染的植物修复技术(植物萃取技术、根际过滤技术、植物固化技术、植物挥发技术) 、重金属超累积植物的筛选与植物修复技术的应用, 以及云南省开展土壤重金属污染的植物修复工作的前景。

关键词:土壤污染; 重金属; 植物修复; 超累积植物中图分类号:X53　　文献标识码:A 　　文章编号:1006-947X (2003) 增-0058-04　　土壤是人类农业生产的重要物质基础。由于重金属矿藏的开采、加工和利用, 产生了大量的采矿废弃地, 引起土壤的重金属污染。另一方面, 乡镇企业的兴起以及大量地、不加控制地使用化肥和化学农药, 导致土壤中重金属含量急剧增加, 造成农田土壤的重金属污染。土壤被重金属污染后, 不仅影响作物产量和品质, 而且可能进入食物链影响人体健康。土壤重金属污染已成为急需要解决的重要环境问题之一。在土壤重金属污染的治理中, 植物修复技术正在受到人们的极大关注。1　土壤重金属污染植物修复的必要性重金属具有相对稳定性和难降解性, 要从土壤中清除它很困难。现有的重金属污染治理措施主要有:非毒性改良剂法、客土法、化学冲洗法等, 属于化学控制技术和物理控制技术。这些方法成本高, 治理效率都不很理想, 还会导致地下水污染, 造成“二次污染”。此外, 还会破坏土壤结构以及微生物区系, 以及引起土壤中的某些营养成分的损失。为此, 污染土壤的植物修复技术就在这种形势下应运而生。广义的植物修复技术包括植物萃取技术、根际过滤技术、植物固化技术。狭义的植物修复技术主要指利用植物去除污染土壤中的重金属。即植物萃取技术。植物修复技术作为一种新兴的绿色生物技术, 不仅成本低, 而且能在不破坏土壤生态环境, 保持土壤结构和微生物活性的状况下, 通过植物的根系直接将大量的污染元素吸收, 将其从土壤中带走, 从而修复被污染的土壤。在一个地方建立起土壤重金属超累积植物和植物修复基地, 也

　收稿日期:2003-02-26

同样适用于类似的污染土壤治理。植物修复土壤中重金属污染物的过程也是土壤有机质含量和土壤肥

力增加的过程, 被植物修复过的干净土壤适合于多种农作物的生长。

世界各国都不同程度地面临着土壤重金属污染的问题, 利用植物进行重金属污染土壤的修复, 直接关系到绿色食品、无公害食品和有机食品的发展, 关系到农产品的出口贸易, 关系到农业的可持续发展, 关系到人体的健康与安全。因此, 这是一项在世界范围内具有重要意义的研究工作。这项技术在土壤污染治理方面具有极大的潜力, 已引起广泛关注, 必将得到广泛、深入的研究和大量的示范、推广和应用。2　土壤重金属污染的植物修复技术

目前, 用于清除土壤中重金属污染的方法和技术不多, 常见的有植物修复技术(包括植物萃取技术、根际过滤技术、植物固化技术和植物挥发技术) 、微生物控制技术(通过吸收、沉淀或还原作用可使污染物如金属惰性化) 、化学控制技术(试剂固化、淋洗) 及物理控制技术(换土、覆土) 。其中副作用少又经济实惠的方法就是植物修复技术。

广义的植物修复技术(phytoremediation ) 指利用植物吸收、挥发或固定土壤中的重金属, 降低其含量或有效态含量, 减低其对生物的危害。包括植物萃取技术、根际过滤技术、植物固化技术和植物挥发技术。狭义的植物修复技术主要指利用植物去除污染土壤中的重金属, 即植物萃取技术。植物修复技术的类型很多, 目前基本成熟的类型主要有下面几种:

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211　植物萃取技术

植物萃取技术又叫植物提取技术(phytoextrac 2

tion ) , 是植物修复的主要途径。它是指将特定的植物(超累积植物) 种植在重金属污染的土壤中, 植物(特别是地上部) 吸收、富集土壤中的重金属元素后, 将植物进行收获和妥善处理, 达到治理土壤重金属污染的目的。广义的植物萃取技术又分为持续植物萃取(continuous phytoextraction ) 和诱导植物萃取(induced phytoextraction ) 。持续植物萃取指利用超积累植物来吸收土壤重金属并降低其含量的方法。而诱导植物萃取是指利用螫合剂来促进普通植物吸收土壤重金属的方法。通常所说的植物萃取技术是指持续植物萃取。适合于植物萃取的理想植物称为超累积植物(hyperaccumulation ) 。目前常用植物包括各种野生的超积累植物及某些高产的农作物, 如:芸苔属植物(印度芥菜等) 、油菜、杨树、苎麻等。目前主要用于去除污染土壤中的重金属, 如铅、镉等。212　根际过滤技术

根际过滤技术(rhizofiltration ) , 又称植物过滤技术(phytofiltration ) , 它是指将特定的植物(超累积植物) 种植在重金属污染的水体中, 利用植物庞大的根系和巨大的表面积过滤、吸收、富集水体中的重金属元素后, 将植物收获进行妥善处理, 达到治理水体重金属污染的目的。适用于根系过滤技术的植物, 必须有较大的根系生物量, 最好是须根植物, 根系生长迅速, 根系在相当长的时间内有较高的清除重金属的能力。水生植物、半水生植物和陆生植物均可作为根际过滤植物。植物幼苗根系表面积与体积的比值较大, 生长迅速, 吸附有毒离子的能力强, 其清除重金属的效果较明显。目前常用的植物有各种耐盐的野草如弗吉尼亚盐角草(Salicor 2nia virginica ) 、牙买加克拉莎草(Cladium ja 2maicense ) 、盐地鼠尾粟(S porobolus virginicus ) 、印度芥菜、向日葵及各种水生植物(宽叶香浦等) 。根际过滤技术主要用来处理石油天然气生产过程中产生的废水、含放射性污染物质的废水、含重金属的各种废水以及富含其它污染物(如氮、磷、钾、铅) 的废水。213　植物固化技术

植物固化技术(phytostabilization ) 指通过植物根系的吸收、沉淀或还原作用, 使金属污染物惰性化, 转变为低毒性形态, 从而固定于根系和根际土壤中, 减少对植物和水体的污染。在这一过程中,

土壤中的重金属含量并不减少, 只是形态发生变化。适用于固化污染土壤的理想植物, 应是一种能忍耐高含量污染物、根系发达的多年生常绿植物。这些植物通过根系吸收、沉淀或还原作用可使污染物惰性化。如植物通过分泌磷酸盐与铅结合成难溶的磷酸铅, 使铅固化, 而降低铅的毒性。六价铬具有较高的毒性, 而三价铬非常难溶, 基本没有毒性。植物能使六价铬转变为三价铬, 使其固化。当然, 植物枝条部位的污染物含量低更好, 因为这样可以减少收割植物枝条等器官并将其作为有害废弃物处理的必要性。植物固化技术对废弃场地重金属污染物和放射性核素污染物固定尤为重要, 原地固定这两类污染物是上策, 可显著降低风险性, 减少异地污染。214　植物挥发技术

植物挥发技术(phytov olatilization ) 指通过植物的吸收, 促进某些重金属转移为可挥发的形态(气态) , 挥发出土壤和植物表面, 达到治理土壤重金属污染的目的的过程。如硒、砷、汞通过甲基化可挥发。有人研究了利用植物挥发技术去除污染土壤中的重金属汞, 即将细菌体内的汞还原酶基因转入拟南芥植株, 使植株的耐汞能力大大提高。通过植株的还原作用使汞从土壤中挥发, 从而减轻土壤汞污染。水稻、花椰菜、卷心菜、胡萝卜和一些水生植物, 具有较强的吸收和挥发土壤和水中硒的能力。硒的挥发主要是由毒性较强的无机硒转变为基本五毒的二甲基硒, 毒性降低了500-700倍。海藻能吸收并挥发砷, 其机理之一是把(CH 3) 2AS O 3挥发出体外。3　重金属超累积植物的筛选与植物萃取技术的应用311　重金属超累积植物的筛选

重金属超累积植物(hyperaccumulation ) 是指大量吸收和累积重金属, 地上部组织中重金属含量为其它一般植物的100倍以上, 但不影响其正常生长的植物。例如, 镉>100mg/kg , 镍>1000mg/kg , 铜>1000mg/kg , 锌>1000mg/kg 。超累积植物一般对某种元素是专一的, 但是某些植物也能同时超累积两种和多种植物。重金属超累积植物应该具有如下特点:(1) 植物可收割部位必须能忍耐和积累高含量的污染物; (2) 植物在野外条件下生长速度快、生长周期短、生物量高; (3) 植物对农业措施如施肥等能产生积极的反应。因为只有这样才能够反复种植, 多次收割。已发现有360多种植物能超累积重金属, 其中, 大多数为十字花科植物。以超

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累积镍的植物最多, 为150种。重金属超累积植物是植物萃取技术的基础和关键。

重金属超累积植物萃取修复的机理包括土壤中重金属的释放、植物根系对重金属的吸收、重金属由根向地上部分的转移和地上部分对重金属的积累。因此, 重金属超累积植物的累积效果和植物萃取修复的效率可以通过一些方法加以改进。植物萃取修复的调控包括植物性能调控和农艺调控。植物性能调控指提高植物吸收和积累重金属的能力、提高植物生物量生产的能力。农艺调控指肥力水平、水分水平、使用E DT A 等络合剂促进植物吸收、改善根际环境和根际微生物种群。312　植物萃取技术的应用

国外在污染土壤的植物修复技术的基础理论研究方面, 己取得一定的研究成果。但现在发现的某些超累积植物通常生长缓慢、植株矮小、地上部生物量小, 极大地限制植物提取修复的实际应用。

在所有污染环境的重金属中, 铅是最常见的一种, 目前有关铅的植物修复研究最多, 并且已有公司预计对铅植物修复商业化。很多研究表明植物可大量吸收并在体内积累铅, 但是某些植物生物量较小且生长慢, 不适于植物修复。因此人们又在不断寻找其他植物以及能增加植物吸收铅能力的方法。研究发现将芥子草(Brassica juncea ) 培养在含有高浓度可溶性铅的营养液中时, 可使茎中含量达到115%。一些农作物如玉米和豌豆亦可大量吸收铅,

我国在污染土壤的植物修复技术的应用研究方面也已开始, 但相对较少。杨树可净化镉污染土壤, 在一个生长期内可以使土壤镉含量减少016-112ppm ; 苎麻(Boeheria nivea ) 是较强的吸镉、耐镉植物, 其根部吸镉率为0159%。三季茎叶吸镉合计达0186%, 籽实仅01002%, 地上部分0186%, 分别比水稻、大豆高出2144倍和4106倍。我国南方一些镉污染区也是苎麻生产基地, 水田改旱田后, 通过5年改良, 土壤镉降低率达2716%。施用E DT A 可显著地增加根际土壤水溶态和交换态铜含量。外加E DT A 能活化土壤铜而提高其移动性。柬文圣、杨开颜等(2001) 首次报道鸭跖草是Cu 的超富集植物, 可用于Cu 污染土壤的植物修复, 认为铜绿山海洲香薷、鸭跖草、蝇子草、头花寥、滨蒿种群都是Cu 耐性植物, 可用于富Cu 土壤如矿业废弃地的植被重建。蒋先军、骆永明(2000) 通过引进超累积植物印度芥菜, 研究了该植物对铜、锌、镉、铅等金属元素的响应, 结果表明, 在含Cu250mg/kg 、Pb500mg 或Zn500mg/kg 的污染土壤上印度芥菜能够忍耐、正常生长, 在含Cd200mg/g 的土壤上发生镉毒而出现失绿黄化症

状, Cd 与中等浓度的Zn 、Cu 、Ph 共存时毒害更为严重, 这种植物适合Zn 、Cu 、Ph 中等污染土壤的修复。4　云南省开展土壤重金属污染植物修复工作的前景　　目前我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万hm 2, 约占总耕地面积的1/5; 其中工业“三废”污染耕地1000万hm 2, 污水灌溉的农田面积已达330多万hm 2。然而, 我国在重金属超积累植物的筛选、土壤重金属污染的植物修复方面的研究仍处于起步阶段, 在土壤污染的控制和治理技术方面至今仍缺乏成本低廉、简单易行的实用技术。筛选本土具有明显效果的重金属超累积植物, 并将它们应用于矿山复垦; 改良重金属污染农田的研究己引起越来越多人们的关注, 成为许多学者研究的热点。

云南省金属矿藏十分丰富, 由于金属矿藏的大规模开采以及较长的开采历史等因素的影响, 省内形成了大量的采矿废弃地。大量的废弃地因其土壤肥力不足以及各种金属元素的毒害影响, 土地生产力极为低下, 农产品重金属含量超标, 大部分己失去了耕种的意义, 逐渐变成不毛之地, 使得本身就很有限的生产用地越来越少, 严重影响了云南的农

但达不到植物修复的要求。当在土壤中加入人工合成的螫合剂可促进农作物对铅的吸收, 并能促进铅从根向茎的转移。研究中还发现在土壤中加入螫合剂可增加芥子草对铅的吸收。国外一些学者, 分别在北美和意大利发现了一些镍超积累植物, 如, Streptanthus polygaloides 、S. polygaloides 、布氏香芥(Alsssum bertolonii ) , 他们发现这些植物均有一个极高的Ni 含量, 并且指出镍超积累植物布氏香芥是一种镍的植物吸收提取和潜在的植物采矿介质。由于印度芥菜生物量大, 并可同时累积相当浓度的Pb 、Cr 、Cd 、Ni 、Zn 、Cu 和Se , 因此, 国外一些学者选取印度芥菜作为超累积植物进行了研究。在理论研究的同时, 他们在植物修复技术的开发与推广方面也做了大量的开创性工作。英国已开发出多种耐重金属污染的草本植物用于污染土壤中的重金属和其它污染物的治理, 并己将这些开发出来的草本植物推向商业化进程。美国现有许多土壤污染地区在实施生物修复。—60

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业生产。此外, 由于工业的影响, 以及化肥、农药

的广泛使用, 使很多农田土壤受到重金属污染, 从而导致农田中的作物重金属含量超标。在我省的一些蔬菜和其它作物产品中, 已检出了重金属含量超标。重金属(尤其是镉、铅、锌) 毒性较大, 长期食用重金属含量超标的食品对人的健康危害很大, 如60年代发生在日本富山县的“骨痛病”就是当地居民食用被含Cd 废水污染了的土壤所生产的“镉米”所致。同时, 作物产品重金属含量超标, 大大地限制了无公害食品、绿色食品、有机食品的生产和农产品出口, 对经济效益的增加, 以及人体的健康和安全也是严重的阻碍。

云南是“植物王国”, 云南的植物种质资源非常丰富, 在重金属污染很严重的土壤上, 仍有一些野生植物顽强生长, 这对于筛选云南本土的具有明显效果的重金属超累积植物是十分有利的, 为重金属污染土壤的修复治理提供植物材料是可能的。在云南省, 研究人员已对云南省蔬菜和昆明地区主粮和天然草地植物中的重金属水平规律进行了调查, 对云南会泽、兰坪铅锌矿矿渣废弃地先锋植物群落进行了实地考察。但未见土壤重金属污染的植物修复和农业利用方面的研究报道。

目前, 云南农业大学资源与环境学院生态环境研究所和法国里尔高级农学院合作, 正在筛选超累积植物, 收集超累积植物的种子并繁育, 对矿山废弃地和重金属污染的农田进行植物修复试验, 探讨重金属污染土壤的植物修复技术。这将为重金属污染土壤的修复治理提供科学依据和理论支撑。必将大力推进中法在该领域的合作, 推动我国采矿废弃地和重金属污染农田的植物修复, 增加农用地面积, 提高农用地土壤环境质量, 为无公害食品、绿

色食品、有机食品生产基地建设和农业可持续发展提供重要的依据和技术。

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Phytoremediation T echnology of Soil Polluted by H eavy Metals

ZU Yan -qun , LI Yuan

(Eco -environment Research institute , C ollege of Res ources and Environment ,

Y unnan Agricultural University , K unming 650021, China )

Abstract :C ontrol of s oil polluted by heavy metal is very im portant. Phytoremediation of s oil polluted by heavy metals is an im portant method for s oil remediation. Phytoremediation of s oil polluted by heavy metals is necessary. Phytoremedia 2tion technology of s oil polluted by heavy of hyperaccumulation and using of phytoremediation technology are analysis. Phytoremediation of s oil polluted by heavy metals in Y unnan province are put forward. K ey w ords :s oil pollution ; heavy metals ; phytoremediation ; hyperaccumulation

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