土壤污染与防治论文

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1、重金属污染土壤研究重金属污染土壤研究摘要摘要：土壤重金属污染是当今世界面临的主要环境问题之一。植物修复定义为利用绿色植物去 除环境中的污染物或使其无害化的生物技术。与传统环境修复技术相比，植物修复技术具有 治理成本的低廉性，环境美学的兼容性，治理过程的原位性。本文主要对超富集植物的概念 和特征、土壤重金属污染植物修复的方法和原理以及土壤重金属植物修复技术的强化措施进 行了综述。关键词关键词：植物修复；重金属；土壤污染；超积累植物1 1 前言前言20 世纪 50 年代后，全球环境问题的出现，迫使人类反思已经走过的历程和自己的行为， 尤其是 1962 年美国海洋生物学家 Rachel Carson

2、 出版了划时代的科普名著寂静的春天 ， 引起世人对环境问题的高度关注。随着日本 19531956 年水俣病（Hg 污染） 、19551972 年骨痛病（Cd 污染）以及 1961 年四日市哮喘病（SO2 和重金属粉尘复合污染）等事件的发 生，重金属污染问题研究被提上了议事日程。目前，重金属引起的土壤污染正日益成为环境、 土壤科学家们的研究热点问题。 重金属是指原子密度大于 5 g/cm3 的一类金属元素，大约有 40 种，主要包括 Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ag、Sn 等。重金属离子（如 Cu2、Zn2、Mn2、Fe2等） 是植物代谢必需的微量元素，可是一旦过量同样具有相当毒性。 土

3、壤重金属污染是多途径的，既有自然因素也有人为因素。自然因素主要包括成土母质 和大气沉降等；人为因素主要包括农药、化肥和塑料薄膜的使用，污水灌溉和污泥农用等。 土壤一旦被重金属污染，不仅导致土壤退化、农作物产量和品质的降低，而且通过径流和淋 洗作用污染地表水和地下水，恶化水文环境，并可能通过直接接触、食物链等途径危及人类 的生命和健康。尤其严重的是有毒重金属在土壤系统中的污染过程常具有隐蔽性、长期性和 不可逆性的特点。因此，污染土壤的修复问题已成为环境科学研究日益活跃的领域，同时也 是世界性的难题1。 土壤重金属污染的传统修复方法通常采用物理、化学的方法，如排土填埋法、稀释法、 淋洗法、物理分离

4、法、稳定化及电化学法等。传统的土壤重金属污染治理方法虽然治理效果 较好，历时较短，但这些方法往往有许多缺陷，如成本高，难于管理，易造成二次污染，对 环境扰动大等。 植物修复是利用可超富集重金属的植物吸收、积累环境中的污染物，并降低其毒害的环 保生物技术。它具有传统环境修复技术所不具备的优点，表现为治理效果的永久性、治理过 程的原位性（对土壤环境扰动小） 、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性。修复过程一般 无二次污染，某些金属元素甚至可回收利用，但也存在一些缺陷性和局限性。2 2 超积累植物超积累植物2.1 超积累植物的概念和特征重金属超积累植物是植物修复的核心部分，只有找到对应的重金属超积累植

5、物才能具体 的实施植物修复。超富集植物主要是指那些对重金属具有特别的吸收能力，而本身不受毒害的植物种和基 因型，即重金属的“超富集植物” 。 重金属超积累植物应具有以下几个重要特征：第一，超积累植物地上部分的重金属含量 是同等生境条件下其它普通植物含量的 100 倍以上；第二，在重金属污染地生长旺盛，生物 量大，能正常完成生活史，一般不会发生重金属毒害现象；第三，由于不同重金属在地壳中 的丰度以及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此对不同重金属，其超富集植物富集 质量分数界限也有所不同。 目前已发现的有富集作用的超积累植物有 400 多种2,3。2.2 超积累植物在空间和科属内的分布特点2

6、.2.1 超积累植物在空间上分布特点从空间上看，超积累植物一般只生长在矿山区、成矿作用带或者由富含某种或某些化学 元素的岩石风化而成的地表土壤上，它们常常构成一个孤立的“生态学岛屿” ，种类组成明 显不同于岛外的植被。在正常土壤环境与重金属超常土壤环境相邻区，常常可以见到两者之 间存在截然不同的植被类型分界线，这些生长在重金属超常环境中的植物通常是一些特有种， 其中某些植物可能就是重金属超积累植物或积累植物。2.2.2 超积累植物在科属内分布特点超积累植物不仅在时空上有一定的分布特点，而且在植物科属内同样也有一定的分布特 点。以镍超积累植物为例，据不完全统计，已发现的 230 余种镍超积累植物

7、主要分布于“五 科、十属”内4。 “五科”是指大戟科、大风子科、十字花科、堇菜科和苦脑尼亚科；“十 属”是指庭芥属、油柑属、白巴豆属、黄杨属、遏蓝菜属、柞木属、天料木属和鼠鞭草属。2.3 超积累植物的局限性尽管超积累植物在修复土壤重金属污染方面表现出很高的潜力，但超积累植物的一些固 有特性给植物修复技术带来了很大限制。首先，大部分超积累植物植株矮小，生物量低，生 长缓慢，因而修复效率受到很大影响，且不易机械化作业。其次，超积累植物多为野生型植 物，对生物气候条件的要求也比较严格，区域性分布较强，严格的适生性使成功引种受到严 重限制。再次，超积累植物专一性强，一种植物往往只作用于一种或两种特定的

8、重金属元素， 对土壤中其他含量较高的重金属则表现出中毒症状，从而限制了在多种重金属污染土壤治理 方面的应用前景。最后，植物器官往往会通过腐烂、落叶等途径使重金属重返土壤。3 3 超积累植物吸收土壤重金属的过程超积累植物吸收土壤重金属的过程3.1 超积累植物的根际相互作用和根部吸收植物根际环境(rhizosphere)在重金属从根部向植物茎叶器官的转移过程中发挥着极为 重要的作用，它是植物、微生物、土壤相互作用的场所，也是土壤水分、养分、污染物进入 植物体的初始通道。根际的物理、化学和生物学性质影响到根际土壤重金属的存在形态、分 布、迁移和生物有效性，使得重金属污染物在根际土壤中表现出一些特殊的

9、化学行为。超积 累植物能大量吸收重金属是由于它们有强大的根部金属吸收系统，它们不仅可以从金属浓度 很高的介质中吸收和蓄积重金属，而且也可以从金属浓度较低的介质中积累金属。3.2 重金属向地上部器官的转移金属离子从根部向茎迁移主要是受两个过程制约：一个过程是进入根部木质部的运动； 另一个过程是通过叶部叶肉细胞随蒸腾流吸收重金属。 植物茎部是金属从根部到叶部运输的管道，相对来说，叶部茎部的蒸腾速率是最高的， 所以最高的木质部流被认为是到达茎部组织和部分叶部组织的。3.3 重金属在叶片细胞中运输及区室化作用重金属区室化是植物重金属抗性的重要机制之一，先进的分析手段已经提供了关于金属 在超积累植物中位

10、置的信息。研究表明，在组织水平上，重金属主要分布在表皮细胞、亚表 皮细胞和表皮毛中；细胞水平上，重金属主要分布在质外体和液泡中。4 4 土壤重金属植物修复机理土壤重金属植物修复机理植物修复最初出现在技术词典是 1994 年。在英文中植物修复一词为 “Phytoremediation”其中的“Phyto”为希腊语“植物”之意，而“Remediation”则取自 于拉丁语，意为“修复” 。植物修复是利用可超富集重金属的植物吸收、积累环境中的污染 物，并降低其毒害的环保生物技术。根据修复植物在某一方面的修复功能和特点可将植物修 复分为三种基本类型：植物提取修复，植物稳定修复和植物挥发修复。4.1 植

11、物提取修复利用重金属积累植物或超积累植物将土壤中的重金属提取出来，富集并搬运到植物根部 可收割部分和植物地上的枝条部位。植物提取修复是目前研究最多且最有发展前途的一种植 物修复技术。4.1.1 持续的植物提取室内实验和田间试验均证明超积累植物在净化重金属污染土壤方面具有极大的潜力。 Baker 等人进行了超量积累植物的首次田间试验，结果显示，超积累植物在净化 Zn 污染土 壤方面具有极大的潜力。然而生长速度很慢，植株矮小，单株干物质重量小，这为生产上实 际应用带来很大的困难。4.1.2 诱导的植物提取诱导性的植物提取包括两个基本阶段：一是土壤中束缚态重金属转化为非束缚态；二是 重金属向植物可收

12、获的地上部运输。螯合物的作用在于增加金属离子在土壤溶液中的溶解度， 然后重金属通过蒸腾流在木质部运输，并以金属-螯合物的形式运至地上部。金属螯合物在 地上部的富集量取决于根系的表面积以及植物体内的毛细管系统。 植物修复的效果常常受土壤中重金属低生物有效性的限制。一些人工合成的螯合剂 EDTA、DTPA、CDTA、EGTA 及柠檬酸明显促进 Cd 和 Pb 在植物体内的积累和向地上部的运输。但是，我们需要注意的是一方面螯合剂的施用有可能对地下水带来二次污染，产生新的 环境问题；另一方面施加螯合剂常常影响植物正常生长，甚至死亡。因此，为了避免和降低 由于施用螯合剂的施用对环境和植物产生的不利影响，

13、螯合剂的施用时间也非常重要。 4.2 植物挥发修复植物挥发是利用植物的吸收、积累和挥发而减少土壤中一些挥发性污染物，即植物将污 染物吸收到体内后将其转化为气态物质释放到大气中。目前，在这方面研究最多的是金属元 素汞和非金属元素硒。硒是动物和人体必需的营养元素，一旦缺乏容易引起克山病和大骨节病。但硒的作用范 围很窄，过量的硒易引起中毒。硒的化合物形态对人的毒性最强，元素硒毒性最小。硒以硒 酸盐、亚硒酸盐和有机态硒为植物所吸收。许多植物可从污染土壤中吸收硒并将其转化成可 挥发状态，从而降低硒对土壤生态系统的毒性。 汞是一种对环境危害很大的易挥发性重金属，在土壤中以多种形态存在，如无机汞，有 机汞。

14、离子态汞(Hg2+)在厌氧细菌作用下会转化为毒性更大的甲基汞(MeHg)。利用抗汞细菌 在污染点存活繁殖，然后通过酶的作用将甲基汞和离子态汞转化为毒性小、可挥发的单质汞， 已被作为一种降低汞毒性的生物途径之一。 植物挥发修复技术只限于挥发性重金属的修复，应用范围较小，而且将汞、硒等挥发性 重金属转移到大气中有没有环境风险仍有待于进一步研究。4.3 植物稳定修复利用重金属耐性植物降低重金属的活性，从而减少重金属被淋滤到地下水或通过空气载 体扩散进一步污染环境的可能性。目前，该技术在矿区大量使用，如废弃矿山的复垦工程， 各种尾矿库的植被重建等。值得注意的是植物稳定也并没有将重金属从土壤中彻底清除，

15、当 土壤环境发生变化时仍可能重新活化并恢复毒性。植物稳定修复的作用主要有两方面：一是 通过根部累积、沉淀、转化重金属，或通过根表面吸附作用固定重金属。二是保护污染土壤 不受风蚀、水蚀，减少重金属渗漏污染地下水和向四周迁移污染周围环境。重金属在土壤中 可与有机物如木质素、腐殖质等结合，或在含铁氢氧化物或铁氧化物表面形成重金属沉淀及 多价螯合物，从而降低了重金属的可移动性和生物有效性。稳定修复植物利用和强化了这一 过程，进一步降低了重金属的可移动性和植物有效性。稳定修复植物一般具有两个特征：一 是能在高含量重金属污染土壤上生长；二是根系及分泌物能够吸附、沉淀或还原重金属。利 用固化植物稳定重金属污

16、染土壤最有应用前景的是 Pb 和 Cr。一般来说，土壤中 Pb 的生物 有效性较高，但 Pb 的磷酸盐矿物则比较难溶，很难为生物所利用。5 5 土壤重金属植物修复技术强化措施土壤重金属植物修复技术强化措施目前广大科学家多年来致力追求某种在增加植物生物量同时又大幅度提高对重金属绝对 吸收的技术，从国内外已发表的文献资料来看，主要的技术包括基因工程技术，螯合诱导修 复技术，接种菌根强化植物吸收技术，二氧化碳诱导植物超积累技术。5.1 接种菌根强化植物吸收技术菌根(Mycorrhizae)是土壤真菌与植物营养根结合形成的一种互惠互利的共生体，广泛 存在于自然界中。目前,根据菌根真菌的菌丝体在寄主根部形成的形态结构,以及它们同寄主 之间的营养关系,菌根主要可以分为三种类型：即外生菌根，内生菌根和内外生菌根。大量 的研究发现,菌根真菌能够提高寄主植物抗重金属毒害的能力,但其抗性机理还没有完全清楚 5。人们希望通过给植物接种菌根真菌来缓解重金属对植物的影响,促进重金属污染土壤植 物的栽培,生长,继而达到修复