土壤中的重金屬污染源來源復雜，一是來自大氣沉降，大氣中的重金屬主要來源于能源、運輸、冶金和建筑材料生產(chǎn)產(chǎn)生的氣體和粉塵;二是隨污水進入土壤的重金屬，利用污水灌溉是灌溉農(nóng)業(yè)的一項古老的技術(shù)，主要是把污水作為灌溉水源來利用，由于中國工業(yè)迅速發(fā)展，工礦企業(yè)污水未經(jīng)分流處理而排入下水道與生活污水混合排放，從而造成污灌區(qū)土壤重金屬的含量逐年增加;三是隨固體廢棄物進入土壤的重金屬，固體廢棄物種類繁多，成分復雜，不同種類及其危害方式和污染程度不同，其中礦業(yè)和工業(yè)固體廢棄物污染最為嚴重，這類廢棄物的堆放或處理過程中，由于日曬、雨淋、水洗重金屬極易移動、以輻射狀、漏斗狀向周圍土壤、水體擴散;四是隨農(nóng)用物資進入土壤的重金屬，農(nóng)藥、化肥和地膜是重要的農(nóng)用物資，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展起著重大的推動作用，但長期不合理施用也可能導致土壤重金屬污染。在現(xiàn)實中關(guān)注的往往集中于幾種重金屬元素：Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn 及As。土壤重金屬污染現(xiàn)在是影響人體健康和環(huán)境的重要問題之一，因此找到合適的方法治理重金屬污染迫在眉睫。
中國重金屬污染現(xiàn)狀
重金屬污染土壤，致使農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降、土壤中的污染物通過各種食物鏈，經(jīng)過逐級生物富集最終對人體健康產(chǎn)生危害。它不僅可以通過食物鏈對人體健康產(chǎn)生直接危害，還可以通過影響水體和大氣環(huán)境質(zhì)量間接對人類健康造成威脅。更值得注意的是許多低濃度有毒污染物屬環(huán)境激素類物質(zhì)，其影響是緩慢且長期的，可能長達數(shù)十年乃至數(shù)代人。可見重金屬對土壤的持續(xù)污染及土壤中污染物的長期存在，必將對人類生命安全構(gòu)成巨大的、嚴重的、潛在的威脅。
土壤重金屬污染具有形態(tài)多變、金屬有機態(tài)毒性大于無機態(tài)、價態(tài)不同毒性不同、金屬羥基化合物常劇毒、遷移化、形式多、物理化學行為大多具有可逆性，屬于緩沖性污染、產(chǎn)生毒性效應的濃度范圍低、微生物不能降解反而會毒害微生物或者使之有機化，增強毒性、對人體毒性的積累等特點。
中國土壤重金屬污染中Hg、Cd 污染最為嚴重，Pb、As、Cr、Se和Cu的污染也比較嚴重。目前中國重金屬污染的土壤面積已超過10萬km2，污染的耕地約有1.0×105 km2，約占耕地總面積的10%以上，多數(shù)集中在經(jīng)濟較發(fā)達的地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，中國超過300 km2土地受Hg的污染，有超過100 km2土地受Se的污染，每年僅生產(chǎn)鎘米就達5萬t以上，而每年因污染而損失的糧食約1200萬t，合計經(jīng)濟損失至少200億元，這不僅對人體健康產(chǎn)生了威脅，也對國家的經(jīng)濟產(chǎn)生一定的影響。因此為了解決這一越來越嚴重的問題，需要采取方法從源頭治理，只有將土壤中重金屬的量控制住，才能從根本上解決上述問題。
植物修復技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀
國內(nèi)現(xiàn)狀
張學洪等在廣西發(fā)現(xiàn)了鉻超積累植物李氏禾(Cutgrass);楊肖娥等在浙江發(fā)現(xiàn)了鋅的超積累植物東南景天(Sedum alfredii Hance);陳同斌和韋朝陽等在湖南發(fā)現(xiàn)了世界上第一種砷的超積累植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)和另一種明顯富集砷的植物大葉井口邊草(Pteris cretica);薛生國等在湖南湘潭發(fā)現(xiàn)錳的超積累植物商陸(Phytolacca acinosa Roxb)，劉威等在湖南發(fā)現(xiàn)了鎘的超積累植物寶山堇菜(Viola baoshanensis)。最近一種超累積植物是在2013年由中國科學技術(shù)大學蘇州研究院硒與人體健康重點實驗室尹雪斌研究組發(fā)現(xiàn)的一種新型硒的超積累植物壺瓶碎米薺(Cardamine hupingshanensis)。
國外現(xiàn)狀
Baker等首次以田間試驗形式研究了Zn 和Cd 的超累積植物Thlaspi caerulescens;Ebbs等通過實燕麥對重金屬Zn 的吸收效果發(fā)現(xiàn)有很好的效果;Blaylock等發(fā)現(xiàn)芥菜(Brassica juncea)可以吸收和積累Pb、Cd、Zn等多種重金屬，并且菥蓂可以有效吸收Zn、Pd、Cd;Antiochia等實驗發(fā)現(xiàn)香根草對Zn也有著較好的富集作用。此外還發(fā)現(xiàn)庭芥屬(Alyssum bertolonii)可富集Ni;遏藍菜(Thalspica-reulesences)可以富集Zn 和Cd。幾種超累積植物及其富集重金屬元素如表1所示。
表1 幾種超累積植物及其富集重金屬元素
超積累植物的局限性
1)由上文可見，最近的一種超累積植物發(fā)現(xiàn)于2013年，也就是說，超累積植物的發(fā)現(xiàn)仍然是一項值得探究的方面，另外因為已發(fā)現(xiàn)的超富集植物環(huán)境適應性差，具有富集專一性。因此尋找高效低選擇性的超富集植物也具有很好的發(fā)展前景。
2)對收集的重金屬的后處理。常見的處理方法有集中填埋、焚燒和堆制肥料。由于滲流及其他作用，收集的重金屬仍然可能會對環(huán)境造成二次污染，因此對收集物的處理也是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，現(xiàn)在國內(nèi)外仍沒有很好的方法可以處理這個問題。
植物修復技術(shù)
植物修復技術(shù)的優(yōu)點及其局限性
植物修復技術(shù)的優(yōu)點
植物修復技術(shù)是指利用植物修復和消除由有機毒物和無機廢棄物造成的土壤環(huán)境污染，是一種利用自然生長植物或遺傳工程培育植物修復重金屬土壤環(huán)境的技術(shù)總稱，它是通過植物系統(tǒng)及根際微生物群落來移去、揮發(fā)或穩(wěn)定土壤環(huán)境污染物。該技術(shù)具有投資少、經(jīng)濟盈利、對土壤環(huán)境擾動小、治理效果永久、不破壞場地結(jié)構(gòu)、不引起二次污染、美化景觀、重金屬可再循環(huán)和部分回收、應用面積大等優(yōu)點。
植物修復技術(shù)的局限性
1)因地制宜，對不同情況的土壤采用不同的植物。按重金屬污染輕重程度選取超累積植物或耐重金屬植物。
2)每種植物能夠積累的重金屬往往只有一種或少數(shù)幾種，對土壤中其他濃度較高的重金屬則表現(xiàn)出某些中毒癥狀，對多種重金屬污染土壤的治理存在很大的局限性。
3)用于治理重金屬污染土壤的超積累植物通常生長緩慢且生物量低、修復重金屬污染土地需要時間太長，經(jīng)濟上不合理。
4)對積累重金屬后的植物再處理也是一個棘手的問題，還存在污染物及其降解產(chǎn)物的重新活化問題。
除了超累積植物本身的缺點之外，還有其他因素也影響植物修復的有效性，如土壤微生物活性、土壤本身的理化特性，還有污染區(qū)的氣候地理條件。
植物修復技術(shù)的分類
重金屬的植物修復通常有2種途徑：一是通過植物作用改變重金屬在土壤中的化學形態(tài)，使重金屬固定，降低其在土壤中的移動性和生物可利用性;二是通過植物吸收、揮發(fā)，達到對重金屬的削減、凈化和去除的目的。按照植物修復的作用過程和機理的不同，植物修復技術(shù)可分為4類：植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定和根系過濾。
植物提取
植物提取是目前研究最多并且最有發(fā)展前景的一種方法。1977 年Brooks 提出了超富集植物的概念，1983年Chaney提出了利用超富集植物清除土壤重金屬的思想。植物提取技術(shù)利用的是一些對重金屬具有較強富集能力的特殊植物，要求所用植物具有生物量大、生長快和抗病蟲害能力強的特點，并具備對多種重金屬較強的富集能力。重金屬經(jīng)植物根系吸收后，繼而轉(zhuǎn)移、儲存到植物莖葉，然后收割莖葉，從而達到去除土壤重金屬元素的目的。一般認為重金屬含量超過一般植物100倍的植物屬于超積累植物,具體規(guī)定為植物積累的Cr、Co、Ni、Cu、Pb等含量達到1 g/kg以上，積累的Mn、Zn含量一般在10000 mg/kg以上，積累的Cd含量一般在0.1 g/kg以上。通常，超積累植物的界定可考慮以下2個主要因素：1)植物地上部富集的重金屬應達到一定的量;2)植物地上部的重金屬含量應高于根部。Li研究了十字花科的超積累植物Alyssum Annrale 和Alyssum orsicum 對Ni和Cu的吸收，結(jié)果發(fā)現(xiàn)效果顯著。
植物揮發(fā)
植物揮發(fā)是利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)或微生物使土壤中的污染物(主要是Hg、Se、As)吸收到植物體內(nèi)后轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，揮發(fā)出土壤和植物表面，釋放到大氣中。植物揮發(fā)要求被轉(zhuǎn)化后的物質(zhì)毒性要小于轉(zhuǎn)化前的污染物質(zhì)，以減輕環(huán)境危害。Rugh等將細菌Hg還原酶基因轉(zhuǎn)導入擬南芥，獲得轉(zhuǎn)基因植物的耐Hg能力大大提高，且能將從土壤中吸收的Hg還原為HgO。同時表達MerA 和MerB 轉(zhuǎn)基因煙葉能通過葉綠體加快對Hg 的吸收。通過轉(zhuǎn)基因植物控制重金屬單質(zhì)揮發(fā)、促進植物提取效果是今后研究重點。
植物穩(wěn)定
植物穩(wěn)定是利用植物吸收和植物根際的一些特殊物質(zhì)使土壤中的大量有毒金屬轉(zhuǎn)化為相對無害的物質(zhì)，從而降低土壤中有毒金屬的移動性、生物有效性，減少金屬被淋濾到地下水或通過空氣擴散進一步污染環(huán)境的可能性，使其不能為生物所利用的一種方法。植物根系分泌物通過改變根際環(huán)境(Ph、Eh)，使重金屬的形態(tài)發(fā)生化學改變，降低重金屬的毒性效應。該方法適合廢棄礦區(qū)的重金屬污染或者放射性元素的污染的治理。Santibá?ez等研究智利銅尾礦中黑麥草對Cu、Zn、Mo 和Cd等的修復作用，發(fā)現(xiàn)其對重金屬的累積主要集中在根部，向莖葉處轉(zhuǎn)移很少。東方香蒲對土壤中As、Cd、Pb的累積主要在根部，其累積量可達31.69、35.12、87.12 mg/kg，莖葉中僅為2.06、2.83、20.18 mg/kg。因此，東方香蒲可作為As、Cd、Pb污染土壤植物穩(wěn)定修復的潛在目標植物之一。目前，利用麻瘋樹、蘆葦、蘆竹、荻、五節(jié)芒、纖維大麻、芥菜和紅麻等經(jīng)濟植物，對重金屬污染農(nóng)田進行植物修復，有利于實現(xiàn)生態(tài)、環(huán)境效益的統(tǒng)一。
根系過濾
根系過濾作用是利用耐性植物龐大的根系過濾和吸收功能富集水體中的重金屬元素，將植物收獲進行妥善處理，達到修復水體重金屬污染的目的?；蛘咄ㄟ^改變根際的環(huán)境從而使得重金屬形態(tài)發(fā)生改變，然后聚集在根部從而減少其在土壤中的移動。此種方法更多的應用于水體污染修復之中。主要用于處理含放射性污染物質(zhì)、重金屬和其他污染物質(zhì)(如N、P、K)的廢水，目前實際應用較多的是人工濕地技術(shù)和生物塘工程。適用于根系過濾技術(shù)的植物，主要有水生植物、半水生植物，也有個別陸生植物，例如向日葵、印度芥菜、寬葉香蒲及煙草等。根基過濾適用于修復水體中重金屬污染，且具有永久性和廣泛性，研究發(fā)現(xiàn)水浮蓮和浮萍的根都具有將強的吸附能力。Hansen等的實驗表明，舊金山海灣的濕地系統(tǒng)可以很好的吸收通過煉油廠排放出的含硒廢水，并且流出的濃度遠遠低于流入的濃度，僅為5 μg/L。
結(jié)論與展望
植物修復技術(shù)是一項處于發(fā)展中的具有廣泛應用前景的技術(shù)，對超積累植物的發(fā)現(xiàn)仍值得探究。雖然植物修復具有耗費低、對土壤擾動小等特點，但在投入量產(chǎn)和使用的過程中仍然存在很多問題，比如修復周期長，植物生長緩慢、需要因地制宜等。
土壤修復是一項歷時長久的系統(tǒng)工程，單一的修復技術(shù)難以達到預期的效果，因此需要尋求以植物修復為主，同時結(jié)合微生物修復和動物修復等進行聯(lián)合修復，以達到更佳的重金屬污染土壤修復效果。因此，聯(lián)合修復將是未來最主要的修復技術(shù)之一。
本文作者：李玉寶，夏錦夢，論東東。
作者簡介：李玉寶，溫州大學生命與環(huán)境科學學院，副教授，研究方向為水污染控制工程;夏錦夢(共同第一作者)，溫州大學生命與環(huán)境科學學院，研究方向為水污染控制工程。
注：本文發(fā)表在2017年第11期《科技導報》
來源:科技導報 作者:李玉寶 夏錦夢等
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