摘要：植物修復重金屬污染土壤已成為當今研究的熱點問題，但植物修復相比傳統理化法耗時久，治理周期長，修復效率低。系統闡述了植物修復技術的各項強化措施包括化學調控技術、植物-微生物聯合修復技術、基因工程技術及農藝調控技術等，分析了各項技術的機理、方法、應用效果及存在問題，并對植物修復技術的未來的發(fā)展方向和前景進行了展望。
來源:《環(huán)境工程技術學報》
近幾十年來，隨著工農業(yè)生產的迅猛發(fā)展，污水灌溉及農業(yè)投入品的過量施用，土壤重金屬污染日趨嚴重，給人們的健康帶來極大的危害。國內外修復治理土壤重金屬污染主要有兩種途徑：一是改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)使其固定，降低其在環(huán)境中的遷移性和生物可利用性；二是從土壤中去除重金屬。圍繞這兩種途徑，已研究提出了各種物理修復、化學修復、生物修復等治理方法。其中植物修復因其環(huán)保、經濟、美觀、適應性廣等優(yōu)勢，引起人們廣泛關注。
1植物修復技術概述
植物修復技術是一種新興的綠色生物技術，也是一種土壤污染治理的環(huán)境友好技術。植物修復技術是利用植物對重金屬的吸收富集、穩(wěn)定能力，將重金屬轉移到植物體內或通過植物分泌物將重金屬穩(wěn)定，從而達到轉移土壤中的重金屬或將其毒性降低的目的。根據修復的機理和過程，可以將植物修復技術分為植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定和根系過濾4種類型。其中研究較多的是植物提取，即利用超積累植物對重金屬進行富集。
植物修復技術分類：
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。重金屬經植物根系吸收后，繼而轉移、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，結果發(fā)現效果顯著。
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）吸收到植物體內后轉化為氣態(tài)物質，揮發(fā)出土壤和植物表面，釋放到大氣中。植物揮發(fā)要求被轉化后的物質毒性要小于轉化前的污染物質，以減輕環(huán)境危害。Rugh等將細菌Hg還原酶基因轉導入擬南芥，獲得轉基因植物的耐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 轉基因煙葉能通過葉綠體加快對Hg 的吸收。通過轉基因植物控制重金屬單質揮發(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使土壤中的大量有毒金屬轉化為相對無害的物質，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)現其對重金屬的累積主要集中在根部，向莖葉處轉移很少。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、芥菜和紅麻等經濟植物，對重金屬污染農田進行植物修復，有利于實現生態(tài)、環(huán)境效益的統一。
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、重金屬和其他污染物質（如N、P、K）的廢水，目前實際應用較多的是人工濕地技術和生物塘工程。適用于根系過濾技術的植物，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。
2植物修復技術的特點
與傳統的重金屬污染土壤修復技術相比，植物修復技術的優(yōu)勢體現在：原位、主動修復，不破壞土壤結構和土壤微生物活動，對周圍環(huán)境擾動少；植物收割集中處理回收重金屬，可減少二次污染并兼具經濟效益；成本低廉、操作簡單、安全可靠、效果長久、適用于大面積治理，并能美化環(huán)境，受到各國學者重視。
當然，植物修復也存在其局限性，已知的超富集植物多為野生型，個體矮小、生物量低、生長緩慢，植物修復相比傳統理化法耗時久，治理周期長，修復效率低。因此，如何有效提高植物的生物量，提高植物的吸收、轉動能力，從而提高修復效率，是植物修復技術能否得以大面積推廣應用的關鍵。
3植物修復技術的強化措施
目前，研究較多的強化措施主要有化學調控技術、植物-微生物聯合修復技術、基因工程技術及農藝調控技術等。
3.1化學調控技術
化學調控技術主要是通過添加外來物質以改變土壤的化學性質，或直接與重金屬相結合，改變重金屬的賦存形態(tài)及生物有效性等，最終強化作物對重金屬的吸收。常見的添加物主要有螯合劑、表面活性劑、酸堿調節(jié)劑、有機物料等。
3.1.1螯合劑。污染土壤中大部分重金屬被非常牢固的結合在固相上，螯合劑能使土壤固相鍵合的重金屬釋放，形成水溶性的金屬—螯合劑絡合物，從而減少土壤礦物對重金屬的吸附，提高重金屬的生物有效性，強化重金屬向植物體中的遷移。
常見的螯合劑主要有2類：一類是人工合成的螯合劑，如EDTA、DTPA、HEDTA、CDTA等，這類螯合劑對重金屬具有較強的活化能力。在重金屬污染土壤的植物修復中，EDTA（乙二胺四乙酸）是最有效、最常用的，可顯著提高植物對Cd、Pb的吸收能力。Piechalak在含200mg/kgPb的土壤中種植豌豆，添加292mg的EDTA，豌豆對Pb的富集量比對照增加了67%。另一類是天然螯合劑，如檸檬酸、草酸、酒石酸等，這類螯合劑對重金屬的活化能力不如前者強，但因其易生物降解，而引起研究人員的廣泛關注。
螯合劑的活化作用增加了重金屬在土壤中的移動性，因而容易對地表和地下水造成污染，而且螯合劑同時活化了土壤中的其它元素如Fe、Mn、Ca等，使這些營養(yǎng)元素淋失而導致植物營養(yǎng)缺乏，此外，殘留的螯合劑也可能造成新的污染。
3.1.2表面活性劑。表面活性劑是親水又親油的化合物，可根據其增溶和增流特性，促進土壤中重金屬解吸，提高生物可利用度。有專家發(fā)現在含Cd，Cu，Zn分別為25mg/kg，30mg/kg，700mg/kg的土壤上種植萵苣與黑麥草，用表面活性劑處理后，3種重金屬在地上部分的含量比對照增加了4～24倍。
與螯合劑一樣，表面活性劑也對植物生長表現出一定的毒害作用，并且自身也容易給環(huán)境帶來影響，易降解、無毒性的生物表面活性劑的開發(fā)成為當今表面活性劑修復的熱點。生物表面活性劑是由植物或動物產生，本身無毒或低毒且易生物降解，不會對植物產生不利影響，也不會改變土壤物化性質。它不僅可以促進植物對重金屬的吸收，還會促使重金屬由植物根部向地上部遷移。葉和松通過將植物接種能夠產生表面活性物質的菌株J119進行盆栽實驗，結果表明油菜的地上部和根部的Pb濃度分別增加了31.0%和35.0%。
3.1.3酸堿調節(jié)劑。酸堿調節(jié)劑是根據土壤的酸度和靶重金屬的性質，投加酸性或堿性物質改變土壤pH值，增加重金屬的生物有效性。降低土壤pH值能促使部分結合態(tài)的Pb、Zn、Cd等重金屬溶解而進入土壤溶液，成為植物可吸收態(tài)重金屬。常用的降低土壤pH值的方法有直接加酸法（稀硫酸等）和施肥法（固銨態(tài)肥等）。固銨態(tài)肥可降低pH值，因為當施用固銨態(tài)肥時，根際吸收的氮素以銨態(tài)為主，植物為維持細胞正常生長的pH值和電荷平衡，根系分泌質子，使根系pH值下降。施用硝態(tài)氮肥則相反，植物體內硝態(tài)氮還原過程中需要消耗質子，根系分泌出OH-或HCO-因而使pH升高。對于砷來說，pH值升高則有利于更多砷進入土壤溶液，增加其生物有效性，因此可以通過添加生石灰或是硝態(tài)氮肥等來提高土壤pH值。
3.1.4營養(yǎng)物質。養(yǎng)分是影響植物吸收重金屬的重要要素，加入營養(yǎng)元素可改善植物根系的生長條件，促進植物生長量的增加，提高土壤重金屬的活性和植物修復的有效性。廖曉勇等通過田間實驗，表明適當施用磷肥明顯促進蜈蚣草的生長，提高了植物中砷的含量。因為磷的施用促進植物生長發(fā)育，提高了根系吸收能力，同時還可使吸附的砷釋放出來，提高了土壤有效砷的含量。另外，施用有機物料來降解土壤中的重金屬也得到普遍認可，常用的有稻草、泥炭、家畜糞肥等。有機物質的強化機理，一方面可以直接與重金屬發(fā)生絡合作用，二是可改變土壤的pH值和Eh值，從而影響重金屬的沉淀—溶解平衡，另外還可改變土壤固相物質的表面活性。
3.2植物-微生物聯合修復技術
植物-微生物聯合修復是利用土壤—微生物—植物的共存關系，充分發(fā)揮植物與微生物修復的各自優(yōu)勢，彌補單一方法修復的不足，提高土壤重金屬污染的植物修復效率。植物-微生物聯合修復兼具生物固定與生物去除土壤重金屬的兩種功能，是土壤重金屬污染生物修復技術研究的新的發(fā)展方向。
微生物聯合修復體系是篩選對污染物有分解作用、促進植物生長的根際微生物，以根際微生物菌根、內生菌等方式與根系形成聯合體，通過增強植物抗性和優(yōu)化根際環(huán)境，促進根系發(fā)展，從而增加植物吸收和向上轉動重金屬的能力。Belimov將印度芥菜種植在高濃度Cd土壤里，從植物根際分離出11株耐受Cd的細菌菌落，菌落體內含有（ACC）脫氨酶，脫氨酶可促進芥菜根部生長，使印度芥菜根系對Cd的吸收富集量提高。
雖然國內外關于植物—微生物修復的功能性菌種、微生物解毒機理、增強植物抗性等方面有了系列報道，但對這種聯合修復理論與機制的研究程度還遠遠不夠，包括功能菌株的篩選、鑒定與繁殖，菌劑的制備，接種方法以及工程應用等方面的研究都需要進一步深入。
3.3基因工程技術
以超積累植物為手段的植物修復技術存在生物量小、生長周期短、尋找困難等因素的制約，而利用基因工程改良植物，調整植物吸收、運輸和富集重金屬的能力及對重金屬的耐受性，開拓了植物修復技術的新領域。
基因技術的技術路線是，首先識別出對重金屬耐性強或積累高的生物，通過生物化學、分子生物學等方法鑒別出控制這些性狀的基因；然后將這些基因按設計方案定向連接起來，并在特定的受體細胞中與載體一起得到復制與表達，使受體細胞獲得新的遺傳特性，最后進行田間試驗。光煙草的生長速度較快，生物量大，分布廣，動物不喜取食，對多種環(huán)境污染物具有抗性。將小麥的植物螯合肽合成酶（PCS）基因轉入光煙草中，轉基因植株對Pb和Cd的抗性明顯提高，同時轉基因植物的地上部分累積的Pb是野生型的2倍。Eapen等指出，將金屬螯合劑、金屬轉運蛋白、金屬硫蛋白（MT）和植物螯合肽（PC）的基因轉移到待試植物中，可以提高植物對金屬的吸收和貯存。
轉基因植物在實際應用中存在潛在的生態(tài)風險，可能會對當地生物群落產生威脅，因此，在基因改造植物用于植物修復之前，必須進行轉基因植物安全性評價。完善野外試驗監(jiān)測、取樣和數據分析的方法，規(guī)范修復成效的評價方法，也是植物修復研究的重要任務。
3.4農藝措施
Chaney等詳細闡述了各種農藝措施對于植物修復的重要性。將現代農業(yè)技術利用到植物修復中是提高修復效率的一條捷徑。如通過作物育種技術對超富集植物進行性能改進，通過葉面噴施營養(yǎng)試劑，合理水肥供應、縮短修復周期等措施，人為調控植物的生育狀況，改善植物的生長發(fā)育狀況，改進植物的吸收性能，從而提高植物的修復效率。
4展望
植物修復技術作為一種新興的污染治理技術已被證明具有極大的潛力和市場前景，但是，植物修復的產業(yè)化應用還有許多問題有待解決。下面一些研究領域應重點關注。
1）繼續(xù)尋找、篩選高效、富集面廣的超富集植物，繼續(xù)開展對超富集植物的篩選及機理的研究，進一步理解植物對重金屬的積累、吸收和螯合機制，特別是對重金屬脅迫影響的突變體的分析，同時結合基因工程、雜交育種等科學手段培育出高產、高效、優(yōu)良的植物種質資源。
2）土壤重金屬修復是一項系統工程，單一的修復技術很難達到預期效果，要以植物修復為主，輔以物理的、化學的及微生物手段，增加重金屬的生物有效性，提高修復效率。聯合修復技術將是今后土壤重金屬修復的主要研究方向。
3）基因工程的進一步研究。包括異地超累積植物的生態(tài)安全性問題、有價值基因的篩選、轉基因植物遺傳性能等。
來源：固廢觀察
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