重金属污染土壤的植物修复研究

重金属污染土壤的植物修复研究

作者：黄梦华

来源：《绿色科技》2012年第04期

摘要：分析了我国重金属污染现状，从超富集植物、植物挥发、植物积累、植物代谢、植物固定等方面探讨了重金属污染修复技术，阐述了超富集植物修复机型，为重金属污染土壤治理提供参考。

关键词：土壤;重金属;植物修复

1 引言

重金属通常是指一种元素的原子密度大于6 g·cm-1(除了砷之外)［1］。这些元素主要是指Cd、Cr、Cu、Hg等,其中Co、Cu、Cr、Mn、Zn是生物体内所必须的元素,而其它Cd、Hg和Pb则不是生物体内的必须的元素。环境中的重金属的主要来源有两个方面:一是自然环境重金属本底值,二是人为排放到土壤中的重金属。

目前,我国的重金属污染十分严重，据报道［2］,全国耕种土地面积的10%以上已受重金属污染,受重金属污染的土壤面积达到了1 000万hm2。同时国内常有重金属污染事件发生,如血铅事件、Cd米污染事件、As污染事件和龙江镉污染事件等。

2 重金属污染修复技术

目前对重金属的修复技术主要有物理修复、化学修复和生物修复。物理修复［3］是指利用物理的方法进行污染土壤的修复;化学修复［4］是指加入到土壤中的化学修复剂与污染物发生一定的化学反应,使污染物被降解和毒性被去除或降低的修复技术;生物修复是指以生物为主体,利用生物吸收、降解、转化污染物,治理污染土壤的修复技术。目前研究比较成熟的是物理修复和化学修复,但是它们有容易产生二次污染、工程量大、投资高、引起土壤肥力减弱和修复成本较高等问题而不能得到广泛的使用;利用生物修复研究目前比较少,将其利用到治理重金属的污染土壤的案例更少。这主要是由于微生物的质量小,累积的重金属难以从污染场地中转移出来,限制了利用生物修复重金属污染土壤技术的推广。植物修复具有效率高、安全性能好、费用低、易于管理与操作、不易产生二次污染和环境友好型等优点而备受当前科研工作者的关注。

2.1 植物修复

植物修复是指利用植物对某种污染物(重金属)具有特殊的吸收富集能力,将环境中的污染物转移到植物体内或者将污染物降解(或者使形态改变)而利用,其后对植物,尤其是植物的地上部分进行回收利用,以达到去除或者消减污染物对环境危害的治理技术。它是一种新兴的绿色生物修复技术,能在不破坏土壤生态环境、保持土壤结构和微生物的状况下,通过植物的根系直接

将大量的重金属吸收,从土壤中移去重金属从而修复被污染的土壤,它是环境污染治理的重要手段。对重金属的修复类型主要包括植物富集、植物固定、植物挥发、植物降解、植物转化和植物刺激。

2.2 超富集植物

超富集植物最早由Brooks等［5］提出,是指茎中Ni的含量大于1 000mg·kg-1的植物,其后超富集植物的概念得到了扩大,且更加的全面。目前对超富集植物的定义［6］为植物地上部分的重金属含量大于根中重金属的含量,且植物地上部分的重金属含量达到一定的值,但该植物没有表现出明显的中毒症状,该植物的转运系数大于1。目前限制植物修复技术发展的一大瓶颈就是超富集植物的筛选工作,当前国内外发现的超富集植物700余种［7］,其中360多种为Ni的超富集植物［8］;广西Mn的产量超过了全国总产量的1/3,而受重金属Mn污染的区域较广,但目前国内发现的Mn的超富集植物仅5种。

2.3 植物挥发

植物挥发是利用植物去除环境中部分易挥发的污染物的方法,即植物将污染物吸收于体内后又将其转化为气态物质而释放到大气中［9］。植物挥发技术往往被用来处理Hg、As和Se 等重金属元素,这些重金属元素具有比较低的气化点,容易在植物组织中转化而形成能够通过植物气孔排放到大气中的物质,但是这种修复技术往往只是杯水车薪的工作,并没有达到修复的效果,因为它只是将土壤中易挥发的重金属元素通过植物转化挥发到了大气中,但是这些元素形态有较容易与水结合,而又散落到土壤中,造成二次污染或者污染场地的扩大。

2.4 植物积累

植物主要可以通过植物萃取技术和植物过滤作用达到累积重金属的效果。植物萃取技术或者又称为植物提取技术,是指利用重金属超富集植物从污染土壤中超量吸收、累积某一种或几种重金属元素,之后将植物地上部分收获并集中处理的技术。

2.5 植物代谢

植物代谢是指重金属(主要指As)进入植物体内后,其价态在植物组织中发生转化,降低其对植物组织的危害,达到利用植物修复重金属污染土壤的目的。目前主要研究有砷的形态转化。砷在污染土壤及植物根系中主要是以砷酸盐的形式存在,在植物叶片中则主要是以亚砷酸盐的形式存在,有机形态的砷基本不存在于植物的组织中。砷超富集植物之所以能够吸收高浓度的砷有可能是由于亚砷酸盐在植物组织中对组织的破坏较小的原因。

2.6 植物固定

植物根系可以分泌某些特定的物质,使污染土壤中的重金属得以固定或者沉淀,从而降低了污染土壤中以重金属的有效态形式的存在,降低了其进入地下水以及植物体内继而进入食物链

中的可能性,减轻了重金属对于人体及环境危害的潜在可能性。目前对于这方面应用成功例子主要是Pb和Cr［6］。但是由于这种方法只是将重金属的形态改变了,并没有改变其在污染土壤中的存在。如果环境发生变化,则有可能使被固定下来的重金属重新解离出来而对人类健康及环境造成危害。

3 超富集植物修复机理研究

3.1 抗氧化酶系统

植物体内的抗氧化系统由酶与非酶物质组成,抗氧化酶主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX);非酶物质主要是指富含-SH的还原性谷胱甘肽(GSH)、硫巯基(-SH)与植物络合素(PCs)。

植物组织中的富含-SH的还原性谷胱甘肽(GSH)、硫巯基(-SH)与植物络合素(PCs)的存在,将会与进入植物组织中的重金属结合产生络合物,降低重金属在植物组织中的活性,进而降低了重金属对于植物的伤害,起到了保护植物的作用。

目前对超富集植物的解毒机理研究结果表明［10-12］,一般在低浓度下,抗氧化酶起着主要的解毒作用;而在高浓度的重金属下,非酶物质起着主要的解毒作用。

3.2 超富集植物氮素代谢

目前对于超富集植物的氮素代谢系统也做了大量的研究。植物通过根系吸收的NO-3N,在植物体内经过硝酸还原酶等一系列物质的作用转化为NH+4-N-即大量活性铵根,植物可以通过GS/GOGST和GDH两条途径清除植物组织中产生的NH+4-N,从而降低NH+4-N在植物组织中的累积。但是当植物受到外界的胁迫毒害作用后,植物的该两条途径就可能会受到影响,导致产生了大量的NH+4-N累积在植物的体内,从而将影响到植物体内氨代谢,影响到植物的生长。但是超富集植物在受到重金属的胁迫时,植物会通过GS/GOGST和GDH活性将得到加强,有利于清除植物组织中产生的NH+4-N,从而降低NH+4-N在植物组织中的累积,起到保护植物免受氨毒害。

3.3 超富集植物碳代谢

通常所称的碳水合物代谢主要是指植物体内的碳代谢,植物的生长离不开碳素代谢,因此对于超富集植物在重金属的胁迫下,植物体内碳水化合物代谢关键酶的活性及常见物质的变化研究是重要的。但是目前对于重金属污染植物修复碳素代谢的研究比较少,这将可能成为今后植物修复研究的一个新的方向。

3.4 改良剂应用于植物修复