重金属污染生物修复技术研究进展

重金属污染生物修复技术研究进展
周晓江
（吉首大学生物资源与环境科学学院吉首湖南416000）
摘要：生物修复定义为利用生物在自然系统中的代谢去除环境中的污染物或使其无害化的技术，此方法与传统的污染治理技术相比, 具有成本低、不破坏环境、保护人类健康和易为大众接受等优点。

因此生物修复技术正越来越受到重视。

尤其是植物修复，正广泛应用于生态污染修复[5]。

针对目前植物修复技术的不足，文章综述了土壤、水体及矿山废弃地重金属污染植物修复技术研究进展并展望了今后该领域的研究方向。

关键词：重金属污染；生物修复技术
Research Progress of Bio-remediation Techenology Applied in
Heavymental Pollution
ZHOU Xiaojiang
(College of Biology Resources and Environmental science，Jishou，hunan 416000，China) Abstract:Bio-remediation is defined as the use of living things’supersession in removing pollutants from the environment or in rendering them harmless.Contrast to the traditional pullution administation techenology, its low cost and environmental friendly, bio-remediation is considered to be a potential usable technique for soil remediation.So the scientists is paying more and more attention to bio-remediation.Especially phytoremediation[5],is now widely used in ecological remediation.Besed on the drawbacks of present phytoremediation,the stregthen measure of phytoremediation soil and waterbody contaminated by heavy mentals and the resesrch directions of this field in future are reviewed.
Keywords: heavy mental contamination; Bio-remediation techenology
前言:土壤和水体是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分。

重金属污染土壤和水体现象是中国亟待解决的环境问题。

重金属污染后的土壤中不仅肥力降低、作物产量下降，还可通过食物链循环危及人类的健康。

土壤重金属污染具有隐蔽性、不可逆性和不可降解性，因此，对其治理工作的研究一直是各个相关行业的热点。

通常使用的物理、化学方法，不仅需要复杂的设备和专门的技术人员、成本费用高，还会带来二次污染[4]。

近年来，一些科学工作者开始寻找在不破坏土壤和水体生态环境、保持土壤和水体结构和微生物活性的状况下治理重金属污染的新途径。

植物修复为开辟这一新途径提供了希望。

植物修复技术是20世纪80年代初期发展起来的环境污染治理技术，它是利用一些植物能忍耐和超量富集某种或某几种重金属的能力，与根际微生物协同发挥生物治理，来降低土壤中的重金属含量的新技术。

这一技术普遍被认为具有物理、化学修复方法所无法比拟的优点：可以保养和改善土壤结构肥力、成本低廉、不会造成二次污染、可以同时处理受污染的土壤和地下水，已逐渐成为世界环境修复技术与工程科学领域研究的热点[6]。

继20世纪80年代Baker等在Nature 等著名刊物中报道其成果以后, 植物修复技术在英、美等国已受到广泛的重视。

它具有投入少、运行和维护成本低、不会产生二次污染和能大面积推广等特点, 具有广阔商业前景。

植物修复在我国虽然是近年来新兴的土壤修复技术, 但目前已成为最具经济开发价值的土壤重金属污染改良技术。

为了提高土壤重金属污染的治理效果，国外已有人将分子生物学和转基因技术应用于植物修复，并在改善植物对重金属的
抗性和积累方面取得了一定的成效，为植物修复开辟了新的途径。

一、植物修复技术理论与现状
1.1 植物修复技术理论研究
植物修复技术一般是指利用植物来清除土壤和水体中的污染物或降低污染物的毒性, 使受到污染的环境得到恢复的一种技术。

在土壤作物系统中受重金属污染土体的植物修复可以分为以下几种：
(1)植物提取: 利用一些植物对污染物(重金属)的吸收和在地上部的积累, 通过收获地上部来达到减少土壤重金属含量的目的。

这一技术分为持续的植物提取和诱导的植物提取。

前者是利用超积累植物来吸收土壤重金属并降低其含量的方法, 后者是指通过使用一些螯合剂来提高普通植物( 具有较高生物量)吸收和积累土壤重金属的方法[1—3]。

(2)植物挥发：利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态, 挥发出土壤和植物表面的过程。

(3)植物过滤或根系过滤: 利用植物根系的吸收能力和巨大的表面积或利用整个植株来去除废水中的重金属。

(4)植物纯化: 利用一些植物来促进重金属转变为低毒性形态的过程，在这一过程中, 土壤的重金属含量并不减少，只是形态发生变化[7]。

植物修复重金属污染土壤的机理主要表现在: 植物根系的吸收、转化、降解与合成；根系分泌物质促进土壤微生物(细菌、真菌、放线菌等)的降解、转化和生物固化作用; 根系的机械阻留作用；根系的离子交换和吸附作用。

根据植物聚集、吸收、运输、富集污染物的特性, 植物修复污染物可分为两种类型: 第一种类型是连续吸收, 即把重金属富集的植物栽在污染的土壤中，让植物长期吸收；第二种是螯合辅助吸收，即利用速生而且金属富集强的栽培作物比如Brassicajuncea和大田使用的螯合辅助剂EDTA、柠檬酸等，促进污染物的聚集和植物的吸收。

利用植物修复土壤和水体重金属污染、保护环境的技术已日趋成熟。

植物对土壤、水体重金属污染修复的成效如何主要取决于植物种类的选择。

选择植物必需坚持“适地适树”的原则，即选择那些在生理上、形态上都能够适应污染环境要求, 并能满足人们对污染土壤修复的目的，而且具有一定经济价值的植物。

理想的植物类型应具有以下特点：在自然的条件下, 具有旺盛生长的能力, 或在经济许可人为改变污染环境后, 植物能旺盛生长；植物抗病虫害能力强并且对重金属具有一定的耐性[8—9]；能够按照人们的意图与污染物发生相互作用；维护费用低、易于种植、便于人工或机械操作、经济上可行；理想的植物种类还应该是本地品种，不应该是外来品种。

植物要吸收和积累“土壤结合态”的金属就必须先活化这些重金属, 使其进入土壤溶液。

植物中土壤重金属活化的机理主要通过以下几个方面来实现：植物本身分泌特殊物质来螯合溶解难溶性金属；通过某些微生物或微生物和植物的共生体促进植物对重金属的吸收；通过一些土壤改良措施如螯合剂、酸性肥料等的施用增加重金属的有效性，从而提高植物对重金属的提取效率；重金属的活化取决于植物种类以外，要看土壤条件(包括土壤微生物)通过植物系统与微生物群落共同作用来降解环境中的有机污染物[11]，这在国外的植物修复技术中已有报道；pH、土壤氧化还原电位以及土壤中其他竞争离子的调节作用也会显著影响土壤作物系统中重金属的有效性[10]。

1.2 植物修复技术研究现状
植物修复是一项处于迅速发展之中、具有广阔应用前景的新技术。

植物修复以太阳能为驱动能, 适用于中-低强度污染的治理，成本较低, 具有很好的社会、生态综合效益, 易被公众所接受，特别适合在发展中国家采用。

但是，由于该项技术起步时间不长，在理论基础、
修复作用机理及技术工艺方面还需要进行大量的研究。

近期的研究内容主要包括以下几个方面[12—14]。

1.2.1 寻找、筛选、培育超累积植物
自然界中的超累积植物不仅种属稀少, 而且往往有地域分布的局限性。

此外, 多数超累积植物往往存在生物量小、生长缓慢、气候环境适应性差等问题。

因而，至今能适用于工程化修复的超累积植物数量十分有限。

寻找、筛选和栽培驯化自然界中存在的超累积植物, 使其能适用于实际应用, 仍然是当前植物修复研究的一项重要任务。

植物筛选或培育时应该注重考虑植物吸收累积金属元素的能力，是否能同时累积多种金属, 生长速度, 生物量尤其是地上部可收割的生物量, 根系发育程度、分布深度[15]，对气候环境的适应性及抗病虫害能力等因素。

我国的野生植物资源十分丰富，在研究、开发野生植物于植物修复方面，有希望取得重要的发现.。

1.2.2 深化应用基础理论研究
植物对重金属的超量吸收和积累及其解毒机理、根际作用以及根际微生物群落的生态学特征和生理学特征、根际土壤环境条件对重金属的生物有效性制约机理等一系列基础理论问题有待深入研究，其成果可用以指导植物修复技术的研究和发展。

当前植物修复研究中的土壤处理和调控技术( 包括添加络合剂、调控土壤pH值、培育微生物等)以及农业耕作技术(包括种植栽培、施肥、深耕、灌溉与潜水位调控等)都是在基础理论指导下取得的，在增加污染物的生物有效性、促进植物根系的生长发育、提高植物修复效率方面达到了预期的效果。

1.2.3 分子生物学和基因工程技术的应用
随着植物修复研究的深入，人们发现超累积植物往往植株矮小、生长速度慢，很难具有实际应用价值,而生长速度快、生物量大的植物往往对重金属忍耐性低, 组织中富集量不高。

自然界中, 某些生物尤其是细菌在进化过程中形成了对金属的耐性和累积性, 这些优良性能很可能是受某种基因控制, 将这些基因引入受体植物中, 就有可能得到适合于植物修复的品种。

其核心工作是应用转基因工程技术，将自然界中超累积植物的耐重金属、超累积基因移殖到生物量大、生长速率快的植物中去，培育出具有实用价值的转基因植物，以克服天然超累积植物的缺点，提高植物修复的实用性[16—18]。

至今, 在Se、Hg、Cd、Zn等重金属元素转基因植物研究领域已取得了较大的成果。

Hasegawa等将酵母金属硫蛋白基因的结构因子与CaMV35S启动子远端捆绑，并将整合的基因导入花椰菜，以选育耐Cd的花椰菜，他们发现，转基因花椰菜对土壤中Cd的耐性比未经基因重组的花椰菜提高了至少16倍。

1.2.4 植物修复的技术工艺研究
植物修复最终需要通过现场种植植物来实现, 确保植物在现场环境下生长良好并具有较高的治理效率是取得成功的前提。

应用化学试剂(络合剂、螯合剂)、微生物或土壤改良剂、酸碱调节剂等，通过土壤氧化还原条件调控(施有机肥、水作或旱作)、pH值调节等手段, 可以在较大程度上增加目标重金属的生物有效性、提高植物吸收率、加速有机污染物的吸收和降解作用[17]。

采取合理种植、科学施肥、深耕等耕作措施与技术，可以促进植物生长、提高植物的生物量或增加收获次数，从而提高植物修复的综合效率。

这些方法和技术始终是使植物修复取得良好应用效果的重要辅助手段。

二、植物修复技术对土壤重金属污染的应用
2.1 城市土壤重金属污染的主要类型
城市土壤中重金属污染物的来源和重金属污染的途径，城市土壤重金属污染的发生
型主要可归纳为如下4种：
(1)水质污染型：污染源主要为工业废水、城市生活污水和受污染的地面水体。

污染途
径主要是人为地向土壤直接排放污水或因污水管破裂而造成污水外溢，城市污水沟中污水的渗透，污水灌溉等。

(2)大气污染型：可表现在很多方面，但以工业飘尘(散落物)及汽车尾气等几种情况最为普遍。

燃煤和冶炼厂飘尘中的污染物就主要是重金属，而汽车尾气对高交通量的道路两侧的铅污染就不容忽视。

(3)固体废弃物型：主要污染源有工矿业废渣、污泥和城市垃圾。

(4)综合污染型：在现实生活中, 城市土壤重金属污染的发生往往是多源性的，对于同一区域受重金属污染的土壤，其污染源可能同时来自废气、废水、废渣, 所以城市土壤重金属污染往往表现为综合型的[18]。

2.2 重金属污染土壤的植物修复研究
土壤重金属污染的植物修复研究已经取得了一定成果, 但仍存在一些问题, 主要表现在以下几方面：(1)目前发现的超富集植物只是对某一种重金属具有超富集性, 还未发现具有广谱重金属超富集特性的植物, 这在当今土壤污染多是复合污染的情况下应用有一定局限性;
(2)目前发现的超富集植物还不太多，且大多数生长在一些偏远的受采矿活动影响的地区, 超富集植物有一定的适生范围，在一定的气候和土壤条件下生长, 应用范围较小；(3)目前发现的超富集植物大都比较矮小，生物量较低, 生长比较慢, 修复污染较严重土壤的周期长, 且大多根系较短只能清除土壤表层的重金属；(4)目前对超富集植物吸收重金属的机理研究, 特别是对超富集植物根吸收重金属并转运到地上组织以及重金属的累积与忍耐等一些生理生化机制的研究进展缓慢, 阻碍了超富集植物分子机制以及转基因超富集植物的研究[19]。

三、植物修复技术对水体重金属污染的应用
利用水生植物净化重金属污水，目前应用得较多的是人工湿地技术和生物塘工程。

1.1 人工湿地技术[10，11]
湿地处理系统是一种利用低洼湿地和沼泽地处理污水的方法。

人工湿地是在一定长宽比及底面坡降的洼地中，按一定的坡度填充一定规格的填料，如砾石。

在填料表层土壤中种植一些处理性能良好，成活率高，生长周期长，美观及有经济价值的植物，构成一个湿地生态系统。

在运行中含重金属的污水缓慢流过生长植物的土壤表面，在耐水性植物和土壤共同作用下得以净化。

1.2 氧化塘[12]
氧化塘又称稳定塘或生物塘。

它是利用库塘等水生生态系统对污水的净化作用，进行污水原位处理的工程措施。

通过向池塘内投放对重金属有富集作用的植物，如水葫芦，水芹菜，黑麦草、香蒲等，然后定期收割，达到去除重金属的目的。

如水葫芦，1 hm2葫芦一昼夜就能从水中吸收锰4 kg、汞89g、镍297 g、铅104 g，并能从低于1×10-6的含镉废水中，除去97%的镉[20]。

四、植物修复技术对修复矿山废弃地的应用
采矿活动导致矿区重金属污染( 表层土壤、地表水、地下水) 、土地退化、农作物减产和品质下降, 直接危及到人体健康和矿产业的可持续发展。

我国金属矿产资源丰富, 矿业开发所造成的土壤重金属污染量大面广, 是我国土壤污染治理不可忽视的问题。

4.1 矿山废弃地重金属污染的产生
矿产资源开发, 将井下矿石搬运到地并通过选矿和冶炼, 使地下一定深度的矿物暴露地表环境, 改变了矿物的化学组成和物理状态,而使重金属开始向生态环境释放和迁移。

金属矿山中的尾矿库, 是重金属污染的重要来尾矿是开采过程中产生的一种固体废物, 这些废物中含有较高的有毒重金属, 由于物理、化学条件改变, 尾矿中重金属元素的释放、迁移, 对
附近壤等表生环境产生严重的重金属污染, 并通过触、食物链等途径, 直接或间接地危害人类。

4.2 植物修复矿山废弃地的研究
近年来, 植物修复技术方法, 由于其原位修复、成本低、不造成二次污染等多种优势, 而成为国际范围的研究热点。

通常,超富集植物的界定由以下几个因素决定:植物体内某种或多种金属元素浓度大于一定的临界值;植物地上部的重金属含量高于根部, 即有较高的(地上部/ 根)浓度比; 在重金属污染的土壤上能良好生长, 不发生重金属中毒现象。

由于不同元素在土壤和植物中的自然浓度各不相同, 因此, 不同重金属超富集植物对重金属吸收的临界浓度并不相同, 常见重金属在土壤和普通植物中的含量, 以及超富集植物的临界标准见表1[16]。

表1 重金属在土壤和植物中的平均浓度以及超富集植物的临界标准( mg/kgDW) 重金属种类土壤平均浓度植物平均浓度超富集植物临界标准
Cr 60 20 1000
Cu 20 10 1000
Zn 50 100 10000
Mn 850 80 10000
Ni 40 2 1000
Pb 10 5 1000
Cd 20 2 100
研究表明,可在尾矿区污染土壤中保留适量杂草, 使其从土壤中吸收大量Pb, 再将其清除。

五、展望
植物修复技术属于原位修复技术，具有保护表土、减少水土流失的功效，可广泛应用于矿山的复垦、重金属污染土壤的改良，是目前最清洁的污染处理技术。

与其它处理方法相比，植物修复技术产生的废物量较少，处理费用低，并且可以回收重金属，具有明显的优势，尤其适合于在发展中国家应用。

植物修复技术作为一种新兴高效、绿色廉价的生物修复途径，具有良好的经济和生态综合效益，易于被大众接受，具有广阔的应用前景。

植物修复应该着力发展和培育抗性强、产量高、品质好的作物品种，并筛选以体外抗性为主导机制的重金属排异植物，特别是农作物，减少其向可食用部位转移、积累，减少在食物链中的循环，用花卉进行土壤修复也是植物修复土壤污染的一个发展方向，花卉属观赏性植物，不会进入食物链循环，可减少对人体健康的危害，用花卉修复污染土壤既能修复土壤又能美化环境，一举两得。

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