植物对重金属污染土壤修复的研究进展

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　　摘 要：重金属污染土壤是环境污染中备受关注的问题之一，威胁农业生产、食品安全，并可通过食物链富集到人体当中，给人类和环境造成严重危害。植物修复重金属污染土壤，具有无二次污染、美化环境等优点。该文阐述了重金属污染土壤的修复方法、修复重金属污染土壤植物的种类及修复机理、植物修复重金属污染土壤的强化措施，总结归纳了目前存在的问题，并对植物修复重金属污染土壤的研究进行了展望。
　　关键词：重金属污染;土壤;植物修复
　　中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）05-0101-02
　　Research Progress on Remediation of Heavy Metal Contaminated Soil by Plants
　　Nie Siyu
　　（Henan University Miami College， Kaifeng  475004， China）
　　Abstract： Heavy metal contaminated soil is one of the most concerned issues in environmental pollution. It threatens agricultural production， food safety， and can be enriched in the human body through the food chain， causing serious harm to humans and the environment. Phytoremediation of heavy metal contaminated soils has the advantages of no secondary pollution and beautification of the environment. This article expounds the remediation methods of heavy metal contaminated soil， the types and mechanisms of remediation of heavy metal contaminated soil plants， and strengthening measures for phytoremediation of heavy metal contaminated soil， summarizes the existing problems， and prospects for phytoremediation of heavy metal contaminated soil.
　　Key words： Heavy metal pollution; Soil ; Phytoremediation
　　1 引言
　　随着工农业的快速发展，大量含重金属的废水废料被排放到环境当中，其中以汞、铬、铅、镉的含量最多[1]。据统计，超过2000万hm2的土地遭到重金属污染，每年约有1000万吨粮食减产，直接经济损失更是数不胜数[2]。修复重金属污染土壤有多种途径，包括物理修复、化学修复、生物修复以及联合修复，其中生物修复中的植物修复因其环境友好的特点被广泛研究。在中国知网中查到相关文献1303篇。重金属可以与硫醇或者蛋白质结合，摧毁人体内的各种酶结构，紊乱人体代谢活动，也可引发多种疾病[3]。重金属在土壤当中累积，通过食物链最终到达人体中，给自然环境和人类健康带来重大威胁。因此，重金属污染土壤的修复迫在眉睫。
　　2 重金属污染土壤的修复方法
　　重金属污染土壤的修复方法大致可分为物理修复、化学修复、生物修复以及联合修复。物理修复方法指的是在不发生化学反应的前提下将土壤中的重金属元素进行去除，包括客土、换土、深耕翻土法、热解析法和电动修复法。化学修复方法包括萃取法、氧化还原法、钝化法等等。这2种方法因成本高、容易造成二次污染而没有得到广泛应用。
　　生物修复方法指的是利用动物，植物，微生物来净化土壤。其中植物包括蕨类草本植物，经济类草本及农作物和木本植物。联合修复技术包括植物-微生物联合修复技术、植物-动物联合修复技术、植物-化学淋洗法、植物-化学固化法、植物-化学淋洗法-微生物联合修复技术。生物修复和联合修复成本低、不会对环境造成二次污染，且联合修复因结合多种修复方式效率大大提高。Huang[4]将芦苇接种丛枝菌根真菌，研究发现此方式可降低重金属毒性，增强芦苇丛对镉元素的吸收。Udovic[5]检测到赤子爱胜蚓存在的土壤pH比没有其存在的土壤高，蚯蚓的代谢可以改变重金属的存在形态，加强铅元素的生物可利用性。石媛[6]对北京11种树种累积有毒有害的重金属的能力进行研究，发现柳树对Cu元素的累积量最高。Mishra等[7]对Fe3+污染的土壤进行研究，发现叢生菌根真菌可以修复这样的土壤。Gove等[8]发现遏蓝菜与大麦间作可以减少大麦对重金属Zn的富集，表明遏蓝菜对土壤中Zn具有吸收作用。
　　3 修复重金属污染土壤的植物种类及修复机理
　　3.1 植物种类 常见金属所对应修复植物如表1。从表中可以看出，一种重金属元素可被多种植物富集去除，一种植物也可去除多种重金属元素。
　　3.2 修复机理
　　3.2.1 植物固定 植物固定是利用植物根系中发生的一系列反应例如氧化还原、重金属鳌合等，将有毒有害的重金属固定在植物根部，达到降低重金属在土壤中迁移性的目的。Salt等[9]研究发现某些植物根系的分泌物可使Cr6+转化为Cr3+，降低Cr在土壤中的毒性。
　　3.2.2 植物提取 植物提取是目前使用最广泛的一种方法。利用超富集植物的根系富集土壤中的重金属物质并将其转移到地上部分，再对地上部分进行收割和后续处理，达到减少或者去除土壤中重金属的目的。 　　3.2.3 植物挥发 植物挥发是利用植物根系分泌物将土壤中的重金属吸收进植物体内，再将重金属以气态的形式挥发到大气中，达到减少土壤中重金属含量的目的。此方法会对空气造成二次污染，对修复植物有限制，且空气中的金属气态物质可能会再回到土壤当中。因此该方法的应用具有一定的局限性和风险性，效率不高。
　　4 植物修复重金属污染土壤的强化措施
　　用单一的植物修复土壤会有生物量小、生长周期长、受重金属毒害严重等制约因素，使其修复的效果并不理想，因此需要强化技术提高修复效率。
　　4.1 农艺措施 农艺强化技术是强化技术中最环保绿色的技术。增加水分提高植物光合作用、多施加磷肥、适当施加氮肥能够提高植物修复效率。聂俊华[10]用温室土培方法对超富集植物进行试验，结果表明适量的氮肥和钾肥的施加可提高羽叶鬼针草、绿叶苋菜和紫穗槐的生物量，对重金属Pb的吸收也随之提高。
　　4.2 化学措施 植物修复对某些土质的土壤处理效果不佳，若在土壤中加入化学试剂便可加快植物根系对重金属的吸收速度。化学强化分为表面螯合剂强化和植物激素强化。使用较多的螯合剂有EDTA、NTA、DTPA、EDDS、GLDA、HEDTA、EGTA、柠檬酸等。植物激素包括脱落酸、生长素、赤霉素、细胞分裂素和乙烯。曹鐵华[11]对Pb污染土壤进行研究，运用化学试剂-微生物-植物联合修复的方法，在污染土壤中加入EDDS、真菌和黑麦草，发现明黑麦草的地上部分和地下部分Pb富集量分别比对照增加了7.7倍和10.7倍。
　　4.3 基因工程 基因工程强化技术是指在植物体内导入速生植物的遗传基因从而增强超富集植物对重金属的耐受性和富集。Nagata等[12]利用基因工程强化技术构建富集汞元素的优质载体，得到转基因烟草，提高了烟草对汞的吸收效率。
　　5 问题和展望
　　利用植物修复重金属污染土壤具有成本低、绿色环保的优点，但也存在一些问题：重金属超累积植物生长周期长、生物量小、易被土壤中重金属毒害、富集效率低等;一般一种超累积植物只能对一种重金属元素进行富集，当多种元素存在土壤当中时还有可能对植物产生毒害作用;植物修复技术目前只存在于实验室和大田实验当中，实际应用和生产并不广泛;超累积植物受土壤中水分、pH、湿度等因素影响大等。
　　从长远来看，有以下几方面改进空间：结合基因工程，将优良品种的基因导入受体植物，培养出生长周期短、生物量大、富集效率高、可以同时富集多种重金属元素的超累积植物;对植物联合修复进行深入研究，微生物、化学物质等的加入可以提高植物富集金属的效率;合理调整种植模式、控制土壤中水分含量、pH值、增强土壤中微生物活力，提高植物富集重金属的效率;对修剪下来的植物进行资源回收利用，避免二次污染。
　　参考文献
　　[1]韩慧珊.植物—微生物联合修复重金属污染土壤研究[J].资源节约与环保，2019（8）：12.
　　[2]龚继明.重金属污染的缓与急[J].植物生理学报，2014，50（5）：567-568.
　　[3]罗玉虎.植物修复土壤重金属污染的研究进展[J].环境工程，2019（37）：865-872.
　　[4]Huang X， Wang L， Zhu S， et al. Unraveling the effects of arbuscular mycorrhizal fungus on uptake， translocation，and distribution of cadmium in Phragmites australis（Cav.） Trin. ex Steud[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety， 2018， 149： 43-50.
　　[5]Udovic Metka， Lestan Domen. The effect of earthworms on the fractionation and bioavailability of heavy metals before and after soil remediation[J]. Environmental Pollution， 2006， 148（2）.
　　[6]石媛.北京市常见绿化树种对重金属和PM2.5的吸滞能力研究[D].保定：河北农业大学，2015.
　　[7]Mishra Vartika， Gupta Antriksh， Kaur Parvinder， Singh Simranjeet， Singh Nasib， Gehlot Praveen， Singh Joginder. Synergistic effects of Arbuscular mycorrhizal fungi and plant growth promoting rhizobacteria in bioremediation of iron contaminated soils[J]. International Journal of Phytoremediation， 2016， 18（7）.
　　[8]BJ， JHJ， DYS. Uptake of metals by plants sharing a rhizosphere with the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens[J]. International Journal of Phytoremediation， 2002， 4 （4）： 267-281.
　　[9]Salt D E， Blaylock M， Kumar N P， et al. Phytoremediation： a novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants[J]. Biotechnology， 1995， 13（5）： 468-474.
　　[10]聂俊华，刘秀梅，王庆仁.营养元素N、P、K对Pb超富集植物吸能力的影响[J].农业工程学报，2004（05）：262-265.
　　[11]曹铁华，牟忠生，王淑萍，等.抗铅微生物的筛选及EDDS螯合诱导黑麦草修复铅污染土壤的效应初[J].吉林农业科学，2012，37（06）：32-34.
　　[12]Nagata T， Nakamuraa A， Akizawa T， et al. Genetic engineering of transgenic tobacco for enhanced uptake and bioaccumulation of mercury[J]. Biological and Pharmaceutical Bulletin， 2009， 32（9）： 1491-1495. （责编：张 丽）
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