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土壤


第 25 卷 第 2 期  2005 年 4 月

中 南 林 学 院  学 报 JO U RN A L OF CENT RA L SOU T H FO REST R Y U NI VER SIT Y

V ol. 25 N o . 2 A pr. 2005 

[ 文章编号] 1000- 2502( 2005) 02-

0059- 04

土壤- 植物系统中重金属污染及植物修复技术
郭亚平, 胡曰利
( 中南林学院, 湖南 株洲 412006)

[ 摘 要]   重金属污染对环境及人类的危害极大, 其治理方法一直是国内外研究的热点与难点. 阐述了土壤重金属污染的 现状、 危
害; 阐述了当前治理土壤重 金属污染的新途径—— 植物修复技术, 着重介绍了提 高植物修复功效方法中提高土壤中重金属的 有效性 和改进超积累植物的性能; 阐述了植物修复技术的应用前景.

[ 关键词]   环境科学; 土壤- 植物系统; 重金属污染; 植物修复 [ 中图分类号]   X53; O 611. 4     [ 文献标识码]   A

Heavy Metal Pollution and the Phytoremediation Technology in the Soil -plant System
GU O Ya-ping, H U Yue-li
( Col lege of Sciences , Cent ral Sout h Forest ry U niversit y, Zh uzhou 412006, Hunan, China)

Abstract: Heavy met al poll ut ion is hazardous t o t he environment and h uman h ealt h. How t o prevent an d cure t he h eavy met al
cont aminat ion is a h eated and diff icult probl em bot h at home and abroad. T he st atu s quo and t he har m of heavy met al pol lut ion in t he soil -plant s yst em are discuss ed in th e p aper . T he pap er als o int roduces a new curing meth od-phyt oremediati on -to cont rol heavy met al cont aminat ion and it s app licat ion prospect w ith th e f ocus u pon “ enhancin g th e val idit y of t he heavy met al and am eliorat ing t he capabilit y of super -accu mulat ing plant s”in t he tech nology .

Key words: envir on ment al; s cien ce s oil -plant s yst em ; h eavy -met al cont am inat ion; phyt oremediat ion

土壤是人类生态环境的重要组成部分, 是人类社会的生存基础 [ 1] . 土壤- 植物系统是陆生生态系统物能循 环的枢纽, 是联接有机界与无机界的桥梁. 由于生活污水排放、 污水灌溉、 大气沉降、 采矿冶炼、 农药化肥的大量 施用等原因, 造成了该系统的污染, 尤其是重金属污染状况日趋严重. 在该系统中发生重金属污染后, 因其具有 隐蔽性、 不可逆性和长期性的特点, 对陆生生态系统构成潜在的巨大威胁, 不仅影响植物的产量与品质, 而且影 响大气和水环境质量, 并通过食物链危害人类的生命和健康. 因此, 对土壤植物系统重金属污染问题进行深入 研究尤为重要
[ 2, 3]

. 对于近年来出现的植物修复技术, 由于与传统的化学修复以及物理和工程修复等技术手段
[ 4]

相比, 它具有投资和维护成本低、 操作简便、 不造成二次污染、 具有潜在或显著经济效益等优点, 这些优点预示 其将发展成为污染治理领域的朝阳产业 , 因此对其进行研究, 有着重大的意义.

1 土壤- 植物系统中重金属污染研究现状
重金属污染是由重金属及其化合物引起的环境污染, 其中主要包括Hg 、 P b、 、 Cu、 及类金属As Cd、 Cr Zn、 Ni 等. 土壤- 植物系统中, 重金属污染研究实际上涉及到工、 农业生产和人类的生活等许多方面. 环境中存在各种 各样的重金属污染源, 但最主要的污染源是石化燃料、 采矿、 冶炼以及使用重金属的工业企业. 随着污水灌溉面 积的不断扩大, 污灌区土壤- 植物系统中重金属污染问题更成为人们关注的焦点 . 目前, 我国受镉、 铬、 砷、 铅 等重金属污染的耕地面积近 2 000 万 hm 2 , 约占总耕地面积的 1/ 5; 其中工业“ 三废” 污染耕地面积1 000 万 hm 2, 污水灌溉的农田面积已达 330 多万hm
[ 收稿日期] 2004-09-10 [ 作者简介] 郭亚平( 1971- ) , 女, 湖南桃源人, 讲师, 硕士研究生, 主要从事化学教育及环境科学研究.
2[ 6] [ 5]

.

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第 25 卷

1. 1 重金属在土壤- 植物系统中的迁移、 累积 影响重金属在土壤- 植物系统中的迁移累积因素主要包括土壤理化性质、 重金属含量及形态和植物特性, 下面从这几方面加以阐述. 1. 1. 1 土壤理化性质的影响 不同土壤类型中的植物对重金属的吸收能力不同, 土壤 pH 值的变化影响植物 对重金属的吸收, 如施用铵态氮显著降低根际土壤的 pH 值, 增加土壤可解吸性镉和玉米植株吸镉量, 而施用 硝态氮肥则相反; 施用污泥的同时施入石灰可以降低玉米叶子中 Cd 的含量 , 在相同的 Cd 浓度下, 酸性土壤 上玉米植株中 Cd 浓度高出中性土壤许多倍[ 8] . 在不同 pH 值处理的受Z n、 污染的花园和山地土壤盆栽试验 Cd 中, T . careulesences 吸收的 Zn 、 量的大小随土壤 pH 值下降而增加 [ 9] . Cd 1. 1. 2 重金属含量及形态的影响 重金属对植物的毒害程度取决于它在土壤中的迁移能力, 迁移能力大, 植 物有效性高, 对农田生态系统的危害程度大. 而重金属在土壤中的迁移能力与它在土壤中的吸附作用及其形态 有关. 植物根系周围土壤溶液中的重金属含量是影响重金属生物有效性的重要因素之一, 而重金属含量变化受 其在土壤中的吸附—解吸、 沉淀—溶解和氧化—还原平衡的控制, 在一定条件下, 呈吸附态和沉淀态的重金属 可以在土壤水溶液之间相互交换. 一般降低 pH 值, 可使呈吸附态的重金属解吸释放进入土壤溶液中, 从而增 加植物对重金属的吸收; 增加土壤有机质含量也可使部分呈沉淀状态的重金属与柠檬酸和苹果酸络合, 转化为 有机吸附态被植物吸收利用 [ 9] . 有实验表明, 土壤中的镉主要以可交换态存在, 土壤中的锌主要以残留态、 铁锰 氧化物态和碳酸盐态存在, 土壤中的铅主要以铁锰氧化物态和碳酸盐态存在; 可交换态含量最少, 有机态和残 留态含量居中; 对菠菜含镉量贡献最大的是可交换态镉, 对菠菜含锌量贡献最大的是铁锰氧化物态, 与菠菜含 锌、 铅量比较, 菠菜吸收镉的能力很强 [ 10] . 1. 1. 3 植物特性的影响 不同植物对重金属的吸收累积有很大差别, 同一作物对不同重金属元素的吸收富集 和忍耐能力不同. 蒋先军等研究表明[ 11] , 印度芥菜对不同重金属元素 Cu 、 、 b 和 Cd 的忍耐能力不同, 在含 Zn P Cu 250、 b 500 或 Zn 500 mg / kg 的污染土壤上, 印度芥菜能够正常生长, 但在含 Cd 200 mg / kg 的土壤上发生镉 P 中毒而出现失绿黄化症状. 另外, 郭水良等对某市郊 33 种杂草中的6 种重金属元素 Cd、 Cu、 n、 和 Zn 的 Cr、 M Pb 含量进行测定, 结果表明: 不同杂草根、 叶、 茎、 花果 4 种不同器官中, 6 种重金属元素的平均含量由高到低分别 为根> 叶> 茎> 花果; 元素在植物体内的含量由高到低分别为 Z n> M n> P b> Cu> Cr > Cd. 这说明不同植物 的不同器官对重金属的吸收累积不同 1. 2 重金属污染对作物的影响 重金属在土壤- 植物系统中的迁移直接影响到植物的生理生化和生长发育, 从而影响作物的产量和质量. 镉是危害植物生长的有毒元素, 土壤中如果镉含量过高, 会破坏植物叶片的叶绿素结构, 减少根系对水分和养 分的吸收, 抑制根系生长, 造成植物生理障碍而降低产量. 刘云国等人的研究表明, Cd 污染对土壤脲酶活性的 影响很大, 随土壤 Cd 浓度的增加, 脲酶活性下降趋势明显, 如在金盏菊中, 脲酶活性下降幅度为51% ~88% , 在 月季中, 脲酶活性下降幅度为 36% ~78% , 故可用土壤脲酶活性变化来表示土壤受 Cd 污染程度[ 13] . 土壤中的 铅在植物组织中的累积可导致氧化过程、 光合过程以及脂肪代谢过程强度减弱, 同时可促使对水的吸收量减 少、 耗氧量增大, 从而阻碍植物生长, 甚至引起植物死亡[ 14] . 铜、 锌是植物生长必需的微量元素, 但在土壤中含 量超过一定限度时, 作物根部会受到严重损害, 根部的破坏使植物对水分和养分的吸收受到影响, 造成生长不 良, 甚至死亡 [ 15] . 若土壤生态系统中同时存在多种污染物, 则会造成复合污染, 如宋良纲等研究表明, 重金属在 复合污染条件下对植物的毒害及其在土壤中的迁移动态要比单一元素的污染复杂、 严重得多 [ 15] . 铜、 铅、 锌、 镉 单一污染或复合污染对白菜种子的发芽与根伸长均有抑制作用, 复合污染产生明显的协同作用, 对白菜根伸长 的抑制效应阈值明显降低[ 16] . 我国每年因重金属污染而减产粮食超过 1 000 万 t , 另外被重金属污染的粮食每 年也多达1 200 万t , 合计经济损失至少 200 亿元 . 1. 3 重金属污染对人类的危害 土壤被重金属污染后, 很难修复, 进入土壤中的重金属会在土壤中积累, 当其积累到一定程度便会对作物 产生不良影响, 不仅影响作物的产量和品质, 而且进入食物链影响人类健康, 如铅能伤害人的神经系统, 特别是 对幼儿的智力发育有极其不良的影响; 镉的毒性很大, 在人体内蓄积, 会引起泌尿系统功能变化, 还会影响骨骼 发育, 如 1955 年发生的震惊世界的日本神通川地区的“ 痛痛病” 就是因为该地区的土壤植物系统受到重金属 ,
[ 6] [ 12] [ 7]

.

第2 期

郭亚平等 : 土壤- 植物系统中重金属污染及植物修复技术

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镉的污染, 1953 年日本水俣氮肥厂乙酸乙醛反应管排出的含有氯化甲基汞的汞渣流入水体, 鱼、 贝类食入 虾、 后通过食物链进入人体, 乃至发生了震惊世界的“ 水俣病” 事件 [ 17] . 在我国, 随着污灌面积的不断扩大, 土壤重 金属的污染问题日趋严重, 如沈阳、 兰州、 桂林、 萍乡等地重金属污染均较明显; 湖南株洲的冶炼厂和化工厂附 近地区的重金属汞、 铅的含量均超标, 对人和家禽健康影响很大. 土壤重金属污染对人类健康造成的威胁引 镉、 起世界各国科学工作者的普遍关注, 对其治理成为目前研究的难点和热点.

2 治理土壤重金属污染的新途径——植物修复技术
金属污染土壤的植物修复( phyt oremediat ion) 技术是指利用植物修复和消除由有机毒物和无机废气物造 成的土壤环境污染
[ 18]

, 是一种利用自然生长植物或遗传工程培育植物修复金属污染土壤环境的技术总称, 它
[ 19]

是通过植物系统及其根际微生物群落来移去、 挥发或稳定土壤环境污染物. 根据植物整治重金属污染土壤的作 用过程和机理, 重金属污染土壤的植物修复可分为以下 4 种类型 发( P hyt ovol al izat ion) ; 植物稳定( P hyt ost abil izat ion) ; : 植物提取( Phyt oext ract io n) ; 植物挥 植物转化( P hyt ot ransfo rmat ion) . 对于植物修复重

金属污染土壤的机理已有很多报道, 下面根据其机理谈谈增强植物提取修复的功效. 提高植物修复功效的方 法很多, 本文中仅从以下 2 方面加以阐述: 提高土壤中重金属的有效性; 改进超积累植物的性能. 2. 1 提高土壤中重金属的有效性 进入土壤的重金属大多吸附在土壤颗粒表面或以不溶性沉淀形式存在, 使其在土壤中的生物有效量较少, 这成了植物提取修复的一个限制性因素. 近几年来, 对提高土壤中重金属的有效性的研究主要集中在增加土壤 溶液中有效态重金属的浓度和利用土壤微生物增加金属生物有效性两方面. 2. 1. 1 增加土壤溶液中有效态重金属的浓度 调节土壤pH 值: 土壤酸度是影响土壤中重金术生物有效性的 主要因素. Robinson 等研究认为, 植物体内金属含量与植物有效性呈正相关, 而与 pH 值呈负相关, 即降低 pH 值, 可以提高土壤溶液中有效态重金属的浓度 从而增加土壤中重 金属的可利用性.
[ 20]

. 因此, 可以施用铵态氮肥或土壤酸化剂等来改变土壤环境,
[ 1]

添加络合 剂. 这方面已有大量研究 , 如 Wu 和 Luo 实验得出, 添加

EDT A 可显著提高土壤溶液中总有机碳、 Zn、 和Cd 浓度; Wenzel 等研究得出各种络合剂对土壤Pb 的解 Cu、 Pb 吸活化顺序为 EDT A > HEDT A> CDT A= DT PA > EGT A > HEIDA> EDDHA> NT A. 添加络合剂能提高 土壤溶液中金属浓度, 是由于土壤中加入的络合剂能与土壤溶液中的金属离子配位形成配合物, 从而减少了游 离的金属离子, 为补偿平衡, 吸附在土壤颗粒表面或不溶性的金属离子开始溶解, 进入土壤溶液. 土壤的氧化 还原电势作用. 氧化还原电势不同, 金属存在的形态也不同. 提高土壤的电势, 金属会从还原态变成氧化态, 反 之, 会从氧化态变成还原态, 因此, 可以根据不同金属的不同形态在土壤溶液中溶解度不同, 来调节土壤的氧化 还原电势, 进而提高土壤溶液中重金属的浓度, 如 Cr 3+ 被氧化为 Cr 6+ 可以增加镉在土壤溶液中的浓度, 而砷酸 盐被还原为亚砷酸盐时可以增加砷在土壤溶液中的浓度. 除以上几种因素外, 金属有效性的提高还与土壤中的 养分、 有机质作用、 电渗透作用、 重金属之间的相互作用、 植物根系分泌物
[ 21]

及水分含量等因素有关.
[ 6] [ 22]

2. 1. 2 利用土壤微生物增加金属生物有效性 有研究表明, 在厌气和好气条件下, 无菌土壤中没有镉放出来, 而有菌土壤中有大量的固态和结合态镉被活化, 使土壤中镉的有效性明显增加 . M ench 等 分泌物通过溶解铁氧化物增加 Zn、 等的生物有效性 Cd
[ 20]

发现燕麦根系

. 有研究说明, 超积累植物能够吸收土壤溶液中的难

溶态矿质元素, 这可能与植物根际存在特殊的微生物区系有关 [ 23] . 通过根际微生物可以加速植物吸收某些矿 物质, 如铁和锰[ 24] . 根际内以微生物为媒介的腐殖化作用可能是提高金属植物可利用性的原因[ 24] . 2. 2 改进超积累植物的性能 虽然, 利用植物修复技术处理土壤重金属污染的应用前景广阔, 但目前尚存在一些问题。主要体现在以下 两方面
[ 25]

: 一方面, 大多超积累植物只对某种金属起作用, 而土壤的重金属污染大多为几种重金属的复合污

染; 另一方面, 超积累植物大多生长缓慢, 生物量很少且干物质积累少, 这就影响了修复效果. 要解决这些问题, 就须改进超积累植物的性能, 如能利用现代分子生物技术、 现代遗传学技术等培育出高生物量、 生长速度快和 重金属浓度高的超积累植物, 将大大加快植物修复应用的步伐. 这些问题已经引起科学工作者的密切关注, 如目前已从拟南芥中分离出一些重金属超积累或敏感型突变 体, 其中有铜敏感型、 镉敏感型、 锰超积累型等几种突变体[ 26] . Murphy 等[ 27] 提出了超积累和敏感型突变体筛

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[ 28]

中 南  林 学 院 学 报

第 25 卷

选比较有效的方法. Kr am er U 的实验表 明, 导入了金属巯蛋白( Met allot hio nein, MT ) 和( Phyt ochelat in, [ 25] PCs ) 基团的烟草或其它植物对重金属的抗性明显提高 .

3 存在问题与发展趋势
随着人类社会的快速发展, 各种物理、 化学、 生物的因素正加剧土壤- 植物系统的重金属污染问题, 这不仅 使环境日益恶化, 还会对人体健康造成极大威胁. 因此, 在重视经济可持续发展的同时, 必须注意环境的可持续 利用. 要立足长远, 加强污水排放与治理的管理, 严格依据相关条例、 法律, 做到经济效果和环境效果的统一. 具 有处理成本低、 不破坏土壤结构及微生物区系、 造成二次污染机会少、 可回收利用重金属等特点的植物修复技 术应用前景广阔. 但目前重金属污染土壤的植物修复技术仍然处于起步阶段, 还未涉及到超富集植物的应用与 污染土地植物修复技术的系统性研究, 仍需要深入研究才有望应用到实践中去. 结合我国实际, 今后研究工作 的重点应从以下几个方面着手: 筛选出能超量积累污染物的植物以及能改善植物吸收性能的方法; 利用分 子生物学的手段, 通过改良遗传特性来提高植物对重金属的富集能力以及提高超富集植物的生长速度或生物 量; 深入开展土壤重金属多元素正交复合污染的研究; 加强重金属在水—土—植物—动物—人类食物链传 递规律及慢性毒害机理的研究; 土壤重金属污染治理的生态工程原理与生物修复技术的研究. [ 参 考 文 献]
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[ 本文编校: 胡曼辉]


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