一 : 牧草对重金属污染土壤的植物修复综述

生态学杂志ChineseJournalofEcology　2009,28(8):1640-1646　　　　　　　　　　　　　

牧草对重金属污染土壤的植物修复综述

张杏锋　夏汉平

1,2

133

3

李志安　李海防　熊燕梅

2

111

(1中国科学院华南植物园,广州510650;中国科学院研究生院,北京10049)

摘　要　综述了土壤重金属污染的危害,牧草作为修复植物的优势,属污染土壤的修复效果。,寻找各种改良,处理,关键词　植物修复;;;.A　文章编号　1000-4890(2009)08-1640-07graiphytoremediationofheavymetals2contaminatedsoils:Areview.ZHANG

1,211111

2,XIAHan2ping,LIZhi2an,LIHai2fang,XIONGYan2mei(SouthChinaBo2

2

tanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510650,China;GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing10049,China).ChineseJournalofEcology,2009,28(8):1640-1646.

Abstract:Thispapersummarizedtheharmsofsoilheavymetalspollution,theadvantagesofusingforagegrassasremediationplant,andtheeffectsofmainforagegrassspeciesinphytoreme2diationofheavymetals2contaminatedsoils.Toselecttheforagegrassspecieswithstrongcapabili2tyinaccumulatingheavymetalsandtosearchforvariouskindsofmeasurestoraisethephytore2mediationcapabilityofforagegrasseswouldbetheresearchhotspots,andthepost2processingofphytoremediation,especiallytheproductiontechniquesofrecyclingtheheavymetalsfromplants,shouldbemoreconcernedwith.

Keywords:phytoremediation;accumulatorplant;biomass;productiontechniques.

随着环境质量的恶化和对农艺化学品依赖的增

加,土壤重金属污染问题成为世界各地关注的热点(Wongetal.,2002;Schuergeretal.,2003)。据美国环境保护局统计,由美国政府管理的企业、矿山等所导致的污染点就有19000处,其中含有重金属污染的占38%(Henry,2000)。美国东南部地区牧草生产中由于长期大量施用禽粪,导致Cu、Zn在土壤中大量积累(Pedersonetal.,2002)。法国北部,由于20世纪的冶金工业发展,使土壤遭到严重的重金属

hm的污灌面积,遭受重金属污染的土地面积占污

2

灌区总面积的6418%,其中814%、917%、4617%的面积分别受到重金属的重度、中度和轻度污染。我国每年因土壤污染而减少的粮食产量高达1000万

t,直接经济损失达100多亿元(卢良恕,1995)。近10多年来,珠江三角洲地区的重金属含量也逐年递

增并成为严重的污染问题(Ipetal.,2004)。重金属离子可以在细胞表面和细胞内取代其他金属离子与蛋白质、核酸、多糖等大分子物质结合,导致各种代谢紊乱,对生物体造成严重危害(Seregin&Ivanov,2001)。土壤受到重金属污染后,会危害

污染(Nahmani&Lavelle,2002)。据报道,中国受污染的耕地面积达2000万hm,约占耕地总面积的1/5,其中重金属污染(主要是Pb、Zn、Cd)约占污染面积的30%～40%(韦朝阳和陈同斌,2001)。农业部1995年对我国污灌区的调查显示,全国有140万

3国家自然科学基金项目(30670393和40871221)和广东省科技计划资助项目(2006A36703004)。33通讯作者E2mail:xiahanp@scib.ac.cn收稿日期:2008212207　　接受日期:2009203225

2

植物生长。高浓度重金属污染会导致植物叶绿素含

量与光合速率的下降,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)的活性下降,细胞膜被破坏,种子发芽率降低,生长迟缓,产量降低,叶片黄化,花期推迟,根系受到抑制,严重时植株死亡(孙晋伟等,2008;Xia,2004)。此外,重金属大都

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杨杏锋等:牧草对重金属污染土壤的植物修复综述1641

ana)(王红旗等,2005)、皱叶酸模(Rumexcrispus)

可通过食物链影响到动物进而影响人类。重金属在

动物和人体过量积累会导致各种疾病,如癌症(Cr、Ni)、生殖障碍(Cd、Hg、Ni、Zn)、肾脏功能受损(Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、U)、骨质疏松(Cd)、生长阻滞和贫血(Zn)等(McIntyre,2003)。1995年我国北方的河套

(Zhuangetal.,2007)成为研究者的关注热点。112　改良措施的应用

平原由于地下水和土壤受到As污染,致使井水严重超标,引发区域性人群As中毒事件,受威胁人数达180000人(Zhang,2004)。因此,对重金属污染环境进行治理是人类面临的共同任务。1　植物修复技术

单纯依靠植物本身对重金属的富集特性,一般

情况下很难达到理想的修复效果。所以人们通过采取施肥、水分管理、栽培措施、添加植物修复剂、利用生物技术等措施来提高植物的修复能力。研究发现,施肥可以增加土壤肥力,提高植物的生物量从而提高植物吸收重金属总量(2004),这种措施尤ED2TA(,、重金属被螯合剂活化后向深层土壤和地下水迁移造成二次污染、螯合剂价格较昂贵等缺点,这项技术存在一定的环境风险和推广利用的难度。因此,人们在深入研究提高螯合剂的利用价值的同时,也在努力寻找更加安全、经济、容易得到的、尤其是可以变废为宝的物质作为植物修复剂。有研究表明,向土壤中添加城市污泥(Mosquera2Losadaetal.,2001)、橄榄油提取后的废渣(Cle2menteetal.,2007)对提高植物修复潜力均有显著效果。另外,微生物对土壤有改良效果,给植物接种微生物,如真菌、细菌(Gardezietal.,2005;Shengetal.,2008)等,能提高植物对重金属的吸收能力;利用转基因技术把重金属耐性基因或者有利于重金属富集的基因转入植物体内(Dhankheretal.,2002);人工选择杂交品种(Derametal.,2007)等也是当前的研究热点。

近年来,在大量的理论研究的基础上,人们开始把植物修复技术与工程实践结合在一起。美国的一些植物修复公司积极的进行研究开发,并使其商业化、产业化,例如Edenspace公司已成功地开展了As、Pb、U、Cr等污染物的植物修复工作(Edenspace,2008)。我国的陈同斌带领重金属污染土壤植物修复团队于2001年在湖南郴州建立了世界上第一个As污染修复基地,随后又在广西和云南建立了As、Pb等重金属污染及酸化土壤修复的示范工程,建立了超富集植物与经济作物间作的修复模式,实现了边修复污染土壤、边开展农业生产(俞铮,2008)。2　主要牧草对重金属的富集

复技术进行研究,的永久性、,使其(McIntyre,2003;Alkortaetal.,2004)。而该技术对重金属修复成功与否的关键在于修复植物品种的选择和改良措施的应用。111　修复植物的选择

选择修复植物时,首先是筛选对重金属富集能力强的植物,尤其是超富集植物;然后根据污染区的具体情况选择适合的富集植物进行修复。至今普遍认为的超富集植物是指植株体内地上部的Cd含量

-1

在100mg?kg以上,Cr、Co、Ni、Cu、Pb含量在

-1-1

1000mg?kg以上,Mn、Zn含量在10000mg?kg以上;而且在重金属污染地区生长未受明显毒害的植物(Brooks,1998;McGrath&Zhao,2003)。目前发现的超富集植物400多种(Brooks,1998),但这数百种超富集植物普遍存在生物量小,生长慢,在低浓度重金属污染土壤上生长与乡土植物相比缺乏竞争力,不利于机械化收获,对重金属的富集具有专一性等缺点,要净化一块污染土地需要很长时间。因此,近来国内外把研究焦点放在利用拥有高生物量或者生长快速的非超富集植物来修复污染土壤(Derametal.,2007)。许多高生物量的树种如银合欢(Leu2caenaleucocephala)(Gardezietal.,2005)、蒿柳(Salixviminalis)(Greger,1999);经济作物如玉米(Zeamays)(Wangetal.,2007)、向日葵(Helianthusannuus)(Szabó&Fodor,2006);牧草如杂交狼尾草(Pennisetumamericanum×P.

purpureum)(Xia,

2004)、细弱翦股颖(Agrostistenuis)(石汝杰和陆引

近几年,将牧草作为重金属修复植物越来越受到人们的青睐。迄今,国内外至少有数十种牧草开

罡,2007);杂草如羽叶鬼针草(Bidensmaximoviczi2

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始用于重金属污染土壤的植物修复或金属矿山的生态恢复,其中代表性的种类如下:

紫花苜蓿(Medicagosativa):豆科多年生草本,株高013～110m,是世界上栽培最广泛、最重要,也是我国分布最广、栽培历史最久、经济价值最高的豆科牧草,被誉为“牧草之王”。紫花苜蓿是Cd的超富集植物,对Pb、Ni有较强的富集能力,是土壤Cd、Pb、Ni污染的理想修复植物。Peralta2Videa等(2002)研究发现,紫花苜蓿在Cd、Cu、Ni、Zn浓度均

-1

为50mg?kg的复合污染土壤上生长,地上部Ni

-1

和Cd的浓度分别达到437和202mg?kg。叶春

-1

和(2002)以10mmol?LPb(NO3)2蓿幼苗10d,-1

342和12134mg红三叶():,株高013～018cm,在欧洲各国及俄罗斯、新西兰等海洋性气候地区广泛栽培。对Zn有较强的耐性和一定的富集能力,可修复Zn污染地区。红三叶可在Zn浓度为1000mg?-1

kg的土壤上正常生长,地上部和根部可富集Zn

-1

1266和629mg?kg(Li&Christie,2001)。

菊苣(Cichoriumintybus):菊科多年生草本,株高014～117m,原产欧洲,广泛分布于亚洲、美洲、非洲,在我国北方广泛栽培。Simon等(1996)研究

-1

发现菊苣在Cd浓度为015～50μmol?L的营养

-1

液中生长,地上部富集Cd10～300mg?kg,根部

-1

富集Cd10～890mg?kg,指出菊苣可成为Cd污染的生物监视器。Sekara等(2005)通过野外实验发现菊苣的叶片中含有高浓度的Cd、Pb。

香根草(Vetiveriazizanioides):禾本科多年生草本,株高2～215m,原产印度与非洲大陆,由于香根草对很多重金属都有较强的耐性,加之其生物量很大,因而成为全球热带亚热带地区使用最广的牧草之一,主要用于矿山恢复。香根草可在Pb浓度为

-1

5000mg?kg的土壤上正常生长,当向土壤添加

-1

510mmol?kgEDTA时,地上部和根部分别富集

-1

Pb243和2280mg?kg(Chenetal.,2004)。当用Cr623mg?kg、Cu190mg?kg、Pb621mg?kg、Zn653mg?kg复合重金属溶液处理香根草30d,其地上部富集Pb4000mg?kg和Zn10000mg?kg,根部富集Pb10000mg?kg和Zn10000

-1

mg?kg,表现出Pb、Zn的超富集特性(Antiochiaet

-1

-1-1

-1

-1

-1

-1

多花黑麦草(Loliummultiflorum):禾本科1年生或短寿多年生草本,株高018～112m,原产于欧

洲南部,非洲北部及小亚细亚等地,在中国、英国、美国、新西兰、澳大利亚等国家广泛栽培。多花黑麦草是Cd的超富集植物,对Cu、Zn均有较强的富集特性,常用作Pb/Zn尾矿修复的先锋植物。多花黑麦草在Zn、Cd浓度分别为8和2mmol?kg的复合污染土壤中生长70d,其地上部Zn、Cd浓度分别达

-1

到3108和74mg?kg(,2006);在Cu

-1-1

mgkg、Pb830mg?-1kg?,向土壤添加g

--1

-1

2Cu(杨强等,2005);用50μmol?L-1Cd

kg

溶液培养多花黑麦草15d,其地上部能富集Cd116

-1

mg?kg(Shamima&Sugiyama,2008)。

花叶燕麦草(Arrhenatherumelatius):禾本科多年生草本,株高110～115m,原产欧洲和地中海一带,各国均引种栽培。对Cd、Zn有极强的耐性和较强的富集能力。Deram等(2007)研究分别来自重污染区、中等程度污染区和清洁区的9个品种在Zn、

-1

Cd浓度分别为3000和200mg?kg复合污染土壤下生长,发现所有品种在各处理中生长良好,来自重污染区的品种地上部Zn和Cd浓度分别为325和

-1

52mg?kg,来自中等程度污染区的品种Zn和Cd

-1

浓度分别为482和123mg?kg,来自非污染区的

-1

品种Zn和Cd浓度分别为524和83mg?kg。

百喜草(Paspalumnotatum):禾本科多年生草本,株高013～016m,原产南美,现在热带亚热带地区广泛引种栽培。百喜草对Zn、Pb、Cd的耐性极强

-1

且有较强的富集能力,在含Cd56mg?kg、Pb

-1-1

2534mg?kg、Zn11060mg?kg、Cu1626mg?-1

kg的尾矿上生长良好,植物体内可富集Cd18mg?kg、Pb217mg?kg、Zn331mg?kg、Cu65

-1

mg?kg,是金属尾矿植被修复的先锋植物(龙健等,2004)。

高羊茅(Festucaarundinacea):禾本科多年生草本,株高015～019m,原产西欧,广泛分布于世界各地。由于其快速生长且可耐高浓度的Zn、Pb,可用于修复Zn、Pb污染土壤。高羊茅在土壤Pb浓度为

-1

1000mg?kg并添加醋酸和EDTA时,生长未受抑制且地上部和根部Pb浓度分别达4500和1500mg

-1

?kg(Begoniaetal.,2005)。在上层土壤(0～5

-1

cm)重金属浓度为Zn337mg?kg、Pb61mg?

-1

-1

-1

al.,2007)。

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杨杏锋等:牧草对重金属污染土壤的植物修复综述1643

kg、Cd211mg?kg、Cu275mg?kg,下层土壤(5～27cm)重金属浓度为Zn41000mg?kg-1、Pb1850mg?kg、Cd138mg?kg、Cu275mg?kg

-1

-1

-1

-1-1-1

与其他植物相比,牧草往往在生态恢复、水土保持、防治土地沙漠化、盐渍化等方面发挥着更为重要的

作用。

在生态恢复方面,用于矿地恢复的植物通常应该是抗逆性强、生长迅速、改土效果好和生态功能明显的种类,禾草与豆科植物往往是首选物种(夏汉平和蔡锡安,2002)。例如,Xia(2004)在广东茂名北排土场试种香根草、百喜草、杂交狼尾草等具有较,恢,赵明坤和陈瑞祥()—()(Dactylisglomerata)2,比较适宜在退耕坡地还草中利用。著名的香根草是国内外推广应用最多的水土保持草,越南用其保护河岸和围堤,澳大利亚用其保护图固拉瓦湿地,中国大别山区利用香根草系统对小流域进行有效管理(Chom2chalow,2008),广东用其治理公路滑坡的棘手难题(夏汉平等,1998)均取得令人满意的结果。在防治土地沙漠化方面,旱生牧草拥有强大的根系和顽强的生命力,应该成为治理荒漠化植被恢复的首选品种。秦嘉海(2004)用紫花苜蓿改良河西走廊荒漠化土壤,效果显著。在防治土地盐渍化方面,在可溶性盐含量高的盐渍化土地上,普通植物不能扎根生长,但耐盐牧草则例外。李志丹等(2004)在盐渍化土壤种植耐盐牧草后,土壤理化性质发生明显改变,土壤结构趋于好转,土壤表层盐分含量逐渐降低,养分含量逐渐增加。澳大利亚南部温带草原引进各种耐盐牧草以改善干旱地的盐渍化,效果显著(Hughesetal.,2008)。313　易于栽培管理

在应用富集植物修复污染土壤时,栽培管理要先后经过育苗、翻耕、种植、除虫、除草、收割等程序。苗源问题是植物修复工程应用所面临的首要问题,超富集植物往往存在育苗难或育苗周期过长等问题(廖晓勇等,2007)。由于大多数超富集植物植株矮小,有的超富集植物还存在种子难收获,发芽和授粉困难,容易染病的缺点(McIntyre,2003),在植物修复过程中,常常竞争不过本土杂草,影响修复植物的生长和修复效果。与此相比,牧草大多直接向土壤播种,竞争能力强,病虫害少,在与乡土植物竞争时占据优势;大多数牧草是多年生草本,再生能力强,可以通过相对频繁地刈割来提高其生物量,无须每

的土壤上生长未受毒害,地上部富集Zn1553mg?-1

kg(Palazzoetal.,2003)。

高丹草(Sorghumvulgare×S1sudanense):禾本科1年生草本,高215～218m,是目前世界上栽培最普遍的1年生暖季型禾本科牧草之一,在阿根廷、美国等美洲国家使用极其广泛,目前我国正在推广

-1

利用。当土壤中Cd浓度为10mg?kg时,高丹草

-1

叶、茎、根Cd浓度分别为42、108、149mg?kg,由于高丹草具有极高的生物量且对Cd能力,具有修复Cd2005)。

披碱草(E):多年生草本,高017～116m,古、俄罗斯、日本、朝鲜、印度等国。董艺婷等(2003)通过砂培盆栽实验发现,当溶液Pb浓度为

-1

800mg?kg时,披碱草地上部分Pb含量达到1345

-1

mg?kg,具有修复Pb污染土壤的潜力。3　牧草修复重金属污染土壤的优势311　生长快、生物量大,重金属吸收量多

牧草拥有适应性强、生长快速、生物量大、抵抗力和固土力强的特点,是废弃地和矿区良好的植被恢复物种,尤其是在高温多雨的热带和亚热带地区(Xiaetal.,1999)。高生物量的牧草,虽然其富集能力比不上很多超富集植物,但是由于它们的生物量大,生长快,能同时吸收多种金属,所以植物体内的重金属总量和超富集植物相比相差不大,有些甚至比超富集植物的还高。Zhuang等(2007)研究发现,收获一季(种植140d)高生物量的皱叶酸模可清除污染土壤中Zn2618kg?hm和Cd0116kg?

-2

hm;同等条件下,Zn的超富集植物东南景天(Se2dumalfredii)收获一季(种植140d)可清除污染土壤

-2

中Zn3217kg?hm,Cd的超富集植物宝山堇菜(Violabaoshanensis)收获一季(种植140d)可清除污染土壤中Cd0117kg?hm。312　具有更好的生态恢复与水土保持功能

很多超富集植物在对重金属污染区进行修复时都会受到土壤基质的影响,植物不能正常生长甚至无法生长,达不到理想的修复效果,但牧草则可以克服土壤贫瘠、干旱、盐渍化等恶劣环境而正常生长。

-2

-2

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年重复栽植,降低工序和成本。此外,牧草机械化收割方便经济等,这些优势都是其他植物不具备的。

314　修复Cu/Zn专性尾矿时,收获的植物可做饲料

修复植物的后期处理仍是个重大问题,若收获的植物得不到妥善处理,则很可能产生二次污染。目前常用的方法是焚烧,利用底灰回收重金属,但此项技术还不成熟,亦可能造成二次污染。例如,邢前国和潘伟斌(2004)采用富含Cd、Pb的野生植物铁芒萁(Dicranopterislinearis),在450℃、650℃、850℃不同温度下进行了焚烧模拟试验,发现铁芒萁的灰分残留量可以降到10%以下,Cd、Pb中均有很大损失,Cd、Pb此,行,Cu、Zn,由于植物性饲料中Cu、Zn含量较低,不能满足动物的营养需要,所以通常在饲料中额外补充Cu、Zn化合物(李佳和解鹏,2006;周晓明等,2007)。牧草在Cu/Zn专性尾矿种

改善植物生长特性,促进植物根系与土壤接触的机会;接种真菌和细菌调节植物根系微生物的种类、数

量和活性;添加螯合剂EDTA、DTPA、柠檬酸、苹果酸和土壤改良剂铵肥等(孙琴等,2005;屈冉等,2008)。

3)目前人们对植物修复的后期处理关注较少,各种技术尚未成熟。至于如何处理修复后富集有重金属的植物还有待进一步研究。

解决,,如美国ViridianNi污染土壤,每

-2

Ni的回收中获取2500美元?hm的收益(殷学波,2008)。同时,人们还可以把从Cu、Zn专性尾矿上收获的植物制成微肥和饲料,如吴龙华等(2006)发明了利用Cu修复植物海州香薷(Elsholt2ziasplendens)制作含铜有机肥料的方法,然后加以利用,尤其是施用于土壤缺铜的地区,从而达到变废为宝的目的。因此,如何妥善处理利用植物修复技术中收获的植物,解决生产工艺问题应成为今后进一步加强研究的课题。参考文献

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植一段时间后,吸收了Cu、Zn元素,在食品安全规定的浓度范围内制成饲料,这样既可降低饲料的成本,也可解决修复植物的后期处理问题,为修复植物的后期处理提供一个新的渠道,充分体现牧草在重金属污染区的经济价值。

牧草作为土壤重金属污染的修复植物虽然拥有以上种种优点,但也有不足之处,如容易被动物尤其是禽畜取食进而进入人体从而造成食物链污染。因此,使用牧草用于修复重金属污染土壤时,必须加以注意。4　展　望

应用牧草修复重金属污染土壤或恢复金属矿山已经越来越受到人们的关注,有关的研究报道也越来越多。可以肯定,今后的发展会越来越快。为了使牧草的植物修复与生态恢复更有效,更安全,今后加强以下几方面的研究:

1)全世界的牧草品种数以千计,但目前已被测试的仅百余种,因而继续筛选对重金属耐性强且有较强富集能力的牧草新品种仍是今后土壤重金属修复的研究热点。

2)牧草虽然拥有生长快速、生物量大等优势,但大多数牧草的富集能力不如超富集植物,应该寻找各种改良措施提高其修复能力,如用转基因技术

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作者简介　张杏锋,女,1982年生,博士研究生。主要从事

重金属污染土地的植物修复研究。E2mail:zhangxingfeng06@scbg.ac.cn责任编辑　魏中青

? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.61k.com

二 : 15重金属污染土壤植物修复的研究进展与应用_朱雅兰

重金属污染土壤植物修复的研究进展与应用

朱雅兰

渊黄石理工学院环境科学与工程学院袁湖北黄石

源猿缘园园猿冤

摘要院土壤重金属污染是全球面临的一个亟待解决的环境问题袁植物修复对于重金属污染土壤的治理修复具有重要意义遥介绍了植物修复的基本概念及主要作用方式袁阐述了重金属有效性尧植物修复机理等问题以及增强重金属修复作用的措施遥最后结合当今土壤污染的具体情况对今后的研究重点进行展望袁提出了植物修复技术的发展趋势遥

关键词院土壤曰重金属污染曰植物修复曰超富集植物中图分类号院载缘猿

文献标识码院粤

文章编号院园源猿怨原愿员员源渊圆园员园冤园远原员495原园5

砸藻泽藻葬则糟澡孕则燥早则藻泽泽葬灶凿粤责责造蚤糟葬贼蚤燥灶燥枣孕澡赠贼燥则藻皂藻凿蚤葬贼蚤燥灶枣燥则匀藻葬增赠酝藻贼葬造

悦燥灶贼葬皂蚤灶葬贼藻凿杂燥蚤造

在匀哉再葬原造葬灶

渊杂糟澡燥燥造燥枣耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼葬造杂糟蚤藻灶糟藻葬灶凿耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早袁匀怎葬灶早泽澡蚤陨灶泽贼蚤贼怎贼藻燥枣栽藻糟澡灶燥造燥早赠袁匀怎葬灶早泽澡蚤源猿缘园园猿袁匀怎遭藻蚤袁悦澡蚤灶葬冤

粤遭泽贼则葬糟贼院匀藻葬增赠皂藻贼葬造责燥造造怎贼蚤燥灶燥枣泽燥蚤造蚤泽葬责则藻泽泽蚤灶早早造燥遭葬造藻灶增蚤则燥灶皂藻灶贼葬造责则燥遭造藻皂援栽澡藻责澡赠贼燥则藻皂藻凿蚤葬贼蚤燥灶蚤泽燥枣早则藻葬贼蚤皂责燥则鄄贼葬灶糟藻贼燥则藻责葬蚤则贼澡藻澡藻葬增赠皂藻贼葬造糟燥灶贼葬皂蚤灶葬贼藻凿泽燥蚤造援月葬泽蚤糟糟燥灶糟藻责贼燥枣责澡赠贼燥则藻皂藻凿蚤葬贼蚤燥灶葬灶凿贼澡藻皂葬躁燥则皂燥凿藻泽燥枣蚤贼泽葬糟贼蚤燥灶憎藻则藻蚤灶贼则燥凿怎糟藻凿援栽澡藻藻枣枣藻糟贼蚤增藻灶藻泽泽燥枣澡藻葬增赠皂藻贼葬造葬灶凿贼澡藻皂藻糟澡葬灶蚤泽皂燥枣责澡赠贼燥则藻皂藻凿蚤葬贼蚤燥灶憎藻则藻凿蚤泽糟怎泽泽藻凿援酝藻葬泽怎则藻泽贼燥藻灶澡葬灶糟藻贼澡藻则藻皂藻凿蚤葬贼蚤燥灶燥枣澡藻葬增赠皂藻贼葬造袁枣怎贼怎则藻则藻泽藻葬则糟澡枣燥糟怎泽藻泽葬灶凿蚤贼泽凿藻增藻造燥责皂藻灶贼贼则藻灶凿憎藻则藻责则藻泽藻灶贼藻凿援运藻赠憎燥则凿泽院泽燥蚤造曰澡藻葬增赠皂藻贼葬造责燥造造怎贼蚤燥灶曰责澡赠贼燥则藻皂藻凿蚤葬贼蚤燥灶曰澡赠责藻则-葬糟糟怎皂怎造葬贼燥则

员怨苑苑年袁月则燥燥噪泽等咱员暂首先提出了超富集植物概念袁自员怨愿猿年美国科学家悦澡葬灶藻赠等咱圆暂首次提出运用植物去除土壤中重金属污染物的设想渊即植物修复冤以来袁人们逐渐将重金属污染治理研究重点转向了植物修复技术遥植物修复渊孕澡赠贼燥则藻皂藻凿蚤葬贼蚤燥灶冤是指利用植物吸收尧降解尧挥发尧根滤尧稳定尧泵吸等作用机理袁达到去除土壤尧水体中的污染物袁或使污染物固定以减轻其危害性袁或使污染物转化为毒性较低化学形态的现场治理技术咱猿暂遥在我国耕地资源日益紧张的今天袁安全有效地修复重金属污染土壤已特点袁成为当前国内外研究和开发热点领域遥成为紧迫任务袁而植物修复技术以其安全尧廉价的

达到圆援圆园伊员园源贼袁悦怎约怨援猿怨伊员园缘贼袁孕遭为苑援愿猿伊员园缘贼袁在灶为员员援猿缘伊员园远贼遥农业部调查表明袁我国污水灌溉区面总面积的远源援愿豫袁其中轻度污染面积占源远援苑豫尧中度污染占怨援苑豫尧严重污染占愿援源豫袁以匀早和悦凿的污染面积最大遥悦凿污染耕地员援猿万澡皂圆袁涉及员员个省市的圆缘个地区曰匀早污染猿援圆万澡皂圆袁涉及员缘个省市积约员源园万澡皂圆袁遭受重金属污染土地面积占污染

的圆员个地区曰粮食含孕遭量大于员援园皂早辕噪早的产地有员员个曰有远个地区生产的粮食含粤泽量超过园援苑皂早辕噪早咱源暂遥随着工农业的迅速发展袁环境污染日益严壤尧水体和大气袁且可通过食物链进入生物体袁危害人类健康遥重金属来源有多种途径袁除采矿区尾矿尧矿渣尧冶炼尧有毒气体排放之外袁还有城市垃圾尧金属电镀尧汽车尾气排放尧工业企业向环境排放野三

重袁特别是重金属在环境中的释放严重污染了土

员土壤重金属污染的现状

据估计袁过去缘园年中全球排放到环境中的悦凿

收稿日期院圆园员园原园圆原圆缘

基金项目院国家高技术研究发展计划项目渊圆园园远粤粤园远在猿缘园曰圆园园苑粤粤员园在源园愿冤

作者简介院朱雅兰渊员怨远源原冤袁女袁湖北黄石人袁副教授袁硕士袁主要从事环境监测和环境工程的科研及教学工作袁渊电话冤员猿愿园苑圆猿员缘园猿

渊电子信箱冤扎赠造缘圆缘圆缘圆岳员远猿援糟燥皂遥

废冶尧化工产品在农业中不合理使用尧农田污水灌溉等袁这些都将导致环境重金属污染遥重金属污染可使土壤肥力退化袁影响植物生长发育袁降低作物产量和品质袁通过生物链放大作用对人类和环境造成严重危害遥土壤作为环境主要载体受重金属污染程度越来越大袁修复重金属污染土壤已显得非常迫切遥

度较低时也有较高的积累速率袁尤其在接近土壤重金属含量水平下袁植株仍有较高的吸收速率袁且有较高的运输能力曰于能在体内积累高浓度的污染物袁地上部能够累积较普通作物员园耀缘园园倍以上某种重金属的植物曰盂最好能同时积累几种金属曰榆生长快袁生物量大咱远暂遥

圆植物修复重金属技术的方式

植物修复技术是以植物忍耐和超量富集某种或某些化学重金属元素理论为基础袁利用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的技术遥

控制和治理被重金属污染土壤方法有淋滤法尧客土法尧吸附固定法等物理方法以及生物还原法尧络合物浸提法等化学方法遥物理方法见效缓慢袁化学方法快但易带来二次污染遥植物修复技术被认为具有物理尧化学修复方法所无法比拟的优势袁其费用低廉尧不破坏场地结构尧不造成地下水二次污染尧能美化环境尧易于为社会所接受袁是一项很有发展源种遥

前途的修复技术袁植物修复方式主要可以分为以下

猿土壤中重金属的生物有效性与植物抗性机制

主要限制因素是土壤重金属的生物有效性和植物将重金属从根向地上部转移的能力袁而不是土壤重金属总量咱苑暂遥重金属生物有效态是指能被该土地上生存的生物渊植物冤所吸收的那部分重金属袁植物提取目标是减少土壤重金属生物有效态浓度遥

猿援员重金属的生物有效性

1冤重金属的生物有效性遥影响植物修复效率的

2冤重金属的生物有效性程度遥土壤中重金属分猿部分院一是可吸收态部分袁即土壤溶液中游离的重金属离子或可溶性的重金属化合物曰二是交换态部

分袁位于离子交换位点上和专性吸附在无机土壤组分上的重金属离子袁被土壤胶体和土壤颗粒表面吸附的重金属曰三是难吸收态部分袁难溶态复合物袁尤其是碳酸盐尧氧化物尧氢氧化物遥可吸收态尧交换态和难吸收态重金属之间经常处于动态平衡状态袁随着环境条件如植物吸收尧螯合作用等改变而不断变化袁导致土壤重金属生物有效态含量发生改变遥通过调节土壤环境来提高重金属的生物有效性是植物高效修复的关键遥

猿援圆植物对重金属的避性与耐性

员冤根部过滤技术袁通过耐性植物根系对重金属的吸收并保持在根部遥此种方法更多地应用在水体污染修复之中遥适用于根系过滤技术的植物袁主要有水生植物尧半水生植物袁也有个别陆生植物袁如各种耐盐野草尧向日葵尧宽叶香蒲等遥

圆冤植物稳定技术袁利用植物根际的一些特殊物

质袁使土壤中污染物转化为相对无害物质的方法遥目前常用的植物有野生植物和某些高产的农作物袁如印度芥菜尧油菜尧杨树尧苎麻等遥

猿冤植物挥发技术袁利用根系分泌特殊物质或微

1冤避性遥植物通过外部机制保护自己袁拒绝吸收或阻碍重金属元素进入体内袁即便置身于高重金属含量的环境中也可免受毒害遥在这种情况下袁植物体内重金属的浓度并不高遥避性主要体现在以下两方面院一是限制重金属离子跨膜吸收以及降低体内的重金属离子浓度遥二是在高重金属含量的环境中袁植物反馈分泌一些化学物质并与重金属离子发生络合反应袁降低植物周围环境中有效态的含量袁2冤耐性遥植物体内具有某些特定的生理机制袁使植物能生存于高含量的重金属环境中而不受伤害袁此时植物体内具有较高的重金属浓度遥月葬噪藻则咱愿暂栽燥皂泽藻贼贼咱怨暂认为袁植物对重金属的抗性即植物能生存于某一特定含量较高的重金属环境中而不会出现生长率下降或死亡等毒害症状的性能遥月葬噪藻则咱愿暂认为袁植物对重金属的抗性可通过避性和耐性两种途指出袁耐性具有两条基本途径袁野超富集冶与野排斥冶遥避免植物受害遥

生物袁使土壤中污染物被植物吸收袁转化为挥发形态袁挥发出植物表面袁以去除其污染遥该法受植物根系等限制袁处理能力不是很强遥

源冤植物提取技术袁重金属经植物根系吸收后袁继而转移尧贮存到植物茎叶袁然后收割茎叶袁从而达

到去除土壤重金属元素的目的遥植物提取技术是利用一些对重金属具有较强富集能力的特殊植物袁要求所用植物具有生物量大尧生长快和抗病虫害能力强的特点袁具备对多种重金属较强的富集能力袁这类植物是处理土壤污染的主要方向遥美国晕藻憎允藻则泽藻赠在处理被铬化物严重污染的土地时袁通过种植一种油菜达到吸收尧富集土壤中的有毒有害元素的目的遥在中国南方发现了包括苎麻尧酸模尧牡蒿尧剑叶凤尾蕨在内的一批粤泽超累积植物咱缘暂遥最后一种方法与前猿种比较有以下特点院淤即使在污染物浓

一植物上遥

径获得袁即抗性越避性渊粤增燥蚤凿葬灶糟藻冤垣耐性渊栽燥造藻则鄄葬灶糟藻冤袁两条途径并不相互排斥袁且能统一作用于某

自由离子的减少袁打破沉淀要溶解平衡袁促进呈固相的金属离子开始溶解袁以形成新的溶解要沉淀平衡遥从而增加了土壤溶液中重金属的浓度和生物有效性袁有利地提高了植物修复效率曰植物螯合肽是由谷氨酸尧半胱氨酸和甘氨酸猿种氨基酸组成的含巯基多肽袁在重金属诱导下合成袁有很强重金属结合能力袁能够与大多数的重金属结合形成螯合物袁对金属具有解毒和富集作用袁并且对必需金属元素在真核生物渊如高等植物尧真菌和微藻冤细胞内的分

猿援猿重金属修复植物的分类

月葬噪藻则咱愿暂根据对重金属吸收尧转移和积累机制将型冤和排斥型遥超富集植物指重金属的吸收量超过

植物分为猿类袁即积累型渊超富集型冤尧指示型渊敏感

悦燥尧悦怎尧孕遭质量分数一般在园援员豫以上袁积累酝灶尧在灶质量分数一般在员豫以上咱员园暂遥根据野外采集样本分析袁国际上已经发现超富集植物有缘园园多种袁而最

一般植物员园园倍以上的植物袁超富集植物积累悦则尧

布具有调节作用咱员圆暂遥因此袁通过合成孕悦泽以提高高等植物对重金属的耐受性和富集能力袁在植物修复土壤重金属污染中有应用潜力遥

源援猿施加植物营养袁促进植物对重金属的吸收

养分是影响植物吸收重金属的重要因素遥施加营养袁不仅能促进植物地上部的生长袁提高植物生长量袁而且能促进植物根系发育良好遥根深尧扩散力强的理想根系是植物对有毒重金属的超积累或固定的关键因素遥提高根部活动强度袁将相应地提高

重要超富集植物主要在十字花科遥世界上研究最多的植物主要是芸苔属渊月则葬泽泽蚤糟葬冤袁庭芥属渊粤造赠泽泽怎灶泽冤和遏蓝菜属渊栽澡造葬泽责蚤冤咱员员暂遥普遍认为袁超富集型是较好的修复材料曰指示植物对重金属既有一定的吸收能力袁又有一定的忍耐力遥同时指示植物吸收重金属的量与环境中重金属浓度之间有一定的可比性袁存在一定的相关关系遥指示植物对重金属的吸收量随土壤中重金属生物可利用性部分的增加而增加遥一般要求指示植物吸收单一重金属离子袁或多种互不干扰吸收量的重金属离子遥根据这些特性袁通过分析植物体内的重金属的浓度即可评价土壤被污染的程度和土壤中重金属的生物有效性袁为重金属污染土壤修复提供科学依据曰排斥型植物袁避性机理有待深入研究袁若是本身具有避性袁或将避性主控基因通过分子生物学手段转移给农作物袁强化其避性排斥机制袁采取措施降低土壤中重金属的生物有效性袁再种上具有一定排斥能力的排斥型植物袁则可在野不安全冶土壤上生产出野安全冶产品遥

植物对重金属的吸收率遥

源援源与基因工程技术相结合

超富集植物在修复土壤重金属污染中表现出很大的潜力袁但目前所发现的大多数重金属超富集植物均存在着个体矮小尧生长缓慢袁修复效率低等现象遥另外袁已发现超富集植物多数生长在矿山区尧成矿作用带或由富含某种或某些化学元素的岩石风化而成的地表土壤中袁常表现出较窄的生态适应性和特有生态型遥鉴于植物修复技术在以上方面存在许多问题袁除了要进行全国范围内超富集植物资源的调查尧收集和筛选尧建立超富集植物数据库外袁还应结合日益发展的生物学技术提高其修复效率遥通过转基因技术将超富集性状转移到生物量大尧生长速度快尧适应性强的植物中就是一条可行途径遥目前袁已从微生物尧植物尧动物中陆续分离出与金属化合物形态转化有关的基因袁如汞离子还原酶基因渊皂藻则粤冤尧金属硫蛋白基因渊酝栽冤尧植物螯和肽基因渊孕悦泽冤咱员猿暂遥基因发现和克隆有助于运用基因工程手

源提高植物对土壤重金属修复的措施

源援员调节土壤责匀值

责匀值是影响土壤内重金属生物有效性的重要

因子遥研究表明袁适当降低责匀值可大大提高土壤溶液中重金属阳离子的浓度遥可通过使用含铵肥料或土壤酸化剂袁土壤维持在适当酸性条件下袁可增加重金属阳离子生物有效性袁增加植物对重金属的吸收遥对于重金属阴离子情况则相反院粤泽在土壤中以阴离子形式存在袁土壤责匀值升高会增大土壤溶液中的粤泽含量袁使植物对粤泽的吸收量增加遥提高土壤责匀值可以采取施加生石灰等碱性物质遥源援圆施加螯合剂及螯合肽基因

污染土壤中大部分重金属以固相的形态被吸附在土壤胶体和土壤颗粒表面遥施加螯合剂可以促进土壤固相中重金属的释放遥这是因为螯合剂与土壤溶液中可溶性金属相结合袁导致土壤溶液中金属

段得到抗不同重金属的多种转基因植物遥美国科学家利用基因工程技术把皂藻则粤和皂藻则月基因移植到植物中袁研制出了去除汞的转基因植物拟南芥菜渊粤则葬遭蚤凿燥责泽蚤泽贼澡葬造蚤葬灶冤和烟草渊晕蚤糟燥贼蚤葬灶葬贼燥遭葬糟怎皂冤袁能有效将甲基汞和其他形式的有机汞转化为无机汞遥中国科学院上海生命科学研究院和美国南卡罗来纳州大学的科学家经过猿年的合作努力袁培育出

世界上首株具有明显食汞效果的转基因烟草冶咱员源暂遥源援缘与农艺技术相结合

超富集植物多数是野生植物袁通过作物育种技

术对超富集植物进行性能改进袁如提高植物地上部生物量尧改进栽培管理技术尧将野生超富集植物驯化成栽培作物等袁进而更有效地应用于植物修复遥例如袁野生的超富集植物种子一般都很小袁种子直径一般只有几毫米袁这么小的种子既不利于播种袁播种后也不容易保全苗袁利用种子包衣技术给种子包上一层物质袁可以防止苗期病尧虫尧鼠害曰成杰民等咱员缘暂的研究表明袁蚯蚓能在农业生产中发挥重要作用袁它可以用于强化重金属污染土壤的植物修复袁它的活动不仅可以活化土壤中的氮尧磷尧钾养分袁促进植物的养分吸收和生物量积累袁且能部分提高土壤中铜尧镉的有效性袁促进植物对重金属的吸收富其砷修复效率袁不失为一种简便易行的强化策略咱员远暂遥源援远利用丛枝菌根强化植物修复

集曰此外袁适当增加蜈蚣草的收获次数袁也可以提高

虑转基因植物对植物群落影响以及扩散到其他地方引起的环境问题遥

猿冤金属超富集植物农作和植保技术没有形成袁

需要实践经验积累逐渐发现问题和解决问题遥

源冤重金属在植物体内的存在形式尧植物对重金属超量吸收和积累及解毒机制尧超富集植物与根际微生物共存体系的作用以及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袁有待于进一步探索遥

缘冤超富集植物体内重金属的回收再利用方面

应加强研究袁对于收获物的处理研究较少袁目前仅对灰分中重金属质量分数为员园豫耀源园豫的植物采用冶炼回收袁对于不能回收利用的收获物如何避免二次污染袁还需进一步探索遥

丛枝菌根渊粤则遭怎泽糟怎造葬则皂赠糟燥则则澡蚤扎葬袁粤酝冤是自然界中分布最广的一类菌根袁粤酝真菌能与陆地上绝大多数的高等植物共生遥在重金属污染条件下袁粤酝真菌可以改善植物生长状况袁减轻重金属对植物的毒害袁影响植物对重金属的吸收和转运袁加快土壤中重金属元素的植物提取或植物稳定性袁因而在重金属污染土壤的植物修复中受到越来越多的关注遥近来有报道咱员苑暂表明袁某些重金属超富集植物也可以形成丛枝菌根袁包括十字花科的超富集植物曰接种粤酝真菌可提高晕蚤超富集植物地上部生物量和晕蚤浓度袁其效果与不同粤酝真菌的耐性和植物原真菌共生特性有关曰另外接种粤酝真菌还提高了蜈蚣草地上部生物量袁降低了地上部粤泽浓度袁但蜈蚣草地上部对粤泽的吸收量增加了袁原因在于粤酝真菌使宿主孕营养改善袁根际责匀值升高袁影响了蜈蚣草对粤泽的吸收和运输咱员8暂遥另一研究证实袁接种粤酝真菌

远植物修复重金属技术的前景展望

植物修复土壤重金属污染袁具有低耗费尧无二次污染尧效果显著等特点袁且正处于发展中并具有广阔的应用前景袁可广泛地应用于矿山恢复尧改良重金属污染土壤等袁已成为我国重金属污染的修复热点咱圆1暂遥但将植物修复应用到实际中去还存在以上

许多问题袁结合我国国情袁特提出植物修复技术发员冤针对已知的绝大多数超富集植物生物量小尧生长缓慢和修复率低等缺点袁以我国丰富的杂草资源为对象进行筛选袁将会取得一定的突破遥还应该加强排异植物的筛选袁如果将重金属排异基因转移到作物体内袁则排异作物便可以在重金属污染土壤上正常生长袁既保护了环境又开发利用了污染土壤袁一举两得遥

圆冤土壤重金属污染大部分是属于复合污染袁不仅重金属元素之间尧重金属元素与土壤中其他组分之间也存在交互作用袁从而对植物的生长和超积累特性产生影响遥因此袁需要进一步深入研究其作用机理袁更好地发挥植物修复技术在土壤重金属污染猿冤利用放射性同位素标记技术袁加强植物体内各种生理生化代谢途径对重金属胁迫下的适应性反应的研究袁如光合反应尧呼吸代谢尧水分和离子平衡尧激素应激对重金属胁迫是如何做出适应性改变的袁通过这种改变的机制袁研究重金属胁迫下植物次生代谢途径反应以及逆境信号传导途径也是理源冤随着生物技术的迅猛发展袁逐步运用分子生物学和分子遗传学的技术手段袁加强对不同植物重金属耐性型和敏感型突变体筛选的研究袁加强对与解植物重金属耐性机理的一个重要方面遥修复中的优势遥展与研究的趋势遥

影响植物的生长和丛枝菌根的发育袁从而影响其田间应用效果袁未来还需要进一步加强相关研究遥

提高了海州香薷对重金属污染土壤中悦怎尧在灶尧孕遭尧悦凿的修复效率袁这为粤酝真菌的田间应用提供了实践依据咱19暂遥土壤尧气候尧水分尧施肥尧病害等因子都能

缘植物修复技术中存在的问题

员冤螯合剂的负面效应遥如用耘阅栽粤等广谱型螯合剂时袁易将与目标金属伴生其他金属溶解出来遥过量施用螯合剂时袁不但不能增加植物吸收袁还可能导致重金属淋溶引起地下水污染咱圆0暂遥

圆冤将转基因技术应用于植物修复袁先挑选对重

金属具有耐性和隔离机制明确的植物袁但目前被发现的植物为数不多袁大多数转基因植物从微生物中被提供对重金属具有耐性的遗传基因袁该过程要考

植物重金属耐性相关新基因分离尧克隆和功能鉴定的研究遥在基因技术盛行的这几年中袁基因技术与植物修复的联合应用袁不仅在土壤重金属污染的治理当中起到重要的作用袁在其他方面袁如重金属废水治理尧环境中持续性难降解有机污染以及农业面源污染等方面也都有一定的用武之地咱圆2暂遥相信不久袁会有相当数量的转基因植物产品应用到环境保护治理中来袁基因技术将开拓出新环境治理之路遥

缘冤土壤重金属污染的修复是一项系统工程袁单一的修复技术很难达到预期效果袁需要以植物修复为主袁辅以物理尧化学和微生物手段袁以增加重金属的生物有效性袁促进植物的生长和吸收袁从而提高植物修复的综合效率遥联合修复技术将是今后土壤重金属污染植物修复技术的主要研究方向之一遥

参考文献院

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三 : 土壤重金属污染的危害

土壤重金属污染 -危害

土壤重金属污染的危害主要表现在以下几个方面：

(1)影响植物生长。实验表明，土壤中无机砷含量达12μg/g时，水稻生长开始受到抑制；无机砷为40μg/g时，水稻减产50%；含砷量为160μg/g时，水稻不能生长；稻米含砷量与土壤含砷量呈正相关。有机砷化物对植物的毒性则更大。

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(2)影响土壤生物群的变化及物质的转化。重金属离子对微生物的毒性顺序为：Hg＞Cd＞Cr＞Pb＞Co＞Cu，其中Hg2+、Ag+对微生物的毒性最强；通常浓度在1μg/g时，就能抑制许多细菌的繁殖；土壤中重金属对微生物的抑制作用对有机物的生物化学降解是不利的。

(3)影响人体健康。土壤重金属可通过下列途径危及人体和牲畜的健康：

(a)通过挥发作用进入大气；如土壤中的重金属经化学或微生物的作用转化为金属有机化合物(如有机砷、有机汞)或蒸气态金属或化合物(如汞、氢化砷)而挥发到大气中；

(b)受水特别是酸雨的淋溶或地表径流作用，重金属进入地表水和地下水，影响水生生物；

(c)植物吸收并积累土壤中的重金属，通过食物链进入人体。土壤中重金属可通过上述三种途径造成二次污染，最终通过人体的呼吸作用、饮水及食物链进入人体内。应当指出，经由食物链进入人体的重金属，在相当一段时间内可能不表现出受害症状，但潜在危害性很大。总之，重金属污染不仅影响土壤的性质，还可影响植物生长乃至人类的健康。

四 : 防范重金属污染 为未来留一片净土——用地沟油处理生活污泥——污泥处理技术的创新

本文标题：土壤重金属污染的危害-牧草对重金属污染土壤的植物修复综述
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