土壤重金属污染强化植物修复技术研究进展

摘要：植物修复重金属污染土壤已成为当今研究的热点问题，但植物修复相比传统理化法耗时久，治理周期长，修复效率低。系统阐述了植物修复技术的各项强化措施包括化学调控技术、植物-微生物联合修复技术、基因工程技术及农艺调控技术等，分析了各项技术的机理、方法、应用效果及存在问题，并对植物修复技术的未来的发展方向和前景进行了展望。

0引言

近几十年来，随着工农业生产的迅猛发展，污水灌溉及农业投入品的过量施用，土壤重金属污染日趋严重，给人们的健康带来极大的危害。国内外修复治理土壤重金属污染主要有两种途径：一是改变重金属在土壤中的存在形态使其固定，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性；二是从土壤中去除重金属。围绕这两种途径，已研究提出了各种物理修复、化学修复、生物修复等治理方法。其中植物修复因其环保、经济、美观、适应性广等优势，引起人们广泛关注。

1植物修复技术概述

植物修复技术是一种新兴的绿色生物技术，也是一种土壤污染治理的环境友好技术。植物修复技术是利用植物对重金属的吸收富集、稳定能力，将重金属转移到植物体内或通过植物分泌物将重金属稳定，从而达到转移土壤中的重金属或将其毒性降低的目的。根据修复的机理和过程，可以将植物修复技术分为植物提取、植物固定和植物挥发3种类型。其中研究较多的是植物提取，即利用超积累植物对重金属进行富集。

2植物修复技术的特点

与传统的重金属污染土壤修复技术相比，植物修复技术的优势体现在：原位、主动修复，不破坏土壤结构和土壤微生物活动，对周围环境扰动少；植物收割集中处理回收重金属，可减少二次污染并兼具经济效益；成本低廉、操作简单、安全可靠、效果长久、适用于大面积治理，并能美化环境，受到各国学者重视。

当然，植物修复也存在其局限性，已知的超富集植物多为野生型，个体矮小、生物量低、生长缓慢，植物修复相比传统理化法耗时久，治理周期长，修复效率低。因此，如何有效提高植物的生物量，提高植物的吸收、转动能力，从而提高修复效率，是植物修复技术能否得以大面积推广应用的关键。

3植物修复技术的强化措施

目前，研究较多的强化措施主要有化学调控技术、植物-微生物联合修复技术、基因工程技术及农艺调控技术等。

3.1化学调控技术

化学调控技术主要是通过添加外来物质以改变土壤的化学性质，或直接与重金属相结合，改变重金属的赋存形态及生物有效性等，最终强化作物对重金属的吸收。常见的添加物主要有螯合剂、表面活性剂、酸碱调节剂、有机物料等。

3.1.1螯合剂。污染土壤中大部分重金属被非常牢固的结合在固相上，螯合剂能使土壤固相键合的重金属释放，形成水溶性的金属—螯合剂络合物，从而减少土壤矿物对重金属的吸附，提高重金属的生物有效性，强化重金属向植物体中的迁移。

常见的螯合剂主要有2类：一类是人工合成的螯合剂，如EDTA、DTPA、HEDTA、CDTA等，这类螯合剂对重金属具有较强的活化能力。在重金属污染土壤的植物修复中，EDTA（乙二胺四乙酸）是最有效、最常用的，可显著提高植物对Cd、Pb的吸收能力。Piechalak在含200mg/kgPb的土壤中种植豌豆，添加292mg的EDTA，豌豆对Pb的富集量比对照增加了67%。另一类是天然螯合剂，如柠檬酸、草酸、酒石酸等，这类螯合剂对重金属的活化能力不如前者强，但因其易生物降解，而引起研究人员的广泛关注。

螯合剂的活化作用增加了重金属在土壤中的移动性，因而容易对地表和地下水造成污染，而且螯合剂同时活化了土壤中的其它元素如Fe、Mn、Ca等，使这些营养元素淋失而导致植物营养缺乏，此外，残留的螯合剂也可能造成新的污染。

3.1.2表面活性剂。表面活性剂是亲水又亲油的化合物，可根据其增溶和增流特性，促进土壤中重金属解吸，提高生物可利用度。有专家发现在含Cd，Cu，Zn分别为25mg/kg，30mg/kg，700mg/kg的土壤上种植莴苣与黑麦草，用表面活性剂处理后，3种重金属在地上部分的含量比对照增加了4～24倍。

与螯合剂一样，表面活性剂也对植物生长表现出一定的毒害作用，并且自身也容易给环境带来影响，易降解、无毒性的生物表面活性剂的开发成为当今表面活性剂修复的热点。生物表面活性剂是由植物或动物产生，本身无毒或低毒且易生物降解，不会对植物产生不利影响，也不会改变土壤物化性质。它不仅可以促进植物对重金属的吸收，还会促使重金属由植物根部向地上部迁移。叶和松通过将植物接种能够产生表面活性物质的菌株J119进行盆栽实验，结果表明油菜的地上部和根部的Pb浓度分别增加了31.0%和35.0%。

3.1.3酸碱调节剂。酸碱调节剂是根据土壤的酸度和靶重金属的性质，投加酸性或碱性物质改变土壤pH值，增加重金属的生物有效性。降低土壤pH值能促使部分结合态的Pb、Zn、Cd等重金属溶解而进入土壤溶液，成为植物可吸收态重金属。常用的降低土壤pH值的方法有直接加酸法（稀硫酸等）和施肥法（固铵态肥等）。固铵态肥可降低pH值，因为当施用固铵态肥时，根际吸收的氮素以铵态为主，植物为维持细胞正常生长的pH值和电荷平衡，根系分泌质子，使根系pH值下降。施用硝态氮肥则相反，植物体内硝态氮还原过程中需要消耗质子，根系分泌出OH-或HCO-因而使pH升高。对于砷来说，pH值升高则有利于更多砷进入土壤溶液，增加其生物有效性，因此可以通过添加生石灰或是硝态氮肥等来提高土壤pH值。

3.1.4营养物质。养分是影响植物吸收重金属的重要要素，加入营养元素可改善植物根系的生长条件，促进植物生长量的增加，提高土壤重金属的活性和植物修复的有效性。廖晓勇等通过田间实验，表明适当施用磷肥明显促进蜈蚣草的生长，提高了植物中砷的含量。因为磷的施用促进植物生长发育，提高了根系吸收能力，同时还可使吸附的砷释放出来，提高了土壤有效砷的含量。另外，施用有机物料来降解土壤中的重金属也得到普遍认可，常用的有稻草、泥炭、家畜粪肥等。有机物质的强化机理，一方面可以直接与重金属发生络合作用，二是可改变土壤的pH值和Eh值，从而影响重金属的沉淀—溶解平衡，另外还可改变土壤固相物质的表面活性。

3.2植物-微生物联合修复技术

植物-微生物联合修复是利用土壤—微生物—植物的共存关系，充分发挥植物与微生物修复的各自优势，弥补单一方法修复的不足，提高土壤重金属污染的植物修复效率。植物-微生物联合修复兼具生物固定与生物去除土壤重金属的两种功能，是土壤重金属污染生物修复技术研究的新的发展方向。

微生物联合修复体系是筛选对污染物有分解作用、促进植物生长的根际微生物，以根际微生物菌根、内生菌等方式与根系形成联合体，通过增强植物抗性和优化根际环境，促进根系发展，从而增加植物吸收和向上转动重金属的能力。Belimov将印度芥菜种植在高浓度Cd土壤里，从植物根际分离出11株耐受Cd的细菌菌落，菌落体内含有（ACC）脱氨酶，脱氨酶可促进芥菜根部生长，使印度芥菜根系对Cd的吸收富集量提高。

虽然国内外关于植物—微生物修复的功能性菌种、微生物解毒机理、增强植物抗性等方面有了系列报道，但对这种联合修复理论与机制的研究程度还远远不够，包括功能菌株的筛选、鉴定与繁殖，菌剂的制备，接种方法以及工程应用等方面的研究都需要进一步深入。

3.3基因工程技术

以超积累植物为手段的植物修复技术存在生物量小、生长周期短、寻找困难等因素的制约，而利用基因工程改良植物，调整植物吸收、运输和富集重金属的能力及对重金属的耐受性，开拓了植物修复技术的新领域。

基因技术的技术路线是，首先识别出对重金属耐性强或积累高的生物，通过生物化学、分子生物学等方法鉴别出控制这些性状的基因；然后将这些基因按设计方案定向连接起来，并在特定的受体细胞中与载体一起得到复制与表达，使受体细胞获得新的遗传特性，最后进行田间试验。光烟草的生长速度较快，生物量大，分布广，动物不喜取食，对多种环境污染物具有抗性。将小麦的植物螯合肽合成酶（PCS）基因转入光烟草中，转基因植株对Pb和Cd的抗性明显提高，同时转基因植物的地上部分累积的Pb是野生型的2倍。Eapen等指出，将金属螯合剂、金属转运蛋白、金属硫蛋白（MT）和植物螯合肽（PC）的基因转移到待试植物中，可以提高植物对金属的吸收和贮存。

转基因植物在实际应用中存在潜在的生态风险，可能会对当地生物群落产生威胁，因此，在基因改造植物用于植物修复之前，必须进行转基因植物安全性评价。完善野外试验监测、取样和数据分析的方法，规范修复成效的评价方法，也是植物修复研究的重要任务。

3.4农艺措施

Chaney等详细阐述了各种农艺措施对于植物修复的重要性。将现代农业技术利用到植物修复中是提高修复效率的一条捷径。如通过作物育种技术对超富集植物进行性能改进，通过叶面喷施营养试剂，合理水肥供应、缩短修复周期等措施，人为调控植物的生育状况，改善植物的生长发育状况，改进植物的吸收性能，从而提高植物的修复效率。

4展望

植物修复技术作为一种新兴的污染治理技术已被证明具有极大的潜力和市场前景，但是，植物修复的产业化应用还有许多问题有待解决。下面一些研究领域应重点关注。

1）继续寻找、筛选高效、富集面广的超富集植物，继续开展对超富集植物的筛选及机理的研究，进一步理解植物对重金属的积累、吸收和螯合机制，特别是对重金属胁迫影响的突变体的分析，同时结合基因工程、杂交育种等科学手段培育出高产、高效、优良的植物种质资源。

2）土壤重金属修复是一项系统工程，单一的修复技术很难达到预期效果，要以植物修复为主，辅以物理的、化学的及微生物手段，增加重金属的生物有效性，提高修复效率。联合修复技术将是今后土壤重金属修复的主要研究方向。

3）基因工程的进一步研究。包括异地超累积植物的生态安全性问题、有价值基因的筛选、转基因植物遗传性能等。