2017年土壤重金属污染与修复研究热点回眸

土壤重金属的形态转化

因土壤组份和性质、重金属元素种类和污染时间不同，重金属在土壤中的存在形态和活性具有明显差异，准确明晰土壤重金属形态及转化是污染土壤进行风险评估、管控及修复的重要基础。重金属进入土壤后随时间延长活性逐渐降低的过程，为重金属的“老化”过程。澳大利亚南十字星大学Rahman等利用同位素稀释法和X射线吸收光谱技术对长期历史老化和新近的污染土壤As活性和形态进行研究，探讨老化过程对As活性降低的机制。对比研究发现，历史老化土壤90%以上As为不可逆结合，主要形成了类似钙、铝和铁结合的矿物沉淀，而新污染土壤As主要受控于表面吸附作用，如水合铁铝氧化物和高岭石等表面吸附。该研究证实，老化可将表面吸附的As通过矿物的重结晶而降低其移动性和可利用性（accessibility）。除老化作用，土壤性质也影响重金属的结合形态。Ren等选取了9种Pb、Zn污染土壤，结合化学提取、多元素稳定同位素稀释法及多表面模型，研究何种土壤性质或成分控制Pb和Zn的地球化学过程。同位素稀释法结果表明，有0.1%~38%的Pb为同位素可交换形态，而Zn为3%~45%；连续提取和模型结果表明，锰氧化物是土壤Pb的主要吸附物质，而在低pH土壤Zn活性主要受有机质的影响，在高pH土壤受控于铁锰氧化物。该结果表明模型能预测土壤重金属活性控制因子，但需进一步将锰氧化物作用整合到模型中。

重金属进入土壤后，经长期老化作用而处于相对稳定的平衡状态，但植物根系、微生物等作用使土壤性质发生变化时，其形态和有效性将可能随之改变。法国国家科学研究院Aucour等针对土壤环境普遍存在的Zn，利用X射线吸收精细结构谱、微X射线荧光技术以及稳定同位素技术，研究Zn在水生植物Typhalatifolia-淹水土壤体系的形态和转化，发现在淹水土壤中Zn主要以层状双氢氧化物、四面体和八面体吸附态以及ZnS存在；在植物体内Zn以有机酸结合和细胞壁络合的八面体和四面体形态以及硫基结合态Zn存在；ZnS富集相对较轻的同位素Zn，而根铁膜中Zn的组份相对于土壤中Zn较轻（-0.3‰~0.1‰），表明ZnS在植物根际有氧环境下氧化溶解从而被铁膜吸附，同时发现相对于叶、茎富集的Zn同位素较轻，表明叶Zn再分配通过韧皮部回到茎中。该研究揭示了硫元素在湿地土壤-植物中Zn形态、转运和储存的作用机制。在淹水的水稻土中，土壤As还原成As（III），增加其移动性和水稻砷的有效性，其中微生物调节的氧化还原过程起着重要作用。南京农业大学Zhang等研究发现，添加硝酸盐强烈刺激了As（III）被无氧氧化成As（V），降低了稻田土壤可溶性总As的浓度（图4），显著增加了aioA基因丰度，以及食酸菌属和偶氮菌属的OTUs丰度。进一步从添加硝酸盐处理的水稻土中分离出一株属于食酸菌属的细菌ST3，该细菌能在厌氧条件下将硝酸根作为电子受体而氧化As（III）和Fe（II），该研究为降低污染土壤中As移动性提供了新的技术方法。

图4硝酸盐加入后土壤溶液As和Fe形态变化

土壤重金属污染的植物修复研究

重金属污染关系着生态安全和人体健康，重金属污染土壤修复是目前所面临的紧急任务。在众多重金属污染土壤修复修复技术中，绿色、环境友好、可原位实施的植物修复技术是研究最多的修复技术之一，也是2017年度的研究热点。

植物耐受与超积累重金属的机制研究

利用超积累植物修复重金属污染土壤一直是研究学者们关注的焦点。区别于普通植物，超积累植物地上部可富集高浓度的重金属。其可能作用机制为：超积累植物的根际对土壤重金属活化效应；超积累植物对重金属具有快速的吸收转运体系；超积累植物对重金属具有强的解毒储存能力。浙江大学Hou等对比研究重金属超积累型和非超积累型植物的根际特征，发现与非超积累型植物相比，超积累型植物根际具有更为庞大的根系，土壤pH值较低，重金属有效性高；根际土壤重金属有效性与超积累植物特异的细菌群落具有显著相关性，微生物群落功能分析（PICRUSt）超积累植物根际细菌丰度相对较高，其相应的功能与膜运输和氨基酸代谢相关。该研究揭示了超积累植物根际特征，尤其是特异的根际细菌群落组成对超积累植物吸收重金属的作用。除超积累植物特殊的根际效应外，其植物本身对重金属吸收和存储能力亦是超积累重金属主要机制。浙江大学Tian等对超积累型和非积累型东南景天对Cd吸收、分布以及细胞水平上耐性进行研究。Cd在非积累型植物叶和茎中维管束中有少量分布，而超积累植物Cd含量高，且不同组织和时间上差异较大；两种植物在Cd向叶原生质运输的动力学上没有较大差异，但超积累型在Cd的液泡存储上更为高效。该研究结果表明相对于快速运输至薄壁细胞，Cd的液泡高效存贮是东南景天茎中积累Cd的更为重要的机制。超积累植物对重金属的积累和解毒机制受控于体内特有基因表达。中国科学院植物研究所Liu等对镉锌超积累植物伴矿景天Cd耐性基因进行研究，发现伴矿景天体内的ATP酶3基因（SpHMA3）对其Cd在体内解毒具有重要作用，酵母中外源SpHMA3表达试验表明其具有Cd专一运输活性，对Cd敏感而对Zn不敏感，SpHMA3基因在非超积累型景天中超量表达可增加其对Cd的耐性和积累性，但对Zn无效应。该研究结果证实位于液泡膜上的SpHMA3基因对植物Cd解毒机制起着重要作用，能保持伴矿景天在Cd污染土壤上正常生长（图5）。

图5Cd处理下SpHMA3对超积累植物生长的影响

植物修复的强化调控原理研究

受限于土壤重金属有效性和多数修复植物较小的生物量，尽管超积累植物能在体内吸收富集较高浓度的重金属，但在实际应用时超积累植物对土壤重金属去除较慢。通过化学、生物以及农艺措施可进行强化植物修复，提高植物修复效率。

化学强化修复是向污染土壤中添加化学试剂增加土壤重金属有效性和移动性，是强化植物修复效率的常用调控措施。但是外加化学试剂所引起的二次污染以及重金属大量溶出导致的环境风险问题，限制了化学强化修复的实际应用。选择可降解的重金属络合试剂是化学强化修复重要方向研究。美国蒙特克莱尔州立大学Attinti等研究了可降解试剂乙二酰二琥珀酸（ethylenediaminedisuccinicacid，EDDS）对不同性质土壤上香根草修复土壤Pb的强化作用。EDDS的施用显著增加土壤Pb的移动性以及Pb从根向地上部转运能力，使香根草地上部Pb含量增加53%~203%，且EDDS的强化作用不受土壤pH和黏粒含量限制。除单一活化试剂应用外，两种作用不同的试剂联用可进一步强化修复效果。氨三乙酸（Nitrilotriaceticacid，NTA）是一种对多种重金属具有络合能力，且对可降解的环境友好的络合试剂，烷基糖苷（alkylpolyglucoside，APG）亦是良好的表面活性剂。上海大学Hu等研究NTA和APG联用对藨草修复Cd和Pb污染土壤的强化效应。在单一污染条件下，两种试剂联用增加Cd在根表吸附，增加根对Pb吸收；在两者复合污染条件下，NTA使根吸收Pb增加了9.7倍，而吸收的Cd增加了1.0倍，在NTA存在下APG使更多重金属富集在根表，而增加植物对重金属吸收（图6）。

图6不同化学试剂对植物根吸附和吸收Pb和Cd的影响

微生物对植物修复强化功能主要表现在以下几个方面：通过转化重金属形态优化植物根际环境，改善植物生存条件来促进植物生长，提高植物的生物量；以菌根和内生菌等方式与植物根系形成联合体，提高植物抗重金属毒性的能力；促进根系发展，增大植物根部吸收量和增强植物向其地上部分转运重金属的能力。在重金属污染土壤上，耐性植物或超积累植物在长期选择下形成特异的微生物群落，研究土著微生物及其与植物间的相互作用，可强化植物修复。西班牙奥维耶多大学Mesa等通过对砷耐性的本土植物（Betulaceltiberica）根际和内生细菌群落进行研究，发现总计54个可培养根际细菌和41个根内生菌以黄杆菌、伯克霍尔德氏菌及假单胞杆菌为主，该组菌对植物吸收积累重金属作用包括促进植物生长、络合重金属或缓解重金属胁迫作用。分离获得的产铁载体和生长素的植物根内生菌增强了植物根和叶对As的积累，而根际分离的Ensiferadhaeren91R菌可促进植物生长。除了细菌外，与宿主植物相关联的真菌亦可通过促进植物生长和对重金属耐性而强化植物修复。突尼斯生物技术研究中心Mnasri等探讨了AM真菌影响宿主植物和非宿主植物对重金属Cd和Ni的耐性和吸收性。结果表明AM真菌能显著促进宿主植物生长和重金属吸收，而AM真菌的菌丝和囊泡能够在非宿主植物上定殖，同时提高非宿主植物对重金属吸收，但该强化作用与宿主植物不同且强化效应也弱于对宿主植物效应，从宿主植物辐射出来的菌丝刺激非宿主植物对Ni和Cd的吸收和转运。内生菌在植物根内定殖，可克服被污染土壤土著微生物竞争失活的缺陷，内生微生物强化植物修复具有较强的应用潜力。韩国庆北国立大学Khan等首次对Cd积累植物龙葵根内生真菌以及对宿主植物耐Cd性和生长影响进行研究，从龙葵根内分离出42中可培养的内生真菌，主要为刺盘孢属（Colletotrichum）、链格孢属（Alternaria）和镰孢霉属（Fusarium），分离出的多数真菌对Cd敏感，其中PDL-1和PDL-10对不同梯度的Cd表现为耐性；接种PDL-1和PDL-10均显著增加了根和茎的长度和生物量，而对植物体内Cd浓度强化作用PDL-10优于PDL-1。

农艺措施强化修复是除化学和生物强化措施外，通过施肥、水分调控、收获方式等农艺途径，调节植物生长亦能强化植物修复的方法，这些方面的研究在2017年度亦有新颖的成果。去除顶端优势是常用的调控植物生长的农艺措施，通过去除修复植物顶端，增加了植物枝条数目，提高了植物生物量，进而提高修复效率。桂林理工大学Liu等针对Cd超积累植物CelosiaargenteaLinn开展了去顶和不去顶在不同程度污染土壤上对植物生长和Cd积累性影响的相关研究。相对不去顶处理，去顶处理使该植物的根生物量增加了75%~105%，茎增加108%~152%，叶增加80%~107%，但叶片的蒸腾和光合速率没有显著差异，在不同土壤中，去顶处理植物地上部Cd浓度为未去顶处理的2.5~2.8倍（图7），该研究结果表明对于C.argentea，去顶处理是一种有效的强化修复效率措施。对于重金属污染土壤，植物修复需要长时间的多次种植修复，重复种植-收取需要较大的人力成本，应用多年生的修复植物可以减少该繁琐过程，例如，Alyssumlesbiacum是一种多年生的Ni超积累植物，希腊爱琴大学Adais等研究该植物在不同时期生物量、Ni浓度和Ni累积量，发现植物生物量和Ni浓度分别于种植后第3和第4年达到最大，最大的Ni吸收量为第3年，该结果表明对于类似的多年生修复植物可以考虑种植数年后再进行收获。

图7去顶（DP）和不去顶（UDP）处理植物对Cd吸收