重金属污染农田安全利用：进展与展望

1.2 低吸收作物筛选

寻找新的低吸收作物品种一直是污染农田安全利用的主要发展方向。低吸收品种除了保障对重金属的低吸收外, 还应该具有如下特征:

1) 当地适应性。由于农田土壤的类型、理化性质、污染程度、气候等存在差异, 同一作物品种在不同地区之间可能存在重金属吸收能力的差异。因此, 当在某地区种植低吸收作物时, 需要对已知的低吸收品种进行重新验证或重新筛选适合当地的低吸收品种。

2) 多金属抗性。我国土壤多为重金属复合污染。若某Pb-Cd复合污染地区的小麦品种仅对Pb低吸收, 而Cd含量超标, 那此地出产的小麦仍不能进入食物链流通。此外, 我国部分地区土壤还存在着有机污染、干旱、盐碱、低温等胁迫, 寻找新的作物品种时还应考虑其对多种胁迫因素的耐受性。

3) 产量不受太大影响。我国人口数量巨大, 耕地资源稀缺, 必须要保障农产品高产; 高产带来的高经济收益也有利于新的低吸收品种在农民中的推广应用。此外, 由于人们对生活质量的要求不断提高, 生产营养物质更加丰富的农产品也是寻找低吸收作物品种的目标之一。

当前, 我国低吸收作物品种的筛选主要集中在水稻、小麦等粮食作物上。除了粮食, 重点经济作物如烟草、油料、中草药等也是重金属进入人体的重要途径, 且我国拥有大面积种植这些农作物的产区, 因此对油料、中草药、棉麻等作物进行低吸收品种的筛选也十分必要。

1.3 基因工程应用

基因工程改造是另一个获得具有优良性状的低吸收品种的途径。目前, 生物体内的部分与重金属抗性相关的基因已经被确认和验证(表4)。这些基因表达产生植物鳌合肽合成酶(phytochelatins, PCs)、转运蛋白、还原酶等, 通过鳌合、转运、区隔化等作用降低重金属的毒性和调节对重金属的积累。通过基因工程技术改变这些基因在植物体内的表达量可以显著影响植物对重金属的抗性和吸收。例如, 转入AKR4C9基因或MsALR提高了大麦对Cd和As的抗性; 过表达TaGolS3基因提高了水稻对Zn的抗性; 转入AtACR2基因提高了烟草对As的抗性并降低了地上部As的浓度; 过表达OsHMA3基因或者敲除OsNramp5、OsHMA2或OsLCT1降低了水稻地上部或籽粒对Cd的积累量。

通过基因工程技术可以使农作物对重金属的积累量显著降低, 但复杂的田间因素与转基因作物可能带来的生态环境风险以及公众对转基因作物安全性的争议, 使得这些通过基因工程得到的低吸收作物的田间种植面临着巨大挑战。

值得注意的是, 有些作物品种地上部能够积累大量的重金属, 而可食用部分如籽粒中的含量不超过安全标准, 这样的农作物被称作cropaccumulator。种植cropaccumulator既可以减少土壤重金属的含量, 也能够保证农产品的产量与安全, 是一种很有前途的污染土壤的安全利用方式。通过基因工程技术将外源基因转入到作物中, 增强作物对重金属的抗性和积累能力被认为是一种获得cropaccumulator的方法。Luo等鉴定出了影响水稻Cd积累量的数量性状基因位点(quantitative trait locus, QTL)CAL1。CAL1能够调节叶片中Cd的积累, 而对Fe、Zn、Cu等其他营养元素和籽粒中的Cd无显著影响。这为cropaccumulator的寻找提供了有力的基础。

2 土壤添加剂应用

土壤添加剂可以改变重金属在土壤中的赋存形态与生物有效性, 进而影响植物对重金属的吸收。因此, 利用土壤添加剂钝化土壤重金属是污染农田安全利用的一种重要措施。常被用于土壤重金属钝化修复的添加剂如下。

2.1 石灰性材料

大量研究表明重金属在土壤中的生物有效性与土壤pH呈负相关关系, 提高土壤pH可以钝化土壤重金属。石灰的主要成分为CaCO₃, 能够显著提高土壤pH, 常被用来改善酸化土壤。多种含有石灰的材料, 如煅烧的贝壳、钢炉渣、磷灰石、海泡石等已被用来进行土壤重金属钝化修复。但土壤pH升高也会导致营养元素的有效性和土壤酶活性的降低, 降低农作物生物量。

2.2 磷酸盐材料

磷酸盐能够与重金属形成稳定的磷酸盐沉淀, 降低重金属在土壤中的迁移性。Chen等发现磷酸盐能够将土壤中的Pb、Zn、Cd由可交换态、有机结合态转化为磷氯铅矿等残渣态, 进而降低油菜(Brassica campestrisL.)中这些重金属的含量。

2.3 有机废弃物

农业有机废物如畜禽粪便、农作物秸秆等常常作为有机肥为植物提供营养元素。研究表明向土壤中施加粪肥、作物秸秆等能够降低重金属的生物有效性, 减少植物对重金属的吸收。这主要有如下几个原因:首先, 施加粪肥、秸秆等能使土壤有机质含量增加, 这些有机物通过络合作用吸附重金属, 降低重金属的生物有效性; 其次, 施加有机废弃物能够提高土壤pH, 进而降低重金属的生物有效性; 此外, 施加有机废弃物能够提高土壤有效磷的含量, 而磷能够有效钝化土壤重金属。

2.4 生物炭

生物炭具有非常高的比表面积, 可高达65.85 m²·g^-1, 且带有负电荷, 有利于其吸附重金属离子。此外, 生物炭表面含有大量的—OH、—COOH等官能团, 可与重金属形成稳定的络合物。生物炭多呈碱性, 施用生物炭能够提高土壤pH, 强化对重金属离子的钝化。

2.5 黏土矿物

膨润土、蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土矿物具有较高的阳离子交换量, 能够通过离子交换作用将土壤重金属离子吸附于其表面上, 进而降低重金属的迁移性。重金属还能与矿物晶体通过共价键形成专性吸附, 很难再从黏土矿物上解吸下来。Sun等、徐奕等在Pb、Cd污染土壤中施入膨润土后, 土壤中Pb、Cd主要由可交换态转化为了残渣态, 且水稻体内的Pb、Cd浓度显著降低。

土壤添加剂在土壤重金属污染修复中也存在着一些问题。(1)过量施用添加剂会改变土壤性质。长期施用石灰等碱性物质会破坏土壤团粒结构, 造成土壤板结和养分流失, 也会对土壤微生物的群落结构产生影响。(2)添加剂可能会引入新的污染物质。有机废弃物可能会携带大量重金属、有机污染物、病原菌等有害物质, 如果不经处理直接施用会对土壤造成二次污染, 并降低土壤质量。(3)添加剂对重金属的钝化效果会随土壤环境的改变而改变。有机添加剂容易被降解, 被其固定的重金属会重新释放出来, 因此, 需要对其进行长期的环境风险评估。(4)添加剂可能会降低农作物的产量。Sun等研究发现在碱性土壤中施加0.5%~5%的海泡石会降低菠菜(Spinacia oleraceaL.)地上部的生物量。

3 微生物调控

微生物能够改变土壤中重金属的赋存形态, 影响其生物有效性, 也能调节植物的养分供应, 促进植物的生长发育。由于经济性与环境友好性, 微生物越来越多地被应用于土壤重金属污染的钝化修复中。当前, 多种具有重金属抗性或积累能力的微生物已经被筛选出来(表5), 这些微生物能显著降低小麦、水稻、白菜、萝卜(Raphanus sativusL.)等农作物中Cd、Pb、Cu、As、Cr等重金属的含量。

3.1 微生物调控机理

微生物抑制植物吸收重金属的机制已经有大量研究, 主要包括降低土壤重金属的有效性与影响植物吸收两个方面。

1) 降低土壤重金属生物有效性。微生物可以通过分泌胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)来钝化重金属。EPS富含羟基、羧基、氨基等官能团, 可通过静电吸附、络合等作用与重金属键合并钝化重金属。Li等发现白腐真菌(Phanerochaete ysosporiumB.)分泌的EPS对低浓度Pb的钝化起着十分重要的作用。Joshi等发现固氮菌(Azotobacterspp.)可以通过分泌EPS来钝化土壤中的Cd、Cr离子, 进而降低小麦体内Cd、Cr的含量。

微生物可以将重金属矿化进而钝化重金属。Li等发现Sporosarcina pasteuriiM.、Terrabacter tumescensiL.等细菌能够产生脲酶将尿素水解, 提高土壤pH, 使土壤溶液中的Cd、Cu、Pb、Ni等重金属在其表面沉淀形成碳酸盐结晶。Qian等发现,Penicillium ysogenumT. CS1可以将土壤中的Pb、Cr主要转化为方解石、钒钙、碳酸钙、氧化铬等碳酸盐矿物。除了碳酸盐矿物, 微生物还能将重金属转化为磷氯铅矿、水白铅矿等。

微生物可以通过影响土壤中有机质的转化来钝化重金属。微生物在有机质降解及腐殖质形成过程中起着重要的作用。腐殖质富含羟基、羧基、氨基等官能团, 这些官能团能够与重金属形成稳定的络合物, 进而钝化重金属。Zhang等发现, 在堆肥过程中加入白腐真菌(Phanerochaete ysosporiumB.)能够显著提高腐殖质的含量, 降低Zn、Pb、Cu和Ni的生物有效性, 且重金属的残渣态或氧化物结合态的含量与腐殖质或其某些成分(如胡敏酸)的含量具有良好的相关性。

部分微生物对重金属具有很强的积累能力, 可以将土壤中的重金属大量吸收到体内, 进而减少可被植物吸收的重金属含量。Wu等通过盆栽试验发现, 种植蘑菇(Coprinus comatusM.)显著降低了生菜(Lactuca sativaL.)体内Cu的积累量与土壤中HOAc提取态的含量, 且土壤中可交换态Cu的含量变化与蘑菇体内Cu的积累量的变化趋势一致, 这说明土壤中有效态的Cu主要被C. comatus吸收从而减少了生菜对Cu的吸收。

2) 影响植物对重金属的耐性和吸收。重金属会引起植物体内活性氧(ROS)的过量产生, 进而对植物产生毒害作用。通过提高体内的抗氧化酶如SOD、POD和CAT含量来清除ROS是植物应对重金属毒害的一种重要机制。微生物可以影响植物体内抗氧化酶含量进而减轻重金属对作物的毒害作用。Devi等发现, 向土壤中施加真菌Trichodermasp. (WT2)显著提高了向日葵(Helianthus annusL.)体内SOD、POD和CAT的含量, 增强了向日葵对Pb的耐受性。

微生物可以增强植物对营养元素的吸收, 提高植物的生物量, 对体内的重金属起到稀释作用(growth dilution effects), 进而降低植物体内的重金属含量。Wu等发现接种丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)(Rhizophagus irregularisS.)能够加强蒲公英(Taraxacum platypecidumD.)对P的吸收, 显著提高其生物量, 降低其体内Cr的浓度。AMF外生菌丝具有很高的表面积与阳离子交换量, 能够将重金属离子结合在其表面, 在植物根系周围钝化大量重金属, 减少植物对重金属的吸收。Nayuki等通过X-ray fluorescence (XRF)成像技术发现, AMF能够将Cd大量地固定在其外生菌丝的细胞壁和液泡中, 且不会转运到宿主植物的根中。即使外生菌丝能够将Cr、Zn等转运到植物根系中, 也会显著地抑制这些重金属由植物地下部向地上部的转移。

3.2 钝化效果强化

强化微生物对重金属的钝化效果是今后的主要研究方向。添加剂可以影响微生物的活动, 进而强化其对重金属的钝化效果。Wang等发现使用由畜粪制成的有机添加剂能够显著增加AMF对烟草根部的侵染率。添加硫酸盐和葡萄糖能够强化硫酸盐还原细菌(sulfate reducing bacteria)的活动, 促进其将重金属转化为硫化物沉淀。与单独添加微生物相比, 微生物与生物炭、煤泥等钝化剂联合使用能显著降低Cd、Pb等重金属在土壤中的生物有效性以及在玉米、绿豆(Vigna radiataL.)、萝卜、生菜等农作物中的含量。微生物的活动与群落结构容易受到诸多土壤性质的影响, 故也可以通过调节土壤的pH、C/N比、有机质含量与含水率等来控制微生物对重金属的钝化活动。此外, 通过基因工程手段将与重金属抗性相关的外源基因转入微生物, 可以强化微生物对重金属的钝化修复效果。Elahian等将Mucor racemosusB.的Cyb5R基因转入毕赤酵母(Pichia pastorisG.)后发现, 毕赤酵母能够将Ag转化成毒性更低的纳米银并将其大量吸附在细胞表面。Li等发现, 转入来自豆梨(Pyrus calleryanaD.)的PcPCS1基因能够增强大肠杆菌(Escherichia coliE.)对Cd、Cu、Hg离子的抗性和积累量。

3.3 土著微生物利用

在需要进行安全利用的地区土壤中寻找具有重金属钝化功能的土著微生物具有重要意义。严重污染地区(如矿区)土壤的重金属含量非常高, 能够在这些土壤中存活下来的微生物往往对重金属具有很强的抗性, 这种天然筛选使人们更容易寻找到能够应用于重金属污染土壤修复的目标微生物。但由于土壤性质存在较大的差异以及与土著微生物的竞争作用, 由污染严重的矿区分离筛选出来的微生物的活动或功能在污染程度较低的农田土壤中可能会发生改变, 进而影响这些微生物的修复效果。土著微生物能够更好地适应待修复农田的土壤环境, 进而产生更好的修复效果。Oller等从当地农田土壤中筛选出的杆菌Enterobactersp.、假单胞菌Pseudomonassp.和红球菌Rhodococcussp.均对As具有很强的抗性和积累能力, 且能够促进大豆的生长, 具有很大的潜力应用于当地污染土壤的粮食安全生产。Abu-Elsaoud等在当地农田土壤中筛选出的AMF(Funneliformis geosporumN. et G.)能够增强小麦对Zn的抗性并抑制Zn向地上部的转运。此外, 随着宏基因组等技术的发展, 土壤中微生物的种质资源能够被更加充分地发掘, 这将助力人们筛选出更多的能够应用于污染土壤修复的土著微生物。

4 农艺管理

农艺措施能改变土壤的通气、水分、养分等条件, 除了能够提高农作物产量, 增加收益, 防治病虫害, 改善土壤外, 还能影响土壤中重金属的生物有效性和植物对重金属的抗性。因此, 农艺措施也是污染农田土壤安全利用的一种重要调控措施。当前, 人们主要通过施肥、水分管理、间套作等农艺措施来控制农作物对重金属的吸收。