摘要：植物修復(fù)重金屬污染土壤已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，但植物修復(fù)相比傳統(tǒng)理化法耗時(shí)久，治理周期長(zhǎng)，修復(fù)效率低。系統(tǒng)闡述了植物修復(fù)技術(shù)的各項(xiàng)強(qiáng)化措施包括化學(xué)調(diào)控技術(shù)、植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)、基因工程技術(shù)及農(nóng)藝調(diào)控技術(shù)等，分析了各項(xiàng)技術(shù)的機(jī)理、方法、應(yīng)用效果及存在問(wèn)題，并對(duì)植物修復(fù)技術(shù)的未來(lái)的發(fā)展方向和前景進(jìn)行了展望。
來(lái)源:《環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)》
近幾十年來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，污水灌溉及農(nóng)業(yè)投入品的過(guò)量施用，土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重，給人們的健康帶來(lái)極大的危害。國(guó)內(nèi)外修復(fù)治理土壤重金屬污染主要有兩種途徑：一是改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)使其固定，降低其在環(huán)境中的遷移性和生物可利用性；二是從土壤中去除重金屬。圍繞這兩種途徑，已研究提出了各種物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)等治理方法。其中植物修復(fù)因其環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、美觀、適應(yīng)性廣等優(yōu)勢(shì)，引起人們廣泛關(guān)注。
1植物修復(fù)技術(shù)概述
植物修復(fù)技術(shù)是一種新興的綠色生物技術(shù)，也是一種土壤污染治理的環(huán)境友好技術(shù)。植物修復(fù)技術(shù)是利用植物對(duì)重金屬的吸收富集、穩(wěn)定能力，將重金屬轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)或通過(guò)植物分泌物將重金屬穩(wěn)定，從而達(dá)到轉(zhuǎn)移土壤中的重金屬或?qū)⑵涠拘越档偷哪康?。根?jù)修復(fù)的機(jī)理和過(guò)程，可以將植物修復(fù)技術(shù)分為植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定和根系過(guò)濾4種類型。其中研究較多的是植物提取，即利用超積累植物對(duì)重金屬進(jìn)行富集。
植物修復(fù)技術(shù)分類：
植物提取
植物提取是目前研究最多并且最有發(fā)展前景的一種方法。1977 年Brooks 提出了超富集植物的概念，1983年Chaney提出了利用超富集植物清除土壤重金屬的思想。植物提取技術(shù)利用的是一些對(duì)重金屬具有較強(qiáng)富集能力的特殊植物，要求所用植物具有生物量大、生長(zhǎng)快和抗病蟲害能力強(qiáng)的特點(diǎn)，并具備對(duì)多種重金屬較強(qiáng)的富集能力。重金屬經(jīng)植物根系吸收后，繼而轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存到植物莖葉，然后收割莖葉，從而達(dá)到去除土壤重金屬元素的目的。一般認(rèn)為重金屬含量超過(guò)一般植物100倍的植物屬于超積累植物,具體規(guī)定為植物積累的Cr、Co、Ni、Cu、Pb等含量達(dá)到1 g/kg以上，積累的Mn、Zn含量一般在10000 mg/kg以上，積累的Cd含量一般在0.1 g/kg以上。通常，超積累植物的界定可考慮以下2個(gè)主要因素：1）植物地上部富集的重金屬應(yīng)達(dá)到一定的量；2）植物地上部的重金屬含量應(yīng)高于根部。Li研究了十字花科的超積累植物Alyssum Annrale 和Alyssum orsicum 對(duì)Ni和Cu的吸收，結(jié)果發(fā)現(xiàn)效果顯著。
植物揮發(fā)
植物揮發(fā)是利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)或微生物使土壤中的污染物（主要是Hg、Se、As）吸收到植物體內(nèi)后轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，揮發(fā)出土壤和植物表面，釋放到大氣中。植物揮發(fā)要求被轉(zhuǎn)化后的物質(zhì)毒性要小于轉(zhuǎn)化前的污染物質(zhì)，以減輕環(huán)境危害。Rugh等將細(xì)菌Hg還原酶基因轉(zhuǎn)導(dǎo)入擬南芥，獲得轉(zhuǎn)基因植物的耐Hg能力大大提高，且能將從土壤中吸收的Hg還原為HgO。同時(shí)表達(dá)MerA 和MerB 轉(zhuǎn)基因煙葉能通過(guò)葉綠體加快對(duì)Hg 的吸收。通過(guò)轉(zhuǎn)基因植物控制重金屬單質(zhì)揮發(fā)、促進(jìn)植物提取效果是今后研究重點(diǎn)。
植物穩(wěn)定
植物穩(wěn)定是利用植物吸收和植物根際的一些特殊物質(zhì)使土壤中的大量有毒金屬轉(zhuǎn)化為相對(duì)無(wú)害的物質(zhì)，從而降低土壤中有毒金屬的移動(dòng)性、生物有效性，減少金屬被淋濾到地下水或通過(guò)空氣擴(kuò)散進(jìn)一步污染環(huán)境的可能性，使其不能為生物所利用的一種方法。植物根系分泌物通過(guò)改變根際環(huán)境（Ph、Eh），使重金屬的形態(tài)發(fā)生化學(xué)改變，降低重金屬的毒性效應(yīng)。該方法適合廢棄礦區(qū)的重金屬污染或者放射性元素的污染的治理。Santibá?ez等研究智利銅尾礦中黑麥草對(duì)Cu、Zn、Mo 和Cd等的修復(fù)作用，發(fā)現(xiàn)其對(duì)重金屬的累積主要集中在根部，向莖葉處轉(zhuǎn)移很少。東方香蒲對(duì)土壤中As、Cd、Pb的累積主要在根部，其累積量可達(dá)31.69、35.12、87.12 mg/kg，莖葉中僅為2.06、2.83、20.18 mg/kg。因此，東方香蒲可作為As、Cd、Pb污染土壤植物穩(wěn)定修復(fù)的潛在目標(biāo)植物之一。目前，利用麻瘋樹、蘆葦、蘆竹、荻、五節(jié)芒、纖維大麻、芥菜和紅麻等經(jīng)濟(jì)植物，對(duì)重金屬污染農(nóng)田進(jìn)行植物修復(fù)，有利于實(shí)現(xiàn)生態(tài)、環(huán)境效益的統(tǒng)一。
根系過(guò)濾
根系過(guò)濾作用是利用耐性植物龐大的根系過(guò)濾和吸收功能富集水體中的重金屬元素，將植物收獲進(jìn)行妥善處理，達(dá)到修復(fù)水體重金屬污染的目的?；蛘咄ㄟ^(guò)改變根際的環(huán)境從而使得重金屬形態(tài)發(fā)生改變，然后聚集在根部從而減少其在土壤中的移動(dòng)。此種方法更多的應(yīng)用于水體污染修復(fù)之中。主要用于處理含放射性污染物質(zhì)、重金屬和其他污染物質(zhì)（如N、P、K）的廢水，目前實(shí)際應(yīng)用較多的是人工濕地技術(shù)和生物塘工程。適用于根系過(guò)濾技術(shù)的植物，主要有水生植物、半水生植物，也有個(gè)別陸生植物，例如向日葵、印度芥菜、寬葉香蒲及煙草等。根基過(guò)濾適用于修復(fù)水體中重金屬污染，且具有永久性和廣泛性，研究發(fā)現(xiàn)水浮蓮和浮萍的根都具有將強(qiáng)的吸附能力。Hansen等的實(shí)驗(yàn)表明，舊金山海灣的濕地系統(tǒng)可以很好的吸收通過(guò)煉油廠排放出的含硒廢水，并且流出的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于流入的濃度，僅為5 μg/L。
2植物修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)
與傳統(tǒng)的重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)相比，植物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：原位、主動(dòng)修復(fù)，不破壞土壤結(jié)構(gòu)和土壤微生物活動(dòng)，對(duì)周圍環(huán)境擾動(dòng)少；植物收割集中處理回收重金屬，可減少二次污染并兼具經(jīng)濟(jì)效益；成本低廉、操作簡(jiǎn)單、安全可靠、效果長(zhǎng)久、適用于大面積治理，并能美化環(huán)境，受到各國(guó)學(xué)者重視。
當(dāng)然，植物修復(fù)也存在其局限性，已知的超富集植物多為野生型，個(gè)體矮小、生物量低、生長(zhǎng)緩慢，植物修復(fù)相比傳統(tǒng)理化法耗時(shí)久，治理周期長(zhǎng)，修復(fù)效率低。因此，如何有效提高植物的生物量，提高植物的吸收、轉(zhuǎn)動(dòng)能力，從而提高修復(fù)效率，是植物修復(fù)技術(shù)能否得以大面積推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。
3植物修復(fù)技術(shù)的強(qiáng)化措施
目前，研究較多的強(qiáng)化措施主要有化學(xué)調(diào)控技術(shù)、植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)、基因工程技術(shù)及農(nóng)藝調(diào)控技術(shù)等。
3.1化學(xué)調(diào)控技術(shù)
化學(xué)調(diào)控技術(shù)主要是通過(guò)添加外來(lái)物質(zhì)以改變土壤的化學(xué)性質(zhì)，或直接與重金屬相結(jié)合，改變重金屬的賦存形態(tài)及生物有效性等，最終強(qiáng)化作物對(duì)重金屬的吸收。常見的添加物主要有螯合劑、表面活性劑、酸堿調(diào)節(jié)劑、有機(jī)物料等。
3.1.1螯合劑。污染土壤中大部分重金屬被非常牢固的結(jié)合在固相上，螯合劑能使土壤固相鍵合的重金屬釋放，形成水溶性的金屬—螯合劑絡(luò)合物，從而減少土壤礦物對(duì)重金屬的吸附，提高重金屬的生物有效性，強(qiáng)化重金屬向植物體中的遷移。
常見的螯合劑主要有2類：一類是人工合成的螯合劑，如EDTA、DTPA、HEDTA、CDTA等，這類螯合劑對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的活化能力。在重金屬污染土壤的植物修復(fù)中，EDTA（乙二胺四乙酸）是最有效、最常用的，可顯著提高植物對(duì)Cd、Pb的吸收能力。Piechalak在含200mg/kgPb的土壤中種植豌豆，添加292mg的EDTA，豌豆對(duì)Pb的富集量比對(duì)照增加了67%。另一類是天然螯合劑，如檸檬酸、草酸、酒石酸等，這類螯合劑對(duì)重金屬的活化能力不如前者強(qiáng)，但因其易生物降解，而引起研究人員的廣泛關(guān)注。
螯合劑的活化作用增加了重金屬在土壤中的移動(dòng)性，因而容易對(duì)地表和地下水造成污染，而且螯合劑同時(shí)活化了土壤中的其它元素如Fe、Mn、Ca等，使這些營(yíng)養(yǎng)元素淋失而導(dǎo)致植物營(yíng)養(yǎng)缺乏，此外，殘留的螯合劑也可能造成新的污染。
3.1.2表面活性劑。表面活性劑是親水又親油的化合物，可根據(jù)其增溶和增流特性，促進(jìn)土壤中重金屬解吸，提高生物可利用度。有專家發(fā)現(xiàn)在含Cd，Cu，Zn分別為25mg/kg，30mg/kg，700mg/kg的土壤上種植萵苣與黑麥草，用表面活性劑處理后，3種重金屬在地上部分的含量比對(duì)照增加了4～24倍。
與螯合劑一樣，表面活性劑也對(duì)植物生長(zhǎng)表現(xiàn)出一定的毒害作用，并且自身也容易給環(huán)境帶來(lái)影響，易降解、無(wú)毒性的生物表面活性劑的開發(fā)成為當(dāng)今表面活性劑修復(fù)的熱點(diǎn)。生物表面活性劑是由植物或動(dòng)物產(chǎn)生，本身無(wú)毒或低毒且易生物降解，不會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生不利影響，也不會(huì)改變土壤物化性質(zhì)。它不僅可以促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收，還會(huì)促使重金屬由植物根部向地上部遷移。葉和松通過(guò)將植物接種能夠產(chǎn)生表面活性物質(zhì)的菌株J119進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明油菜的地上部和根部的Pb濃度分別增加了31.0%和35.0%。
3.1.3酸堿調(diào)節(jié)劑。酸堿調(diào)節(jié)劑是根據(jù)土壤的酸度和靶重金屬的性質(zhì)，投加酸性或堿性物質(zhì)改變土壤pH值，增加重金屬的生物有效性。降低土壤pH值能促使部分結(jié)合態(tài)的Pb、Zn、Cd等重金屬溶解而進(jìn)入土壤溶液，成為植物可吸收態(tài)重金屬。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（固銨態(tài)肥等）。固銨態(tài)肥可降低pH值，因?yàn)楫?dāng)施用固銨態(tài)肥時(shí)，根際吸收的氮素以銨態(tài)為主，植物為維持細(xì)胞正常生長(zhǎng)的pH值和電荷平衡，根系分泌質(zhì)子，使根系pH值下降。施用硝態(tài)氮肥則相反，植物體內(nèi)硝態(tài)氮還原過(guò)程中需要消耗質(zhì)子，根系分泌出OH-或HCO-因而使pH升高。對(duì)于砷來(lái)說(shuō)，pH值升高則有利于更多砷進(jìn)入土壤溶液，增加其生物有效性，因此可以通過(guò)添加生石灰或是硝態(tài)氮肥等來(lái)提高土壤pH值。
3.1.4營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。養(yǎng)分是影響植物吸收重金屬的重要要素，加入營(yíng)養(yǎng)元素可改善植物根系的生長(zhǎng)條件，促進(jìn)植物生長(zhǎng)量的增加，提高土壤重金屬的活性和植物修復(fù)的有效性。廖曉勇等通過(guò)田間實(shí)驗(yàn)，表明適當(dāng)施用磷肥明顯促進(jìn)蜈蚣草的生長(zhǎng)，提高了植物中砷的含量。因?yàn)榱椎氖┯么龠M(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，提高了根系吸收能力，同時(shí)還可使吸附的砷釋放出來(lái)，提高了土壤有效砷的含量。另外，施用有機(jī)物料來(lái)降解土壤中的重金屬也得到普遍認(rèn)可，常用的有稻草、泥炭、家畜糞肥等。有機(jī)物質(zhì)的強(qiáng)化機(jī)理，一方面可以直接與重金屬發(fā)生絡(luò)合作用，二是可改變土壤的pH值和Eh值，從而影響重金屬的沉淀—溶解平衡，另外還可改變土壤固相物質(zhì)的表面活性。
3.2植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)
植物-微生物聯(lián)合修復(fù)是利用土壤—微生物—植物的共存關(guān)系，充分發(fā)揮植物與微生物修復(fù)的各自優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一方法修復(fù)的不足，提高土壤重金屬污染的植物修復(fù)效率。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)兼具生物固定與生物去除土壤重金屬的兩種功能，是土壤重金屬污染生物修復(fù)技術(shù)研究的新的發(fā)展方向。
微生物聯(lián)合修復(fù)體系是篩選對(duì)污染物有分解作用、促進(jìn)植物生長(zhǎng)的根際微生物，以根際微生物菌根、內(nèi)生菌等方式與根系形成聯(lián)合體，通過(guò)增強(qiáng)植物抗性和優(yōu)化根際環(huán)境，促進(jìn)根系發(fā)展，從而增加植物吸收和向上轉(zhuǎn)動(dòng)重金屬的能力。Belimov將印度芥菜種植在高濃度Cd土壤里，從植物根際分離出11株耐受Cd的細(xì)菌菌落，菌落體內(nèi)含有（ACC）脫氨酶，脫氨酶可促進(jìn)芥菜根部生長(zhǎng)，使印度芥菜根系對(duì)Cd的吸收富集量提高。
雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于植物—微生物修復(fù)的功能性菌種、微生物解毒機(jī)理、增強(qiáng)植物抗性等方面有了系列報(bào)道，但對(duì)這種聯(lián)合修復(fù)理論與機(jī)制的研究程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，包括功能菌株的篩選、鑒定與繁殖，菌劑的制備，接種方法以及工程應(yīng)用等方面的研究都需要進(jìn)一步深入。
3.3基因工程技術(shù)
以超積累植物為手段的植物修復(fù)技術(shù)存在生物量小、生長(zhǎng)周期短、尋找困難等因素的制約，而利用基因工程改良植物，調(diào)整植物吸收、運(yùn)輸和富集重金屬的能力及對(duì)重金屬的耐受性，開拓了植物修復(fù)技術(shù)的新領(lǐng)域。
基因技術(shù)的技術(shù)路線是，首先識(shí)別出對(duì)重金屬耐性強(qiáng)或積累高的生物，通過(guò)生物化學(xué)、分子生物學(xué)等方法鑒別出控制這些性狀的基因；然后將這些基因按設(shè)計(jì)方案定向連接起來(lái)，并在特定的受體細(xì)胞中與載體一起得到復(fù)制與表達(dá)，使受體細(xì)胞獲得新的遺傳特性，最后進(jìn)行田間試驗(yàn)。光煙草的生長(zhǎng)速度較快，生物量大，分布廣，動(dòng)物不喜取食，對(duì)多種環(huán)境污染物具有抗性。將小麥的植物螯合肽合成酶（PCS）基因轉(zhuǎn)入光煙草中，轉(zhuǎn)基因植株對(duì)Pb和Cd的抗性明顯提高，同時(shí)轉(zhuǎn)基因植物的地上部分累積的Pb是野生型的2倍。Eapen等指出，將金屬螯合劑、金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、金屬硫蛋白（MT）和植物螯合肽（PC）的基因轉(zhuǎn)移到待試植物中，可以提高植物對(duì)金屬的吸收和貯存。
轉(zhuǎn)基因植物在實(shí)際應(yīng)用中存在潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣锶郝洚a(chǎn)生威脅，因此，在基因改造植物用于植物修復(fù)之前，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)基因植物安全性評(píng)價(jià)。完善野外試驗(yàn)監(jiān)測(cè)、取樣和數(shù)據(jù)分析的方法，規(guī)范修復(fù)成效的評(píng)價(jià)方法，也是植物修復(fù)研究的重要任務(wù)。
3.4農(nóng)藝措施
Chaney等詳細(xì)闡述了各種農(nóng)藝措施對(duì)于植物修復(fù)的重要性。將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)利用到植物修復(fù)中是提高修復(fù)效率的一條捷徑。如通過(guò)作物育種技術(shù)對(duì)超富集植物進(jìn)行性能改進(jìn)，通過(guò)葉面噴施營(yíng)養(yǎng)試劑，合理水肥供應(yīng)、縮短修復(fù)周期等措施，人為調(diào)控植物的生育狀況，改善植物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，改進(jìn)植物的吸收性能，從而提高植物的修復(fù)效率。
4展望
植物修復(fù)技術(shù)作為一種新興的污染治理技術(shù)已被證明具有極大的潛力和市場(chǎng)前景，但是，植物修復(fù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有許多問(wèn)題有待解決。下面一些研究領(lǐng)域應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。
1）繼續(xù)尋找、篩選高效、富集面廣的超富集植物，繼續(xù)開展對(duì)超富集植物的篩選及機(jī)理的研究，進(jìn)一步理解植物對(duì)重金屬的積累、吸收和螯合機(jī)制，特別是對(duì)重金屬脅迫影響的突變體的分析，同時(shí)結(jié)合基因工程、雜交育種等科學(xué)手段培育出高產(chǎn)、高效、優(yōu)良的植物種質(zhì)資源。
2）土壤重金屬修復(fù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，單一的修復(fù)技術(shù)很難達(dá)到預(yù)期效果，要以植物修復(fù)為主，輔以物理的、化學(xué)的及微生物手段，增加重金屬的生物有效性，提高修復(fù)效率。聯(lián)合修復(fù)技術(shù)將是今后土壤重金屬修復(fù)的主要研究方向。
3）基因工程的進(jìn)一步研究。包括異地超累積植物的生態(tài)安全性問(wèn)題、有價(jià)值基因的篩選、轉(zhuǎn)基因植物遺傳性能等。
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