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超富集植物修复土壤重金属污染

摘要:土壤污染重金属是近年来备受关注的话题,本文从介绍超富集植物的特点入手,列举了几种重金属超富集植物,并提出了对于超富集植物修复研究的展望。
关键词:土壤;重金属污染;超富集植物;砷;铅;镉
Abstract:Heavy metals soil pollution is an issue which gets a lot of attention in recent years. In this paper, the characteristics of hyperconcentration plants are firstly described. Introduction for the hyperconcentration plants of several heavy metals were illustrated, and the prospects were proposed.
Key words:Soil;Heavy metal pollution; Hyperaccumulator; Arsenic; Lead; Cadmium
土壤是地球重要的资源,是人类社会赖以生存的载体,随着经济社会的快速发展,排放到环境中的污染物与日俱增,许多人类活动,如冶金、采矿或者使用化学肥料等均可能导致重金属污染,最终危害人类健康。由于土壤污染具有隐蔽、滞后、累积和不可逆转等特性,治理起来相当困难。近年来,众多土壤污染防治政策相继出台,土壤修复项目数量骤增。目前常用的治理方法有物理法修复、化学修复以及生物修复处理法,物理修复包括蒸汽浸提、固化稳定化、吸附等措施,虽然对于面积小的土壤治理效果明显,破坏土壤原有的结构,而且对于大面积的工程,会消耗大量的人力财力[1],难以得到推广。化学修复技术主要通过添加化学修复剂,使污染物发生一定的反应,借此去除或降低重金属对于土壤的毒性,然而这种治理方法并没有真正清除土壤中的重金属,仅仅转化了它的形态,随着土壤环境的改变,重金属污染存在二次活化的风险[2]。生物修复法一般指的是利用生物对环境中的污染物进行降解,与传统的物理、化学修复污染技术相比,它具有成本低,环境安全,效果好,费用低廉等特点[2, 3],其中超富集植物所代表的“绿色修复法”,是近年来比较受关注的话题。
1.超富集植物的特点
超富集植物富集重金属的浓度限值受很多因素的影响,例如植物种类和生长速率,重金属浓度及价态,土壤的本身特性等[4]。一般来说超富集植物是指对重金属的吸收量超过普通植物100倍以上的植物,通过吸收重金属并将其运移到地上部位,使得植物体地上部分的重金属含量高于地下部分,并且重金属对于植物的生长不会造成明显的毒害[5]。过去的研究表明,植物使用不同的手段吸收根和叶细胞中的重金属,包括利用不同形态、生理、生化和遗传机制[6]。
目前已经有超过400种植物被发现具有良好的超富集重金属的特性,大多的品种被发现在野外,通过人工驯化手段进行一定的筛选与强化措施可显著提高植物对重金属的吸收富集能力。然而大多数文献在研究超富集植物吸附重金属能力的同时,仅仅关注了其地上部分的吸收总量,而忽略了生物富集系数(植物体中某元素的质量分数/土壤中该元素质量分数),难以了解元素在植物体中迁移的能力。除此之外还有一些学者认为,传统植物修复利用生物富集系数指标进行评价远远不足,因此有关超富集植物新的评价系数随即被提出。例如聂发辉在2005年就提出了生物富集量系数的概念(一定生长期内单位面积地上部分植物吸收的重金属总量/土壤中的含量),他认为生物量很大的植物虽然其生物富集系数小,但是只要污染物吸收的总量大也能被认为超富集植物[7],与那些富集能力强,但生物量小、生长周期长的植物相比生物量大的超富集植物具有更高的应用价值。
2.几种典型重金属的超富集植物
2.1 砷 
类金属元素砷,是绝大多数土壤的自然组成部分,在自然环境中呈现As(V)、As(III)、As(0)和As(−III),然而近些年来由于其得到了广泛使用,引发的污染和毒害问题已经不容小觑。土壤中砷的主要来源于大气、农药、工业废水和重金属废弃物的堆积扩散[8],不同来源的砷污染均会对土壤环境及人类健康构成不同程度上的威胁。除此之外,环境中砷的形态是可以互相转化的,甚至通过进入食物链,在整个植物和动物界广泛分布,急性或慢性接触砷会产生有害影响对人类健康和生态系统,且在短期内难以消除[9]。
蜈蚣草(学名Pteris vittata L.)属凤尾威科凤尾蔽属, 分布于中国贵州、广西、广东、云南、福建及海南等省区,主要生长在石灰岩、钙质土、石缝或墙壁等湿润和较高的空气湿度的地方, 先前研究结果表明,蜈蚣草是良好的砷超富集植物,其富集的量要比普通植物高出几十万倍,是耐砷毒的植物之一[9]。有学者通过实验发现,砷在蜈蚣草体内的分布规律不同于一般植物(根系最高, 茎叶较少),在各植物样品中的含量均出现羽片>叶柄>根[10],由此说明蜈蚣草对砷不仅有着超强的耐性还有独特的富集能力。因此,如果能够有效利用蜈蚣草富集土壤中的砷,通过收割植物然后焚烧的措施提取植物体中的矿产资源,就能在净化土壤环境的同时,创造经济价值,这无疑具有广泛的市场前景。
2.2 铅
铅是一种具有神经毒性作用的重金属,其性质稳定,在土壤中长时间积累不仅影响农作物的生长, 并且可以通过食物链等多种途径进入人体,并在体内积蓄,对人体产生毒害作用[11],自然界中的重金属铅难以被植物吸收,因此大多植物难以达到超富集植物的标准,在经发现并报道的400多种重金属超富集植物中,铅的超富集植物仅占到了几种,已经发现并报道的Pb超富集植物如香根草(Vetiveria zizanioides)、羽叶鬼针草(Bidens maximovicziana)、金丝草(Pogonatherum crinitum)等[12] ,其地上部Pb含量均大于2000mg·Kg-1 ,然而这些铅超富集植物大多生长缓慢,生物量小,极大地限制了其在修复污染土壤方面的应用[13]。目前常用于提高植物富集Pb能力的途径是施用螯合剂, 通过螯合剂与Pb结合,增加土壤中的 Pb 溶解度来诱导植物提取重金属。虽然这种方法在某些方面能有效提高植物的富集能力,但螯合剂的添加对于土壤环境而言本身就是一种污染,过量的螯合剂还会在提高重金属活化性能的同时产生污染地下水的风险,并且由于螯合剂价格较高,土壤修复成本增加[14, 15]。虽然如此,植物修复Pb污染土壤拥有的独特优势,仍是目前科学研究的热点话题,如果能够在不远的将来研究出安全且经济有效的螯合剂,并深入了解植物修复机理,植物修复技术治理Pb污染,将会迎来广阔的应用前景。
2.3 镉
镉是最危险的微量元素之一,对动植物均具有很强毒性。目前我国镉污染形势非常严峻,早在2003就已经有数据显示,中国的土壤镉污染农田面积达28万公顷,镉超标农产品多达150万吨[16]。镉污染在世界范围内也引起了广泛的重视,据报道世界卫生组织将镉视为食品污染物中的优先研究对象,联合国环境规划署也将Cd列第1位危险的全球性意义危险化学物质[17]。
商陆(Phytolaccacinos) 是一种多年生粗壮草本植物,广布于长江以南红壤低丘陵地区,其繁殖方式简单,根和种子都可繁殖。先前的研究表明,相较于一般超富集植物,商陆除了具有强富集能力(茎叶中Cd 含量均超过了100 mg·kg–1),对 Cd的储存大多集中在茎叶中,使得Cd容易向上进行运输和富集。由于陆商一年能收割两季,还具有生物量大、生长速度快等特性,是很好的Cd修复植物[18]。此前,由于超富集植物研究对象多集中矿区及草本植物,有学者提出有必要在研究中扩展对于木本植物的认识。因此刘周莉等人观察了木本植物忍冬(Lonicera japonica)对于对不同浓度镉的生理响应及积累特性[19],实验发现,即使是在较高浓度的Cd处理下,忍冬具有很好的耐性,与此同时他们还发现这种新型的木本超富集植物,还具有生长快、寿命长、根系发达、对土壤要求不严格的特点[20],如果能将其应用于修复Cd污染土壤的将具有很高的价值。
3.展望
植物对重金属富集的修复是一个充满探索的研究领域,虽然目前仍在发展的起步阶段,面临一些的棘手问题(例如大多超富集植物生长条件受到一定限制、生物量小、难以同时富集多种重金属等等),但也许通过不断改进,会逐渐成为一个成熟的修复技术,走向市场。可以肯定的是,植物修复技术领域的广袤发展,除了需要环境工作者们不断地进行探索发现之外,还需要结合植物学、生物学、化学专业等的研究工作,多个综合学科共同进步,才能造福农业、改善环境,为我们带来一个更清洁的家园。
参考文献:
1. 彭少邦, 蔡乐, 李泗清,2014.土壤镉污染修复方法及生物修复研究进展.[J].环境与发展. 26(3):86-90.
2. 张秋芳,2000.土壤重金属污染治理方法概述.[J].福建农业学报, (S1):200-203.
3. 黄益宗, 郝晓伟, 雷鸣, et al.,2013.重金属污染土壤修复技术及其修复实践.[J].农业环境科学学报. 3(3):409-417.
4. Puccinelli, M., F. Malorgio, B. Pezzarossa,2017.Selenium Enrichment of Horticultural Crops.[J].Molecules. 22(6):933.
5. 韦朝阳 ,陈同斌,2001.重金属超富集植物及植物修复技术研究进展.[J].生态学报. 21(7):1196-1203.
6. Asgari, L.B., M. Ghorbanpour, S. Nikabadi,2017.Heavy metals in contaminated environment: Destiny of secondary metabolite biosynthesis, oxidative status and phytoextraction in medicinal plants.[J].Ecotoxicology & Environmental Safety. 145:377.
7. 聂发辉,2005.关于超富集植物的新理解.[J].生态环境学报. 14(1):136-138.
8. 王新 ,贾永锋,2007.土壤砷污染及修复技术.[J].环境科学与技术. 30(2):107-110.
9. Mandal, B.K. ,K.T. Suzuki,2002.Arsenic round the world: a review.[J].Talanta. 58(1):201-35.
10. 陈同斌, 韦朝阳, 黄泽春, et al.,2002.砷超富集植物蜈蚣草及其对砷的富集特征.[J].科学通报. 47(3):207-210.
11. 刘艳菊, 赵慧君, 罗双丽, et al.,2011.铅的危害及排除初探.[J].中国西部科技, (18):16-17.
12. 聂亚平, 王晓维, 万进荣, et al.,2016.几种重金属(Pb、Zn、Cd、Cu)的超富集植物种类及增强植物修复措施研究进展.[J].生态科学. 35(2):174-182.
13. 罗于洋, 赵磊, 王树森,2010.铅超富集植物密毛白莲蒿对铅的富集特性研究.[J].西北林学院学报. 25(5):37-40.
14. 杜连彩,2006.铅污染土壤植物修复中螯合诱导技术的应用现状与前景.[J].潍坊学院学报. 6(4):88-89.
15. 王英辉 ,伍乃东,2007.铅污染土壤的植物修复技术研究.[J].中国土壤与肥料. 2007(5):6-10.
16. 张红振, 骆永明, 章海波, et al.,2010.土壤环境质量指导值与标准研究V.镉在土壤-作物系统中的富集规律与农产品质量安全.[J].土壤学报, (4):628-638.
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18. 聂发辉,2006.镉超富集植物商陆及其富集效应.[J].生态环境学报. 15(2):303-306.
19. 刘周莉, 何兴元, 陈玮,2013.忍冬——一种新发现的镉超富集植物.[J].生态环境学报, (4):666-670.
20. 刘周莉, 何兴元, 陈玮, et al.,2009.镉胁迫下金银花的生长反应及积累特性.[J].生态学杂志. 28(8):1579-1583.
论文发表 | 论文范文 | 0 | 2018/4/11 15:22:51 | 小张
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