環(huán)境工程專業(yè)水體重金屬污染分布解析——以湖泊生態(tài)系統(tǒng)為例

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1、 水體重金屬污染分布解析 摘要：植物修復(fù)是一項(xiàng)新興的綠色環(huán)保重金屬污染物修復(fù)技術(shù)。本文在概述我國(guó)土壤重金屬污染物的種類和污染現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以湖泊生態(tài)系統(tǒng)為例闡述了植物修復(fù)類型與機(jī)理、植物修復(fù)影響因素、植物修復(fù)的限制因素，并提出提高修復(fù)效率的手段，最后對(duì)重金屬污染物植物修復(fù)進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞：重金屬；土壤污染；植物修復(fù)；湖泊生態(tài)系統(tǒng) 前言 土壤是人類以及其他動(dòng)植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。污染物通過水體和空氣間接或直接地進(jìn)入土壤。當(dāng)它們積累到一定數(shù)量并高于土壤的自凈值時(shí)，土壤的生態(tài)服務(wù)水平下降，進(jìn)而影響土壤、動(dòng)物和植物等生物的生存質(zhì)量。目前經(jīng)濟(jì)全球化的時(shí)代背景下，迅速發(fā)展的工業(yè)

2、化和城市化，隨之帶來日益嚴(yán)重的土壤污染。重金屬是土壤最主要的污染物之一，其很容易從土壤中轉(zhuǎn)移到植物或微生物加以吸收和利用，然后通過食物鏈進(jìn)入人體，引起人類各項(xiàng)生理功能的變化，以及各種急慢性疾病，如慢性中毒、癌癥和畸形等。與其他類型的污染物相比，重金屬污染具有隱蔽性、重毒性、持久性與不可逆性等特點(diǎn)，因此如何預(yù)防和治理土壤重金屬污染已成為我國(guó)乃至世界其他國(guó)家熱門話題。 物理、化學(xué)和生物方法都可以修復(fù)重金屬污染的土壤。然而，長(zhǎng)期以來，植物修復(fù)技術(shù)是公認(rèn)的可將水和土壤資源進(jìn)行凈化的綠色環(huán)保方法。這是一種生態(tài)修復(fù)技術(shù)，能可以防止土壤受到干擾、綠色、環(huán)保。最近，在對(duì)植物修復(fù)技術(shù)的分析研究中取得了良好的效

3、果，特別是在重金屬的耐受性、超積累植物及其根際微生物共存系統(tǒng)的分析中、在微生物群落進(jìn)化選擇期根際分泌物的作用，以及根際分泌物物理化學(xué)特性的分析等。由于當(dāng)前受重金屬污染的土壤情況嚴(yán)重以及植物修復(fù)技術(shù)的重大意義，本文將分三部分對(duì)國(guó)內(nèi)受重金屬污染的土壤現(xiàn)狀、植物修復(fù)技術(shù)及相關(guān)限制條件進(jìn)行深入研究和分析，希望為今后綜合分析該研究課題打下良好的基礎(chǔ)。 1我國(guó)土壤重金屬污染物來源及污染現(xiàn)狀 1. 1 土壤重金屬污染物種類及來源 重金屬是指密度超過 4. 0 或者密度超過 5. 0 的各種元素，通?？梢苑譃橐韵聨最悾?1) 包含生物毒性的金屬汞( Hg) 、鎘( Cd) 、鉛( Pb) 、

4、鉻( Cr) 、銅( Cu) 、鋅( Zn) 、鈷( Co) 、鎳( Ni) 、錫( Sn) 、釩( V) 以及類金屬砷( As) 、硒( Se) 等；貴重金屬如( Au) 、銀( Ag) 、鉑( Pt) 、鈀( Pd) 、釕( Ｒu)等; ( 3) 放射性金屬鈾( U) 、釷( Th) 、鐳( Ｒa) 、镅( Am) 等。在我國(guó)，通常由于采礦、冶煉、金屬加工和其他開發(fā)過程中排放的“三廢”以及農(nóng)業(yè)中的農(nóng)藥殘留等很多因素會(huì)產(chǎn)生重金屬污染物。我國(guó)土壤重金屬污染物的來源見表1。 表 1 我國(guó)主要土壤重金屬污染物及來源 Tab.1 Main heavy metal pollutant and it

5、s resources 主要污染物 來源 汞 Hg 采礦業(yè)，化工業(yè)，電子工業(yè)，儀表制造業(yè)，冶金工業(yè) 鎘 Cd 冶金業(yè)，電鍍業(yè)和顏料、涂料工業(yè) 鉻 Cr 鐵路工業(yè)、耐火材料工業(yè)，電鍍工業(yè)，皮革工業(yè)和染料、顏料等工業(yè) 鉛 Pb 農(nóng)業(yè) 砷 As 采礦業(yè)和冶金業(yè) 鎳 Ni 電鍍業(yè)，采礦、冶金、石油化工、紡織、印刷業(yè)等 銀 Ag 電鍍業(yè)和照相業(yè) 銅 Cu 采礦業(yè)及冶金業(yè) 鋅 Zn 采礦業(yè)，冶金業(yè)，造紙業(yè)，機(jī)械制造業(yè)等 1.2我國(guó)重金屬污染現(xiàn)狀 2014年4月17日，我國(guó)環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部聯(lián)合制定了 《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，其中指出國(guó)內(nèi)耕地的土壤環(huán)境質(zhì)

6、量污染十分嚴(yán)重。具體土壤情況如下：國(guó)內(nèi)土壤環(huán)境情況惡劣，少數(shù)地區(qū)土壤明顯污染，耕地土壤質(zhì)量差，廢棄工礦用地土壤問題尤為突出。我國(guó)受重金屬污染的耕地面積從1980年的266.7萬公頃，提高到1988年的666.7萬公頃，到了1992年更變成1000萬公頃，呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。土壤的重金屬污染問題已經(jīng)成為頑固的毒害，在土壤中無法長(zhǎng)久的根除。由相關(guān)分析得出，我國(guó)每年因重金屬污染的土壤造成的糧食產(chǎn)量損失為1000萬噸，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過2000億元人民幣。中國(guó)中央環(huán)境監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)顯示，目前最常見的重金屬污染物是鎘、汞、血鉛以及砷。最近，此類污染物造成了很多污染問題。例如，2006年，湖南和株洲的湘

7、江受到鎘的污染；2007年，太湖、巢湖、滇池出現(xiàn)嚴(yán)重的藍(lán)藻問題；2009年和2010年，許多血鉛超標(biāo)的案例被曝光；2012年初，廣西龍江出現(xiàn)鎘污染的問題；2014年，廣西大新縣的重金屬污染問題等。根據(jù)分析，國(guó)內(nèi)24個(gè)省(市) 城郊、污水灌溉區(qū)、工礦等社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的320 個(gè)重要污染區(qū)中，嚴(yán)重受污染農(nóng)作物的種植面積為60.6 萬公頃。重 金屬會(huì)進(jìn)入土壤影響食品的安全，進(jìn)而對(duì)人類的生命健康產(chǎn)生威脅。因此，如何消除土壤中重金屬污染已經(jīng)成為保證我國(guó)農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展的重要指標(biāo)。 2植物修復(fù) 2.1植物修復(fù)產(chǎn)生與發(fā)展 “植物修復(fù)”(Phytoremediation)是指種植一種對(duì)相關(guān)污染土壤中

8、的污染元素具有獨(dú)特吸附功能的植物,在收獲該植物并進(jìn)行綜合處理(如灰化回收)后，重金屬可以轉(zhuǎn)移到挖掘體中，最終達(dá)成污染管理和恢復(fù)生態(tài)的目的。1583年，意大利植物專家Cesalpino首先了解了生長(zhǎng)在意大利托斯卡納“黑色巖石”上的奇特植物，他獲得了超富集植物(Hyperaccumulator)的初步記錄。1977年，Brooks定義了超富集植物的概念( hyperaccumulator)。1983年，Chaney首次指出了土壤內(nèi)重金屬污染物可以利用這種植物去除的想法。隨后的分析表明，超富集植物是生長(zhǎng)于一些區(qū)域的物種，它們的生長(zhǎng)區(qū)域劃分和土壤中的一些重金屬含量有著顯著的聯(lián)系。 2.2植物修復(fù)類型

9、與機(jī)理 2.2.1植物修復(fù)污染土壤的途徑和調(diào)控機(jī)制 根據(jù)超富集植物的作用和原理，重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)一般需要以下三個(gè)部分完成，筆者還在表2對(duì)重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)做出比較分析。 （1）植物提取代表了從土壤中吸收重金屬的一種重要方式，通過使用一些對(duì)重金屬具有強(qiáng)大富集功能的獨(dú)特植物，把它們從土壤中轉(zhuǎn)移并儲(chǔ)存到地面部分，并通過收獲植物地面部分來使污染物減少。此方式一般可以從受污染土壤內(nèi)去除比如Pb、Cd、Ni、Cu、Cr、V或過多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比如NH4、NO3等。通過接連種植，土壤中的重金屬含量可以減少到安全范圍。土壤污染物從植物提取需要以下具體四個(gè)部分的環(huán)節(jié)和機(jī)理

10、：①土壤內(nèi)重金屬污染物釋放，各種形式的土壤重金屬污染物相互影響，之后維持均衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為可被植物根系吸納的污染物后保持均衡狀態(tài)；②這種污染離子被根部吸收；③造成此類污染的離子從根開始轉(zhuǎn)移到地上部；④植物地上部積攢和儲(chǔ)存此類污染離子。由于該方法不僅可以使土壤內(nèi)相關(guān)污染物的含量全面降低，還可以對(duì)金屬物質(zhì)進(jìn)行重復(fù)利用，因此該方法被認(rèn)為使目前最高效、最安全的植物修復(fù)方法。 （2） 植物揮發(fā)是指利用植物根系分泌的一些獨(dú)特物質(zhì)或微生物來促進(jìn)土壤中的一些重金屬轉(zhuǎn)化為揮發(fā)形式，或者植物吸收一些重金屬進(jìn)入體內(nèi)，然后釋放到空氣中的氣態(tài)物質(zhì)中。張蓉分析指出，花椰菜可以吸納土壤內(nèi)的Se且將其以甲基硒酸鹽的方式揮發(fā)到

11、空中，因此可以降低土壤內(nèi)Se含量。然而，上述方式只能改變現(xiàn)有的污染物介質(zhì)，也會(huì)導(dǎo)致大氣出現(xiàn)二次污染問題，從而對(duì)人類身體健康產(chǎn)生危害，以及對(duì)環(huán)境安全帶來相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。 （3） 植物穩(wěn)定指的是主要利用耐重金屬植物及其根際部位微生物的分泌功能來土壤內(nèi)的重金屬進(jìn)行螯合和利用，從而削弱生物利用度和移動(dòng)性，為防止重金屬進(jìn)入食物鏈做進(jìn)一步穩(wěn)定和分割，減輕重金屬對(duì)環(huán)境以及人體的負(fù)面影響。分析指出，Agrostis tenuis與Festuca rubra可以穩(wěn)定土壤內(nèi)的Pb與Zn，然而在穩(wěn)定的時(shí)候，土壤內(nèi)重金屬比值并未降低，僅僅轉(zhuǎn)變了存在形態(tài)。在環(huán)境條件改變的時(shí)候，土壤內(nèi)重金屬也許會(huì)再次得到生物有效性。所以，

12、此方式無法全面處理土壤內(nèi)污染問題。 表 2 重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)比較 Tab.2 Comparison of different phytoremediation approaches 植物修復(fù)技術(shù)類型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 植物穩(wěn)定 降低金屬流動(dòng)性，從而降低生物可利用性 不能徹底去除土壤中重金屬離子 植物揮發(fā) 無須對(duì)植物進(jìn)行產(chǎn)后處理 重金屬轉(zhuǎn)移到空氣中，造成二次污染 植物提取 能夠積累高濃度的重金屬元素，實(shí)現(xiàn)金屬的回收利用 地上部分處理問題 2.2.2超累積植物對(duì)污染物的富集及解毒機(jī)理 （1）活化。土壤中的重金屬污染物存在形式通常具有不溶性的特征，因此只

13、有當(dāng)它們轉(zhuǎn)化為可吸收形態(tài)時(shí)，才能順利地被超累積植物吸收。超累積植物活化土壤內(nèi)的重金屬污染物通常有以下三種方式：①利用根系分泌的酸性物質(zhì)加強(qiáng)植物根系對(duì)此類污染元素的活化與吸納；②植物根系分泌污染物融合蛋白等和污染物螯合；③植物利用自身污染物還原酶開始復(fù)原高價(jià)重金屬污染離子，提高此類污染物在土壤內(nèi)的溶解性，方便植物根系的吸納。 （2）解毒。以下幾個(gè)部分一般反映出重金屬污染物對(duì)植物的毒性作用：①污染物離子會(huì)與蛋白質(zhì)中的酶活性或巰基融合，從而使細(xì)胞出現(xiàn)代謝功能異常的狀況。②重金屬污染物會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸，且利用氧化還原效應(yīng)對(duì)細(xì)胞造成氧化損傷。超累積植物的解毒功能就是將重金屬污染物在其細(xì)胞壁進(jìn)行沉

14、積，從而降低此類污染物對(duì)植物的毒性。這部分污染物通常融合植體內(nèi)多種蛋白產(chǎn)生毒性，其中超累積植物的根系可以比普通植物分泌更多的有機(jī)酸類物質(zhì)，并且與相關(guān)污染物離子進(jìn)行螯合產(chǎn)生物質(zhì)，從而使污染物的毒性降低。此外相關(guān)分析結(jié)果表示，超累積植物利用液泡的房室化功能發(fā)揮對(duì)重金屬的解毒效應(yīng)。 表3某些植物種對(duì)重金屬的超富集狀況及其來源 Tab.1 Some plant hyperaccumulators of heavy metals and references 重金屬元素Heavy metals 植物種 Plants 葉片中重金屬Cont.in leaves(mg/kg) 發(fā)現(xiàn)地點(diǎn)Locat

15、ion found 文獻(xiàn)來源References Zn 遏藍(lán)菜屬(Thlaspi calaminare) 39600 德國(guó) Reeves &Brooks(1983) Cd 遏藍(lán)菜屬(Thlaspi caerulescens) 1800 賓西法尼亞 Li,et al.(1977) Cu Aeollanthus biformifolius 13700 扎伊爾) Brooks,et al.(1978） Ni 葉下珠屬(Phyllanthus serpentinus) 38100 新喀里多尼亞 Kersten,et al.(1979) Co Haumani

16、astrum robertii 10200 扎伊爾 Brooks(1977) Se 黃芪屬(Astragalus racemosus) 14900 懷俄明 Beath,et al.(1937) Mn 串珠藤屬(Alyxia rubricaulis) 11500 新喀里多尼亞 Brooks,et al.(1981) 植物中金屬的超積累現(xiàn)象是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜繁瑣的過程。由于此類植物相應(yīng)的基因分別控制其對(duì)金屬的吸納、轉(zhuǎn)移與耐受，因此不可能找到只對(duì)污染物產(chǎn)生耐受或積累的植物。這種植物可以過量吸收重金屬，并將其轉(zhuǎn)移到地表的上部（表3）。一般來說，需要從以下兩個(gè)方面開始對(duì)這

17、部分植物進(jìn)行劃分：①植物地上部分富集的重金屬含量超過相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量；②植物地上部分的重金屬含量超過根部的重金屬含量。由于地殼中不同種類重金屬的豐度以及在土壤和植物中的背景值有明顯的區(qū)別，所以這類植物對(duì)各種重金屬富集的濃度限制也有不同。盡管世界上已知的超富集植物有許多類型，但上述植物普遍存在如下問題：生物量低、生長(zhǎng)緩慢、區(qū)域特征突出和恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等。在尋找超積累植物時(shí)，大多數(shù)專家也逐漸對(duì)一些常見植物產(chǎn)生關(guān)注，如能源作物和花卉，它們具有耐受重金屬、適應(yīng)性強(qiáng)、涉及范圍廣、生物量高的優(yōu)勢(shì)。上述植物和超富集植物進(jìn)行比較，自身重金屬富集量不高，然而因?yàn)橹参锷锪亢蜕L(zhǎng)效率都超過后者，即便自身重金屬含量無法滿足

18、臨界含量要求，同期積累的污染物的絕對(duì)含量甚至超過了超富集植物，對(duì)重金屬污染土壤產(chǎn)生更好的修復(fù)功能。表4是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外專家分析得到的部分對(duì)一個(gè)或多個(gè)重金屬元素，比如鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、錳（Mn）等，具備耐性、富集以及超富集效應(yīng)的植物、能源作物等。 表4國(guó)內(nèi)外常見重金屬耐性、富集和超富集植物 Tab.4 Common heavy metal tolerance and accumulation and hyperaccumulation plants at home and abroad 植物名稱 目標(biāo)金屬元素 植物名稱 目標(biāo)金屬元素 Pb Zn Cd Cu M

19、n Pb Zn Cd Cu As 串葉松香草 √ 樺樹 √ 白三葉 √ 海州香薷 √ 中華景天 √ 油菜 √ 銀杏 √ 銀合歡 √ 紫茉莉 √ 東南景天 √ √ 全葉馬蘭 √ √ √ 蜈蚣草 √ 淡黃鼠李 √ √ √ 大葉井口邊草 √ 吊蘭 √ 紫花苜蓿 √ 德國(guó)鳶尾

20、 √ 印度芥菜 √ 牛耳楓 √ 龍葵 √ 大葉樟 √ 伴礦景天 √ 蚊母 √ 蒼耳 √ 構(gòu)樹 √ 鳳尾蕨 √ 勝紅薊 √ √ √ √ 雜交狼尾草 √ √ 2.3植物修復(fù)的主要影響因素 植物對(duì)土壤重金屬的累計(jì)效應(yīng)與包括重金屬濃度、形態(tài)、土壤pH，土壤營(yíng)養(yǎng)情況等多個(gè)部分的物理化學(xué)條件具有聯(lián)系。此外，遷移速率以及土壤中的磷和鉛等相關(guān)元素也會(huì)影響最終的修復(fù)結(jié)果。 （1）土壤因素。

21、重金屬進(jìn)入土壤之后，與土壤會(huì)迅速地融合。從土壤中釋放的重金屬水平以及重金屬從土壤內(nèi)轉(zhuǎn)移到植物根部的過程使植物對(duì)金屬的有效性產(chǎn)生影響。黏土礦物的獨(dú)特表面可以吸收重金屬離子，這會(huì)使植物對(duì)這類物質(zhì)的進(jìn)一步吸收產(chǎn)生阻礙。植物對(duì)此類物質(zhì)的吸納也會(huì)受到土壤 pH值的影響。比如Cu在土壤pH是5～7時(shí)活性最低，pH＞7.5時(shí)，溶出量增加。此外，土壤中的有機(jī)物也會(huì)使植物對(duì)重金屬的吸收和利用產(chǎn)生影響。 （2）植物因素。不同植物對(duì)重金屬的積累效果和數(shù)量存在差異。李濤分析指出，庭薺屬與李禾氏對(duì)Ni的吸收非常顯著，高山螢屬類對(duì)土壤內(nèi)Cu、Co等重金屬元素的吸收也非常顯著。Banuelos等分析指出，在Se與

22、Hg污染的土壤中種植芥菜與煙草，通過揮發(fā)方式去除土壤內(nèi)的Se與Hg；Meagher等，分析指出在Se污染的土壤中養(yǎng)殖洋麻可讓Se3+轉(zhuǎn)變成揮發(fā)性的甲基硒，進(jìn)而減少此物質(zhì)。因此，我們需要針對(duì)多種污染物挑選相應(yīng)的植物修復(fù)技術(shù)，以有效地提高植物修復(fù)能力。此外，即便在同一種植物中，因不同的器官，重金屬的積累量也會(huì)隨之而變化。As富集植物蜈蚣草各個(gè)器官內(nèi)的重金屬含量是羽片＞葉柄＞根系；此外，天藍(lán)遏藍(lán)菜枝條內(nèi)此類物質(zhì)的含量明顯超過根系，表示其對(duì)Zn與Ca獨(dú)有的富集效果。 2.4 提高植物修復(fù)效率的手段 提升植物修復(fù)效率的常見方式為下面幾個(gè)部分，接下來我們?cè)敿?xì)進(jìn)行分析。 （1）農(nóng)藝措施。施肥對(duì)重金屬污

23、染土壤的植物修復(fù)具有明顯加強(qiáng)的效果，可以使植物成長(zhǎng)加速，植物生物量增加，污染物的總量進(jìn)一步增加累積。然而，需要引起注意的是，肥料的使用量應(yīng)該保持在適當(dāng)?shù)乃?，化肥的過量使用可能會(huì)削弱植物修復(fù)的效果。比如聶俊華等指出，少部分氮肥可以提升植物對(duì)Pb的吸納成效，但是，這種吸收能力會(huì)因氮肥水平的提高而降低。此外，運(yùn)用翻耕、組合種植、刈割和輪作、間作、套作等對(duì)植物科學(xué)的栽種與田間監(jiān)管，也會(huì)使此類植物的修復(fù)效率得以提高。Wu等把超富集植物和一般植物搭配種植，得到較好的效果，此外減少修復(fù)費(fèi)用。 （2）化學(xué)方式。通過向土壤中添加化學(xué)物質(zhì)的方式，可以使土壤內(nèi)污染物的形態(tài)發(fā)生改變，對(duì)去除重金屬起到進(jìn)一步增強(qiáng)的實(shí)

24、際效果。通過人工向土壤中添加螯合劑的方式，與土壤固相吸附相關(guān)的重金屬離子被活化釋放并且在土壤溶液中溶解，從而可以使超積累植物對(duì)污染物的吸收富集效率得以提高。在種植印度芥菜的Cu、Pb污染土壤內(nèi)增加乙二胺四乙酸（EDTA）可明顯提升此植物地上部分的Cu、Pb含量。Debra等研究指出在使用印度薺菜修復(fù)Cd污染時(shí)，增加EDTA促使其內(nèi)部Cd富集濃從131mg/kg提升到1283mg/kg。Zhou等分析表示EGTA可明顯加快超富集植物對(duì)Cd的吸納。uartacci等得知增加NTA之后此植物地上部分Cd、Zn的濃度提升2倍，Cu濃度提升3倍。 （3）微生物方式。根際微生物可以通過金屬的氧化

25、方式，對(duì)土壤金屬的生物有效性進(jìn)行復(fù)原，或者分泌生物表面活性劑、有機(jī)酸、氨基酸與酶等物質(zhì)，使根際環(huán)境內(nèi)污染物的生物有效性得以提高。趙根成等得知，外源增加放線菌PAQ、shf2與細(xì)菌Ts37、C13可以加快蜈蚣草的生長(zhǎng)，提升其積累As的水平。 王發(fā)園等人從實(shí)驗(yàn)中了解到，叢枝菌根真菌和植物的共同培養(yǎng)，不僅可以使重金屬對(duì)植物的傷害降低，還能使植物對(duì)這類物質(zhì)的吸納和轉(zhuǎn)化效率有效地提高。Tiwari等從香蒲根際內(nèi)分離出部分菌株可以高效鈍化固定土壤內(nèi)的Cu與Cd；馬淑敏等使用甜高粱和蚯蚓合作復(fù)原Cd污染土壤，結(jié)論指出蚯蚓可以明顯提升高粱生物量和對(duì)Cd的吸收量。 （4）基因工程方式。基因工程科技把金屬螯合劑

26、、金屬硫蛋白(MTs)、植物螯合肽(PCs) 以及重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因等全部轉(zhuǎn)移到超積累植物，可以高效加快植物對(duì)金屬的提取，進(jìn)而提升植物修復(fù)效率。Gisbert等把小麥PCs合成的TaPCSI基因轉(zhuǎn)移到煙草內(nèi)，煙草對(duì)Pb的積累量和野生型相比增加1倍。此外，Mer A轉(zhuǎn)基因煙草減少Hg的功能是一般煙草的三倍。即便通過利用基因工程的方式提高修復(fù)效率方面存在一些不足，它目前仍然是提高修復(fù)效率的重要途徑。 3植物修復(fù)限制因素 3.1限制因素 雖然植物修復(fù)具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，并且已經(jīng)取得了一系列的成效，但這項(xiàng)技術(shù)仍面臨許多困難。 （1）效率低。一般來說，植物對(duì)重金屬的富集程度較低，通常需要

27、很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到預(yù)期的修復(fù)效果。比如假定需要去除土壤內(nèi)Cd 總數(shù)是4 kghm-2。假如植物地上部年產(chǎn)量是4thm-2(類似于一般作物比如玉米、水稻的1/5，需要連續(xù)種植20年才能將土壤Cd濃度降低1mgkg-1。而目前所發(fā)現(xiàn)的超富集植物較小，且大多數(shù)為Ni的富集植物，但所需修復(fù)的耕地大多數(shù)卻是重金屬的復(fù)合污染，多元脅迫下，修復(fù)時(shí)間會(huì)不斷增加。連續(xù)收獲植物將導(dǎo)致重金屬的供應(yīng)持續(xù)減少，植物對(duì)重金屬物質(zhì)的吸收水平也會(huì)持續(xù)下降。此外，通常在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中可以獲得修復(fù)能力。然而，實(shí)際上，大都數(shù)超積累植物是野生型稀有植物，其生長(zhǎng)對(duì)生物氣候環(huán)境有相對(duì)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，具有明顯的區(qū)域性分布特征，物種引入因相對(duì)嚴(yán)格的標(biāo)

28、準(zhǔn)產(chǎn)生阻礙。即便引進(jìn)成功，多年生種植也會(huì)持續(xù)減少土壤養(yǎng)分，增加病原微生物，甚至連作出現(xiàn)障礙等。 （2）產(chǎn)生二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。植物在收獲時(shí)期，富含重金屬的落葉垃圾很容易因風(fēng)吹或流入周圍河流一起進(jìn)入附近地區(qū)。重金屬含量過高的落葉會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成二次污染，并延伸成面源污染。此外，植物的落葉是重金屬在多層土壤中的二次分布時(shí)期。土壤中的重金屬被植物吸收利用并轉(zhuǎn)移到地上部分，從而導(dǎo)致大量重金屬匯集在表層土壤。如果富集重金屬的植物被家禽和家畜吃掉，重金屬污染會(huì)轉(zhuǎn)移到食物鏈中，農(nóng)產(chǎn)品會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，植物修復(fù)會(huì)導(dǎo)致許多受到嚴(yán)重污染的殘留物。很長(zhǎng)一段時(shí)期，專家們深入分析了上述殘留物的整體處理問題

29、，如通過堆積、壓縮、熱解、焚燒、灰化、液體提取等方式，從上述殘留物中把污染物提取出來。然而，上述殘留物仍然處于樣品的預(yù)處理時(shí)期。由于目前高昂的處理成本，如何在提取上述重金屬做到安全管理與使用，依然是一個(gè)有待解決的嚴(yán)峻問題。 3.2改進(jìn)方法 （1）超富集植物選擇。國(guó)內(nèi)充足的土地資源、植物資源，復(fù)雜的氣候地理環(huán)境，為植物修復(fù)技術(shù)做出分析奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，中國(guó)栽培的超積累植物種類不多，根據(jù)什么條件選擇、培養(yǎng)、馴化這類植物是植物修復(fù)分析在此后特定階段內(nèi)的關(guān)鍵工作，特別要注意此類植物的選種培育活動(dòng)。 （2）深化基礎(chǔ)理論分析。我們需要對(duì)眾多相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行后續(xù)的分析，這些理論包

30、括：植物對(duì)重金屬元素的超富集、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移和代謝機(jī)制，根際功能和微生物群落的生態(tài)學(xué)與生理學(xué)特征，根際土壤環(huán)境要素對(duì)此類物質(zhì)生物利用度的限制機(jī)制，植物—微生物—重金屬的相互作用，重金屬元素在土壤內(nèi)的吸納、解析、轉(zhuǎn)移機(jī)理等許多其他相關(guān)理論知識(shí)。 （3）基因工程技術(shù)的應(yīng)用。目前，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，大多數(shù)超積累植物存在著根系深度低、生物量低、生長(zhǎng)緩慢等缺陷，這阻礙了這類修復(fù)技術(shù)的使用。分析人員利用基因工程技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)中超積累植物的重金屬耐受性、超累積基因引入具有生物量大、生長(zhǎng)效率高、抗逆性強(qiáng)、恢復(fù)效率高等優(yōu)勢(shì)的植物中，這樣超富集植物的缺陷就能消除?；蚬こ瘫挥脕泶龠M(jìn)植物把富含不能食用且易于收獲的

31、植物中的重金屬元素，以防止這類植物被動(dòng)物吃掉，并導(dǎo)致污染元素進(jìn)入食物鏈，便于后續(xù)處理此類植物。近期，在Se、Hg、Cd、Zn等相關(guān)元素轉(zhuǎn)基因植物分析部分逐漸得到良好成效?；蚩萍嫉氖褂脦椭参镄迯?fù)全面普及尋找全新的方式。 （4）施肥技術(shù)改進(jìn)。受到重金屬污染的土壤通常存在于養(yǎng)分較少的地區(qū)，如礦區(qū)等。應(yīng)該根據(jù)特定土壤的養(yǎng)分條件和超積累植物的需肥特性進(jìn)行施肥修復(fù)；土壤中重金屬元素的高含量，會(huì)使植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸納產(chǎn)生阻礙，甚至導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)元素缺乏問題，甚至植物的死亡；此外，此類植物具備從土壤中吸納某些營(yíng)養(yǎng)元素的能力，因此，進(jìn)行施肥就可以確保此類植物修復(fù)時(shí)期的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。 （5）環(huán)境友好型添加劑

32、研究。加快植物修復(fù)技術(shù)研發(fā)和推廣的關(guān)鍵途徑是選擇合適的土壤添加劑。大多數(shù)分析表明，向土壤中加入添加劑可以提高植物對(duì)重金屬的積累效率與能力，植物生長(zhǎng)環(huán)境的安全性已經(jīng)開始受到關(guān)注。因此，對(duì)此類添加劑的綜合開發(fā)成為此后的關(guān)鍵分析趨勢(shì)。 （6）降低成本—改變土地使用模式。事實(shí)上，目前植物修復(fù)技術(shù)的成本問題是主要的局限性：土地不能被遺棄，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和控制以及植物殘留物的處置都不能獲得經(jīng)濟(jì)效益，不能自主進(jìn)行上述純投入模式。改變污染土地的利用模式，并在修復(fù)過程中能夠促進(jìn)后續(xù)使用污染農(nóng)田，可能是植物修復(fù)的最佳方法。 總結(jié) 盡管植物修復(fù)技術(shù)存在許多問題，但其技術(shù)具有綠色、生態(tài)的優(yōu)勢(shì)，使其成為未來處理土壤污染

33、問題的關(guān)鍵途徑。目前，該技術(shù)的如何改進(jìn)和優(yōu)化方法的探索已經(jīng)逐漸成為一個(gè)全新的課題有待分析，并且為該技術(shù)找到一個(gè)全新的發(fā)展方向。為了在實(shí)際中充分利用這種修復(fù)方法，全面確保較高的效率。此后，有必要加強(qiáng)對(duì)以下四部分問題的分析：（1）不斷尋找和開發(fā)具有大量生物量的植物，這些植物可以積累過量的放射性重金屬，并積累多種放射性重金屬；（2） 基因工程與科學(xué)完善的農(nóng)業(yè)措施相結(jié)合，如水肥管理、輪作制度、刈割等；（3）螯合劑的應(yīng)用可以加速植物對(duì)污染物的吸收，然是如果螯合劑的活化功能超過植物根系的吸收范圍，就會(huì)導(dǎo)致污染問題。目前，仍然沒有完善的植物中重金屬的收集技術(shù)，對(duì)各種穩(wěn)定技術(shù)的研究將防止重金屬成為食物鏈的重要

34、途徑。（4）全面分析重金屬的來源和歸宿問題，科學(xué)理解此類污染在各種環(huán)境下的閾值，并進(jìn)一步改變污染土地的用途，盡快生成一個(gè)完整的、有利可圖的修復(fù)系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn) [1] 屈冉, 孟偉, 李俊生, 等. 土壤重金屬污染的植物修復(fù)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2008, 27(4) : 626-631. [2] Marques A P G C, Rangel A O S S, Castro P M L. Remediation of heavy metal contaminated soils: an overview of

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