矿区土壤重金属污染的植物修复研究进展.pdf
第6 0 卷第1 期 20 08 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e * , a l s V 0 1 .6 0 。N o .1 F e b r a m y20 08 矿区土壤重金属污染的植物修复研究进展 武强,孙录科 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院,北京 10 0 0 8 3 摘要综述矿区土壤重金属植物修复的研究进展并展望其发展趋势。 关键词环境工程;植物修复;综述;矿区;重金属污染 中图分类号X 5 3 ;X 7 5 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 1 0 1 2 5 0 5 采矿和冶炼业的迅速发展,推动了经济的快速 发展,同时造成了矿冶企业周边地区土壤的重金属 污染【1J 。我国矿藏丰富,随累年开采,矿渣,选矿、 冶炼及电镀等工业废水不断排放到周围环境中,造 成周边土壤P b ,C d ,C u ,Z n ,C r ,H g ,A s 等重金属污 染严重。与其他污染物相比,重金属污染具有隐蔽 性、毒性大、长期性和不可逆转性的特点。因此,土 壤重金属污染防治一直是国际上农业环境研究的难 点和热点L 2 吖Jo 传统的土壤重金属污染治理方法是物理化学修 复方法,主要包括客土法、化学冲洗法、化学固定法、 电化学法、动电修复法等【4J 。传统的物理化学修复 法对于重金属和放射性物质污染的修复适用性较 差。不能从根本上解决大面积的土壤环境污染问 题E 5 ] 。近年来,出现了一种用植物来修复土壤污染 的方法,该方法由于成本低、效果良好、不破坏环境 而受到了广泛的关注,成为污染土壤修复研究的热 点之一,为矿区土壤重金属的治理提供新的方法。 综述矿区土壤重金属污染的植物修复机制及近年来 植物修复的研究进展,以期对矿区重金属污染土壤 的可持续治理提供科学借鉴。 1 植物修复的概念及其修复机理 植物修复 p h y t o r e m e d i a t i o n 是以植物忍耐和 超量富集某种污染物的理论为基础,利用自然生长 或遗传工程培育的植物及其共存微生物体系,清除 污染物的一种环境治理技术‘引。目前植物修复的 对象主要是重金属和有机污染物,而用于修复的植 收稿日期2 0 0 7 1 0 2 6 基金项目国家社会科学基金资助项目 0 0 B J Y 0 3 5 作者简介武强 1 9 5 9 一 。男,内蒙清水河县人,博士,博士生导 师,主要从事矿山环境与地质灾害等方面的研究。 物既有乔木、灌木、草本,也包括作物、水生植物,修 复的介质可以是固相的土壤、沉积物,也可以是液相 的水。根据其作用过程和机理,重金属污染土壤的 植物修复技术分为植物稳定 p h y t o s t a b i l i z a t i o n 、植 物挥发 p h y t o v o l a t i l i z a t i o n 、植物提取 p h y t o e x t r a c t i o n 几种类型。 1 .1 植物稳定 固化 植物稳定指通过植物根系的吸收、螯合、沉淀或 还原作用,使金属污染物惰性化,转变为低毒性形 态,降低其生物有效性和移动性,从而固定于根系和 根际土壤中,并防止其进入地下水和食物链,减少其 对环境和人类健康危害的风险【引。在此过程中,土 壤中的重金属含量并不减少,只是形态发生变化。 适用于固化污染土壤的理想植物,应是一种能忍耐 高含量污染物、根系发达的多年生常绿植物。这些 植物通过根系吸收、沉淀或还原作用可使污染物惰 性化。如植物通过分泌磷酸盐与铅结合成难溶的磷 酸铅,使铅固化,而降低铅的毒性。此外,植物可以 通过根际微生物改变根际环境的p H 值和E h 值来 改变重金属的化学形态,固定土壤中的重金属。如 印度芥菜 B .j u n c e a 的根能使有毒的、生物有效性 高的六价c r 还原为低毒的、生物有效性低的三价 C r ,使其固化[ 8 J 。植物固化技术适用于土壤质地黏 重,有机质含量高的污染土壤的修复,对矿区土壤重 金属污染物和放射性核素污染物固定尤为重要。 1 .2 植物挥发 植物挥发是利用植物的吸收、积累和挥发功能 而减少土壤中一些挥发性污染物,即植物将污染物 吸收到体内后将其转化为气态物质,释放到大气中, 从而减轻土壤污染【9J 。已有的研究主要针对易形 成具有挥发性、低毒性的元素s e 和挥发性重金属 H g 。许多植物可从污染土壤中吸收s e 并将其转化 万方数据 1 2 6 有色金属 第6 0 卷 为可挥发态,如硒积累植物黄芪属可将S e 转化为挥 发态的二甲基二硒。虽然现在还未发现能直接挥发 H g 的自然生长的植物,但有研究利用转基因植物挥 发汞,如M e a g h e r 等人发现经基因工程改良过的烟 草 N i c t i o a n a t o b a c u m 和拟南芥菜 A r a b i d o p s i s t h a l i a n a 能把H 孑 变为低毒的单质H g 挥发掉。 1 .3 植物提取 植物提取又称为植物萃取,是目前研究最多并 且最有前景的方法。植物提取利用植物从土壤中吸 收金属污染物,并在植物地上部分富集,对植物体收 获后进行处理,从而降低了土壤中重金属的含 量1 10 I 。能用于污染土壤植物修复的超积累植物应 具备以下几个特性即使在污染物浓度较低时也有 较高的积累效率;能在体内积累高浓度的污染物;能 同时积累多种重金属;生长快,生物量大;抗虫抗病 能力强。目前发现的对重金属具有超积累能力的植 。物有4 5 科约4 0 0 多种。R e e v e s 和B r 0 0 k s [ 1 1 】发现 T h l a s p i r o t u n d i f o l i u m 的茎中P b 含量可高达 8 2 0 0 t t g /g 一千物质。S h e n 等c 1 2 ] 发现溶液培养的 T .c a r e u l e s e n c e s 地上部吸收Z n 最大可达2 8 0 0 0 t L g / g ,溶液z n 处理浓度达1 0 0 0 t t m o l /L 时未出现明显的 受害症状。植物提取技术关键是筛选出超积累植物。 2 国内外重金属土壤污染的研究进展 1 5 8 3 年意大利植物学家C e s a l p i n o 首次发现在 意大利托斯卡纳“黑色的岩石”上生长的特殊植物, 这是有关超富集植物 H y p e r a c c u m u l a t o r 的最早报 道[ x 3 】,此后在矿藏勘探中陆续发现一些地方性植物 具有富集重金属的特性。重金属污染土壤上大量地 方性植物物种的发现促进了耐金属植物的研究。 1 9 7 7 年B r o o k s 提出了超积累植物的概念f l 引。1 9 8 3 年C h a n e y 提出了利用超积累植物消除土壤重金属 污染的思想【1 5 ] 。随后有关耐重金属植物与超积累 植物的研究逐渐增多,植物修复作为一种安全、廉价 的污染土壤的治理技术被提出,并成为研究和开发 的热点。 英国的B r a d s h a w [ 1 6 』长期致力于矿山废弃地的 生态恢复研究工作,最早利用当地的耐性植物对矿 山土地进行了修复,并且成功的开发出可商业化应 用的针对不同重金属矿山废弃地的耐性品种系列。 K u m a r 在含铅6 2 5 m g /k g 的土壤盆栽处理中种植 B r a s s i c a 印度芥菜 。三个星期后即使淋溶液中的 铅含量由7 4 0 t l g /m L 下降到2 2 t - g /m L 。L e n a 等在 美国中部发现的一种蕨类植物能超量积累A s ,当土 壤中舡浓度为1 5 0 0 0 m g /k g 时,生长两周后,该植 物叶中舡浓度可达1 5 8 6 0 0 m g /k g ,并且生长迅速, 可以有效的降低矿区土壤中舡的含量[ 17 i 。B a k e r 等在英国洛桑试验站首次以田间试验研究了在Z n 污染土壤 4 4 0 m g /g 栽种不同超富集植物和非超富 集植物对土壤Z n 的吸收清除效果。结果表明,超 富集植物T .c a e u l e s c e n s 富集Z n 是非超富集植物 R a p h n u ss a t i n u s 萝卜 的1 5 0 倍,富集C d 相应则是 1 0 倍。其每年从土壤中吸收的z n 量为3 0 k g /h m 2 , 是欧盟允许年输入量的2 倍,而非超富集植物萝卜 则仅能清除其1 %的量。 我国在植物修复方面虽有许多人进行过探索与 初步尝试,但系统性研究目前尚处于起步阶段。如 龙健、黄昌勇等研究了浙江天台铅锌矿区香根草 V e t i v e r i a z i z a n i o i d e s 及其群落中几种主要植物 C u ,C d ,Z n ,P b 的富集分布,对植物与土壤元素、对 重金属的耐受性作了初步探讨[ 1 8 J 。袁敏、铁柏清通 过盆栽试验的结果表明,高羊毛、早熟禾、黑麦草、紫 花苜蓿在纯尾矿污染土壤或经处理的尾矿污染土壤 上都能生长,利用改良措施与草坪草相结合的方法 来修复重金属污染土壤具有可行性【1 9 ] 。彭桂香、蔡 婧等通过盆栽试验[ 2 0 ] ,观察分析不同的土壤改良配 方对重金属超积累植物尔南景天盆栽土壤中细菌、 真菌和放线菌数的影响,以此来筛选出最优的促进 尔南景天修复锌Z n 、C d 染土壤的改良剂配方。柬 文圣、杨开颜等首次报道鸭跖草是C u 的超富集植 物,可用于C u 污染土壤的植物修复,认为铜绿山海 洲香薷、鸭跖草、蝇子草、头花寥、滨蒿种群都是C u 耐性植物,可用于富C u 土壤如矿业废弃地的植被 重建[ 2 x ] 。丁克强、骆永明对苜蓿修复重金属C u 和 有机物苯并[ a ] 芘复合污染土壤进行了研究[ 2 引。刘 秀梅等在温室砂培盆栽条件下,研究有两种乡土植 物羽叶鬼针草和酸模能够富集重金属铅,对铅有很 好的耐性,铅含量是该项研究工作中另四种植物的 2 ~2 0 倍,能把绝大部分的铅迁移到茎叶,可以作为 先锋植物去修复被铅污染的土壤【23 l 。 利用植物吸收法治理土壤重金属污染耗时太 久,原因主要是尚未找到所需的植物超富集体。近 年来,这一领域引起了国内更多学者的浓厚兴趣且 取得了一定的进展,例如C h e n 和w e i 在中国南方 发现包括苎麻、酸模、牡蒿在内的一批A s 的超积累 植物,可以有效治理A 5 污染土壤出] 。陈同斌等通 过湖南省野外调查和栽培实验,发现砷超富集植物 蜈蚣草,其羽片含砷量可高达5 0 7 0 m g /k g ,且蜈蚣草 万方数据 第1 期武强等矿区土壤重金属污染的植物修复研究进展 1 2 7 生长快,生物量大,地理分布广,适应性强[ 2 5 】。吴龙 华等在芥菜营养生长旺盛期施用E D T A 可显著提 高旱地红壤C u 的活性,E D T A 可显著增加芥菜茎 叶、根的C u 浓度和吸收量,并且E D T A 用量越大, 效果越明显,表明E D T A 对植物修复铜污染土壤具 有强化作用1 26 | 。 3 植物修复技术的优点和局限性 由于植物修复具有成本低、操作简便等优势,土 壤重金属污染的植物修复得到广泛的应用。其优点 主要表现为 1 植物修复的成本较低,研究表明植 物修复的费用为2 0 0 ~1 0 0 0 0 /h m 2 ,即污染土壤的 处理费用为0 .0 2 ~1 .0 0 /m 2 ,比物理化学处理的 费用低几个数量级,此外获取的重金属可以重新利 用,获得经济效益; 2 对环境影响小,植物修复属于 原位修复,对环境扰动少,避免了对土壤结构的破 坏; 3 提高土壤有机质含量,增加土壤肥力,植物修 复过程还能增加土壤有机质的含量,激发微生物的 活性,提高土壤肥力,适合于多种农作物的生长。与 此同时重金属污染土壤的植物修复也有一定的局限 性,主要是 1 植物修复速率和效率,目前具有重金 属超富集植物种类较少,而且植株矮小、生物量低、 生长缓慢; 2 对于矿区土壤多种重金属的复合污染 处理能力低,一般一种植物只吸收一种或两种重金 属,从而限制了对重金属复合污染的处理效果; 3 用于吸收重金属的植物器官往往会通过落叶等途径 使重金属元素重返土壤,另外需要对收获的重金属 进行无害化处理。 4 矿区土壤重金属污染植物修复的展 望及发展趋势 4 .1 寻找和培育超富集植物及超富集机理研究 目前发现的超富集植物主要集中在北美洲、大 洋州和欧洲等发达国家。中国物种资源丰富,但发 现的超富集植物比较少,而且目前能应用到工程化 修复的超富集植物数量更加稀少。因此,继续寻找 开发生物量大、富集重金属能力强的超富集植物是 植物修复技术走向工程应用的首要任务。超富集植 物的鉴别一个简单而有效的方法的是到矿区采集各 种植物进行分析,如在稀土矿区、铜矿区发现了各自 的超富集植物[ 2 7 - 2 8 1 。我国野生植物资源丰富,矿 区类型众多,用于植物修复的野生植物资源十分丰 富。目前在中国境内发现的许多超富集植物,如中 国科学院陈同斌等人在境内发现的砷超富集植物 蜈蚣草 P t e r i s 口i t t a t 口L . 、浙江大学杨肖娥等 人在浙江发现了锌超富集植物一东南景天 一 d “m a l f r e d i iH a 刀c e 等1 29 | 。另外要特别重视寻找、 培育多种重金属超富集植物,开展土壤重金属复合 污染的治理工作。 4 .2 植物组合技术 由于超富集植物往往植株矮小、生物量小,再加 上环境条件的限制,土壤重金属污染的植物修复的 效率受到了限制。为解决这一问题,组合技术可弥 补单一技术的不足,对现有各种重金属污染治理技 术进行综合利用而形成的所谓的植物组合技术将成 为今后土壤污染植物修复的一个重要研究领域。具 体表现为 1 螯合剂.植物修复,向土壤中施用螯合 剂诱导或强化植物超富集作用,从而强化植物对重 金属的吸收; 2 电压一植物修复,在电压作用下,电 极附近土壤溶液发生电化学反应,改变土壤中的 E h 、p H 值等理化性质,加快土壤重金属的解吸,提 高土壤溶液中重金属的含量,从而强化植物的吸收 和积累; 3 植物一微生物组合修复,与植物共生真 菌,其发达的菌丝提高了植物根系吸收营养的范围, 能促进植物对营养物质和重金属的吸收,同时许多 真菌对重金属有很高的耐性和积累性,真菌的活动 能降低重金属对植物的毒性,提供了对植物根系的 保护,有利于修复植物的生长,将适合某种污染的真 菌接种在超富集植物的根部,可以促进植物修复,例 如在煤矿区接种形成的丛枝菌根对于植物的生物和 重金属的去除具有十分明显的效果。 4 .3 与传统物理化学方法相结合的综合技术研究 将电化学、土壤淋洗法和植物提取综合应用到 土壤修复中,比使用任何单一方法效果要好。电流 能有效地将吸附的重金属从土壤颗粒中释放出来, 含配体的溶液能提高土壤溶液中重金属的浓度,植 物利用根系巨大的表面积将溶液中金属离子或金属 配位离子进行吸附、吸收和进一步转运。综合技术 可以弥补单一技术的缺陷,有利于在短时间内推上 市场,将称为矿区土地重金属污染的一个发展研究 方向。 4 .4 基因工程在植物修复中的应用研究 利用基因重组技术将具有金属富集特性的基因 导人到生物量大且易收获的植物中,并利用该植物 特定的受体细胞与载体一起得到复制和表达,使受 体细胞获得新的遗传特性,最后将转基因植物进行 田间试验,以确定是否达到目的。目前,将基因技术 应用于植物修复的研究才刚刚起步,但近年来研究 万方数据 1 2 8 有 色金属 第6 0 卷 结果表明基因技术的研究将是植物修复研究中的一 个重要并很有价值的方向。如研究发现[ 3 0J ,具有汞 离子还原酶基因 m e r A 的细菌不仅能还原H 9 2 , 对A u 3 和A g 也有一定的还原能力,将m e r A 引入 到A r a b i d o p s i s t h a l i a n a ,发现转基因的植物抗汞能 力提高了3 倍,并提高了对汞的吸收的能力,这种植 参考文献 物对A u 3 抗性也得到提高。 随着目前的植物修复试验基本上还处于试验摸 索阶段,大规模的工程应用较少。随着植物学、基因 工程、微生物学等科学技术的发展,植物修复技术必 将在矿区土壤重金属治理中大放异彩。 【1 ] 国土资源部.2 0 0 3 年中国国土资源公告[ E B /O L ] .[ 引用日期y y y y - m m .d d ] .h t t p //w w w w .m l r .g o v .c n . 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[ 9 ] W a t a n a b eME .P h y t o r e m e d i a t i o no nt h eb r i n kc o m m e r c i a l i z a t i o n 【J ] .E n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dT e c l m o l o g y /N e w s ,1 9 9 7 ,3 1 2 1 8 2 A 一1 8 6 A . [ 1 0 ] K L l m a rP BAN ,D n s h e n k k o vV ,M o t t oH ,e ta 1 .P h y t o e x t r a c t i o n t h eu s eo fp l a n t st Or e m o v eh e a v y - m e t a l sf r o ms o i l s 【J ] . E n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,1 9 9 5 ,2 9 5 1 2 3 2 1 2 3 8 . [ 1 1 ] 王学锋,朱桂芬.重金属污染研究新进展[ J ] .环境科学与技术,2 0 0 3 ,2 6 1 5 4 5 6 . [ 1 2 ] 龙新宪,杨肖娥,倪吾钟.重金属污染土壤修复技术研究的现状与展望[ J ] .应用生态学报,2 0 0 2 ,1 3 6 7 5 7 7 6 2 . [ 1 3 ] B a k e r ,AJM ,M c G r a t hSP ,S i d o l i , ,e ta t .T h ep o s s i b i l i t yo f i ns t u d yh e a v y - m e t a ld e c o n t a m i n a t i o no fp o l l u t e ds o i l s u s i n gc r o p so fm e t a l 2 a c c n m u l a t i n gp l a n t s [ J ] .R e s o u r c e s ,C o n s e r v a t i o na n dR e c y c l i n g ,1 9 9 4 ,1 1 3 4 1 4 9 . [ 1 4 ] B r o o k sRR ,L e eJ ,R e e v e sRD ,e ta 1 .D e t e c t i o no fn i c k e l i f e r o u sr o c k sb ya n a l y s i so fh e r b a r i u ms p e c i e so fi n d i c a t o rp l s n t s [ J ] . J o u r n a lo fG e o c h e m i c a lE x p l o r a t i o n ,1 9 7 7 ,7 1 4 9 5 7 . [ 1 5 ] C h a n e yRL .P l a n tu pt a k eo fi n o r g a n i cw a s t ec o n s t i t u e n t s [ M ] //P a r rJF .L a n dT r e a t m e n to fH a z a r d o u sw 部t 器.P a r k R i d g e ,N e wJ e r s e y ,US A N o y e sD a t aC o r p o r a t i o n ,1 9 8 3 5 0 7 6 . [ 1 6 3B r a d s h a wAD ,C h a d w i c kMJ .T h eR e s t o r a t i o nO fL a n d [ M ] .O x f o r d B l a c k w e l lS c i e n c ep u b l i c a t i o n s ,1 9 8 0 5 5 5 9 . [ 1 7 ] L e n aQM .Af e r nt h a th y p e r a c c n m u l a t e sa r s e n i c [ J ] .N a t u r e ,2 0 0 1 ,4 0 9 3 5 7 9 . [ 1 8 ] 沈振国,刘友良.重金属超量积累植物研究进展[ J ] .植物生理学通讯,1 9 9 8 ,3 4 2 1 3 3 1 3 9 . [ 1 9 ] 褒敏,铁柏清,唐美珍.土壤重金属污染的植物修复及其组合技术的应用[ J ] .中南林学院学报,2 0 0 5 ,2 5 1 8 1 8 5 . 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A d v a n c e so fP h y t o r e m e d i a t i o nI n v e s t i g a t i o no nM i n i n gA r e aS o i l C o n t a m i n a t e db yH e a v yM e t a l s W UQ i a n g .S U NL u 一如 C o l l e g eo fR e s o u r c ea n dS e c u r i t y ,C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ,B e O i n g ,1 0 0 0 8 3 ,C h i n a A b s t r a c t T h ea d v a n c e so fp h y t o r e m e d i a t i o nr e s a r c ho ns o i lc o n t a m i n a t e db yh e a v ym e t a l si nm i n i n ga r e aa r er e v i e w e d a n dt h ed e v e l o p i n gt r e n do fr e l a t i v et e c h n o l o g i e si sp r o s p e c t e d . K e y w o r d s e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ;p h y t o r e m e d i a t i o n ;r e v i e w ;m i n i n ga r e a ;h e a v ym e t a l sp o l l u t i o n 欢迎通过“非邮联订”订阅 ‘有色金属 季刊 一直参加全国非邮发报刊联合征订,联订代号为7 6 9 1 。欢迎广大订户通过全国非邮 发报刊联合征订服务部订阅本刊;全国非邮发报刊联合征订服务部地址为天津市大寺泉集北里别墅1 7 号。邮编3 0 0 3 9 5 。联系电话0 2 2 2 3 9 7 3 3 7 8 /2 3 9 6 2 4 7 9 。该服务部开通刊林网站,可进行网上联订,网址 为w w w .L H Z D .C O r n 。当然,您仍然可以通过编辑部订阅,请直接与张振健主编联系。 有色金属 季刊 编辑部 万方数据