摘要：植物修复是治理土壤重金属污染的1种绿色可行技术, 由于该方法成本低、安全, 使其成为国内外研究土壤重金属污染的热点。该文主要对铜、锌、铅、镉、砷5种重金属的超富集植物进行分类介绍, 提出超富集植物的局限性及其强化措施, 将该方法与新技术结合使用, 以期达到土壤重金属污染治理的最大化。
关键词：植物修复; 超富集植物; 能源植物; 强化措施; 转基因植物;
随着我国经济快速发展, 环境问题日益突出, 土壤重金属污染成为迫切需要解决的世界难题。《全国土壤污染状况调查公报》显示, 我国土壤重金属污染中Cd的污染最为严重, 点位超标率 (指土壤超标点位的数量占调查点位总数量的比例) 达到7%, Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 7种无机污染物点位超标率分别为1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%[1]。中国受Cd、As、Pb等重金属污染的耕地面积近2×105km2, 约占耕地总面积的1/5, 每年因重金属而减产的粮食达1.0×107t[2]。土壤重金属污染具有滞后性、不可逆转性和隐蔽性, 而且重金属不能降解, 难以治理。生物修复技术具有绿色、经济、环保、成本低、不破坏土壤生态环境和无二次污染等一系列优势, 越来越受到国内外研究人员的重视。其中, 植物修复技术成为近年来土壤重金属污染修复研究的热点[3]。植物修复技术利用植物修复和消除由有机毒物和无机废弃物造成的土壤环境污染[4], 这一技术最早可追溯到300年前利用植物处理污染水源, 1983年由美国科学家Chaney等人首次提出了这一概念[5]。目前已有成功实施案例, 陈同斌等在湖南郴州市建立第1个植物修复示范工程, 并先后在云南省红河州和广西河池市等地开展产业化示范工作[6]。
1 超富集植物
重金属超富集植物具有以下3个重要特征:第一, 超富集植物地上部分的重金属含量是同等生境条件下其它普通植物含量的100倍以上;第二, 在重金属污染地生长旺盛, 生物量大, 能正常完成生活史, 一般不会发生重金属毒害现象;第三, 由于不同重金属在地壳中的丰度以及在土壤和植物中的背景值存在较大差异, 因此对不同重金属, 其超富集植物富集质量分数界限也有所不同[7]。本文将对Cu、Zn、Pb、Cd、As 5种重金属的超富集植物进行分类介绍。
1.1 铜超富集植物
已报道的铜超富集植物大多来自刚果富含重金属的土壤, 世界上其它铜矿地区偶尔会有铜超富集植物的报道, 但有待深入研究。迄今为止, 已发现铜超富集植物已达40余种, 富集铜能力最强的植物高山甘薯 (Ipomoea alpina) 累积铜的最大含量可达12300mg/kg[8]。我国对超富集植物的研究起步较晚, 但在铜的耐受或超积累植物方面也取得了一定的研究。张静言[9]在对铜超富集植物的初步筛选中发现, 菊花的3个品种“北国之春”、“北吉峰”、“红珍珠”以及柠檬百里香、海蝇子草、虎杖均为铜超富集植物。其中“北国之春”和“北吉峰”对铜的最大积累量分别可达15585mg/kg和12269mg/kg。康薇[10]等在铜超积累植物的研究中发现, 蓖麻对铜的积累量地下部分最高可达3495mg/kg, 地上部分最高可达1290mg/kg。Rajakaruna在斯里兰卡发现5种植物的铜吸附总量均超过1000mg/kg, 其中天竺葵 (Geniospourum tenuiflorum) 吸附量达到2299mg/kg[11]。综合来看, 铜超富集植物在全球都有一定的分布, 但这些植物均存在分布地域范围狭小的问题, 只能在特定的环境中生长, 因此铜超富集植物的异域种植及其应用还存在较大研究空间[12]。
1.2 锌超富集植物
目前全世界已发现锌超富集植物18种, 主要集中在北美洲、大洋洲和欧洲富含铅锌的土壤中[13]。根据Baker和Brooks给出的参考值, 植物体内锌含量达到10000mg/kg可认为是锌超富集植物。自然状态下, 锌矿通常和铅矿伴生, 因此在筛选锌超富集植物时要兼顾植物对铅锌2种重金属的耐性, 这给研究锌超富集植物造成了一定的难度。目前通过野外调查实验发现, 长柔毛委陵菜 (Potentilla griffithii var.velutina) 、天蓝遏蓝菜 (Thlaspi caerulescens) 、短瓣遏蓝菜 (Thlaspi brachypetalum) 和白铜钱 (Dichapetalum gelonioides) 为锌超富集植物。其中, 长柔毛委陵菜为蔷薇科, 地上部分对锌的富集量最高可达26700mg/kg, 天蓝遏蓝菜和短瓣遏蓝菜为十字花科, 其中天蓝遏蓝菜地上部分对锌的富集量最高可达39600mg/kg, 白铜钱为铜钱属, 地上部分对锌的最大富集量可达30000mg/kg。汤叶涛等通过室内营养液培养发现滇苦菜对锌有很高的富集效果, 地上部与根部最高可达12472mg/kg和14026mg/kg, 因此, 滇苦菜为我国新发现的1种锌超富集植物[14]。
1.3 铅超富集植物
国内外已报道的重金属超富集植物有400多种, 其中铅仅有几种。且在发现的铅超富集植物中, 大都生物量小, 生长缓慢, 不利于修复铅污染土壤。郭龙涛等通过土培和砂培商陆发现, 在土壤中, 商陆的地上部分最大积累量可达5052mg/kg, 在石英砂中, 商陆的地上部分可达10647mg/kg[15], 因此商陆可作为铅超富集植物。郭晓宏等在山西临汾煤矿周边发现夏至草为优势植物, 通过盆栽实验发现, 其地上部分对铅的吸收量最大可达5447mg/kg[16], 可作为铅超富集植物。
1.4 镉超富集植物
我国土壤镉污染严重, 尤其是农田土壤。由于水稻、小麦等农作物对镉有较强的吸收, 并通过食物链进入人体, 危害人体健康, 因此农田镉污染土壤的修复迫在眉睫。目前对镉超富集植物的研究主要集中在草本植物上。林诗悦等实验发现, 龙葵和印度芥菜地上部分镉含量最大分别可达536mg/kg、160mg/kg[17]。同时该研究发现, 龙葵虽地上部分镉吸收量大于印度芥菜, 但其生物量大, 且生长周期短, 较适宜用来修复镉污染土壤。
1.5砷超富集植物
目前研究最多的砷超富集植物为蜈蚣草, 已有大量研究表明, 蜈蚣草对元素砷有很好的富集效果。陈同斌等从矿区采集砷污染土壤进行盆栽实验发现, 室内栽培时蜈蚣草羽片的含砷量比野外生长条件下 (同一种土壤) 增加1倍多, 其羽片含砷量可高达5070mg/kg[18]。蜈蚣草不仅对砷有良好的富集效果, 同时该植物生长速度快, 生物量大, 可作为砷污染土壤的有效修复植物。除蜈蚣草外, 大叶井口边草[19]也是目前研究较多的砷超富集植物。
2 强化措施
在实际应用中, 由于超富集植物种类少, 对重金属元素的累积存在一定选择性, 且具有生长缓慢等局限性, 从而制约了植物修复在重金属污染土壤中的实际应用[20], 因此对超富集植物修复污染土壤使用强化措施十分必要。强化措施如下: (1) 使用能源植物、牧草、杂草等植物。这些植物生物量高、生长周期短、能累积不止1种重金属元素, 同时具有经济效益等优点。多年生黑麦草对Cu、Zn、Cd等多种重金属具有一定的耐受性, 且黑麦草生物量大, 生长快, 多根, 能很快适应周围环境, 价格低, 可作为修复Cu、Zn、Cd复合污染的有效植物[21-26]。徐卫红等发现在锌、镉复合污染的土壤中, 黑麦草地上部分对Zn、Cd的累积量可分别达到3108.72mg/kg、73.97mg/kg[22]。余游等研究发现, 黑麦草与地瓜套种的条件下, 黑麦草地上部对Cd的富集量为5.64mg/kg[27]。甜高粱作为1种能源作物, 现有很多研究表明可将高粱作为有效修复重金属污染土壤的植物。 (2) 采用多种修复技术联合修复来增加植物修复效率。Neugschwandtner等[28]通过盆栽和田间实验研究发现, EDTA提高了玉米对土壤中Pb、Cd的吸收速率。P?ociniczak等[29]发现, 通过向土壤中添加假单胞菌属可增强芥子类植物对Cn、An、Cd的吸收。 (3) 采用转基因技术。利用转基因技术获得对重金属具有超积累或者具有耐性的植物, 成功的关键在于外源基因在植物体内能否高效表达。Gisbert等[30]将小麦的络合素基因转入烟草中, 获得的转基因烟草积累Pb的量是非转基因烟草的2倍。Varva等[31]发现, 向番茄中导入ACC脱氨基酶, 可使番茄对Cn、Cd的富集效果提高5倍。闫成竹[32]从白三叶生理学与蛋白质组学的角度, 研究重金属Cd胁迫下白三叶根的抗氧化反应和根部蛋白质组学的变化, 促进富集重金属Cd转基因植物的开发。
植物修复是目前修复重金属污染土壤行之有效的办法, 但在实际工程应用中应与多种强化手段相结合。转基因技术可大大提高植物修复的效率, 但在具体应用中, 需考虑转基因植物对周围环境和人类健康的影响。
参考文献
[1]环境保护部, 国土资源部.全国土壤污染状况调查公报[J].中国环保产业, 2014 (5) :10-11.
[2]丁自立, 李书谦, 周旭, 等.植物修复土壤重金属污染机制与应用研究[J].湖北农业科学, 2014, 53 (23) :5617-5623.
[3]冯子龙, 卢信, 张娜, 等.农艺强化措施用于植物修复重金属污染土壤的研究进展[J].江苏农业科学, 2017, 45 (2) :14-20.
[4]白洁, 孙学凯, 王道涵.土壤重金属污染及植物修复技术综述[J].环境保护与循环经济, 2008, 28 (3) :49-51.
[5]Chaney R.Plant uptake of inorganic waste constituents[J].Land Treatment of Hazardous Wastes, 1983:50-76.
[6]杨二波, 李龙朋, 王帅溥, 等.生物育种的现状及发展趋势[J].河南农业, 2012 (13) :62-63.
[7]Baker A J M, Brooks R R.Terrestrial higher plants which hyperaccumulate metallic elements-a review of their distribution[J].Ecology and Phytochemistry Biorecovery, 1989, 1:81-126.
[8]唐世荣, 黄昌勇.利用植物修复污染土壤研究进展[J].环境科学进展, 1996 (6) :10-16.
[9]张静言.铜超富集植物的初步筛选研究[D].北京:北京林业大学, 2014.
[10]康薇, 郑进.蓖麻一种新的铜超积累植物[J].安徽农业科学, 2011, 39 (3) :1449-1451.
[11]Rajakaruna N, Bohm B A.Serpentine and its vegetation:A preliminary study from Sri Lanka[J].Journal of Applied Botany, 2002, 76 (2) :20-28.
[12]Kr?mer U.Metal hyperaccumulation in plants.[J].Annual Review of Plant Biology, 2010, 61 (2) :517.
[13]Baker A J M, Mcgrath S P, Reeves R D, et al.Metal Hyperaccumulator Plants:A Review of the Ecology and Physiology of A Biological Resource for Phytoremediation of Metal-polluted Soils[J].Meditsinskaia Sestra, 2001, 47 (2) :34-6.
[14]汤叶涛, 吴妤都, 仇荣亮, 等.滇苦菜 (Picris divaricata Vant.) 对锌的吸收和富集特性[J].生态学报, 2009, 29 (4) :1823-1831.
[15]郭龙涛, 冯荣, 欧品沙, 等.乌当区三种生境类型中镉、铅超富集植物筛选[J].贵州师范学院学报, 2017 (6) :23-28
[16]郭晓宏, 朱广龙, 魏学智.5种草本植物对土壤重金属铅的吸收、富集及转运[J].水土保持研究, 2016, 23 (1) :183-186
[17]林诗悦, 冯义彪.镉锌铅复合污染土壤的超富集植物修复能力研究[J].环境工程, 2017, 35 (3) :168-173.
[18]陈同斌, 韦朝阳.砷超富集植物是蜈蚣草及其对砷的富集特征[J].科学通报, 2002, 47 (3) :207.
[19]黄泽春, 陈同斌, 雷梅, 等.砷超富集植物中砷化学形态及其转化的EXAFS研究[J].北京同步辐射装置年报, 2003, 33 (6) :488-494.
[20]李燕, 马瑜, 朱海云, 等.重金属污染土壤植物及其联合修复的研究进展[J].环境科学与技术, 2016 (s2) :299-303.
[21]朱剑飞, 李铭红, 谢佩君, 等.紫花苜蓿、黑麦草和狼尾草对Cu、Pb复合污染土壤修复能力的研究[J].中国生态农业学报, 2018, (2) :303-313.
[22]徐卫红, 王宏信, 王正银, 等.重金属富集植物黑麦草对锌、镉复合污染的响应[J].中国农学通报, 2006, 22 (6) :365-365.
[23]赵树民, 李晓东, 虞方伯, 等.巨大芽孢杆菌LY02对黑麦草修复重金属污染土壤的影响[J].水土保持学报, 2017, 31 (05) :340-344.
[24]杜志敏, 郭雪白, 王继雯, 等.石灰与黑麦草对Cu污染土壤的修复及对微生物群落的影响[J].农业环境科学学报, 2017, 36 (03) :515-521.
[25]Wang D, Li H, Hu F, et al.Role of earthworm-straw interactions on phytoremediation of Cu contaminated soil by ryegrass[J].Acta Ecologica Sinica, 2007, 27 (4) :1292-1298.
[26]Wang X W, Liu Z F, Zhao B, et al.Effects of Intercropping with Ryegrass and Clover on Chromium, Copper and Nickel Accumulations of Pseudostellaria Maximowicziana[J].Environmental Science&Technology, 2017.
[27]余游, 肖伟, 谢阳东.黑麦草野地瓜套种对重金属镉吸收的研究[J].农学学报, 2017, 7 (8) :39-42.
[28]Neugschwandtner R W, Tlusto?P, Komárek M, et al.Phytoextraction of Pb and Cd from a contaminated agricultural soil using different EDTA application regimes:Laboratory versus field scale measures of efficiency[J].Geoderma, 2008, 144 (3) :446-454.
[29]P?ociniczak T, Kukla M, W troba R, et al.The effect of soil bioaugmentation with strains of Pseudomonas on Cd, Zn and Cu uptake by Sinapis alba L.[J].Chemosphere, 2013, 91 (9) :1332-1337.
[30]Gisbert C, Ros R, De H A, et al.A plant genetically modified that accumulates Pb is especially promising for phytoremediation.[J].Biochemical&Biophysical Research Communications, 2003, 303 (2) :440-445.
[31]Grichko V P, Filby B, Glick B R.Increased ability of transgenic plants expressing the bacterial enzyme ACC deaminase to accumulate Cd, Co, Cu, Ni, Pb, and Zn.[J].Journal of Biotechnology, 2000, 81 (1) :45-53.
[32]闫成竹.白三叶 (Trifolium repens L.) 根对重金属Cd响应的研究[D].哈尔滨:哈尔滨师范大学, 2017.
