重金属Cd污染土壤的植物修复研究
时间：2022-12-07 17:40:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
时唯伟，周长行，刘 凯，王 榕
（山东省土壤污染防治中心，济南 250012）
土壤是人类发展的根本，但随着开发活动的越来越多，大量重金属元素在土壤中沉积，破坏了生态环境平衡。重金属是造成我国土壤污染的重要因素，其中，重金属镉（Cd）具有易被植物吸收、迁移性强的特点，很难在环境中降解，已对我国部分土地造成严重污染。研究表明，Cd 是一种环境激素，易造成肾、骨、肝的病变。植物修复是一种绿色安全且成本低的技术，近些年来在Cd 污染治理中被广泛应用。本文综述了Cd 污染土壤的植物修复研究进展，以更好地将植物修复应用于Cd 污染土壤治理中。
土壤重金属污染指的是密度大于4.5 g/cm的金属或其化合物在土壤中造成的污染。在环境中，Cd元素化学性质活泼，毒性大。通常，其主要来源分为自然源和人为源。从自然源来看，Cd 主要来自成土母质，其在天然土壤中的含量很低，火山爆发、岩石风化以及森林火灾等也可能产生镉污染。从人为源来看，化肥使用、污水排放以及矿石开采等会造成镉污染。通常，Cd 长期存在于土壤中，会抑制土壤的酶活性，还会改变微生物群落，对其理化状态造成很大的负面影响。Cd 容易通过富集作用危害胃、肠、生殖系统等器官，具有极强的致癌性。
2.1 超富集植物的筛选
自然界中，部分植物富集重金属的能力远超一般植物。镉超富集植物对镉污染土壤中Cd 的富集能力很强，具有高效除镉的优势。如表1所示，近些年来，超富集植物研究多集中在硫华菊、宝山堇菜等草本植物中。沈佳怡等研究了不同植物对镉污染底泥的耐受性和富集转运特性，以期利用植物修复镉污染河道底泥，研究表明，龙葵、金盏菊、商陆与三叶鬼针草对镉的提取量均高于0.30 kg/hm，具有较好的修复效果，其中，龙葵对底泥中镉的提取量为2.84 kg/hm，提取效率可达88.75%，展现出较大的修复潜力。王沛琦等以5 个蓖麻品种为试验材料，通过大田试验对比了不同蓖麻品种对Cd 污染土壤的修复能力，认为蓖麻对土壤中重金属Cd 的富集能力较强，可用于修复云南个旧的Cd 污染土壤，且种植滇蓖2 号可以获得较好的修复效果。赵竑绯等评估了桉树、银合欢、楝树3 个多用途树种对Cd 的植物修复潜力，认为苦楝对Cd 的耐受性最强，银合欢修复Cd 污染土壤的潜力最大。刘倩等研究表明，无性系金丝柳具有较高的耐受性和累积能力，在Cd 污染土壤中能去除Cd，具有修复中重度Cd 污染土壤的能力。
表1 常见的镉超富集植物
2.2 植物修复方式
植物修复技术直接利用植物对重金属的转化、提取和挥发等机制来修复重金属污染土壤。该技术是目前研究最多、最具发展潜力的土壤重金属污染治理技术。当前，植物修复技术主要有植物挥发、植物稳定化和植物提取等。植物挥发只是利用根系分泌物或微生物作用来吸取或积累土壤中的污染物，把污染物从土壤转移到大气中，受气流变化影响，污染物状态无法跟踪和控制，容易对土壤造成二次污染。植物稳定化又称植物固定，指植物根系积累和沉淀土壤中的重金属，降低流动性，限制其浸出而进入地下水和食物链中。
植物提取是最常见的植物修复技术之一，是指利用植物根系从土壤中吸收重金属，并将其转移、积累至植物的叶和芽等地上部分。其主要分为自然植物提取和化学诱导植物提取，主要优点是能将土壤中重金属转移至植物中，既能治理污染，又能回收重金属。曹瑞祺等研究表明，在镉污染严重的土壤中，除柳树和芦苇外，可考虑种植杨梅、冬青、杜鹃来修复土壤。胡仲义等研究表明，低浓度的镉（10 mg/L）对冬青幼苗生长有促进作用，认为冬青在镉浓度小于10 mg/L 时耐受性较好。周志强使用象草修复Cd污染土壤，土壤有效态Cd 含量是影响象草地上部Cd提取量的关键因素。
3.1 植物-微生物联合修复
土壤中微生物含量丰富，重金属的迁移循环与微生物活动息息相关。在重金属污染土壤中，微生物群落变化与分泌物都会影响重金属的有效性。植物-微生物联合修复是指在植物修复基础上，联合植物共生或非共生微生物，形成联合修复体对重金属污染土壤进行修复，其主要有植物-菌根真菌联合修复、植物-根瘤菌联合修复和植物-专性菌株联合修复三种形式。刘悦畅研究了沼泽红假单胞菌和枯草芽孢杆菌联合作用对修复农田镉污染土壤的效果，认为沼泽红假单胞菌、枯草芽孢杆菌单独作用以及联合作用均能使农田土壤中镉的固定态增加，降低农田土壤中镉的生物有效性。李伟等采用温室盆栽试验，将丛枝菌根真菌摩西管柄囊霉接种在高羊茅上，研究表明，与未接种植株相比，接种摩西管柄囊霉显著提高了寄主植物对Cd 的富集能力，有利于重金属在根部的积累，同时降低了地上部的Cd 含量，其认为高羊茅-丛枝菌根共生体在Cd 污染土壤修复中具有潜在应用价值。
3.2 植物-化学联合修复
植物-化学联合修复利用化学试剂来辅助植物提取土壤中重金属或增强部分植物对重金属的稳定效果。其可用化学试剂调节土壤性质来促进重金属在超富集植物中的积累，因此是一种有效的修复方式。王雨涵等研究发现，乙二胺四乙酸（EDTA）能有效提高超积累植物对Cd 的提取量，柠檬酸和氨三乙酸混合物增加了油菜地上部组织中的酚酸、总有机酸和Cd 含量。杨晓斓等采用盆栽试验，探讨两个不同用量梯度下添加3 种有机酸（草酸、柠檬酸和氨三乙酸）对镉污染黄壤中龙葵生长及Cd 吸收的影响，结果表明，添加有机酸能促进龙葵生长和对Cd 的吸收，氨三乙酸施用量为2.5 mmol/kg 时，龙葵修复Cd 污染黄壤的效果最优。郭晖等研究外源柠檬酸的添加对萱草、鸢尾和美人蕉3 种观赏植物修复镉污染土壤的影响，结果表明，添加柠檬酸可有效提高3 种观赏植物对镉污染土壤的修复效率，美人蕉植株高大，根茎为块状，其表现出比萱草和鸢尾更强的镉修复能力。
3.3 农艺强化修复
随着科技的发展和时代的进步，利用植物修复技术修复重金属Cd 污染土壤时，可利用农艺措施提高植物的生物量，加强植物对镉的富集能力。常用的农艺措施有：调节土壤pH，改善土壤营养成分比例，利用科技手段增加生物量。曹雪莹等研究表明，伴矿景天与高积累晚稻轮作、伴矿景天与高积累油菜套作对中轻度Cd 污染农田土壤的修复潜力较大，可作为湘中Cd 污染农田修复的种植模式。谭可夫等研究表明，烟草-红叶甜菜轮作模式在中、高重金属污染风险农田土壤修复中具有一定的应用潜力。陈璘涵等比较分析了红叶甜菜-菊苣和菊苣-油葵两种轮作模式对镉污染土壤的修复潜力，认为其能充分利用四季的气候特点，在不影响作物产量的前提下大大提高作物对重金属Cd 的提取量。
土壤重金属污染是当今世界的重要环境问题，重金属镉毒性大，迁移性强，具有显著的生物积累和生物放大效应，很难在环境中降解。植物修复是目前应用最广的重金属Cd 污染治理技术，绿色无污染，具有良好的应用前景。本文综述了植物-微生物联合修复、植物-化学联合修复及农艺强化修复的研究进展，为后续研究奠定理论基础。当前，植物修复技术仍然不是十分成熟，大部分还处于实验室阶段，未能在实践中应用。超富集植物大多具有特异性，因此需要联合微生物、化学试剂及农艺措施等共同修复土壤重金属Cd 污染。未来，为了促进植物修复技术在实践中的应用，应加强联合技术研究，对环境微生态进行分析，避免造成二次污染。同时，利用农艺管理措施加强植物修复。此外，可利用分子生物学理念，通过基因工程技术提高植物对土壤Cd 污染的修复效果。
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