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植物修复土壤重金属污染技术研究进展

2021-04-19 123 上传者：管理员

摘要：在工业化迅猛发展的现代，土壤重金属的污染已经对环境和粮食安全构成严重威胁。现有物理、化学和生物技术可用于修复受金属污染的土壤，其中生物修复中的植物修复被认为是一种经济有效的方法。植物修复是利用植物对污染物的吸收提取富集转化等一系列的做用降低环境中该污染物的浓度和毒性作用。这是一项相对较新的技术，被认为是具有成本效益、效率高、新颖、环保和太阳能驱动的技术，公众接受度高。植物修复是当前研究的热点之一。例如化学辅助植物提取和微生物辅助植物修复技术也可大规模用于净化受污染的土壤，在基因工程领域还需进一步研究以提高转基因植物的修复能力，并对植物修复技术的机制和有效性加以研究，帮助促进该技术的发展。

关键词：
植物修复
生物可利用度
超富集植物
重金属
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重金属对环境的污染已经成为世界性的严重问题。人类通过矿石提取、污水排放等途径将这些元素释放到环境中。随着工业化进程的加快和自然的生物地化循环的干扰，重金属污染问题日益严重。与有机物不同，重金属基本上是不可降解的，因此会在环境中积累。重金属元素是单质密度大于4.5g/cm3的一类金属元素的总称[1]。重金属元素进入土壤后，若含量高于安全标准从而使生态环境恶化的现象就是土壤重金属污染。由于它们有进入食物链的风险，所以这些重金属在农业土壤和水资源中的积累会对人类健康构成巨大威胁。

现如今有许多物理、化学和生物技术可用于修复受金属污染的土壤。这些方法具有一定的局限性，例如修复过程中工作量大，且修复成本较高，土质混浊，使得土壤理化性质发生变化，且这个变化是不可逆的。所以，对于重金属污染土壤的经济有效的修复方式就是植物修复。

植物修复是一种绿色清洁技术，其利用天然或转基因植物从环境中提取有害物质，即重金属，包括放射性核素、杀虫剂，多氯化物、来自环境的联苯和多环芳烃并将最小化转化为安全的化合代谢物，具有费用低、不破坏环境生态等优点。对于植物修复所采用的植物，其本身需对受重金属污染的土壤中的各种不利于其生长发育的因素具有较强的耐受性和抵抗性，同时该植物对重金属富集、转化以及吸收能力也有较高要求。传统的植物修复方法如果大规模投产使用会使经济负担较重，因为天然存在的超积累植物通常较慢生长，在地上物质产量相对较少。利用植物来降低土壤中重金属含量的方法有三类:蒸发法、固化法和吸提法[2]。最近的一些植物修复方法，如化学辅助植物提取和微生物辅助植物修复技术也可用于大规模净化受污染的土壤。

1、土壤重金属的来源及危害

1.1土壤重金属的来源

天然存在的重金属在环境中通常以不溶性的形式存在，如矿物结构，或以不易被植物吸收的沉淀或复杂形式存在。自然形成的重金属与土壤之间的结合能比人为来源的结合能要高得多。导致环境中重金属发生的自然过程的例子有彗星、侵蚀、火山爆发和矿物风化。人为来源的重金属由于其可溶性和流动性的活性形式，通常具有较高的生物利用度。这些人为来源包括合金生产、大气沉积、电池生产等。

1.2土壤重金属的危害

由于重金属与某些微量元素(如锌)的相似性，植物通过根部的皮质组织吸收重金属，并通过共质体或质外体途径到达木质部运输系统。这些金属可以积聚在可食用的植物部分中，从而进入食物链。

由于动物和人类的健康风险息息相关，重金属进入食物链中的危害也是不容小觑。这些重金属元素毒性较强，即使在极低浓度下也有可能造成严重损害。重金属对于人体健康影响非常大，有时，极其低的浓度就可能因其重金属元素的中毒。

2、重金属植物修复机理

现在利用植物生物作用进行受重金属污染的土壤修复，作用方式有6种类型:植物净化、植物降解、根际圈生物降解、植物提取、植物挥发和植物固定。通常，植物从土壤溶液中吸收金属，其作为生物可利用的重金属和植物营养素库。土壤pH值，有机质，根系分泌物，微生物生物量和竞争性阳离子等因素会影响土壤中重金属的利用率。

植物提取机制有五个主要步骤:根际土壤中的金属富集，植物根部对金属的吸收，向植物地上部分的转移，植物组织中的金属螯合和重金属耐受性[3]。植物修复过程的先决条件是重金属耐受性，因为植物对金属胁迫的耐受性越大，植物组织中的金属积累越多，对植物健康的负面影响最小。除了这些控制植物耐受性的生理机制外，每年生物量的生产量即枝干重和每年收获的净金属含量对于估算植物的植物提取也是至关重要的。土壤中包含的污染物质之间有区别，其治理修复的原理也有所区别，而目前在土壤污染修复处理领域比较关注的是有机毒害物质以及对重金属污染土壤的植物修复方法。

3、植物修复新进展

植物修复受污染的土壤似乎是解决重金属问题和具有广泛研究背景的有吸引力的方法[4]。其中利用超富集植物的提取作用去除土壤中超量重金属被认为是最有前途的植物修复技术。由于许多限制，传统的植物修复技术仍缺乏大规模应用。传统的植物修复方法面临一些限制，例如:(1)修复受污染的土壤的时间较长，受超积累植物的生长周期限制;(2)植物提取能力由于低地上生物量的产生，超积累植物的生产受到限制;(3)一小部分金属具有生物可利用性，这种生物可利用浓度随土壤pH值、有机物质、竞争性阳离子、钙质等而变化。这些不可避免的限制迫使研究人员修改传统的植物修复方法，以尽量减少这些限制，并确保大规模应用植物修复。仅依靠植物修复难以在短期内达到预期效果，通常需要使用其他方法强化超富集植物的修复效果。

目前，植物修复强化措施主要有三种:一是通过促进进植物生长，增加植物对重金属的富集量;二是通过调节根际微环境从而改变重土壤金属元素生物有效性;三是利用基因手段强化植物性能。最近，在该领域进行了大量研究，植物修复的最新进展如下所示。

3.1化学方法辅助非超富集植物修复

在植物修复土壤重金属的过程中选择合适的植物修复重金属的植物是最关键的。到目前为止，大多数被归类为超积累植物的植物符合上述标准。这些植物的主要缺点是其生长非常缓慢并且地上部分的富集量达不到理想效果。这些限制使得这些植物不能大规模地进行植物修复。然而，具有积累高金属浓度和更多生物量产生能力的植物可用作开发遗传修饰的参考。因此，应研究产生更多地上生物量的非超积累植物的植物修复潜力。这些有机酸可以形成低至中等稳定性的金属络合物。另一个优点是有机酸在土壤中比在合成螯合剂中易于生物降解，具有最小的环境污染风险。

3.2生物炭辅助植物修复

生物炭是由有机原料如植物材料，有机肥和污泥的热解合成的碳质多孔炭木是一种木质生物炭，是自预制时期以来最常用的生物炭。生物炭具有一些特定的物理化学性质如pH值高、表面积可以吸附金属所以可以固定有毒重金属等能力。这些能力使其成为优质重金属修复剂。可用于吸附的大表面积有助于通过在功能上交换重金属阳离子与其他金属阳离子形成重金属生物炭络合物。生物炭通过对土壤中重金属的迁移性喝生物有效性的影响来起到修复受污染土壤的作用。生物炭可以通过改性的方法来降低土壤中重金属的迁徙性增加其生物有效性，也可以固定土壤中的重金属减少其生物有效性。同时，生物炭还可以与其他固化材料一起使用，改善土壤的力学性质，以便达到更好的修复效果。生物炭不仅修复效率高，对土壤性质有改良作用，而且还有经济实惠，对环境友好等优点。

3.3微生物辅助植物修复

近年来生物修复领域开始结合系统生物学、宏基因组学、转基因技术等，并开始以整体的、系统的态度展开研究，进一步提高生物修复在不同环境中的应用稳定性，这对环境修复、污染治理具有重要的现实意义[5]。

例如植物生长促进细菌是植物生长过程中一个重要的微生物群落，可以帮助超累积植物更好修复重金属污染土壤。这些微生物可以作为共生细菌和自由活的根际细菌潜入植物内部通过各种机制刺激植物生长，从而使得植物可以更好更快地对土壤中的重金属进行吸收富集。

3.4使用转基因植物

基因工程在提高植物对环境中重金属污去除或解毒的能力方面发挥了至关重要的作用。该技术基于参与转基因植物中异生素化合物的摄取，易位，隔离和植物耐受的特定基因的过表达。利用转基因技术，将相关基因转移到植物细胞中。通过生物螯合剂的过度表达，使重金属不仅进入细胞质中，还进入木质部等其他部位，增加重金属的富集在植物体内的富集量。

4、展望

由于存在食物链污染和其他相关健康风险的潜在风险，土壤的重金属污染是当今的主要环境和健康问题。在这种情况下，植物修复技术可能被证明是解决这一问题的重要工具。就像其他物理和化学方法去除污染土壤似乎经济效用低，修复效果不好。超富集植物可以有效地用于从土壤中提取和收获大量有害金属以及其他无机和有机污染物。但是传统的植物修复方法在大规模上应用较不经济，因为天然存在的超积累植物通常较慢生长，在地上物质产量相对较少。因此，开发超累积植物使得更多金属被积累，对金属毒性的耐受性以及很好地适应各种气候条件的转基因植物的基因工程方法在这方面可能更有益。最近的一些植物修复方法，如化学辅助植物提取和微生物辅助植物修复技术也可用于大规模净化受污染的土壤。需要在基因工程领域进一步研究以提高转基因植物的植物修复能力，并了解植物修复技术的机制和有效性，以使这些技术更有效、更省时、更经济可行。

参考文献：

[1]杨志英,等.土壤重金属污染及其修复技术研究现状.绿色科技,2018(22):62-63+65.

[2]韩金涛,彭思毅,杨玉春.重金属污染土壤修复技术研究进展.绿色科技,2019(04):75-80.

[3]孙鑫,等.重金属污染土壤的植物强化修复研究进展.土壤通报,2017.48(04):1008-1013.

[4]刘少文,等.土壤重金属污染的生物修复研究进展.林业科学,2017.53(05):146-155.

[5]李敏,等.解磷微生物修复土壤重金属污染研究进展.生态学报,2018.38(10):3393-3402.

高诗倩,马广翔,马涛,黄丽珠,邱金伟.植物修复土壤重金属污染技术研究进展[J].科技风,2021(11):184-185.